ONONG NVA 1 NVU LVHO ATLVA SI VOHN
BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HQC SU PHAM HA NOI 2
LE VAN DUONG
NGHIEN CUU, CHE TAO CAM BIEN DO DONG DIEN DUA TREN VAT LIEU TO HOP
TU-DIEN METGLAS/PZT
LUAN VAN THAC Si KHOA HOC VAT CHAT
Trang 2BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HQC SU PHAM HA NOI 2
LE VAN DUONG
NGHIEN CUU, CHE TAO CAM BIEN DO DONG DIEN DUA TREN VAT LIEU TO HOP TU-DIEN METGLAS/PZT
Chuyén nganh: Vat ly chat ran
Mã số: 60 44 01 04
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang
Trang 3LOI CAM ON
Loi dau tién cho phép em bay té long biét on sdu sac đến cô giáo, người hướng dẫn khoa học PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang người đã tạo moi
điều kiện thuận lợi, chỉ bảo tận tình, bổ khuyết những kiến thức còn thiếu
trong suốt quá trình làm thực nghiệm nghiên cứu khoa học và hoàn thành
luận văn này
Em xin chân thành cảm ơn các thây, cô khoa Vat Lý trường ĐH Sư Phạm Hà Nội 2 đã trực tiếp giảng dạy, truyền thụ kiến thức giúp chúng em hoàn thành khóa học và củng cô kiến thức về bộ môn vật lý Đẳng thời em xin cảm ơn khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ Nano Trường ĐH Công nghệ-ĐH Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho chúng em có môi trường và trang thiết bị máy móc làm thực nghiệm hoàn thành luận văn tot nghiép
Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các anh, chị NSC tại khoa Vật
lý Kỹ thuật và Công nghệ nano, Ths Nguyễn Thị Ngọc người chị đã tận tình, sát sao chỉ bảo, hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quỷ báu cho em khi
làm thực nghiệm
Cuối cùng xin được gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến bố mẹ và gia đình đã luôn ủng hộ, động viên kịp thời giúp em vượt qua khó khăn
hồn thành cơng việc học tập của mình
Luận văn được thực hiện với sự hỗ trợ của Đề tài nghiên cứu mã số
VT/CN-03/13-15 thuộc Chương trình khoa học công nghệ độc lập cấp Nhà nước về Công nghệ vũ trụ
Hà Nội, ngày 12 thang 12 nam 2013 Tac gia
Trang 4LOI CAM DOAN
Tôi xin cam đoan những kết quá nghiên cứu khoa học là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố ở nơi nào khác
Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2013 Tác giả
Trang 5Hinh 1.1: Hinh 1.2: Hinh 1.3: Hinh 1.4: Hinh 1.5: Hinh 1.6: Hinh 1.7: Hinh 1.8: Hinh 1.9: Hinh 1.10: Hinh 1.11: Hinh 2.1: Hinh 2.2: Hinh 2.3: Hinh 2.4: Hinh 2.5: Hinh 2.6: Hinh 2.7: Hinh 2.8: Hinh 2.9: DANH MỤC ĐÒ THỊ VÀ HÌNH VẼ
Từ trường do dòng điện thắng sinh ra -¿- ¿65c 2ccccxcxcsccrrree 5
Sơ đồ cách mắc ampe kế vào mạch điện - ccsccs<c<ccs+ 6
Gavano KẾ St S111 1212151515111 111111 12111111151111111111111111 1101215 xe 7
Sơ đồ cách đo đòng điện xoay chiều (a) và đòng một chiều (b) Sơ đồ cấu tạo kìm dòng AC dựa trên hiện tượng cảm ứng điện-từ 9
Sơ đồ nguyên lý kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall, (a) mở vòng, (b) đóng VÒNG LH TK TT ket 10 Cấu tạo cảm biến đo đòng điện sử dụng hiệu ứng GMI 11 Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật
liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện
Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đối độ từ hóa bởi điện trường ngOải ng KH ng tk 13 Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và e-ø đặc trưng cho hiệu ứng
từ-điện trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện [5] .- - 14
Mô tả nguyên lý hoạt dong của hiệu ứng từ-điện thuận 15 Hình minh họa cấu hình vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết đính ¿2 s2 E2 2215121211211 tr 17
Ảnh chụp SEM vat liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng 18 Ảnh chụp vật liệu tổ hợp, cuon solenoid, xuyén IICA 18 Ảnh chụp cảm biến cấu hình chữ U (a) và chữ L (b) -. 19 Minh họa hệ đo thông số làm việc của cảm biến -ccccccsscec 20
Sơ đồ minh họa hệ đo từ-điện
Ảnh chụp hệ đo khảo sát đặc trưng - -ccscccccccccccrcrcrcrrres 22
Ảnh chụp hệ SEM S-3400N (PTN Micro-nano, Đại học Công
Nghệ-Đại học Quốc Gia Hà Nộii) cScSS n2 zez 23
Trang 6Hinh 2.10: Hinh 3.1: Hinh 3.2: Hinh 3.3: Hinh 3.4: Hinh 3.5: Hinh 3.6: Hinh 3.7: Hinh 3.8: Hinh 3.9: Hinh 3.10: Hinh 3.11: Hinh 3.12: Hinh 3.13: Hinh 3.14:
Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung(a), hệ do Lakeshore 7404(PTN Micro-nano, Đại học Công Nghệ-Đại học Quốc Gia
;6 90 25
Đường cong từ trễ tỉ đối M/M, (a) và độ cảm từ dM/dH (b) được
đo trên mẫu 12xI1, 12x7 và 12x12 mm s2 2 + E+k+sEzscsrsxcz 26
Độ cảm từ của băng từ mẫu 1 (12x1) và mẫu 2( I16x l) 27 Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra vào tần số 29 Sự phụ thuộc của thế lối ra vào điện áp xoay chiều kích thích cấp cho cuộn solenoid trên cảm biến l - 5-52 cccszxcccrz 30 Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào cường độ từ trường của
cảm biến mẫu Ì . ¿- ¿5222221 2E12E1211211211211211221221 111.16 31
Sự phụ thuộc của tín hiệu điện áp xoay chiều lối ra vào cường độ
dòng điện của cảm biến mẫu .- 5-2 +22 E E‡EEcEeEeEeErrkrses 32
Sự phụ thuộc của tín hiệu điện ap xoay chiều lối ra vào cường độ đòng điện tại các vị trí khác nhau - cành 32 Mô hình tính toán từ trường tác dụng lên bề mặt cảm biến (a) và
kết quả fit lý thuyết với số liệu thực nghiệm tín hiệu cảm biến
phụ thuộc vào khoảng cách giữa cảm biến và day dan voi dong cấp 1 A (Đ) 2.21212121212121 HH 1211011111112 1111 rey 34 Sự phụ thuộc của tín hiệu điện áp xoay chiều lối ra vào cường độ dòng điện của cảm biến mẫu 1 và mẫu 2 So đồ mắc cảm biến tổ hợp dạng chữ U (a) và chữ L (b) 36 Tần số cộng hưởng của các cảm biến S1, S2, S3 - 36
Trang 7Hinh 3.15: Hinh 3.16: Hinh 3.17: Hinh 3.18: Hinh 3.19: Hinh 3.20: Đường cong từ-điện của cảm biến S; (a) và đường fit trong dai từ -0,5 đến 0,5 Oe (b) cc n nh TT T11 2211111111121 01 11 ray 39
Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên các cấu hình chữ I, chữ L và U vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại vị trí
