Ứng dụng hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) để đo khối lượng trọng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU (ITIMS) ĐỖ TUẤN ANH ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR) ĐỂ ĐO KHỐI LƯỢNG/TRỌNG LƯỢNG Chuyên ngành : Khoa học kỹ thuật vật liệu điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn Hà Nội – Năm 2011 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên cho phép gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS.Nguyễn Anh Tuấn thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học, bảo tận tình tạo điều kiện tốt giúp suốt trình nghiên cứu hoàn thiện luận văn Để đạt thành công học tập hoàn thành luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn tới thày cô ,anh chị làm việc Viện ITIMS ,cám ơn bạn tập thể lớp ITIMS khóa 2009 -2011 chia sẻ ,động viên giúp đỡ trình học tập Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc , tình yêu thương tới gia đình người thân nguồn động viên quan trọng vật chất tinh thần giúp vượt qua khó khăn để hoàn thành khóa học Hà Nội , ngày ………tháng ……… năm 2011 Học viên Đỗ Tuấn Anh Đỗ Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 1.1 Một số phương pháp đo khối lượng / trọng lượng .11 1.1.1.Khái niệm khối lượng / trọng lượng 11 1.1.2 Một số thiết bị đo khối lượng / trọng lượng vận dụng từ xưa đến .12 1.1.3 Nhóm dụng cụ đo trọng lượng kiểu học 12 1.1.4 Một số dụng cụ đo trọng lượng dùng công nghiệp .13 1.2 Cơ sở lý thuyết từ điện trở GMR 15 1.3 Van spin 18 1.3.1.Cấu trúc van spin .18 1.3.1.1 Cấu trúc van spin không ghim 19 1.3.1.2 Cấu trúc van spin có ghim 20 1.3.1.3.Cơ chế hoạt động van spin 21 1.3.1.4.Một số van spin thông dụng 23 1.4 Một số ứng dụng hiệu ứng van spin 25 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 29 2.1 Đo cường độ từ trường 29 2.1.2 Thiết bị đo cường độ từ trường .29 2.1.3 Thiết bị đo từ điện trở (MR) đặc trưng cảm biến van spin 29 2.1.4 Thiết bị khảo sát cảm biến van spin 30 2.2 Qúa trình khảo sát thực nghiệm 30 2.3 Thiết kế chế tạo thiết bị đo khối lượng EB.MR.01 41 Đỗ Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 2.3.1 Thiết kế sơ đồ khối 42 2.3.2 Phân tích chức khối 42 2.3.3 Thiết kế mạch nguyên lý/ mạch in bố trí linh kiện .43 2.4 Khảo sát cấu hình lắp đặt thiết bị EB.MR.01 .46 2.5 Xây dựng phần mềm 52 2.6 Chuẩn hóa thiết bị EB.MR.01 55 2.6.1.Cơ sở chuẩn hóa 55 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .62 3.1 Đặc trưng cảm biến GMR .62 3.1.1 Đặc trưng V(d) cảm biến 62 3.1.2.Đặc trưng tín hiệu cảm biến theo từ trường V(H) 63 3.2 Đặc trưng V(m) thiết bị đo khối lượng EB.MR.01 64 3.2.1 Đặc trưng V (d ) thiết bị đo khối lượng EB.MR.01 65 3.3 Xác định thông số kỹ thuật thiết bị EB.MR.01 66 3.4 Đề xuất nhằm hoàn thiện thiết bị đo 66 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Đỗ Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Chữ tiếng Anh đầy đủ ADC Analog to digital converter AF Antiferromagnetic FM Ferromagnetic GMR Giant Magnetoresistance IBM Internationnal Business Machines ITIMS International Training Institute For Materials Science LCD Liquid crystal display MR Magnetoresistance MRAM Magnetoresistive Random Access Memory NM Non Magnetic Từ viết tắt NGHĨA CỦA TỪ VIẾT TẮT ADC Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số AF Phản sắt từ FM Sắt từ GMR Từ điện trở khổng lồ IBM Tập đoàn thương mại máy tính đa quốc gia ITIMS Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu LCD Hiển thị tinh thể lỏng MR Từ điện trở MRAM Bộ nhớ từ truy cập ngẫu nhiên NM Phi từ tính Đỗ Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU Hình 1.1.1: Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng vận dụng 12 Hình 1.1.2 :Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng dạng học .12 Hình 1.1.3: Một số hiệu ứng ứng dụng đo khối lượng / trọng lượng 13 Hình 1.1.4: Hiệu ứng Load cell ứng dụng đo khối lượng / trọng lượng lớn 14 Hình 1.1.5:Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng vận dụng công nghiệp 15 Hình 1.2.1:Từ điện trở siêu mạng Fe / Cr đo nhiệt độ 4,2K .16 Hình 1.2.2: Cấu trúc GMR 17 Hình 1.2.3 : Cấu trúc Van spin 17 Hình 1.2.4: Mô hình đường cong mô tả hiệu ứng GMR 18 Hình 1.3.1: Sơ đồ Van-spin không ghim 19 Hình 1.3.2: Đường cong từ hóa van spin không ghim 20 Hình 1.3.3: Cấu trúc van-spin ghim không đối xứng đáy .21 Hình 1.3.4: Mô tả trình quay từ độ cấu trúc van spin 22 Hình 1.4.1: Mô hình lưu trữ thông tin bits đĩa từ 25 Hình 1.4.2: Mô hình kiểm tra đường ống vật liệu không phá hủy 25 Hình 1.4.3: Sơ đồ mạch đo dòng điện khép kín 26 Hình 1.4.4: Cấu hình bố trí cảm biến nam châm gắn truc vô lăng xe .27 Hình 1.4.5: Cấu trúc van áp suất ứng dụng hiệu ứng vanspin .27 Hình 2.1.1 : Thiết bị đo cường độ từ trường 29 Hình 2.1.2 : Thiết bị đo từ điện trở (MR) 29 Hình 2.1.3 :Thiết bị khảo sát cảm biến van spin .30 Hình 2.2.1: Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .31 Hình 2.2.2 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 32 Hình 2.2.3 :Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .33 Đỗ Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Hình 2.2.4 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 34 Hình 2.2.5 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 35 Hình 2.2.6 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 36 Hình 2.2.7 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 37 Hình 2.2.8: Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .38 Hình 2.2.9 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 39 Hình 2.2.10 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 40 Hình 2.2.11 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .41 Hình 2.3.1: Sơ đồ khối thiết bị đo khối lượng / trọng lượng EB.MR.01 .42 Hình 2.3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến thiết bị EB.MR.01 .44 Hình 2.3.3: Sơ đồ Board mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến GMR 44 Hình 2.3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch 45 Hình 2.3.5: Sơ đồ lắp ráp Board mạch Vi xử lý – LCD –Max232 45 Hình 2.3.6: Sơ đồ bố trí mặt thiết bị EB.MR.01 .46 Hình 2.3.7: Sơ đồ lắp ráp Board mạch bàn phím thiết bị EB.MR.01 46 Hình 2.4.1: Cấu hình cảm biến ,nam châm lựa chọn cho thiết bị EB-MR.01 46 Hình 2.4.2: Cấu hình nam châm ,cảm biến GMR theo góc 450 47 Hình 2.4.3: Cấu hình nam châm ,cảm biến GMR theo góc 900 48 Hình 2.4.4: Cấu hình nam châm ,cảm biến GMR theo góc 1350 49 Hình 2.4.5: Cấu hình khảo sát tín hiệu cảm biến GMR ( V-) 50 Hình 2.4.6: Cấu hình khảo sát tín hiệu cảm biến GMR ( V +) 51 Hình 2.4.7: Cấu hình khảo sát tín hiệu cảm biến GMR ( V-) ,(V+) .52 Hình 2.5.1 : Lưu đồ thuật toán lập trình cho thiết bị EB-MR.01 54 Hình 2.6.1: Thiết bị đối chứng mẫu 59 Hình 3.1.1: Đặc trưng cảm biến GMR theo V(d) .62 Hình 3.1.2: Đặc trưng cảm biến GMR theo V(d) .63 Đỗ Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Hình 3.1.3: Đặc trưng tín hiệu cảm biến theo từ trường V(H) 64 Hình 3.2.1: Đặc trưng V(gram) thiết bị EB.MR.01 65 Hình 3.2.2: Đặc trưng V(d) thiết bị EB.MR.01 65 Hình 3.4.1:Sơ đồ khối bố trí ghép nối thiết bị EB.MR.01 67 Hình 3.4.2: Sơ đồ khối hệ thống ghép nối giao tiếp hiển thị qua máy vi tính .67 BẢNG Bảng tiêu chuẩn dùng kiểm định, định kỳ, khối lượng quốc gia quy định 57 BẢNG ĐÁNH GIÁ SAI SỐ THIẾT BỊ 60 Đỗ Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 GIỚI THIỆU CHUNG MỞ ĐẦU Trên giới hiệu ứng van spin biết đến từ cuối thập kỷ 80 đưa vào ứng dụng linh kiện điện tử cảm biến từ ứng dụng ổ đĩa cứng máy vi tính, la bàn điện tử , nhớ MRAM , thiết bị giám sát an ninh khu vực sân bay, khách sạn v.v… Các cảm biến có ưu điểm tiêu thụ lượng ít, có độ nhạy cao với từ trường, chế độ làm việc ổn định tốt theo nhiệt độ Tình hình nghiên cứu thử nghiệm chế tạo cảm biến van spin tiếp cận ứng dụng công nghệ spintronics nước ta tiến hành viện ITIMS thông qua hoạt động nhóm Vật lý spin Công nghệ spintronics Tuy nhiên đời sống thực tế việc ứng dụng cảm biến van spin vào để chế tạo máy/thiết bị đo khối lượng / trọng lượng chưa thấy đề cập đến Do nhiệm vụ giao cho đề tài luận văn nghiên cứu ứng dụng cảm biến van spin để chế tạo thiết bị đo khối lượng / trọng lượng nhằm bước đầu thử nghiệm công nghệ điện tử - công nghệ spintronics, lĩnh vực công nghệ cao, công nghệ nano - vào đời sống thực tế Trong ứng dụng van spin đóng vai trò phần tử chuyển đổi tín hiệu từ trường thành dạng tín hiệu điện, sau khuếch đại qua thuật toán, đưa tới chuyển đổi A/D từ đưa đến vi xử lý lập trình để vừa hiển thị số liệu LCD, vừa ghép nối với máy tính điều khiển từ bên ngoài.Vì tên đề tài luận văn là: Ứng dụng hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) để đo khối lượng / trọng lượng Về nguyên tắc, thay đổi học, dịch chuyển khoảng cách hay quay góc, chuyển thành thay đổi cường độ hay phương từ trường Chẳng hạn làm cho nguồn từ trường (ví dụ viên nam châm vĩnh cửu) tiến tới gần hay rời xa điểm xác định trước Vì thay đổi khối lượng hay trọng lượng dẫn đến làm thay đổi khoảng cách theo chiều thẳng đứng trọng lực tác dụng lên vật nặng, nên thông thường người ta hay sử dụng lò xo để đo biến đổi khoảng cách thông qua độ kéo dãn hay Đỗ Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 co nén nó, hay độ lệch mức cân (chính thay đổi góc quay) để từ xác định khối lượng/trọng lượng vật Vấn đề đo khối lượng dựa vào nguyên lý hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (giant magnetoresistance - GMR), dựa vào nguyên lý đo cường độ từ trường (thay đổi khoảng cách thay đổi) độ lớn hiệu ứng GMR (do tượng vật lý gọi là) Vì nghiên cứu đề tài trước hết tìm hiểu chất vật lý hiệu ứng GMR, nguyên lý đo cường độ từ trường hiệu ứng GMR, cấu trúc van spin cấu tạo cảm biến điện tử dựa van