Nghiên cứu chế tạo thiết bị la bàn điện tử dựa trên vật liệu multiferroics cấu trúc micro nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ĐĂNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ LA BÀN ĐIỆN TỬ DỰA TRÊN VẬT LIỆU MULTIFERROICS CẤU TRÚC MICRO-NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ĐĂNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ LA BÀN ĐIỆN TỬ DỰA TRÊN VẬT LIỆU MULTIFERROICS CẤU TRÚC MICRO-NANO Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện Nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Thị Hương Giang HÀ NỘI - 2017 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Đỗ Thị Hương Giang Trường đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, người trực tiếp hướng dẫn em thực luận văn, tận tình hướng dẫn bảo, tạo điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức kinh nghiệm giúp em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Em xin cảm ơn tới tập thể cán bộ, thầy cô giáo môn Vật liệu Linh kiện nano dạy dỗ truyền đạt cho em kiến thức quý báu mà em áp dụng vào làm đề tài kiến thức hành trang cho em học tập làm việc mai sau Và em xin cảm ơn bạn, anh, chị Phòng thí nghiệm, Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện cho em suốt thời gian học tập, nghiên cứu phòng thí nghiệm Bộ môn Cùng với anh NCS Phạm Anh Đức, NCS Nguyễn Xuân Toàn, NCS Lê Khắc Quynh, bạn Nguyễn Văn Tuấn, Đặng Xuân Đăng người giúp đỡ em nhiều trình thu thập tài liệu, thực nghiệm xử lý kết đo đạc Luận văn thực với tài trợ kinh phí từ Đề tài Nghiên cứu Đại học Quốc gia Hà Nội mang Mã số QG.15.28 Cuối em xin cảm ơn người thân gia đình, bạn bè chia sẻ khó khăn thời gian vừa qua Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Đăng Phương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp công trình nghiên cứu thực cá nhân tôi, thực sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu khảo sát tình hình thực tiễn hướng dẫn khoa học PGS TS Đỗ Thị Hương Giang Các số liệu, mô hình tính toán kết khóa luận trung thực Trong luận văn có tham khảo, trích dẫn số sách, báo, tạp chí ghi đầy đủ Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Đăng Phương MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan la bàn 1.2 Nhu cầu sử dụng la bàn điện tử 1.3 Yêu cầu kỹ thuật 1.4 Các loại la bàn thông dụng 1.4.1 La bàn hoạt động dựa hiệu ứng Hall bán dẫn 1.4.2 La bàn hoạt động dựa hiệu ứng cảm ứng từ 1.4.3 La bàn hoạt động dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR 1.4.4 La bàn hoạt động dựa hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR 1.4.5 La bàn hoạt động dựa cảm biến sợi quang 10 1.5 La bàn điện tử dựa vật liệu multiferroic có hiệu ứng từ giảo-áp điện 11 1.5.1 Tổng quan hiệu ứng từ-điện 11 1.5.2 Nguyên lý hoạt động đo từ trường hiệu ứng từ giảo-áp điện 11 Chương PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 13 2.1 Lựa chọn nguyên vật liệu 13 2.2 Chế tạo đầu đo cảm biến 14 2.2.1 Cắt vật liệu theo kích thước với độ xác cao 14 2.2.2 Chế tạo vật liệu 15 2.2.3 Chế tạo đầu đo cảm biến 16 2.3 Đo đạc khảo sát đầu đo cảm biến mạch điện tử phòng thí nghiệm 17 2.3.1 Đo tín hiệu điện áp kích thích từ trường xoay chiều cho cuộn dây 17 2.3.2 Nguồn từ trường chiều độ xác cao 17 2.3.3 Các thông số khảo sát 18 2.4 Hệ quay khảo sát phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc 18 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20 3.1 Khảo sát đặc trưng đầu đo cảm biến 20 3.1.1 Tần số kích thích 