Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trong việc chế tạo sensor đo từ trường trái đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HOC SƯ PHẠM HÀ NỘI ĐẶNG THỊ THANH LOAN NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRONG VIỆC CHẾ TẠO SENSOR ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT Chuyên ngành: Vật lý chất rắn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: ThS Lê Khắc Quynh Hà Nội - 2013 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép em bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy – thạc sỹ LÊ KHẮC QUYNH tận tình hướng dẫn, bảo truyền đạt kinh nghiệm giúp em nghiên cứu hoàn thành khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo khoa, thầy cô giáo tổ vật lý chất rắn, khoa vật lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện giúp em hoàn thiện đề tài nghiên cứu Cuối em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ, bạn sinh viên nhiệt tình giúp đỡ em để luận văn hoàn thành tốt Hà Nội, tháng năm 2013 Tác giả Đặng Thị Thanh Loan LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu khoa học khóa luận hoàn toàn trung thực chưa công bố nơi khác Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2013 Tác giả Đặng Thị Thanh Loan MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng từ-điện 1.1.1 Hiệu ứng từ giảo 1.1.2 Hiệu ứng áp điện 1.1.3 Hiệu ứng tổ hợp từ-điện 11 1.2 Từ trường trái đất 13 1.2.1 Vai trò từ trường trái đất 14 1.2.2 Các đặc trưng từ trường trái đất 14 1.3 Các loại sensor đo từ trường phổ biến 19 1.3.1 Sensor flux-gate 19 1.3.2 Sensor dựa hiệu ứng Hall 20 1.3.3 Sensor dựa hiệu ứng từ-điện trở 22 1.3.4 Sensor đo từ trường trái đất dựa hiệu ứng từ-điện 25 Chương PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27 2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp 27 2.1.1 Chế tạo băng từ 27 2.1.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp từ-điện 28 2.2 Chế tạo sensor 1D đo từ trường trái đất 29 2.3 Đo từ độ từ kế mẫu dung VSM 29 2.4 Hệ đo hiệu ứng từ-điện hệ đo khảo sát tín hiệu sensor vào từ trường trái đất 31 2.4.1 Hệ đo hiệu ứng từ-điện 31 2.4.2 Hệ đo khảo sát thông số làm việc sensor 32 2.4.3 Hệ đo khảo sát tín hiệu sensor phụ thuộc vào cường độ từ trường 33 2.4.4 Hệ đo khảo sát tín hiệu sensor phụ thuộc vào góc định hướng 35 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Tính chất băng từ Metglas 36 3.2 Sensor đo từ trường trái đất chiều (1D) dựa hiệu ứng từ-điện 38 3.2.1 Khảo sát tần số làm việc sensor 38 3.2.2 Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào cường độ từ trường 39 3.2.3 Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào định hướng từ trường trái đất 42 KẾT LUẬN 45 Tài liệu tham khảo 46 MỞ ĐẦU Hiệu ứng từ - điện tượng vật liệu bị phân cực điện (PE) tác dụng từ trường (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa tác dụng điện trường Hiệu ứng thường quan sát thấy vật liệu multiferroic có tồn đồng thời hai pha sắt từ sắt điện Các nghiên cứu năm gần hiệu ứng từ - điện cao tìm vật liệu multiferroics tổ hợp pha từ giảo áp điện Do có liên kết chặt hai pha này, chịu tác dụng từ trường, pha từ giảo bị biến dạng cưỡng ứng suất học pha từ giảo sinh truyền cho pha áp điện