spin nguyên lý hoạt động Tiếp theo khảo sát đặc tuyến tín hiệu cảm biến van spin sử dụng luận văn với cường độ từ trường tác dụng lên cảm biến làm thay đổi theo khoảng cách, từ thiết kế mạch điện khuếch đại tín hiệu cảm biến van spin, sau khuếch đại thường có giá trị điện áp thay đổi nằm vùng từ 0V đến 5V, ứng với khoảng dịch chuyển thay đổi cường độ từ trường xác định; sở thiết kế chế tạo biến đổi A/D để chuyển đổi tín hiệu tương tự cảm biến khuếch đại thành tín hiệu số nhằm thực lập trình được, giao tiếp với máy tính Cuối cùng, mục đích luận văn, chế tạo Cân điện tử EB – MR 01 đo khối lượng phạm vi từ 10g đến 500 gam, với độ sai số ± 1g Kết cấu luận văn gồm chương : Chương 1: Cơ sở lý thuyết ƒ Trình bày số phương pháp đo khối lượng / trọng lượng ƒ Trình bày nguyên lý hiệu ứng GMR ƒ Cơ sở lý thuyết van spin Một số Van spin thông dụng ƒ Một số ứng dụng hiệu ứng van spin Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm ƒ Trình bày phương pháp nghiên cứu, khảo sát đặc trưng thông số cảm biến theo từ trường ƒ Phương án chế tạo thiết bị, thiết kế mạch, lắp ráp mạch điện tử giải pháp hiệu chỉnh, chuẩn hóa thiết bị Đỗ Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Quả (50g): Hình trụ tròn thân có ghi giá trị danh định ™ Kiểm định E1, E2 (TCVN) theo phương pháp so sánh vòng, ƒ So sánh chuẩn với tổng kiểm định ( khối lượng ) ƒ So sánh kiểm định với tổng lại ( khối lượng ) ƒ Chọn chuẩn 1kg (E1)để hiệu chuẩn cân từ (1g đến 500g)E2 ™ Qúa trình thực theo phép cân sau : [20] 1.So sánh 1Kg với Σ = (500 + 200 + 200 + 100 )g kết xác định a1 So sánh 500g với Σ = (200 + 200 + 100 )g kết xác định a2 So sánh 200g với Σ = (100 + 50 + 20 + 20 + 10 )g kết xác định a3 So sánh 200*g với Σ = (100 + 50 + 20 + 20 + 10 )g kết xác định a4 So sánh 100g với Σ = (50 + 20 + 20 + 10 )g kết xác định a5 So sánh 50g với Σ = (20 + 20* + 10 )g kết xác định a6 So sánh 20g với Σ = (10 + + + + )g kết xác định a7 So sánh 20*g với Σ = (10 + + *+ + )g kết xác định a8 So sánh 10g với Σ = ( + + + )g kết xác định a9 10 So sánh 5g với Σ = ( 2* + + )g kết xác định a10 11 So sánh 2g với Σ = (1 + )g kết xác định a11 12 So sánh *g với Σ = (1* + )g kết xác định a12 13 So sánh 1g với Σ = (- 1*)g kết xác định a13 ™ Tính toán khối lượng cân cần hiệu chỉnh chuẩn ƒ Quả 500 = (1000 + a1 – a2 ) / ƒ Quả 200 = (2.Quả 500 + 2a2 -2a3 – 3a3 +2a4 + a5) / ƒ Quả 200* = (2.Quả 500 +2a2 + a3 – 3a4 + a5 ) / ƒ Quả 100 = (Quả 200 +a3 –a4 ) / Đỗ Tuấn Anh 58 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 ƒ Quả 50 = (Quả 100 +a5 –a6) / ƒ Quả 20 = (2Quả 50 +2 a6 – a7 + a8 + a 9) / ƒ Quả 20* = (2Quả 50 +2 a6 +2 a7 - a8 + a 9) / ƒ Quả 10 = (Quả 20 +a7 - a 9) / ƒ Quả = (Quả 10 + a - a 10) / ƒ Quả = (2.Quả + a 10 - a 11 + a12 + a 13 ) / ƒ Quả 2* = (2.Quả + a 10 + a 11 - a12 + a 13 ) / ƒ Quả = (Quả + a 11 - a 13 ) / ƒ Quả 1* = (Quả + a 11 + a 13 ) / ™ Chuẩn hóa phương pháp đối chứng với cân đồng hồ hiển thị kim ,bộ mẫu: Hình 2.6.1: Thiết bị đối chứng mẫu Bằng phương pháp thực nghiệm, sử dụng cân đồng hồ mẫu 500g có độ xác ± 2g Ứng với vạch chia 1g ta có giá trị ADC xác định Lập bảng tương quan gram giá trị ADC sau kết hợp việc xử lý phi tuyến phương pháp nội suy [12] Đỗ Tuấn Anh 59 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 