20 3.1.2 Hiệu điện cấp cho cuộn kích thích 20 3.1.3 Đáp ứng với từ trường đầu đo cảm biến 21 3.2 Đo kiểm độ ổn định từ trường độ lặp lại đầu đo cảm biến 22 3.3 Đo kiểm độ phân giải đầu đo cảm biến 23 3.4 Đặc trưng đo góc từ trường trái đất đầu đo cảm biến làm sở xây dựng nguyên lý mạch điện tử 24 3.4.1 Đáp ứng với góc quay đơn cảm biến 24 3.4.2 Tín hiệu Voffset cách khắc phục 24 3.4.3 Xây dựng thuật toán tính góc cho đầu đo 25 3.5 Đánh giá sai số chuẩn hóa ghép trực giao cảm biến 27 3.6 Nghiên cứu, thiết kế đo đạc thử nghiệm mạch điện tử cho la bàn 29 3.6.1 Nghiên cứu, thiết kế mạch điện tử 29 3.6.1.a Khối phát xung tạo tín hiệu cao tần đầu vào 29 3.6.1.b Khối đo lường tín hiệu cảm biến 31 3.6.1.c Khối so pha 33 3.6.1.d Khối bù trừ 34 3.6.1.e Thuật toán tính góc chạy thử nghiệm thiết bị 35 3.6.2 Đóng gói hoàn thiện thiết bị theo mẫu mã kiểu dáng công nghiệp 36 KẾT LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Từ trường bao quanh Trái Đất Hình 1.2 La bàn từ đơn giản Hình 1.3 Số liệu minh họa cho số lượng tiêu thụ sensor đo từ trường ứng dụng chế tạo la bàn điện tử tăng nhảy vọt từ năm 2009 thời điểm đánh dấu cho đời điện thoại thông minh [13] Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng Hall Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo cảm biến flux–gate [4] Hình 1.6 Sơ đồ minh họa hiệu ứng ARM [5] Hình 1.7 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động microsensor từ trường dựa phát quang học thiết kế Zanetti (1998 ) [20] 10 Hình 1.8 Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ-điện vật liệu 11 Hình 1.9 Hình minh hoạt hoạt động hiệu ứng từ giảo – áp điện tác dụng từ trường chiều DC từ trường xoay chiều kích thích AC 12 Hình 2.1 Quy trình chế tạo la bàn điện tử 13 Hình 2.2 Hình thực tế áp điện PZT 14 Hình 2.3 Hình thực tế băng từ metglas 14 Hình 2.4 Hình thực tế máy cắt tự động SHERLINE model 5410 14 Hình 2.5 Hình minh họa qui trình chế tạo cảm biến đơn trục dựa hiệu ứng từ giảo-áp điện 15 Hình 2.6 Vật liệu từ giảo-điện sau chế tạo hàn điện cực hoàn thiện 15 Hình 2.7 Ảnh hiển vi điện tử quét cấu trúc vật liệu từ điện dạng bánh kẹp: lớp vật liệu từ giảo (độ dày 18 μm), lớp epoxy (adheshive layer, độ dày μm), véc tơ hac P hướng từ trường xoay chiều độ phân cực điện 16 Hình 2.8 Hình thiết kế 3D (trái) ảnh chụp đầu đo cảm biến (phải) đóng gói hoàn thiện vỏ bảo vệ 17 Hình 2.9 Hình thực tế khuếch đại Lock-In Amplifier 7265 17 iii Hình 2.10 Hình thực tế cuộn Helmholtz model MH-2.5 thiết bị Keithely 2400 18 Hình 2.11 Hệ đo phụ thuộc tín hiệu lối sensor theo góc định hướng 19 Hıǹ h 3.1 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu lối với tần số tín hiệu kích thích sensor sensor 20 Hıǹ h 3.2 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu lối với tín hiệu điện áp kích thích 21 Hıǹ h 3.3 Sự phụ thuộc tín hiệu điện đầu đo cảm biến vào từ trường đo sensor đơn trục (hình trái) (hình phải) 22 Hıǹ h 3.4 Đồ thị số liệu đo cảm biến vào thời gian đo khác 22 Hıǹ h 3.5 Tín hiệu đo cảm biến không có từ trường tác dụng vào với cường độ khác nhau: (a) 1,5 nT (b) nT tương ứng với dòng điện cấp 0,5 1,0 A vào cuộn Helmholtz 24 Hıǹ h 3.6 Khảo sát đáp ứng đầu đo cảm biến theo góc định hướng trục sensor (hình trên) sensor (hình dưới) với cực Bắc từ trường trái đất 25 Hình 3.7 Nguyên lý tính toán cường độ từ trường cảm biến 26 Hıǹ h 3.8 Qui luật bù điểm dị thường các giá trị góc theo dải đo 26 Hıǹ h 3.9 Đồ thị tính toán góc cảm đo từ cảm