cách dây dẫn 3 mím ¿+ S222 St SE SEEEEE15121511 1112121111111 ceE 40
Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên cấu hình chữ U
vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại các vị trí khác nhau 41 Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên cấu hình chữ L vào sự thay đổi của cường độ dòng điện tại các vị trí khác nhau 41 kết quả fit lý thuyết với số liệu thực nghiệm tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào khoảng cách giữa cảm biến và dây dẫn với dòng
Khảo sát khả năng đo dòng điện và độ phân giải của cảm biến
Trang 8MUC LUC
LOI CAM ON LOI CAM DOAN
DANH MUC DO THI VA HINH VE MUC LUC 006790“ 1 Chương! TONG QUAN 1.1 Dòng điỆn œ << << 5 in T0 0 00 3
1.1.1 Nguồn gốc dòng điện -cc c2s E11 1111121121 1111111 3
1.1.2 Các đặc trưng của dòng điện Ăn nến 4 1.1.2.a Cường độ dòng điỆH ĂĂĂẶ Ăn key 4 1.1.2.b Từ trường do dòng điện sinh ra Sài, 5 1.2 Các loại thiết bị đo dòng điện - <5 s<cscecsssssssesssesssesssessssesszsse 5
1.2.1 Ampe KẾ c tt T111 1111111111111 11 1120101110111 1111k 6
1.2.2, Kìm dòng SH TH TH TH TT HH HH Hiến 8
1.2.2.a Kùm dòng xoay chiều AC dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ ọ 1.2.2.b Kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall 1.3 Cảm biến đo dòng dựa trên hiệu ứng GMI s< <<ses<cs<s=ss 11 1.4 Cảm biến đo dòng điện dựa trên hiệu ứng từ-điện 1.4.1 Hiệu ứng từ-điỆn - Sát S.n HS HT TT TH TH HH 12 1.4.2 Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận .- 15 1.4.3 Cam bién do dòng dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas 16
Chương2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Trang 9
2.2 Khảo sát các thông số làm việc của cắm biến . s<-<<ses<s<<s 19 2.3 Hệ đo khảo sát đặc trưng đo cường độ từ trường của cắm biến 20 2.4 Hệ đo khảo sát đặc trưng đo cường độ dòng điện của cám biến 21
2.5 Đo từ độ bằng từ kế mẫu rung VSM <5 sscescssscssssssesssssz 24
Chương3_ KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN -5-5-s° 5s ss<cssessssesessesss 26
3.1 Tính chất từ của băng từ Metglas .-. 5s cscscsesssssssrsesserssssssesee 26
3.2 Cảm biến đo dòng điện hình chữ I
3.2.1 Cảm biến hình chữ I sử dụng mẫu 1 kích thước 12x1 mm 28 3.2.1.a Đặc trưng phụ thuộc tẪN SỐ SE 1111111111121 811111 28 3.2.1.b Đặc trưng phụ thuộc điện áp xoay chiều cấp cho cuộn solenoid 29 3.2.1.c Đặc trưng phụ thuộc từ ITƯỜng «ch về 30
3.2.1.d Đặc trưng đo dòng ổiỆH Ă Ăn ven 31
3.2.2 Cảm biến hình chữ I sử dụng mẫu 2 kích thước 116xI mm 34
3.3 Cảm biến đo dòng điện tổ hợp -s- < 55s SssesEerseseksrsesessrsesessrs 35
3.3.1 Khảo sát đặc trưng của các cảm biến đơn ST, S2, S3 36
3.3.1.a Đặc trưng phụ thuộc tân số làm ViỆC -.cekckSSEE 22+ 36 3.3.1.b Pac trung phu thuéc dién ap xoay chiéu cap cho cuén solenoid 37 3.3.1.c Đặc trưng phụ thuộc từ ITƯỜng căn 38 3.3.2 Đặc trưng đo dòng điện của cảm biến tổ hỢP à cài 39
/sexnn o0 44
Trang 10MO DAU
Ngày nay, điện năng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Nó có mặt ở khắp mọi nơi,trong tất cả mọi lĩnh vực đời sống sinh hoạt và sán xuất Tuy nhiên, quản lý và sử dụng điện năng không hợp lý gây lãng phí, thiệt hại về người và của đang là vấn đề nan giải của ngành điện Việt Nam Để giải quyết vấn đề này việc làm cấp thiết là phải thường xuyên
kiểm tra đo đạc dòng điện Nếu kiểm soát được dòng điện, chúng ta có thé
tránh được những sự cố, hư hỏng kĩ thuật, phát hiện những hiện tượng làm việc không bình thường của mạch điện, từ đó đưa ra phương án khắc phục xử lý kịp thời Khoa học công nghệ phát triển việc đo dòng điện trở nên dễ dàng
hơn, ngoài phương pháp đo đòng truyền thống bằng cách sử dụng các loại
ampe kế, người ta còn sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc “non-contacft”
nhờ sự trợ giúp của các loại cảm biến hoạt động dựa trên một số hiệu ứng vật
lý khác nhau Phương pháp này hiện nay được dùng rất phô biến với nhiều ưu
điểm nối trội như đải đo rộng, độ chính xác cao, có thé do ca dong xoay chiéu và một chiều mà không cần phá vỡ mạch điện
Gần đây, một hiệu ứng vật lý mới là hiệu ứng từ - điện với sự tổ hợp
đồng thời của hai pha sắt từ và sắt điện trong một vật liệu (vật liệu
multiferroics) đang thu hút được nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là đo lường Từ
- điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác dụng của từ trường ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng của điện trường Nhờ khả năng chuyển hóa qua lại giữa năng lượng điện và từ nên hiệu ứng
này có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như chế tạo cảm biến, máy
phat dién,
Trang 11thanh phan Fe76.sNi;.2B13.2Sis cho hiệu ứng từ-điện không lồ trong vùng từ
trường rất thấp do tính chất từ siêu mềm của hợp kim này Tiếp tục các nghiên
cứu nhằm khai thác đặc tính nhạy từ trường của vật liệu này và để mở rộng
phạm vi ứng dụng của hiệu ứng, trong luận văn này, cảm biến đo dòng điện dựa trên nguyên lý đo từ trường của hiệu ứng từ-điện đã được nghiên cứu với
đề tài: “ Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo dòng điện dựa trên vật liệu tổ
hợp từ-điện Metglas⁄PZT” Dựa trên các đo đạc khảo sát đặc trưng đo dòng
điện của cảm biến, các mô hình tính toán lý thuyết cũng được xây dựng để
tìm ra qui luật thay đổi của tín hiệu lối ra phụ thuộc vào vi tri dat cam bién va
cuong d6 dong dién can do
Các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận văn này cụ thể như
Sau:
— Chế tạo vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ Metglas/áp điện PZT và
nghiên cứu các tính chất từ, điện và tính chất tổ hợp từ-điện của vật
liệu
— Chế tạo, khảo sát các thông số hoạt động đo dòng điện đặc trưng của
cảm biến
Trang 12Chuong 1
TONG QUAN
1.1 Dong dién
1.1.1 Nguồn gốc dòng điện
Lịch sử nghiên cứu về điện đã có từ hàng ngàn năm nay nhưng cho đến bây giờ chúng ta vẫn chưa biết chính xác thế nào là điện Người ta cho rằng điện được cấu tạo từ những phần nhỏ tích điện Theo lý thuyết này thì điện là dòng chuyên động của các electron hay các phân tích điện khác