BẢNG ĐÁNH GIÁ SAI SỐ THIẾT BỊ Giá trị TT chuẩn (Gram) Giá trị cân mẫu (Gram) Giá trị hiển thị Thiết Độ lệch bị EB.MR.01 chuẩn (Gram) (Gram) 10 = 10 ≤ 10 20 20 19 30 30 29 40 40 40 50 50 50 60 60 60 70 70 70 80 80 80 90 90 90 10 100 100 100 11 110 110 111 12 120 120 120 13 130 130 132 14 140 140 141 15 150 150 151 16 160 160 161 17 170 170 171 18 180 180 181 19 190 190 191 20 200 200 201 21 210 210 211 22 220 220 221 23 230 230 231 24 240 240 241 25 250 250 251 26 260 260 261 Đỗ Tuấn Anh 60 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 27 270 270 271 28 280 280 281 29 290 290 361 71 30 300 300 365 65 31 310 310 369 59 32 320 320 374 54 33 330 330 379 49 34 340 340 384 44 35 350 350 391 41 36 360 360 395 35 37 370 370 400 30 38 380 380 406 26 39 390 390 415 25 40 400 400 430 30 41 410 410 455 45 42 420 420 483 63 43 430 430 500 70 44 440 440 436 45 450 450 437 13 46 460 460 440 20 47 470 470 443 -27 48 480 480 445 -35 49 490 490 500 -10 50 500 500 Tổng độ lệch chuẩn : Sai số thiết bị đo : Đỗ Tuấn Anh (699 /49) = 14,2653 61 ≈ 14% Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng cảm biến GMR 3.1.1 Đặc trưng V(d) cảm biến Hình 3.1.1 khảo sát đặc tính cảm biến GMR khoảng cách nam châm ,cảm biến gần với khoảng cách 0.2cm giá trị điện áp cảm biến thấp Khi tăng dần khoảng cách đến 1.4cm giá trị điện áp đo tương đối tuyến tính đến giá trị lớn ,theo chế hoạt động cảm biến (GMR) van-spin dựa hiệu ứng từ điện trở khổng lồ mà điện trở hệ màng mỏng từ đa lớp gồm lớp sắt từ ngăn cách lớp phi từ thay đổi lớn tác dụng từ trường làm thay đổi điện trở hệ.Trạng thái hệ (điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào định hướng tương đối từ độ lớp sắt từ Nghĩa từ trường tác động gần cảm biến mật độ đường sức từ tập chung lớn đô men từ dần bị đảo chiều dẫn đến giá trị điện trở tăng điện áp giảm , có nghĩa việc từ độ lớp định hướng tương (song song hay phản song song) cho phép dòng dòng điện tử (dòng spin) truyền qua truyền qua dẫn đến giá trị điện áp đo lớn thấp B U chan V265 260 255 U(mV) 250 245 240 235 230 225 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 d (cm) Hình 3.1.1: Đặc trưng cảm biến GMR theo V(d) Đỗ Tuấn Anh 62 1.2 1.4 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Tương tự hình 3.1.2 đặc trưng cảm biến GMR qua khảo sát ta thấy khoảng cách nam châm ,cảm biến gần với khoảng cách 0.2 cm giá trị điện áp cảm biến lớn Khi tăng dần khoảng cách đến 1.4 cm giá trị điện áp đo nhỏ Nghĩa mật độ từ trường giảm tác động gần cảm biến đô men từ bị đảo chiều dẫn đến giá trị điện trở tăng điện áp giảm , có nghĩa việc từ độ lớp định hướng tương (song song hay phản song song) cho phép dòng điện tử (dòng spin) truyền qua truyền qua dẫn đến giá trị điện áp đo lớn thấp Ura chan(V+) 360 U(mv) 340 320 300 280 260 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 d(cm) Hình 3.1.2: Đặc trưng cảm biến GMR theo V(d) 3.1.2.