biến sau bước đo: Bước (hình cùng), Bước (hình giữa) Bước (hình cùng) 27 Hıǹ h 3.10 Tín hiệu cường độ từ trường thu chưa (a) sau qua chuẩn hóa trực giao 28 Hıǹ h 3.11 Sơ đồ khối mô tả cấu trúc la bàn điện tử 29 Hıǹ h 3.12 Module AD9850 30 Hıǹ h 3.13 Ảnh chụp hình dao động ký kết đo sóng kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 30 Hıǹ h 3.14 Kết phân tích phổ sử dụng dao động ký vẽ sử dụng phần mềm origin với sóng kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 31 iv Hình 3.15 Ảnh chụp hình dao động ký tín hiệu điện áp lối cảm biến không qua mạch thu, lọc khuếch đại tín hiệu với kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 32 Hình 3.16 Kết phân tích phổ sử dụng dao động ký vẽ sử dụng phần mềm origin với tín hiệu điện áp lối cảm biến không qua mạch thu, lọc khuếch đại tín hiệu với kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 32 Hình 3.17 Ảnh chụp hình dao động ký tín hiệu điện áp lối cảm biến sau qua mạch thu, lọc khuếch đại tín hiệu với kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 33 Hình 3.18 Kết phân tích phổ sử dụng dao động ký vẽ sử dụng phần mềm origin với tín hiệu điện áp lối cảm biến sau qua mạch thu, lọc khuếch đại tín hiệu với kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 33 Hình 3.19 Tín hiệu đo trực tiếp từ khối đo lường lọc nhiễu (đường xung dạng sin) tín hiệu pha thu từ khối TL084 (xung vuông) đo đồng thời cảm biến đơn Sensor Sensor đầu đo cảm biến 34 Hıǹ h 3.20 Đo kiểm hoạt động thiết bị la bàn điện tử sau đóng gói hoàn thiện: (a) vẽ toàn dải đo 0-360 độ, (b) vẽ dải góc nhỏ 010 độ 35 Hıǹ h 3.21 Hình minh họa main la bàn 36 Hıǹ h 3.22 Mạch điện tử lắp ráp hoàn thiện la bàn 37 Hıǹ h 3.23 La bàn sau đóng gói hoàn thiện 37 Hıǹ h 3.24 Giao diện hiển thị hình LCD thiết kế cho la bàn 37 v MỞ ĐẦU Từ trường trái đất ứng dụng từ thời cổ đại có nhiều thiết bị ngày hoạt động dựa Trong định vị hướng vị trí, người ta thường sử dụng la bàn để đo định hướng so với hướng từ trường trái đất sinh Nghiên cứu từ trường trái đất lĩnh vực địa vật lý Kết nghiên cứu áp dụng để miêu tả từ trường hành tinh, thiên thể khác Cường độ hướng từ trường trái đất khác phụ thuộc vào vị trí địa lý Tuy nhiên cường độ từ trường trái đất yếu (cỡ ~ 10-4 Tesla) nên cần phải có thiết bị độ nhạy cao đo xác định Các nghiên cứu gần phát triển nhóm nghiên cứu Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội hiệu ứng từ-điện số vật liệu tổ hợp từ giảo/áp điện sử dụng băng từ mềm cho thấy khả nhạy từ trường thấp mở số khả ứng dụng đặc biệt phải kể đến cảm biến nhạy từ trường trái đất Trong luận văn này, kế thừa kết nghiên cứu nhóm dựa vật vật liệu multiferroics tổ hợp từ vật liệu từ giảo siêu mềm Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 dạng băng từ (Ni-based Metglas) với vật liệu gốm dạng Pb(Zr,TiO)O3 (PZT) có hệ số điện lớn, tổ hợp nhiều cảm biến đơn trục cho phép đo thành phần từ trường trái đất qua đo góc định hướng để phát triển thành đầu đo nhạy hướng từ trường trái đất cho thiết bị la bàn dùng cho định vị đặc biệt cho ngành hàng hải Với hướng nghiên cứu vậy, tiến hành làm công việc cụ thể sau: - Chế tạo vật liệu multiferroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT khảo sát thông số làm việc vật liệu tổ hợp từ-điện - Chế tạo đơn sensor (1D) sensor trực giao trục (2D) để đo góc định hướng thông qua đo thành phần từ trường trái đất mặt phẳng nằm ngang sử dụng vật liệu tổ hợp chế tạo được, khảo sát thông số hoạt