Từ năm 600 trước công nguyên, những người Hy Lạp cổ đã biết rằng nếu cọ xát hỗ phách thì nó có thể hút được những mẫu giấy Cho đến trước
năm 1672 cũng chưa có một tiến bộ nào trong việc nghiên cứu về điện Vào
năm 1672 ông Otto Fon Gerryk khi để tay bên cạnh quả cầu bằng lưu huỳnh đang quay đã nhận được sự tích điện lớn hơn Vào năm 1729 ông Stefan Grey đã tìm ra rằng có 1 số chất có khả năng dẫn điện trong đó có kim loại, những chất như vậy được gọi chung là chất dẫn điện Đồng thời ông ta cũng phát hiện ra một số chất khác như thuỷ tinh, lưu huỳnh, hồ phách và sáp khong dan điện Chúng được gọi là những chất cách điện
Bước tiến tiếp theo trong việc nghiên cứu về đòng điện là vào năm 1733 khi một người Pháp có tên là Duy Phey tìm ra vật tích điện dương và vật tích điện âm, mặc dù ông cho rằng đó là 2 loại điện khác nhau Bedzamin Franklin là người đầu tiên thử giải thích thế nào là dòng điện Theo ông tắt cả các chất
trong tự nhiên đều có chứa “chất lỏng điện” Khi 2 chất va chạm vào nhau thì
một số “chất lỏng” của chất này sẽ bị lấy sang chất khác Ngày nay, chúng ta
nói “chất lỏng” được cấu tạo từ những điện tử mang điện tích âm Bộ môn
Trang 13năng lượng thường xuyên và kéo theo nó tất cả những phát minh quan trọng nhất trong lĩnh vực này
1.1.2 Các đặc trưng của dòng điện 1.1.2.a Cường độ dòng điện
Cường độ dòng điện qua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích
di chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian Nó thường được ký hiệu bằng chữ I từ chữ tiếng Đức Intensität nghĩa là cường độ Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị ampe (A)
Q
P= = (41 +42 +93 + + an)/t (1)
Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét:
AQ
lạ = — th = Fy (2) 2 Trong do:
+ 1„„ là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị đo ampe (A)
+ AQ là điện lượng chuyên qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian At, don vi la Coulomb (C)
+ At là khoảng thời gian được xét, đơn vị là giây (s)
Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời: dQ rn (3) Phuong pháp đo dòng điện trực tiếp được thực hiện hoặc theo cách trực tiếp Itp =
sử dung ampere kế (phần 1.2.1) hoặc gián tiếp dựa trên nguyên tắc đo từ
trường tán xạ do dòng điện sinh ra sử dụng kìm dòng, cảm biến đựa trên hiệu
Trang 141.1.2.6 Ti trường do dòng điện sinh ra
Moi dòng điện đều sinh ra từ trường trong không gian được tính toán tuân theo định luật Ampere Đây cũng là hiệu ứng được sử dụng để đo đòng điện một cách gián tiếp thông qua đo từ trường Từ trường sinh ra bởi dòng
điện chạy trong các cuộn dây dẫn có vectơ cảm ứng từ tại một điểm phụ thuộc
vào cường độ dòng điện 7 chạy trong dây dẫn, hình dạng dây, vị trí của điểm đang xét và môi trường xung quanh Từ trường sinh ra bởi dòng điện một chiều chạy trong đây dẫn thắng có được biểu diễn dạng như sau: Mol “ng (4) Trong đó: uạ: Hằng số từ môi 1: Cường độ dòng điện d: Khoảng cách từ điểm đang xét đến dòng điện Hod 2ar
Hình 1.1: Từ trường do dòng điện thẳng sinh ra
Theo công thức (4), từ trường được tính toán là rất nhỏ, tại khoảng cách 4 mm dòng điện l A tạo ra từ trường B = 49.9999 7 (= 0.499999 Gauss) tương đương độ lớn cường độ từ trường trái đất [6]
1.2 Các loại thiết bị đo dòng điện
Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ, việc đo dòng điện trở nên dễ
dàng hơn với sự xuất hiện của nhiều loại thiết bị đo dòng như ampe kế, kìm
Trang 15loại ampe kế có độ chính xác cao, tuy nhiên đải đo nhỏ và phải phá vỡ mạch điện, thường dùng để đo dòng một chiều không phù hợp với các mạch điện phức tạp Phương pháp đo không tiếp xúc “non-contact° có nhiều ưu điểm hơn như phương pháp đo đơn giản, độ chính xác cao, dải đo rộng, có thể đo cả dòng xoay chiều và dòng một chiều mà không phải phá vỡ mạch điện Phương pháp này hiện nay đang được sử dụng phổ biến với nhiều sản phẩm đa dang trên thị trường Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là sử đụng các cảm biến đo từ trường tán xạ sinh ra bởi dòng điện trong dây dẫn cần do, rồi lấy tín hiệu lối ra để suy ra cường độ dòng điện cần đo Vì từ trường sinh ra bởi dòng điện rất nhỏ nên yêu cầu đặt ra với các loại cảm biến này là phải
nhạy trong vùng từ trường thấp Dưới đây là một số thiết bị đo dòng điện phổ
biến hiện nay và nguyên lý hoạt động của chúng
1.2.1 Ampe kế
Ampe kế là dụng cụ đo cường độ đòng điện được mắc nối tiếp trong
mạch Tên của dụng cụ đo lường này được đặt theo đơn vị đo cường độ dòng
điện là ampe Để đo cường độ dòng điện, ampe kế phái được mắc nói tiếp vào
Trang 16Ampe kế bao gồm một Gavanô kế - điện kế (hình 1.3), là một bộ chuyên đổi từ cường độ dòng điện sang chuyển động quay trong một cung của một cuộn dây nằm trong từ trường
Hình 1.3: Gavano kế
Ampe kế loại này thường dùng để đo cường độ của dòng điện một chiều
chạy trong một mạch điện Bộ phận chính là một cuộn dây dẫn, có thể quay quanh một trục, nằm trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu Cuộn dây
được gắn với một kim chỉ góc quay trên một thước hình cung Một lò xo xoắn
kéo cuộn và kim về vị trí số không khi không có dòng điện Trong một số
dụng cụ, cuộn dây được gắn VỚI mỘt miếng sắt, chịu lực hút của các nam
châm và cân bằng tại vị trí số không Khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn
dây, dòng điện chịu lực tác động của từ trường (do các điện tích chuyển động
bên trong dây dẫn chịu lực Lorentz) và bị kéo quay về một phía, xoắn lò xo, và quay kim Vị trí của đầu kim trên thước đo tương ứng với cường độ dòng điện qua cuộn dây Để đo dòng điện lớn, người ta mắc song song với cuộn dây này các điện trở nhỏ để chia sẻ bớt đòng điện Các thang đo cường độ dòng điện khác nhau ứng với các điện trở shunt khác nhau Trong các ampe