Đặc trưng tín hiệu cảm biến theo từ trường V(H) Cường độ từ trường yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu cảm biến, cảm biến van spin loại cảm biến chế tạo dạng màng mỏng nhạy với từ trường Vì sử dụng nguồn từ trường mạnh làm cho từ độ lớp ghim bị quay theo, gây hư hỏng cảm biến Ngược lại sử dụng nguồn từ trường yếu tín hiệu cảm biến bé, việc sử dụng hiệu ứng từ - điện trở cảm biến van spin phải chuyển thành tín hiệu điện, sau cần phải khuếch đại lên Đỗ Tuấn Anh 63 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 nhiều lần cho có mức điện áp đủ lớn để đưa vào vi xử lý, việc khảo sát đặc trưng điện áp theo từ trường cần thiết Trong trình khảo sát sử dụng nguồn từ trường tác dụng vào cảm biến, cần phải có thay đổi chiều cường độ từ trường để xác định phụ thuộc tín hiệu theo từ trường [13] Hình 3.1.3: Đặc trưng tín hiệu cảm biến theo từ trường V(H) Từ đường đặc trưng ta xác định độ nhạy cảm biến: Thông qua việc khảo sát đặc trưng V(H) ta đánh giá số tính chất quan trọng cảm biến độ nhạy, vùng từ trường làm việc tốt vv… ta thấy khoảng từ trường H ≤ ± 100 Oe đường đặc trưng cảm biến tuyến tính 3.2 Đặc trưng V(m) thiết bị đo khối lượng EB.MR.01 Hình 3.2.1 kết phép đo cho ta thấy đường đặc tính thiết bị ban đầu giá trị điện áp thấp 0,03V, thay đổi giá trị trọng lượng/khối lượng tăng dần 10 g lần/ phép đo khoảng cách cảm biến ,nam châm thay đổi giá trị điện áp đo tương đối tuyến tính ÷ 4.8 V Đỗ Tuấn Anh 64 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 B U (V) 0 100 200 300 400 500 (gram) (a) (b) Hình 3.2.1: Đặc trưng V(gram) thiết bị EB.MR.01 3.2.1 Đặc trưng V (d ) thiết bị đo khối lượng EB.MR.01 Hình 3.2.2 kết phép đo ta thấy vị trí mà cảm biến đứng có cường độ từ trường lớn nhất, cường độ từ trường giảm dần ta dịch chuyển nam châm theo hướng trục X với phạm vi dịch chuyển dx= 1.4cm, xét toàn đường đặc trưng từ trường biến thiên phi tuyến, có lẽ vị trí góc cảm biến có phân bố từ trường không đều, nên cảm biến khỏi vị trí góc đoạn ngắn từ trường bị suy giảm mạnh B 4.0 3.5 3.0 U(V) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 d(mm) Hình 3.2.2: Đặc trưng V(d) thiết bị EB.MR.01 Đỗ Tuấn Anh 65 1.4 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 3.3 Xác định thông số kỹ thuật thiết bị EB.MR.01 ™ Một số thông số thiết bị Điện áp cung cấp 12V.DC Dải đo 10g – 500Gram Độ sai số ± Gram Nhiệt độ làm việc 10oC – 65oC Trọng lượng đo Max 500Gram Kích thước vỏ 16cm x 11.5cm x 10cm Chuẩn kết nối RS232 ™ Quy trình sử dụng thiết bị đo khối lượng / trọng lượng EB.MR.01 Bước : Cấp nguồn 12VDC cho thiết bị Bước : Bật công tắc Power phía trước mặt thiết bị hình hiển thị xuất dòng chữ: “chương trình đo khối lượng” Bước : Quan sát nút điều chỉnh điện áp offset đặt vị trí chuẩn (Call) 3.4 Đề xuất nhằm hoàn thiện thiết bị đo ™ Kết đạt - Tìm hiểu cấu tạo cảm biến vanspin ,cơ chế làm việc , số ứng dụng - Khảo sát đặc tính cảm biến theo khoảng cách d(mm),d(cm) xác định cường độ từ trường ,vùng làm việc cảm biến phạm vi từ trường - Xây dựng đường đặc tính V(d) cảm biến (V+) , (V-) trước khuếch đại theo khoảng cách d(cm) - Đường đặc tính V(Gram) thiết bị đo khối lượng / lượng - Xác định đường đặc tính cảm biến sau khuếch đại thiết bị đo khối lượng / trọng lượng EB.MR.01 - Thiết kế ,chế tạo mạch điện cho thiết bị đo khối lượng / trọng lượng EB.MR.01 - Chế tạo hoàn thành sản phẩm ứng dụng hiệu ứng GMR việc đo khối lượng/trọng lượng Đỗ Tuấn Anh 66 Luận văn thạc sỹ ™ ITIMS - 2011 Hướng phát triển đề tài - Sau hoàn thành đề tài với