động đặc trưng sensor đánh giá khả hoạt động sensor đo góc - Tích hợp đầu đo cảm biến với mạch điện tử đóng gói hoàn thiện thiết bị la bàn điện tử khảo sát đánh giá hoạt động la bàn đo hướng (độ ổn định, độ phân giải, …) - Bước 2: Xác định điện áp cực đại tương ứng với trục cảm biến hướng theo cực Bắc từ Nam từ trường trái đất (VNorth VSouth ) - Bước 3: Xác định offset hiệu chỉnh, trừ sử dụng công thức (3.6) để tính giá trị tỉ đối tín hiệu đo 1  Vout  Voffset  S1  1 VNorth  Voffset   2  S  Vout  Voffset  V V North offset  - Bước 4: Tính góc theo công thức hàm lượng giác tan   S1 S2 Với φ góc định hướng trục cảm biến từ trường trái đất - (3.3) Bước 5: Bù điểm dị thường giá trị góc theo dải đo Hı̀nh 3.7 Nguyên lý tính toán cường độ từ trường cảm biến Hı̀nh 3.8 Qui luật bù điểm dị thường các giá trị góc theo dải đo 26 (3.4) Hı̀nh 3.9 Đồ thị tính toán góc cảm đo từ cảm biến sau bước đo: Bước (hình cùng), Bước (hình giữa) Bước (hình cùng) 3.5 Đánh giá sai số chuẩn hóa ghép trực giao cảm biến Độ xác góc đo phụ thuộc nhiều vào độ xác ghép tổ hợp đơn cảm biến cấu hình vuông góc Thông thường việc ghép thực cách học phụ thuộc nhiều vào sai số khí gia công vỏ cảm biến Hai sensor đặt vuông góc khối nhựa mika Hình 2.8 Sai khác giải thích sai số chế tạo cảm biến, cụ thể khối nhựa mika gia công khí máy CNC Độ xác góc đo la bàn phụ thuộc vào độ xác góc lệch trực giao Sai số góc lệch xác định sau khảo sát đường cong thay đổi theo góc đồng thời ghi nhận cảm biến kết tổng hợp sau chuyển đổi sang tín hiệu từ trường cho ta biết mức độ lệch trực giao cảm biến Trên Hıǹ h 3.10a minh chứng cho độ lệch chuẩn trực giao cảm biến đường tín hiệu tỉ đối theo công thức S  S1  S2 27 thăng giáng liên tục đặt đầu đo la bàn theo định hướng khác Về nguyên tắc, từ trường không đổi thành phần từ trường mặt phẳng nằm ngang phải giữ nguyên không đổi Từ kết thu thấy độ lệch góc trực giao sensor khoảng 6 Tiến hành chuẩn hóa trực giao thực sau đánh giá góc lệch sensor từ đường cong Hı̀nh 3.10 Tín hiệu cường độ từ trường thu chưa (a) sau qua chuẩn hóa trực giao Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đưa giải pháp chuẩn hóa trực giao sử dụng phương pháp đo trực tiếp tín hiệu cảm biến sử dụng mâm quay có đường kính lớn điều khiển motor bước với bước điều khiển nhỏ 0,05 độ để vi chỉnh góc cảm biến đơn trục Theo giải pháp này, tổ hợp cảm biến đơn độc lập ghép với cố định đảm bảo trực giao tổng hợp từ trường mặt phẳng nằm ngang giữ ổn định Với cách làm đảm bảo sai số trực giao nhỏ 0,1 độ nhờ hệ thống điều khiển quay tự động Kết đo tín hiệu cảm biến thực theo phương pháp cho thấy rõ ổn định từ trường nằm ngang tổng hợp tín hiệu từ cảm biến Điều lần khẳng định độ xác trực giao cặp cảm biến tổ hợp vuông góc với Kết đo tín hiệu cảm biến thực theo phương pháp cho thấy rõ ổn định từ trường nằm ngang (Hıǹ h 3.10b) sau 28 tổng hợp tín hiệu từ cảm biến Điều lần khẳng định độ xác trực giao cặp cảm biến tổ hợp vuông góc với 3.6 Nghiên cứu, thiết kế đo đạc thử nghiệm mạch điện tử cho la bàn Mạch điện tử cho la bàn thực với phối hợp nhóm nghiên cứu thực đề tài nghiên cứu với nhóm nghiên cứu Viện Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội Trong toàn ý tưởng thiết kế xây dựng nội dung đo đạc thử nghiệm hoạt động mạch xây dựng nguyên lý thuật toán tính góc thực nhóm nghiên cứu trường Đại học Công Nghệ với tham gia học viên Lựa chọn linh kiện theo yêu cầu lắp ráp hoàn thiện nhóm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tuy