kế truyền thống, các điện trở được thiết kế để cường độ dòng điện tối đa qua
Trang 17Tuy theo loai dién ké ma ampe kế thuộc các loại khác nhau: Ampe kế
điện từ có khung quay chi do duoc dong 1 chiều, ampe kế có sắt quay hoặc amppe kế nhiệt đo được cả đòng một chiều và xoay chiều
Nhược điểm của ampe kế là nó đo dòng điện một cách trực tiếp, do đó
phải phá vỡ mạch điện Phạm vi hoạt động của Ampe kế nhỏ (thường dưới 10 A) và độ chính xác của phép đo không cao
1.2.2 Kìm dòng
Simply clamp on a DC Power Supply
conductor for current measurement, Current Power Supply Load Clamp Meter (a) (b)
Hinh 1.4: So dé cach do dong dién xoay chiéu (a) và dòng một chiều (b)
Kìm dòng là một thiết bị vô cùng tiện lợi trong việc đo cường độ dòng
điện trong dây dẫn mà không cần phá vỡ mạch điện Với phương pháp đo dòng điện sử dụng ampe kế truyền thống, thiết bị đo cần mắc trực tiếp vào
mạch Tuy nhiên với kìm dòng, cường độ dòng điện được xác định bằng một
thao tác rất đơn giản như chỉ ra trên hình 1.4 Ưu điểm của phương pháp này
là cho phép đo dòng lớn với độ an tồn cao mà khơng cần ngắt mạch
Tùy thuộc chế độ đo dòng điện mà kìm dòng sử dụng được phân loại bao
Trang 181.2.2.a Kim dong xoay chiéu AC dwa trén hiéu teng cảm ứng điện từ
Kim dong AC hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông sinh ra bởi đòng điện chạy trong dây dẫn muốn xác định cường độ dòng điện Giả sử dòng điện chạy qua dây dẫn là dòng sơ cấp, chúng ta sẽ thu được dòng trong cuộn thứ cấp cuốn quanh xuyến từ tỉ lệ với đòng sơ cấp
do cám ứng điện từ Điều này cho phép dòng AC được xác định và hiển thị
trên màn hình số như được minh họa trong sơ đồ khối (hình 1.5) Ở đây,
xuyến từ được làm bằng vật liệu có độ từ thấm cao có vai trò tập trung từ
thông sinh ra bởi đòng sơ cấp
Y - = 1; Current under Test (Primary Current)
Transformer Jaws | N :Number of Turns on CT Winding
(1) i: Secondary Current on CT
Hinh 1.5: So dé cdu tạo kìm dòng AC dựa trên hiện tượng
cảm ứng điện-từ
Kìm dòng AC có thể được sử dụng để xác định dòng xoay chiều lên tới hàng nghìn ampe Tuy nhiên nhược điểm của nó là không xác định được dòng
điện xoay chiều nhỏ và dòng điện một chiều Ngoài ra, với nguyên lý cảm
ứng điện động thì tín hiệu lối ra tỷ lệ với biến thiên cường độ dòng điện cần
đo Do đó, tín hiệu lối ra bị méo, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo
Và thường sau một thời gian sử dụng (hoặc lỗi gặp phải khi dùng thiết bị loại
này đề đo dòng DC), vật liệu dùng làm vòng xuyến bị từ hóa và có từ dư, điều
Trang 1910
1.2.2.b Kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall
Khác với kìm dòng đo AC hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, vòng xuyến của kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall được cắt một khe nhỏ để
đặt cảm biến Hall Từ trường được tạo ra bởi đòng điện chạy trong dây dẫn thẳng sẽ được tập trung trong xuyến từ và được đo bởi cảm biến
Kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall có thể sử dụng công nghệ vòng mở
hoặc vòng đóng [13] Với công nghệ vòng mở (hình 1.6.a), thé Hall lối ra
được đưa vào một bộ khuếch đại thuật toán, tín hiệu ra (Vou) cho biết các
thông tin của dòng điện muốn đo với độ chính xác khoảng 1% và độ phân giải
cỡ 100mA Vùng hoạt động của thiết bị khá rong 0,5A+2000A, 0 kHZ (dong DC) dén 10kHz (a) (b) Hinh 1.6: So dé nguyén lý kìm dòng dựa trên hiệu ứng Hall, (a) mở vòng, (b) đồng vòng
Tuy nhiên hiện tượng từ trễ không tuyến tính trong sắt từ có thể làm giảm độ chính xác của phép đo, tương tự như với kìm dòng AC dựa trên
nguyên lý cảm ứng điện từ Trên thực tế người ta có thể sử dụng một mạch
điện hồi tiếp để giữ cho từ thông trong lõi sắt luôn xấp xi không, giảm thiểu
hiệu ứng từ trễ và tăng độ nhạy của đầu đo, như biểu diễn trong (hình 1.6.b),
đây chính là công nghệ vòng đóng Khi có dòng điện, từ thông trên gọng kìm
sẽ làm xuất hiện một điện áp trên ngõ ra của cảm biến Hall Dién ap nay sé
được khuếch đại lên nhiều lần và đưa về hồi tiếp vào cuộn dây để tạo từ trường ngược lại Nếu hệ số khuếch đại của mạch đủ lớn, thì tổng hai từ
Trang 20II
tiếp sẽ xác định được dòng trên dây cần đo Với thiết bị này, độ chính xác của
phép đo khoảng 1% với độ phân giải ImA Vùng hoạt động của thiết bị là 10mA+200A, 0 kHZ (dòng DC) đến 100kHz
1.3 Cảm biến đo dòng điện dựa trên hiệu ứng GMI
Cấu tạo của cảm biến gồm cảm biến GMI có tác dụng đo từ trường sinh
ra bởi dòng điện, được đặt trong khe của xuyến dẫn từ làm nhiệm vụ tập trung từ trường (hình 1.7) Điện cực Senso GMI ĐỂ cách điện @ Xuyên dẫn từ
Hình 1.7: Cầu tạo cảm biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng GMI
Khi cho dòng điện chạy qua xuyến sẽ sinh ra từ trường chạy trong
xuyến, từ trường này được tập trung tại khe từ, tác động lên cảm biến GMI
làm thay đồi tổng trở của cảm biến Thông qua việc xác định sự thay đổi tổng trở của cảm biến người ta sẽ xác định được cường độ dòng điện cần đo Cám biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng GMI có nhiều ưu điểm lớn như:
Tín hiệu ra tỉ lệ thuận với tín hiệu vào do đó cấp độ đo được bảo toàn, độ chính xác cao Đo được cả dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều
Kích thước nhỏ gọn, phù hợp với nhiều thiết kế yêu cầu thu nhỏ cấu
hình
Trang 2112 cảm biến sau khi chế tạo cũng tương đối thấp trung bình cỡ 5 (mV/A) trong đải đo 0-30 A [4] 1.4 Cảm biến đo đòng điện dựa trên hiệu ứng từ-điện 1.4.1 Hiệu ứng từ-điện
Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng tổ hợp của hai hiệu ứng từ giảo và áp điện
[8] Hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từ-điện
nghịch(converse magnetoelectric effect), trong đó hiệu ứng thuận là hiệu ứng
vật liệu bị thay đôi độ phân cực điện (AP) khi đặt trong từ trường ngoài (H), và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đối