đạt hướng tới việc phát triển đề tài sau : - Thiết kế thực kết nối thiết bị qua máy tính thiết bị chuyển mạch ghép nối hai thiết bị thông qua phần mềm giao diện Hình 3.4.1:Sơ đồ khối bố trí ghép nối thiết bị EB.MR.01 Hình 3.4.2: Sơ đồ khối hệ thống ghép nối giao tiếp hiển thị qua máy vi tính Đỗ Tuấn Anh 67 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Do tính chất cảm biến từ GMR biến thay đổi khoảng cách vật lý thành thay đổi đại lượng điện Vậy nên đưa cảm biến từ vào thiết bị dùng đo lường giám sát điều khiển Cảm biến từ GMR có khả phản ứng nhanh nhạy với từ trường với thay đổi nhỏ khoảng cách làm thay đổi điện trở cảm biến Chính dùng để chế tạo thiết bị đo trọng lượng / khối lượng hàng vài trục vài trăm Đỗ Tuấn Anh 68 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 KẾT LUẬN Thiết bị đo lường dùng để đo khối lượng / trọng lượng thị trường nhiều chủng loại đa dạng, thiết bị áp dụng hiệu ứng ,phương pháp đo đơn giản chi phí giá thành sản xuất thấp độ xác không cao Những thiết bị đo có độ xác cao áp dụng công nghệ cảm biến giá thành cao Tuy nhiên hầu hết thiết bị đo khối lượng / trọng lượng từ trước nhà sản xuất thực dựa nguyên lý kéo nén lò xo sau áp dụng nguyên lý cảm biến màng áp trở gắn trực tiếp cảm biến màng lên kính v.v Còn việc ứng dụng cảm biến công nghệ cảm biến từ trường, cảm biến van spin chưa để ý đến quan tâm Trong luận văn nghiên cứu ứng dụng loại cảm biến GMR để chế tạo thiết bị đo khối lượng / trọng lượng EB.MR.01, đồng thời sở việc nghiên cứu ứng dụng Hiệu ứng GMR mang lại khả ứng dụng công nghệ điện tử, vi điện tử ứng dụng đầu đọc liệu ổ đĩa cứng, thay cho đầu đọc sử dụng hiệu ứng từ điện trở dị hướng cũ, làm tăng tốc độ đọc ghi thông tin, ứng dụng chế tạo cảm biến ứng dụng hệ thống giám sát an ninh ,chế tạo la bàn điện tử … Đối với cảm biến van spin việc điều khiển từ trường điều khiển không tiếp xúc Việc khai thác sử dụng cảm biến GMR có nhiều ưu điểm bật loại cảm biến nhạy kể với từ trường yếu,chế độ làm việc ổn định tốt theo nhiệt độ, khả chống nhiễu chống ồn cao, tiêu thụ thấp Tìm hiểu tượng từ trở khổng lồ xảy cấu trúc màng mỏng từ đa lớp không liên tục giải thích chế hoạt động hiệu ứng Nghiên cứu cấu trúc van spin nhận thấy việc chế tạo van spin có ghim lớp phản sát từ thuận lợi trình điều khiển, giải thích Đỗ Tuấn Anh 69 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 chế hoạt động van spin Từ tìm hiểu số loại cảm biến van spin để hướng tới khả khai thác ứng dụng vào thực tế Khảo sát thông số đặc trưng cảm biến van spin với nam châm vĩnh cửu có cường độ từ trường cực đại 1000 Oe Qua phân tích thấy đặc tuyến đo cảm biến GMR có độ ổn định cao đặc biệt khoảng làm việc cảm biến tương đối tuyến tính khoảng từ 10g đến 280g Nếu dịch chuyển phương tác dụng vuông góc từ trường góc làm việc tốt cảm biến khoảng ϕ = 900 Nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị đo khối lượng / trọng lượng EB.MR.01 đo giá trị 10g ÷ 280)Gram với sai số đến ± Gram Đỗ Tuấn Anh 70 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [ ] Robertc.Ohandley, Modern magnetic material principle and applycat ion, [2 ] R Coehoorn, Felser et al, “Giant magnetoresistance and magnetic interactions in exchange-biased spin-valves”, Research