nhiên, tất các công đoạn có tham gia thực trực tiếp học viên Nghiên cứu, thiết kế mạch điện tử Mạch điện tử thiết kế dựa hoạt động thiết bị Lock-In có kết hợp với phận phân tích hình hiển thị la bàn (Hıǹ h 3.11) Mạch xây dựng bao gồm đầy đủ khối chức từ phát xung tạo tín hiệu cao tần đầu vào nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích, khối đo lường chuẩn hóa tín hiệu lối từ cảm cảm biến, khối xử lý tín hiệu tính toán góc đo, khối hiển thị giao tiếp Hı̀nh 3.11 Sơ đồ khối mô tả cấu trúc la bàn điện tử Trước tích hợp với mạch điện tử, đầu đo cảm biến chuẩn hóa trực giao đảm bảo sai số góc nhỏ 0,5 độ 3.6.1.a Khối phát xung tạo tín hiệu cao tần đầu vào Khối phát xung thiết kế sử dụng vi mạch module AD9850 Yêu cầu mô đun điều chỉnh biên độ điện áp nuôi tần số kích thích để đảm bảo cho tính lắp lẫn, thay mô đun xử lý tín hiệu môn đun cảm biến, sensor chế tạo có đặc trưng tần số làm việc riêng khác Module AD9850 xem xét sử dụng để đáp ứng yêu cầu có dải tần làm việc cho phép tích hợp 29 thêm tính tự động dò tần cho tửng cảm biến để chọn giá trị tần số cho tín hiệu điện áp lối từ đầu đo cảm biến lớn (Hıǹ h 3.12) Hı̀nh 3.12 Module AD9850 Thông tin module AD9850 liên quan đến thiết bị sau: - Dải nhiệt độ hoạt động: -40 đến 85C - Công suất tiêu thụ 155 mW - Điều chỉnh tần số 32 bit - Độ phân giải tần số 0,0291 Hz Trước lắp ráp vào mạch điện tử, việc chạy thử nghiệm module AD9850 phòng thí nghiệm thực máy quan sát phổ để kiểm định tính hoạt động độ ổn định khối Với cảm biến chế tạo dùng cho la bàn, tần số phát xung kích thích cho đầu đo cảm biến dao động xung quanh tần số 100 kHz Kết đo đạc thử nghiệm hoạt động module phát sóng kiểm định PTN máy dao động ký Tektronic DPO4032 Kết đưa Hıǹ h 3.13 Hıǹ h 3.14 cho thấy cho thấy xung tín hiệu phát hình sin có độ ổn định biên độ tần số cao với dải làm việc đáp ứng yêu cầu cho đầu đo cảm biến Không quan sát thấy tồn đỉnh phụ khác tín hiệu phát tần đặt Hı̀nh 3.13 Ảnh chụp hình dao động ký kết đo sóng kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 30 Hı̀nh 3.14 Kết phân tích phổ sử dụng dao động ký vẽ sử dụng phần mềm origin với sóng kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 3.6.1.b Khối đo lường tín hiệu cảm biến Tín hiệu đo lường từ cảm biến đưa qua IC đo lường INA128 để khuếch đại IC OPA2350 để lọc nhiễu Để kiểm tra hoạt động khối chức này, tín hiệu từ đầu đo cảm biến kích thích khối AD9850 phát xung sin kiểm tra trước sau qua mạch đo lường lọc nhiễu để so sánh đối chiếu Trên Hình 3.16 ảnh chụp hình phổ tín hiệu lối trực tiếp từ đầu đo cảm biến trước cho qua mạch lọc Nhìn vào hình ảnh thấy rõ nét có đóng góp nhiễu khiến cho tín hiệu bị thăng giáng dao động xung quanh tín hiệu Để đánh giá rõ đóng góp nhiễu này, số liệu truy xuất vẽ đồ thị phân tích phổ Hình 3.17 cho thấy xuất nhiều đỉnh phụ với tần số khác tần số dao động tín từ từ cảm biến Trong đó, đóng góp nhiều nhiều quan sát thấy tần số 50 Hz điện lưới với cường độ lớn so với tín hiệu thực từ cảm biến Các tần số nhiễu khác rơi vào họa ba tần số bội số nguyên lần tần số xung tín hiệu Chính vậy, việc lọc nhiễu thiếu khối chức vô quan trọng định đến độ phân giải độ nhạy thiết bị la bàn 31 Hình 3.15 Ảnh chụp hình dao động ký tín hiệu điện áp lối cảm biến không qua mạch thu, lọc khuếch đại tín hiệu với kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin Hình 3.16 Kết phân tích phổ sử dụng dao động ký vẽ sử dụng phần mềm origin với