(AM) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E) Hiệu ứng này thường được quan sát thấy trên các vật liệu có tồn tại đồng thời cá 2 pha sắt từ và sắt điện Trên hình 1.8 là hình biểu diễn đơn giản đặc trưng cho mối liên hệ giữa từ và
điện của cả hai hiệu ứng từ-điện thuận và nghịch
Cơ chế của hiệu ứng từ-điện thuận được giải thích là do khi vật liệu chịu
tác dụng của một từ trường ngoài /7, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh ra ứng suất tác dụng lên pha áp điện
Z Hiệu ứng thuận ™,
Từ trường tap mmmè Phân cực điện
Trang 2213
Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật liệu này sẽ bi thay đổi và do đó trên hai mặt đối điện của vật liệu sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu nhau như quan sát thấy trên hình 1.9.a Hiệu ứng từ điện thuận được đặc trưng bởi hệ số từ điện:œE = dE/dH
Cơ chế của hiệu ứng tù-điện nghịch được biểu diễn bởi sự thay đối từ độ
vật liệu (M) khi chịu tác dụng của điện trường # (hay điện áp V) (hình 1.9.b)
Ngược với hiệu ứng từ-điện thuận, trong hiệu ứng này, dưới tác dụng của điện trường, do hiện tượng điện giảo, pha áp điện sẽ bị biến dạng cưỡng bức sinh
ra ứng suất cơ học truyền cho pha sắt từ (từ giảo) Do hiệu ứng Villary, mô
men từ của pha này sẽ bị thay đổi để cực tiểu hóa năng lượng từ đàn hồi sinh
ra do ứng suất Hiệu ứng từ-điện nghịch được đặc trưng bởi hệ số từ-điện:
———>::
rhs] E
= dM/dE
Hinh 1.9: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài
Hiệu ứng từ-điện có sự chuyển hóa trực tiếp từ năng lượng điện thành
Trang 2314
Hình 1.10: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và e-ơ đặc trưng cho hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt dién[5]
Để hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo cảm biến đo dòng điện, hiệu
ứng từ-điện thuận tỏ ra có nhiều ưu thế do khả năng chuyên đôi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lỗi ra mà không nguồn đòng nuôi như các cảm
biến Hall và cảm biến từ-điện trở truyền thống
Cho đến nay, rất nhiều loại vật liệu có hiệu ứng từ-điện thuận đã được nghiên cứu và khai thác Trong đó, vật liệu có hiệu ứng từ-điện thuận có thể được chia thành hai loại chính là vật liệu đơn pha và vật liệu tổ hợp Trong
đó, vật liệu dạng đơn pha bộc lộ nhiều hạn chế như hệ số từ-điện thấp og ~1 —
10 (mV/cmO©) [3] Nguyên nhân là do các vật liệu đơn pha này được chế tạo đều dựa trên phản ứng pha rắn bằng cách nung thiêu kết ở nhiệt độ cao dẫn
đến sự hình thành một số pha phụ làm giảm tính chất từ-điện của vật liệu Cho
đến nay, hiệu ứng từ-điện lớn nhất được công bố trên các vật liệu tố hợp hai
pha dang tam va dạng màng mỏng Trong số đó, vật liệu tô hợp dạng tắm có nhiều ưu thế hơn do đặc điểm công nghệ chế tạo đơn giản, dễ chế tạo giá thành thấp, có thể sản xuất và ứng dụng hàng loạt với qui mô lớn Hơn thế nữa, đối với vật liệu tổ hợp dạng này ta có thể chủ động tối ưu các tham số và cấu hình vật liệu phù hợp với các yêu cầu ứng dụng cụ thê Đối với các ứng dụng trong vùng từ trường nhỏ cỡ từ trường trái đất thì yêu cầu đặt ra với các
vật liệu tố hợp 2 pha có hiệu ứng tù-điện thuận là pha sắt từ có tính chất từ
Trang 2415
1.4.2 Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận
Như đã trình bày trong phần về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-
điện thuận, đối với vật liệu tổ hợp dạng tắm gồm hai lớp, khi có mặt từ trường
ngồi khơng đổi (pc) chỉ có lớp có từ giảo (sắt từ) bị biến dạng còn lớp áp điện (sắt điện) thì không chịu ảnh hưởng bởi từ trường này
Ứng suất không đổi o„ ‡ Ứng suất dao động: Orc = 6, SIN(2nft + ©) +, Ẻ => Q it %\ | Mat mat dién tich *! sau thời gian + —> a> e- H Ope Pha tir giao Pha ap dién
| ¿ => lf MMW Điện tích biến thiên
q = qo (sin2xft + ¢’)
——> ——>
Hct ha Cee
Hình 1.11: Mô tả nguyên lý hoạt dộng của hiệu ứng từ-điện thuận
Do có sự liên kết cơ học giữa hai lớp nên biến dạng trên vật liệu t6 hop sẽ được quan sát là biến dạng uốn cong (hình 1.11) và ứng suất được sinh ra cũng là một ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh) (ơpc) Sự có mặt của ứng suất
này sẽ làm xuất hiện trên 2 mặt đối diện của tắm áp điện lượng điện tích cảm
ứng không đổi (pc) Lúc này tắm áp điện đóng vai trò như một tụ điện với lượng điện tích không được duy trì mãi mà sẽ bị suy giảm rất nhanh sau một hằng số thời gian (z) do xảy ra hiện tượng phóng điện khi kết nối với các thiết
bị đo đạc Đề duy trì được lượng điện tích này, trong đo đạc thực nghiệm, một
Trang 2516
dao động (øạ) tác dụng lên pha áp điện Sự có mặt của ứng suất này sẽ tạo ra điện lượng biến thiên (gac) trên tắm áp điện và việc đo đạc có thể đễ dàng
được thực hiện thông qua việc đo điện áp xoay chiều lối ra trên tắm vật liệu
áp điện [5]
1.4.3 Cảm biến đo dòng dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT
Các nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp các băng từ siêu mềm metglas có pha tạp Ni với thành phần
Fe+sgNii2B4:2Siss (Metglas pha Ni) với pha sắt điện là gốm áp điện dạng tam
Pb(Zr,Ti)O; (PZT) có hệ số điện-cơ lớn có thể cho hiệu ứng từ-điện lớn
22000 mV/cmOe trong từ trường rất nhỏ (~5 Oe) [15] Hiệu ứng thu được này có thể so sánh được với các kết quá tốt nhất hiện nay được công bố trên thế giới trên các vật liệu tổ hợp dạng này Đồng thời, trong nghiên cứu ứng dụng, nhóm cũng đã chế tạo thành công cảm biến đo từ trường trái đất sử dụng vật
liệu tổ hợp Metglas/PZT với độ chính xác và độ phân giải cao hướng đến ứng
dụng trong công nghệ vệ tỉnh, định vi GPS [1]
Khai thác thế mạnh đo từ trường siêu nhạy trong vùng từ trường thấp của
vật liệu tố hợp Metglas/PZT, các nghiên cứu tiếp tục được thực hiện với mục
tiêu mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu để chế tạo các cảm biến đo dòng
điện dựa trên một hiệu ứng vật lý hoàn toàn mới khác xa với các cảm biến
truyền thống có cùng chức năng nhưng cho độ nhạy và độ chính xác cao sử dụng công nghệ chế tạo đơn giản qua đó hạ giá thành sản phẩm Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu được đặt ra trong luận văn với mong đợi sẽ chế tạo thành công cảm biến có các thông số có thể so sánh được với các cảm