làm xuất phân cực điện cảm ứng pha Nhờ khả chuyển hóa qua lại lượng điện từ nên hiệu ứng có khả ứng dụng nhiều lĩnh vực sensor đo dòng điện, sensor đo từ trường, máy phát điện,… Trên giới, cảm biến từ trường sử dụng rộng rãi đa dạng, đó, kể đến loại sensor từ phổ biến cảm biến dựa tượng cảm ứng điện-từ (flux-gate), sensor dựa hiệu ứng từ-điện trở cảm biến dựa hiệu ứng Hall Mặc dù hoạt động dựa hiệu ứng khác hầu hết sensor dựa nguyên tắc đo đạc phân tích tín hiệu điện lối từ sensor phụ thuộc vào cường độ từ trường tác dụng [10] Mỗi loại sensor có đặc thù riêng mạnh hạn chế riêng tùy thuộc vào mục đích ứng dụng khác Cường độ hướng từ trường trái đất khác phụ thuộc vào vị trí địa lý Đây đặc điểm quan trọng sử dụng để định vị toàn cầu Tuy nhiên, cường độ từ trường trái đất yếu (~10-4 tesla = 0,4Oe) nên cần phải có thiết bị có độ nhạy cao để có phát xác định Với mục đích này, hiệu ứng từ-điện dựa vật liệu tổ hợp có pha áp điện PZT (PbTiO3) pha từ giảo băng từ mềm cho hiệu ứng từ - điện cao vùng từ trường thấp hay nói cách khác vật liệu tổ hợp PZT/băng từ mềm nhạy với thay đổi nhỏ từ trường đáp ứng tốt yêu cầu Theo hướng nghiên cứu gắn với xu phát triển trên, hướng dẫn Th.S Lê Khắc Quynh, chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện việc chế tạo sensor đo từ trường trái đất” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp Đối tượng sử dụng đề tài vật liệu multiferroics tổ hợp vật liệu từ giảo siêu mềm tiếng Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 dạng băng từ (Ni-based Metglas) với vật liệu gốm áp điện dạng Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) có hệ số điệncơ lớn Vật liêu hy vọng nhạy với vùng từ trường nanô-tesla (nT) cho phép hướng đến ứng dụng để đo đạc tính toán từ trường trái đất Đề tài với mục đích nghiên cứu trên, nội dung bao gồm: Nghiên cứu tính chất từ, tính chất từ - điện vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT Ứng dụng vật liệu tổ hợp chế tạo việc chế tạo sensor đo đạc từ trường trái đất dạng 1D Nội dung khóa luận: chương Chương Tổng quan Chương Các phương pháp thực nghiệm Chương Kết thảo luận Kết luận Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hiệu ứng từ điện 1.1.1 Hiện tượng từ giảo Từ giảo tượng hình dạng kích thước vật liệu từ thay đổi trạng thái từ vật liệu thay đổi Hiện tượng từ giảo James Prescott Joule (1818 - 1889) phát lần vào năm 1842 Trạng thái từ vật liệu bị thay đổi nhiệt độ thay đổi tác dụng từ trường (hình 1.1) Hiện tượng thể tích vật liệu từ thay đổi thay đổi trạng thái từ nhiệt độ thay đổi gọi tượng từ giảo tự phát hay từ giảo thể tích (hình 1.1a) Từ giảo xuất đặt vật liệu từ từ trường gọi từ giảo cưỡng hay từ giảo tuyến tính Joule (hình 1.1b) Hình 1.1 Hiệu ứng từ giảo mẫu hình cầu: (a) từ giảo thể tích (b) từ giảo tuyến tính Joule Từ giảo tuyến tính Joule liên quan đến định hướng mômen từ tác dụng từ trường Hiện tượng từ giảo tuyến tính vật liệu từ giải thích dựa mô hình tương tác tĩnh điện đám mây điện tử từ điện tích môi trường xung quanh Dưới tác dụng từ trường ngoài, phân bố điện tử (tức mômen quỹ đạo) bị biến đổi tuỳ theo mức độ tương tác chúng với mômen từ (mômen spin) Các vật liệu khác có từ giảo khác tuỳ thuộc vào hình dạng đám