tín hiệu điện áp lối cảm biến không qua mạch thu, lọc khuếch đại tín hiệu với kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin Hoạt động khối chức lọc nhiễu kiểm chứng sau tính hiệu từ đầu đo cảm biến qua mạch thu lọc nhiễu Kết chụp hình đưa Hình 3.17 cho thấy tượng thăng giáng không quan sát thấy đo trực tiếp đầu đo cảm biến Hình 3.15 Kết phân tích phổ Hình 3.18 cho thấy rõ đỉnh phụ hòa ba bị lọc hoàn toàn nhiễu điện lưới 50 Hz Chỉ lại tín hiệu thu từ cảm biến khuếch đại với tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) lớn, đạt 32 50 dB Kết thu tầng khuếch đại đo lường hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đặt từ ban đầu Hình 3.17 Ảnh chụp hình dao động ký tín hiệu điện áp lối cảm biến sau qua mạch thu, lọc khuếch đại tín hiệu với kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin Hình 3.18 Kết phân tích phổ sử dụng dao động ký vẽ sử dụng phần mềm origin với tín hiệu điện áp lối cảm biến sau qua mạch thu, lọc khuếch đại tín hiệu với kích thích tần số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin 3.6.1.c Khối so pha Do khối chức INA128 có khả đo độ lớn tín hiệu mà không đo dấu tín hiệu nên cần phải tích hợp thêm khối chức TL084 để xác định pha cho phép kết hợp phát đồng thời độ lớn dấu tín hiệu điện áp cảm biến Việc nhận biết pha thực thông qua thuật toán chuyển đổi từ xung hình sin sang 33 xung hình vuông so sánh thay đổi tín hiệu theo chiều hướng tăng giảm để xác định dấu cho tín hiệu đo Trên Hình 3.19 kết số liệu đo truy xuất trực tiếp thông qua ghép nối với máy tính cho đầu đo cảm biến quay xung quanh trục thẳng đứng mặt phẳng nằm ngang sử dụng hệ mâm quay tự động Đường cong thay đổi dạng sin quan sát tín hiệu cảm biến sau qua thu lọc nhiễu Tín hiệu đo cho thông tin độ lớn mà thông tin pha (tương ứng với đảo dấu tín hiệu) Đường dạng xung vuông đồ thị tín hiệu pha sau qua thuật toán tính pha, đó, pha nhận giá trị tương ứng giá trị dương tín hiệu cảm biến giá trị tương ứng với giá trị âm tín hiệu cảm biến Sự khác độ lớn đỉnh tín hiệu đơn cảm biến đóng góp offset trình bày phần 3.4.2 Hình 3.19 Tín hiệu đo trực tiếp từ khối đo lường lọc nhiễu (đường xung dạng sin) tín hiệu pha thu từ khối TL084 (xung vuông) đo đồng thời cảm biến đơn Sensor Sensor đầu đo cảm biến 3.6.1.d Chuẩn hóa trừ Để tính toán góc định hướng la bàn tín hiệu đưa vào thuật toán tính góc phải trừ Để làm việc này, vi xử lý STM32 có chức nhận biết các trị cực đại thực thao tác chuẩn hóa cách quay cảm biến hết 34 vòng mặt phẳng nằm ngang với mục đích ghi nhận tín hiệu cảm biến qua cực Bắc Nam từ trường trái đất Trong trình chuẩn hóa, tốc độ lấy mẫu cao (10.000 mẫu/giây) thực để đảm bảo độ xác tín hiệu với thời gian thực Tín hiệu cực đại (mang dấu dương) ghi nhận gán giá trị VNorth Tín hiệu cực tiểu (mang dấu âm) ghi nhận gán giá trị VSouth Từ giá trị ghi nhận được, tín hiệu offset giá trị tỉ đối S1, S2 tính toán sử dụng công thức (3.2) (3.3) để xây dựng thuật toán 3.6.1.e Thuật toán tính góc chạy thử nghiệm thiết bị Dựa theo thuật toán tính góc đưa phần 3.4.3 trên, chương trình tính góc xây dựng đưa vào mạch nạp Kết chạy thử nghiệm với chương trình viết đưa Hıǹ h 3.20 Đo dải đo nhỏ cho thấy với bước đo góc điểm đo 0,5 độ, số liệu đo từ cảm biến khẳng định độ phân giải la bàn đạt tới 0,2 độ Giá trị so sánh với độ phân giải la bàn điện tử đại Hı̀nh 3.20 Đo kiểm hoạt động thiết bị la bàn điện tử sau đóng gói hoàn thiện: (a) vẽ toàn dải đo 0-360 độ, (b) vẽ dải