Trang 2617
Chương 2
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT
Dựa trên các kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu tại Trường Đại
học Công Nghệ về hiệu ứng từ-điện của vật liệu tổ hợp Metglas/PZT Trong
luận văn này, chúng tôi lựa chọn PZT [7] có kích thước 12x I mm và tắm băng từ Metglas 2650SC với chiều dài 12 mm và 116 mm làm vật liệu Chúng
tôi mong đợi cảm biến được chế tạo ở kích thước này sẽ có độ nhạy cao, có
khả năng đo được từ trường thấp sinh ra bởi dòng điện chạy trong dây dẫn
điện thẳng
Vật liệu multiferroics tổ hợp sử dụng trong luận văn được chế tạo bằng
phương pháp kết dính với hai cấu hình như biểu diễn trên (hình 2.1) Trong
đó, một tắm băng từ Metglas 2650SC với chiều dài 12 mm và 116 mm được gắn trên mặt của tấm áp điện dày 0,5 mm hình chữ nhật 12xI mm Mẫu sau
khi chế tạo được gắn điện cực lên hai mặt của tắm áp điện đã được phân cực
theo phương vuông góc với mặt phẳng tắm = Metglas FewsNiBisSiss Bonding layer Hình 2.1: Hình mình họa cấu hình vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết dính
Chiều dày các lớp, độ đồng nhất của lớp kết dính được quan sát sử dụng
Trang 2718 Ni-based Metglas Adhi yer PZT plate Hình 2.2: Ánh chụp SEM vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết dính
Từ trường xoay chiều kích thích được tạo ra bằng cách sử dụng cuộn dây
solenoid lam bang Cu được cuốn xung quanh ống plastic có mật độ vòng dây
được xác định từ thực nghiệm là 10.5 vòng/mm, chiều dài 12 mm và có
đường kính ngoài 1.8 mm Dây Cu được sử dụng có đường kính 80 tm bọc cách điện
Vật liệu multiferroics sau khi chế tạo hoàn chỉnh được gắn điện cực và
đưa vào bên trong lõi của cuộn solenoid tạo từ trường xoay chiều
Hình 2.3: Ảnh chụp vật liệu 16 hop, cuén solenoid, xuyến mica và cảm biến mẫu l hoàn thiện
Để thuận tiện cho việc khảo sát đặc trưng đo cường độ dòng điện của
cảm biến đồng thời đánh giá sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào vị trí đặt dây
dẫn dòng điện, chúng tôi thiết kế các tắm mica có cấu hình phù hợp với cấu
Trang 2819
Cụ thể trên cấu hình cảm biến don (mau 1) kích thước 12x1 mm, chúng tôi thiết kế xuyến tròn có khoan sẵn các lỗ cho dây dẫn điện đi qua Khoảng
cách giữa dây dẫn và cảm bién la r = 3mm, 5mm, 9mm,13 mm,17 mm
(hinh 2.3)
Trên tắm băng từ kích thước 1161 mm, ching t6i tiến hành tích hợp ba
cảm biến đơn S¡, Sa, S¿ trên cùng tam băng từ Các cuộn solenoid dugc mắc
song song với nhau và nối với nguồn cấp xoay chiều, tín hiệu lối ra trên các
cảm biến thành phần được mắc nối tiếp với nhau để điện áp thu được sẽ là
tổng của các điện áp thành phần Cấu hình chữ U được kết hợp bởi ba cảm
biến S¡, Sz, S; còn cấu hình chữ L là sự kết hợp của hai cảm biến Ss, S; (hình
2.4)
(a) (b)
Hình 2.4: Ảnh chụp cảm biến cấu hình chữ U (a) va chit L (b)
2.2 Khảo sát các thông số làm việc của cảm biến
Cường độ từ trường xoay chiều kích thích và tần số cộng hưởng của cảm biến là hai thông số làm việc quan trọng của cảm biến Hiện tượng cộng
hưởng xảy ra khi tần số dao động cơ học riêng của vật liệu bằng tần số kích
thích của từ trường xoay chiều Ở đây, để tạo ra từ trường xoay chiều ñạe = ho sin(2nft), ching tôi sử dụng bộ khếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in
Amplifier) đóng vai trò như một nguồn nuôi xoay chiều cấp cho cuộn dây solenoid của cảm biến Tần số nguồn cho phép nằm trong đải từ 0 đến 250
kHz và điện áp nguồn nuôi trong dải từ 0 đến 5V Bộ khuếch đại lock-in này
Trang 2920
biến cho phép đo chọn lọc tần số tương ứng với tần số kích thích cuộn dây
Biên độ của đ¿e được tính tốn có thê thay đổi từ ñ„= 0 đến 2 Oe
Thông số hoạt động của cảm biến được khảo sát thông qua phép đo tín
hiệu lối ra từ cảm biến phụ thuộc vào tần số và biên độ của nguồn nuôi lock-
in Số liệu đo bao gồm tín hiệu lối ra của lock-in và các tín hiệu kích thích bao
gồm biên độ và tần số được ghi tự động nhờ ghép nối máy tính sử dụng
chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Delphi Trên (hình 2.5) là sơ đồ
bố trí hệ đo khảo sát các thông số làm việc của cảm biến Giá trị tần số cộng
hưởng và cường độ từ trường xoay chiều kích thích được lựa chọn khi tín
hiệu điện áp lối ra thu được từ cảm biến cho giá trị ổn định và lớn nhất Keithley 2000
Lock-in 7265 —=—
cảm biến
Hình 2.5: Minh họa hệ ẩo thông số làm việc của cảm biến
2.3 Hệ đo khảo sát đặc trưng đo cường độ từ trường của cảm biến
Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lối ra trên cảm biến vào từ trường một chiều được khảo sát dựa trên nguyên lý đo hiệu ứng từ-điện Thế áp điện
V„„ là thế hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trường xoay chiều hac=ho.sin(2aft) kích thích đặt trong từ trường một chiều #;c Trong phép đo
này, để tạo ra từ trường một chiều #pc, chúng tôi sử dụng cuộn Helmholtz
(Lake Shore Model MH-2.5 Helmholtz) có hệ số chuyển đổi &„ = 29.97
Trang 3021
tới 1.05 A và độ chính xác l uA cho cường độ từ trường cực đại là 31.4685
Gauss theo công thức: Hpc=kn*l (5) Keithley 2400 ‡ 7= #š[— Lock-in 7265 ‡
Hình 2.6: Sơ đồ minh họa hệ đo từ-điện
Mục đích của phép đo này là khảo sát, đánh giá vùng từ trường làm việc
của cảm biến, xác định độ nhạy, độ phân giải của cảm biến và hệ số chuẩn
hóa của cảm biến khi sử dụng để đo cường độ dòng điện
2.4 Hệ đo khảo sát đặc trưng đo cường độ dòng điện của cảm biến
Khá năng đo cường độ dòng điện của cám biến được khảo sát thông qua
đo sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra trên cảm biến vào cường độ dòng điện và
khoảng cách từ cảm biến đến dây dẫn mang dòng điện cần xác định Trong
phép đo này, cảm biến sẽ đo từ trường một chiều /#pc tạo ra bởi dòng điện
một chiều chạy trong dây dẫn thắng dài được nuôi bởi nguồn dòng keithley