mây điện tử từ chúng Đối với trường hợp nguyên tố có đám mây điện tử dạng đối xứng cầu (L = hệ số Steven J = 0), tương tác tĩnh điện đẳng hướng, khoảng cách nguyên tử giữ nguyên mômen từ bị đảo tác dụng từ trường Trong trường hợp này, không quan sát thấy có tượng từ giảo (hình 1.2 a) Hình 1.2 Hiện tượng từ giảo ứng với phân bố đám mây điện tử dạng đối xứng cầu (J = 0) Đối với kim loại có đám mây điện tử từ dạng không đối xứng cầu (L  J  0), tương tác tĩnh điện không đẳng hướng Khi chưa có từ trường, tương tác tĩnh điện đám mây điện tử từ tích điện âm ion dương lân cận (nguyên tử) có xu hướng làm ngắn khoảng cách chúng theo hướng trục phân bố mật độ điện tích đám mây điện tử từ lớn Có hai trường hợp xảy ra: - Trường hợp tương tác spin - quỹ đạo yếu (năng lượng tương tác LS ~ 0,015 eV/nguyên tử), đặt từ trường có mômen spin dễ dàng quay theo hướng từ trường ngoài, mômen quỹ đạo không chịu ảnh hưởng từ trường (hiện tượng đóng băng mômen quỹ đạo) Trong trường hợp này, đám mây điện tử từ có dạng không đối xứng cầu lượng cần thiết để quay mômen spin theo từ trường yếu từ giảo nhỏ (hình 1.3.a) Đó trường hợp kim loại chuyển tiếp 3d (Fe, Co, Ni) - Hiện tượng từ giảo xảy mạnh đám mây điện tử từ dạng đối xứng cầu tương tác spin - quỹ đạo (LS) mạnh, quay mômen spin gắn liền với quay mômen quỹ đạo Trong trường hợp từ giảo thường có giá trị lớn Dưới tác dụng từ trường ngoài, ta quan sát từ giảo âm phân bố đám mây điện tử từ có dạng hình chày (J > 0, hình 1.3b) từ giảo dương đám mây điện tử từ có dạng đĩa dẹt (J < 0, hình 1.3c) mạnh mạnh Hình 1.3 Hiện tượng từ giảo tương ứng với trường hợp: J >0 (a), J [...]... một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo 1.1.3 Hiệu ứng từ - điện 1.1.3.a Lý thuyết hiệu ứng Hiệu ứng từ- điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác dụng của từ trường ngoài (H) gọi là hiệu ứng từ- điện hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng của điện trường Đây là một hiệu ứng tích của hai hiệu 11 ứng: hiệu ứng từ giảo và hiệu ứng áp điện. .. nhiên, chúng làm việc trong vùng từ trường lớn (thường chỉ làm việc trong khoảng 10-3 đến 100 mT) và để có độ nhạy cao, các sensor này cần phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp 1.3.4 Sensor đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ- điện Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cứu một loại sensor đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật... ứng từ - điện và hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor vào từ trường Trái đất 2.4.1 Hệ đo hiệu ứng từ - điện Như đã được trình bày trong chương 1, hiệu ứng từ - điện được đặc trưng bởi hệ số từ - điện E và được xác định thông qua thế áp điện VME được sinh ra trên hai mặt của tấm áp điện dưới tác dụng của từ trường ngoài Hình 2.5 là sơ đồ minh họa hệ đo hiệu điện thế từ - điện Thế áp điện VME là thế hiệu. .. tính trong vùng từ trường trái đất 1.3 Tổng quan về các loại sensor đo từ trường phổ biến Trên thế giới, sensor đo từ trường đã và đang được sử dụng rộng rãi và đa dạng Trong đó, có thể kể đến 3 loại sensor đo từ trường đang được sử dụng phổ biến hiện nay là sensor dựa trên hiện tượng cảm ứng điện -từ (fluxgate), sensor dựa trên hiệu ứng