góc nhỏ 0-10 độ 35 Đóng gói hoàn thiện thiết bị theo mẫu mã kiểu dáng công nghiệp Sử dụng phần mềm mạch thiết kế mô thử nghiệm sử dụng phần mềm Altium Designer khối chức thiết kế, lắp ráp đóng gói vi mạch có kích thước dàirộng 14,58 cm2 Trên Hıǹ h 3.21 thiết kế 3D mạch điện tử đầu đo la bàn Đầu đo cảm biến sau đóng gói hoàn thiện tích hợp với mạch điện tử hình hiển thị LCD Graphic LCD123864 thông minh điều khiển cảm ứng Sản phẩm tích hợp hoàn thiện bao gồm đầu đo cảm biến mạch điện tử chụp Hıǹ h 3.22 Toàn thiết bị đóng hộp vỏ bảo vệ không từ PE nuôi nguồn pin sạc nguồn nuôi 5V (Hıǹ h 3.23) Màn hình hiển thị LCD tự thiết kế (Hıǹ h 3.24) với đầy đủ thông tin hiển thị bao gồm kim đồng hồ quay, góc hiển thị dạng số, lượng pin sử dụng menu điều khiển cảm ứng Hı̀nh 3.21 Hình minh họa main la bàn 36 Hı̀nh 3.22 Mạch điện tử lắp ráp hoàn thiện la bàn Hı̀nh 3.23 La bàn sau đóng gói hoàn thiện Hı̀nh 3.24 Giao diện hiển thị hình LCD thiết kế cho la bàn Công suất tiêu thụ mạch đo trực tiếp thông qua đo dòng tiêu thụ thực tế module toàn thiết bị với nguồn điện áp cấp 5V cho kết sau: - Công suất tiêu thụ mạch điện tử: 1W (trong riêng module phát để kích thích cho đầu đo cảm biến tiêu thụ khoảng 50% tổng số công suất này) - Công suất tiêu thụ hiển thị LCD: 2W So với cảm biến thương mại công suất tiêu thụ thường dao động cỡ 0,1 W, thiết bị công suất tiêu thụ lớn giới hạn trường hợp sử dụng pin Hướng nghiên cứu tiếp tục triển khai theo hướng thu nhỏ thiết bị linh kiện giảm công suất tiêu thụ cho hệ đóng gói hoàn thiện sản phẩm theo mẫu mã kiểu dáng công nghiệp để hướng tới thương mại hóa sản phẩm 37 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu phát triển hoàn chỉnh Công nghệ chế tạo sensơ góc 2D dựa hiệu ứng từ giảo – áp điện và la bàn điện tử: Sensơ tích hợp với mạch điện tử hoàn chỉnh, bao gồm hệ thống khuếch đại lock-in số biến đổi để tín hiệu lối ghép nối máy tính hiển thị góc phương vị góc ngẩng ăng-ten cảm biến quay từ trường trái đất Hệ thống mạch điện tử tạo hoạt động với nguồn sóng sin 100 kHz Việc khuếch đại tín hiệu đo lường, lọc nhiễu tín hiệu, kết nối với vi xử lý thực hoàn chỉnh, đáp ứng yêu cầu la bàn điện tử với độ phân giải 10-1 độ Các kết đạt luận văn bao gồm:  La bàn điện tử thiết kế chế tạo bao gồm mô đun: khối cảm biến khối điện tử  Khối cảm biến 2D thực chất tổ hợp cảm biến 1D đơn trục đặt vuông góc với nhau, có độ hệ số chuẩn hóa k ~ 200 mV/Oe tần số cộng hưởng khoảng f ~ 100 kHz Độ phân giải góc tốt 0,2 độ Tín hiệu cảm biến xử lý offet chuẩn hóa trực giao  Khối cảm biến hoạt động sở nguyên lý khuyếch đại lọc lựa, bao gồm khối phát xung tạo tín hiệu (chuẩn) cao tần nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích; khối đo lường chuẩn hóa tín hiệu khối hiển thị, giao tiếp Khối phát xung thiết kế sử dụng vi mạch module AD9850 Tín hiệu đo lường từ cảm biến đưa qua IC đo lường INA128 để khuếch đại IC OPA2350 để lọc nhiễu Đầu đo cảm biến sau đóng gói hoàn thiện tích hợp với mạch điện tử hình hiển thị LCD Graphic LCD123864  La bàn điện tử chế tạo đáp ứng yêu cầu phục vụ cho mục đích định vị dùng cho ngành công nghệ khác đặc biệt ngành Hàng hải Các nội dung kết nghiên cứu luận văn nằm đề tài nghiên cứu Mã số QG 15.28 Đại học Quốc gia Hà nội 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hoàng Mạnh Hà (2007), Chế tạo, Nghiên cứu ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảoáp điện dạng có cấu trúc nano, luận văn thạc sĩ, Đại học Công NghệĐHQGHN