2400 với cường độ dòng điện cực đại lên tới 1,05 A và độ chính xác của dòng
cấp là 1 HA như minh họa trên hình 2.7.Quy luật thay đổi của điện áp lối ra
trên cảm biến vào từ trường một chiều được khảo sát dựa trên nguyên lý đo
hiệu ứng từ-điện Như đã trình bày, thế áp điện Vz là thế hiệu xoay chiều
sinh ra đo cảm ứng bởi từ trường xoay chiều h„„¿ = b„.si(2z/?) kích thích đặt
trong từ trường một chiều H›c Số liệu đo sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào
Trang 3122
Đông - Tây để loại các nguồn từ trường gây nhiễu lên phép đo Mục đích của phép đo này cho ta khảo sát vùng làm việc của cảm biến, độ nhạy và độ phân
giải của cảm biến và xác định hệ số chuẩn hóa của cảm biến khi sử dụng để
đo từ trường do dây dẫn điện tạo ra
Khuếch đại
Lock-in
Hệ đo khảo sát dòng điền-
Hình 2.7: Ảnh chụp hệ đo khảo sát đặc trưng đo dòng điện của cảm biến
Trong luận văn này để nghiên cứu bề mặt của mẫu, đo chiều dày của băng từ và của lớp kết dính, chúng tôi sử dụng máy đo SEM S-3400N của hang Hitachi tai Phòng thí nghiệm Micro-nano, Trường Đại học Công Nghệ -
Đại học Quốc Gia Hà Nội (hình 2.8)
Phép đo được thực hiện tại nhiệt độ phòng với độ phân giải của thiết bị:
3.0 nm (tại 30 kV, chân không cao), 10 nm (tại 3 kV, chân không cao), 4.0 nm (tại 30 kV, chân không thấp) và dải làm việc của điện áp nằm trong
khoảng từ 0,1 kV đến 30 kV
Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM được mô tả trên hình 2.9 [12] Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm
điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được phát ra từ
súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường ), sau đó được tăng tốc
Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự
Trang 3223
vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trắm Angstrong đến vài
nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các
cuộn quét tĩnh điện Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai,
chính vì thé ma SEM không thê đạt được độ phân giải tốt như TEM Ngoài ra,
độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt
mẫu vật và điện tử Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức
xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông
qua việc phân tích các bức xạ này Các bức xạ chủ yếu gồm:
Hình 2.8: Ảnh chụp hệ SEM S-3400N (PTN Micro-nano, Đại học Công Nghệ- Đại học Quốc Gia Hà Nội)
Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu
với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt
mẫu
Trang 3324
chúng thường có năng lượng cao Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào thành
phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tứ tán xạ ngược rất hữu ích cho
phân tích về độ tương phản thành phần hóa học Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược có thê dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho
việc phân tích cấu trúc tỉnh thể (chế độ phân cực điện tử) Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên có thể dem
lại thông tin về các đômen sắt điện điện tử _ —————] se Máy Thấu kính hội tụ | cy phat Lande Thấu kính hội tụ 2 _ | ae Vật kính = Cuén quét Khuéch dai Ghi điện tử tán
Cảm biến tia X Senge
Ghi điện tử Bé chon [>] Khuéch
thir cap dai Mau Ghi nhận dòng | ] qua mau l —— Hệ thống bơm chânkhông ——Ƒ Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét 2.5 Do từ độ bằng từ kế mẫu rung VSM
Từ kế mẫu rung là một thiết bị dùng để đo các tính chất từ của vật liệu
bao gồm đường cong từ hóa, từ độ bão hòa, lực kháng từ, độ thâm từ Đây
Trang 3425
anh) và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi 2 cực của nam châm điện Khi rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông đi qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận
với mômen từ M của mẫu:
V , 40NS,M (6)
Với S„ là tiết diện vòng dây
N là số vòng đây của cuộn dây thu tín hiệu (b)
Hinh 2.10: So d6 nguyén by hé do tir ké mau rung(a), hé do Lakeshore 7404(PTN Micro-nano, Đại học Công Nghệ-Đại học Quốc Gia Hà Nội)
Trong luận văn của mình, tính chất từ của các băng từ sau khi chế tạo
được nghiên cứu sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) của hãng Lakeshore
7404 tại Phòng thí nghiệm Micro-nano, Trường Đại học Công Nghệ - Đại học
Trang 3526
Chuong 3
KET QUA VA THAO LUAN
3.1 Tính chất từ của băng từ Metglas
Tính chất từ của băng từ Metglas đã được nghiên cứu thông qua phép đo đường cong từ hóa Các nghiên cứu này một phần đã được thực hiện trong luận văn của thạc sĩ Nguyễn Xuân Toản (2011) [5] Trong các nghiên cứu của mình, để lựa chọn cấu hình tối ưu cho các nghiên cứu triển khai ứng dụng chế tạo cảm biến, chúng tôi đã tiến hành đo đạc trên các mẫu băng từ có cùng
chiều dai L = 12 mm va chiéu rong 14 12 mm, 7 mm va Imm Phép đo được
Trang 3627
Kết quả cho thấy băng từ thể hiện tính chất từ siêu mềm với từ trường bão hòa rất nhỏ và hầu như không trễ với lực kháng từ /c = 0.2 Oe Tất cả các mẫu băng từ này đều cho độ cảm từ rất mạnh ở từ trường xung quanh 0
Oe Đây chính là thế mạnh của băng từ dạng này khi khai thác ứng dụng với
dải đo vùng từ trường thấp đặc biệt phù hợp với các ứng dụng do dòng điện
do từ trường tạo ra bởi dòng điện rất nhỏ Điều đáng chú ý ở đây là các mẫu
có kích thước khác nhau đường cong từ hóa thể hiện tính từ mềm khác nhau Trong đó, mẫu có tỉ số dài/rộng càng lớn thì tính từ mềm càng được tăng cường Xu hướng này được thể hiện rất rõ trên đường cong độ cảm từ trên hình 3.1.b với độ cảm từ tăng mạnh gấp gần 3 lần trên mẫu 12x1 mm so véi
mẫu 12x12 mm Điều này có thể được lý giải là do dị hướng hình dạng có xu
hướng chiếm ưu thế dọc theo chiều dài mẫu khi mẫu có sự khác nhau giữa
chiều đài và chiều rộng càng lớn Từ các kết quả khảo sát này, để chế tạo cảm biến đo dòng điện với yêu cầu rất nhạy trong từ trường thấp đủ để cảm nhận
từ trường tán xạ rất nhỏ do dòng điện sinh ra, kích thước được lựa chọn là 12xI mm để chế tạo vật liệu tổ hợp dùng cho cảm biến Ngoài ra, để lợi dụng