từ- điện trở và sensor dựa trên hiệu ứng Hall Hầu hết các sensor. .. thế ra bằng không khi không có từ trường tác dụng 1.3.3 Sensor dựa trên hiệu ứng từ – điện trở Sensor loại này hoạt động dựa trên hiệu ứng từ- điện trở khác nhau như hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, từ- điện trở dị hướng, từ- điện trở xuyên ngầm Tùy theo mỗi hiệu ứng từ- điện trở được sử dụng mà cấu tạo và thiết kế của mỗi loại sensor có đặc trưng riêng Gần đây, sensor từ - điện trở được sản xuất hàng loạt... điện bị phân cực điện cảm ứng nghĩa là tạo ra trên hai bề mặt của pha áp điện những điện tích trái dấu hay trong lòng vật liệu có một điện trường Nếu nối ra mạch ngoài ta sẽ được một thế hiệu một chiều H Vật liệu từ giảo Ứng suất Vật liệu áp điện VME = E.t + P - E Ứng suất Vật liệu từ giảo H Hình 1.11 Mô tả hiệu ứng từ điện 1.1.3.b Các dạng vật liệu có hiệu ứng từ - điện Vật liệu có hiệu ứng từ - điện. .. có kích thước này, tính chất từ và từ giảo mềm của băng từ được tăng cường do ảnh hưởng của dị hướng hình dạng, sự tăng cường này sẽ kéo theo sự tăng cường của hệ số từ- điện trong vùng từ trường thấp Chúng tôi mong đợi sensor được chế tạo có độ nhạy cao có khả năng đo được từ trường trái đất 2.2 Chế tạo sensor 1D đo từ trường Trái đất Từ trường xoay chiều kích thích được tạo ra bằng cách sử dụng cuộn... độ từ trường gọi là biểu đồ đường đẳng từ Trong hình 1.14 là biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất được ghi nhận năm 2010 Hình 1.14 Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất Cường độ từ trường nhỏ nhất ở khu vực Nam Mỹ trong khi có cực đại ở phía Bắc Canada, Siberia, và bờ biển của Nam Cực phía nam của Úc 1.2.2.b Hướng của từ trường trái đất Từ trường của trái đất có các đường sức từ. .. đầu nghiên cứu vật liệu tổ hợp Metglas/PZT triển khai cho ứng dụng chế tạo sensor đo được từ trường trái đất với mong đợi sensor có độ 25 nhạy và độ phân giải cao đáp ứng yêu cầu ứng dụng đo từ trường trái đất có thể so sánh được với các cảm biến thương phẩm đang được sử dụng hiện nay 26 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo vật liệu tổ hợp 2.1.1 Chế tạo băng từ bằng phương pháp nguội nhanh Trong. .. trường lớn hơn 1 mT và hoạt động tốt trong dải nhiệt độ từ -100 đến 100°C Sensor loại này có thể đo được cả từ trường một chiều DC và từ trường xoay chiều AC trong dải tần số lên đến 30 kHz Cùng với việc đo từ trường, sensor loại này còn được phát triển thành các cảm biến đo vị trí, đo góc, đo vận tốc và đo tốc độ quay 20 Sensor Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall trên các vật liệu bán dẫn Hiệu ứng ... băng từ 27 2.1.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp t - điện 28 2.2 Chế tạo sensor 1D đo từ trường trái đất 29 2.3 Đo từ độ từ kế mẫu dung VSM 29 2.4 Hệ đo hiệu ứng t - điện hệ đo khảo... ứng từ - điện 1.1.3.a Lý thuyết hiệu ứng Hiệu ứng t - điện hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) tác dụng từ trường (H) gọi hiệu ứng t - điện hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa tác dụng điện trường. .. 1.1 Hiệu ứng t - điện 1.1.1 Hiệu ứng từ giảo 1.1.2 Hiệu ứng áp điện 1.1.3 Hiệu ứng tổ hợp t - điện 11 1.2 Từ trường trái đất 13 1.2.1 Vai trò từ trường trái