Nguyễn Thị Ngọc (2012), Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường Trái đất 2D, 3D dựa vật liệu từ-điện cấu trúc Micro-Nano, luận văn thạc sĩ, trường Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN Nguyễn Xuân Toàn (2010), Tăng cường hiệu ứng từ điện vùng từ trường thấp vật liệu multiferroics Metglas/PZT dạng lớp cấu trúc Micro-Nano, luận văn thạc sĩ vật liệu linh kiện nano, luận văn thạc sĩ trường Đại học Công NghệĐHQGHN Đồng Quốc Việt (2013), Ứng dụng công nghệ Micro-Nano chế tạo tổ hợp cảm biến từ, luận văn thạc sĩ, trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN Tiếng Anh APC International Ltd datasheet: http://americanpiezo.com/piezo_theory/ Ballas R.G., (2007), Piezoelectric Multilayer Beam Bending Actuators, SpringerVerlag Berlin Heidelberg Baschirotto A., Borghetti F., Dallago E., Malcovati P., Marchesi M., Melissano E., Siciliano P., Venchi G, (2006), “Fluxgate Magnetic Sensor and Front-End Circuitry in a Integrated Microsystem”, Sensor and Actuators A, 132 (1 November), pp 9097 Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Kiliba YU.V., Bukashev F.I., Smirnov A.YU., and Eliseev D.N., (2002) Ferroelectric, 280, 199 Dixon R., (2015) Magnetic Sensors Market TrackerPrincipal Analyst MEMS & Sensors, Edward R., (2006) Hall-Effect Sensors, Elsevier Inc pp xi (ISBN 978-0-75067934-3) Joule J.P., Philosophical Magazine, 30 (1847) 76 Landau D and Lifshitz E., (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, pp 119 39 Lenz J., Edelstein A.S., (2006), “Magnetic Sensors and Their Applications”, IEEE Sensors Journal, (3 June), pp 631-649 Li Shu-hua, (1954), "Origine de la Boussole 11 Aimant et Boussole", Isis, 45 (2 July), pp 175–196 Lowrie, William, (2007), Fundamentals of Geophysics, London: Cambridge University Press pp 281 Kreutz, Barbara M., (1973), "Mediterranean Contributions to the Medieval Mariner's Compass", Technology and Culture, 14 July, pp 367–383 MarketsandMarkets, (2016), PRNewswire, Pune India Needham, Joseph, (1962), Physics and physical technology, Cambridge University Press Racz R., Schott C., Huber S (1962), Electronic Compass Sensor, IEEE sensors, pp 1446 Ripka P., Tipek A., (2007), Modern Sensors Handbook, Wiltshire, UK Ripka P., (2008), Improvening the accuracy of magnetic sensors, Berlin, Germany Perez L., Aroca C., Sánchez P., López E., Sánchez M.C., (2004), “Planar Fluxgate Sensor With an Electrodeposited amorphous core”, Sensors and Actuators A, 109 (3 January), pp 208-211 Zanetti L J., Potemra T A., Oursler D A., Anderson B.J., Givens R.B., Wickenden D.K., Osiander R., Kistenmacher T.J., Jenkins R.E., (1998), “Miniature Magnetic Field Sensors Based on Xylophone Resonators”, Science Closure and Enabling Technologies for Constellation Class Missions, 25 (1 January) pp 149-151 40 ... PHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ LA BÀN ĐIỆN TỬ DỰA TRÊN VẬT LIỆU MULTIFERROICS CẤU TRÚC MICRO-NANO Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện Nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT... NGHIỆM Trên Hình 2.1 sơ đồ minh họa qui trình chế tạo thiết bị la bàn điện tử nghiên cứu, chế tạo lắp ráp thực luận văn Qui trình rút gọn gồm bước từ chế tạo vật liệu, đầu đo đến đóng gói thiết bị. .. chụp vật liệu sau được chế tạo hàn điện cực hoàn thiện Trên Hình 2.7 ảnh chụp SEM mặt cắt ngang vật liệu chế tạo với qui trình công nghệ Hình 2.6 Vật liệu từ giảo -điện sau chế tạo hàn điện cực