dị hướng đơn trục theo chiều dài của băng từ Metglas, chúng tôi cũng thiết kế
mẫu băng từ kích thước 116xI mm Do chiều đài của băng từ lớn không thể
sử dụng hệ đo VSM được vì vậy một hệ đo gián tiếp được thiết kế gồm hai
Trang 3728
Băng từ Metglas được đưa vào bên trong lòng cuộn sơ cấp, tín hiệu lối ra
được hiển thị trên lock-in 7265 và được đưa vào máy tính Kết quả được đưa
ra trên hình 3.2 Ta thấy khi không có Metglas bên trong thì đường biểu diễn thé lối ra là một đường thắng không thay đối, thế này được tạo ra do từ trường của cuộn sơ cấp Khi có Metglas bên trong thế lối ra có sự thay đổi rõ ràng,
nhìn vào đồ thị hình 3.2 ta thấy cả 2 mẫu 12x1 mm và I16xI mm tất nhạy với
vùng từ trường thấp xung quanh 0 Oe, điều này rất tốt cho việc cảm nhận từ trường rất nhỏ do dòng điện tạo ra trong quá trình khảo sát dòng điện
Nhìn vào đồ thị hình 3.2 ta có thể thấy hệ số cảm từ của mẫu 2 (116x1)
lớn gấp 1,45 lần so với mẫu 1 (12xI1), ta thấy rất rõ tính chất từ mềm tăng
mạnh với sự tăng lên của tỉ số chiều dài/chiều rộng Vì vậy, chúng tôi hi vọng
rằng cảm biến sử dụng mẫu băng từ II6xI mm sẽ hoạt động tốt hơn mẫu 12x1 mm
3.2 Cảm biến đo dòng điện hình chữ I
3.2.1 Cảm biến hình chữ I sử dụng mẫu 1 kích thước 12x1 mm 3.2.1.a Đặc trưng phụ thuộc tần số
Tần số cộng hưởng và cường độ từ trường xoay chiều cấp cho cuộn solenoid là các thông số quan trọng cho phép xác định điểm làm việc tốt nhất của cảm biến Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số dao động cơ học riêng
của vật liệu bằng tần số kích thích của từ trường xoay chiều Trên hình 3.3 là
đường cong sự thay đổi của tín hiệu lối ra thay đổi theo tần số quét trong dải từ trường từ 0 đến 250 kHz của cảm biến Nhìn vào đường cong này ta thấy có
xuất hiện duy nhất một đỉnh rất hẹp xung quanh tần số 125.6 kHz, tại đó tín
hiệu của cảm biến thu được lớn nhất Đây chính là tần số cộng hưởng /; và
được chọn là tần số làm việc của cảm biến Từ đỉnh cộng hưởng này, hệ số
phẩm chất tương ứng của cảm biến có thể được tính tốn theo cơng thức:
~4ƒ
Trang 3829
voi Af la d6 réng ntra dinh céng hưởng và ƒ là tần số cộng hưởng Độ rộng của đỉnh cộng hưởng hẹp, hệ số phẩm chất Q~1,5% cho phép thiết kế bộ lọc
tần số có độ chính xác cao nhờ đó có thể tăng cường tỉ số tín hiệu/nhiễu và độ
phân giải của cảm biên 600 450 > z 300 >` 150 0 1 l 1 L L L L L L 0 50 100 150 200 250 † (kHz)
Hình 3.3: Sự phụ thuộc của điện áp xoay chiều lỗi ra vào tần số
3.2.1.b Đặc trưng phụ thuộc điện áp xoay chiều cấp cho cuộn solenoid Điểm cấp điện áp xoay chiều kích thích phù hợp cho cuộn solenoid được
xác định thông qua phép đo khảo sát tín hiệu lối ra của cảm biến khi thay đôi
điện áp xoay chiều cấp vào từ 0V đến 5V tại tần số cộng hưởng /;¿ =125.6
KHz Trên Hình 3.4 là đồ thị sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra trên cảm biến
mẫu 1 Trong quá trình đo, cảm biến được đặt theo phương Bắc-Nam với mục
đích lấy từ trường trái đất làm từ trường làm việc để thực hiện phép đo này
Dựa vào đồ thị hình 3.4 ta thấy tín hiệu lối ra tăng mạnh khi điện áp kích
thích tăng từ 0 đến 2 V và có xu hướng đạt trạng thái bão hòa khi tăng tiếp
điện áp trong khoảng từ 2 đến 5 V Để giảm công suất tiêu thụ nguồn nuôi cấp
Trang 3930 600 "——— 450 - t Diém > F làm việc E£ 300 > 150 [ 0 \ | 1 | \ | 1 | \ 0 1 2 3 4 5 V„.(V)
Hình 3.4: Sự phụ thuộc của thể lỗi ra vào điện áp xoay chiều kích thích
cấp cho cuộn solenoid trên cảm bién 1
Mặt khác, theo các kết quả nghiên cứu trước đây cũng trên vật liệu này [3] [5], với việc cấp nguồn xoay chiều kích thích nhỏ còn làm giảm sự xuất hiện của tín hiệu offset lối ra Điều này có ý nghĩa rất lớn khi tiến hành tích
hợp cảm biến với mạch điện tử phục vụ cho các nghiên cứu được phát triển
Sau này
3.2.1.c Đặc trưng phụ thuộc từ trường
Để đánh giá độ phân giải từ trường của cảm biến, đường cong sự phụ thuộc điện áp lối ra vào từ trường tác dụng trong dải từ trường lớn từ -5 Oe
đến 5 Oe (hình 3.5.a) và nhỏ từ -0.5 Oe đến 0.5 Oe (hình 3.5.b) đã được khảo
sát Phép đo tín hiệu lối ra trên cảm biến trong vùng từ trường thấp với bước
thay đối 0.01 Oe (hình 3.5.b) cho hệ số chuyển đổi từ trường là 222.5 mV/Oe
Cường độ từ trường được tạo ra bởi cuộn Helmholtz được nuôi bởi nguồn
dòng Keithley 2400 Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng ƒ =125.6
KHz va dién áp xoay chiéu kich thich Vac= 2 (V)
Có thể thấy rằng tín hiệu cảm biến thu được khá lớn và rất tuyến tính
Trang 4031
dòng điện có cường độ 10 A tao ra tai điểm cách dây dẫn 4 mm Đặc trưng
tuyến tính của đường cong phụ thuộc từ trường thu được cho phép thiết kế, lắp ráp mạch điện tử thu nhận và chuyên đổi tín hiệu trực tiếp không cần qua xử lý và do đó hạn chế được sai số nhiễu đóng góp vào tín hiệu cảm biến Với độ nhạy và độ chính xác từ trường cao phù hợp trong dải đo từ trường tán xạ
do dòng điện sinh ra, cảm biến có khả năng đo được dòng điện với độ chính
Xác và tin cậy cao 0 a T T T T 4 100} b -amL | „9 2 5 = 9 3 E J 5 > >" pL -400 4 ” fitted: V._ = 222.5'H -100L 4 800 Mbt La La Là La po ts a § 4524012 3 4 5 04 +02 0.0 0.2 04 H (Oe) H (Oe)
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào cường độ từ trường
của cảm biến mẫu 1
Đề khảo sát độ ôn định từ trường của vật liệu tô hợp, kết quá thả trôi tín
hiệu theo thời gian được thực hiện trong khoảng thời gian 30 phút cho thấy độ
ồn định tín hiệu tương ứng với độ phân giải từ trường đạt được 10 Oe Giá trị này tương đương với từ trường với đòng cấp 10' A chạy trong dây dẫn thẳng sinh ra ở cùng vị trí 4 mm
3.2.1.d Đặc trưng đo dòng điện
Trên hình 3.6a là kết quả khảo sát sự phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào
cường độ dòng điện chạy qua dây dan thang theo sơ đồ bố tri thí nghiệm trên
hình 2.7 cho vị trí đặt cảm biến cách dây dẫn 3 mm trong đải đo từ -1 đến I