Laboratories of Eindhoven University of Technology, Department of Applied Physics, pp.7- 9, (September 2003) [3] J.M Daughton, and Y.J Chen (1993), “GMR Materials for Low field applications”, IEEE Trans Magn 29(6), pp 2705-2710 [4] Stuart Parkin, “The Application of Spintronics”, IBM-Stanford Spintronic Science and Applications Center, The New York Times (September, 2007) [5] Michael Ross, “GMR: An Attractive Resistance”, Europhysics News, pp.114118, (1997) [6] John Schliemann, J Carlos Egues1, and Daniel Loss, “Non-ballistic spin fieldeffect transistor”, Department of Physics and Astronomy, University of Basel, CH4056 Basel, Switzerland, (February, 2008) [7] Carl H Smith and Robert W Schneider, “Low-Field Magnetic Sensing with GMR Sensors”, Presented at Sensors EXPO-Baltimore, pp.4-7(May 1999) [8] F Spizzo et al, “GMR effect across the transition from multilayer to granular structure”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, pp.473-475, (April 2002) [9] E.Y.Tsymbal and D.G.Pettifor, “Perspectives of Giant Magnetoresistance”, Department of Materials, University of Oxford, pp 113, (July, 2001) [10] S.Tumanski and S.Baranowski, “Magnetic sensor array for investigations of magnetic field distribution”, Electrical engineering, vol 57.no8,pp 185-188,(2006) [11] OIML IR 111/2004: weights of classess E1, E1, F1, F2, M1, M1-2, M2, M23, M3 Part Metrological & Technical requirements Đỗ Tuấn Anh 71 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Tiếng Việt: [12] Bùi Văn Sáng, Phạm Ngọc Thắng, “Hiệu chuẩn phi tuyến hàm biến đổi phương tiện đo không điện theo phương pháp nội suy xử lý tín hiệu số”, Khoa học Kỹ thuật (HVKTQS), số 119 (II-2007) [13] Hoàng Tiến Dũng, “Nghiên cứu chế tạo chuyển đổi từ điện sử dụng cảm biến van spin”, Luận văn thạc sỹ, ĐHBK/ITIMS Hà Nội 2003 [14] Phạm Minh Hà, “Kỹ thuật mạch điện tử”, Nhà xuất KH&KT 1997 [15] Ngô Diên Tập, “Đo lường điều khiển máy tính”, NXB-KH&KT 1996 [16] Nguyễn Anh Tuấn, “Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ màng mỏng chứa Co”, Luận án Tiến sĩ vật lý, ĐHBK/ITIMS Hà Nội 2002 [17] Nguyễn Đức Chiến, Phan Quốc Phô, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2008 [18]Tài liệu, hình ảnh tìm trang web: http://google com.vn// [19] ĐLVN 50:1999 Quả cân cấp xác E2, F1, Quy trình kiểm định [19] ĐLVN 47:1999 Quả cân cấp xác F2, M1, M2, Quy trình kiểm định [19]Kiểm định cân, Tài liệu đào tạo, Trung tâm Đào tạo, Tổng cục TCĐLCL, 2002 [20] Tra cứu cảm biến GMR hãng NVE địa : www nve.com [20] Tra cứu cảm biến GMR hãng honeywell địa : www.honeywell.com Đỗ Tuấn Anh 72 ... 1.1.2 :Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng dạng học .12 Hình 1.1.3: Một số hiệu ứng ứng dụng đo khối lượng / trọng lượng 13 Hình 1.1.4: Hiệu ứng Load cell ứng dụng đo khối lượng / trọng lượng. .. van-spin dựa hiệu ứng từ điện trở khổng lồ mà điện trở hệ màng mỏng từ đa lớp gồm lớp sắt từ ngăn cách lớp phi từ thay đổi lớn tác dụng từ trường làm thay đổi điện trở hệ (điện trở cao, điện trở thấp)... trị lớn nhiều so với hiệu ứng từ điện trở trước Hiệu ứng xuất cấu trúc siêu mạng từ Fe/Cr sau gọi hiệu ứng từ điện trở lớn(Giant Magnetoresistance) hay từ điện trở khổng lồ (GMR) Người ta nhận