DSpace at VNU: Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường trái đất 2D, 3D dựa trên vật liệu từ - điện cấu trúc micro – nano

Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường trái đất 2D, 3D dựa vật liệu từ - điện cấu trúc micro – nano Nguyễn Thị Ngọc Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu linh kiện nano Người hướng dẫn: TS Đỗ Thị Hương Giang Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Chế tạo vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT nghiên cứu tính chất từ, điện tính chất tổ hợp từ-điện vật liệu Chế tạo sensor đo từ trường trái đất dạng 1D sử dụng vật liệu tổ hợp chế tạo khảo sát thông số hoạt động đặc trưng sensor đánh giá khả hoạt động sensor việc đo đạc từ trường trái đất Phát triển sensor 1D thành sensor 2D, 3D cách tích hợp gồm nhiều sensor đơn theo cấu hình trực giao cho phép xác định đồng thời độ lớn góc định hướng từ trường trái đất vị trí không gian Đề xuất số khả ứng dụng sensor lĩnh vực vệ tinh, vũ trụ Keywords: Vật liệu điện; Chế tạo sensor; Công nghệ Nano; Cấu trúc Micro nano Content MỞ ĐẦU 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) nên cần phải có thiết bị có độ nhạy cao để có phát xác định Với xu phát triển tìm vật liệu mới, hiệu ứng thay vật liệu truyền thống với tiêu chí kết hợp nhiều mạnh vật liệu hiệu ứng truyền thống đồng thời khắc phục yếu điểm chúng Trong hồn cảnh đó, vật liệu multiferroics coi cứu cánh công nghệ thông tin kỉ 21 Multiferroics vật liệu lưỡng pha sắt từ - sắt điện với tồn đồng thời tính chất từ tính chất điện gọi hiệu ứng từ-điện Đây hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) tác dụng từ trường (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa (M) tác dụng điện trường (E) Theo định hướng nghiên cứu gắn với xu phát triển trên, luận văn này, tiến hành chế tạo nghiên cứu sensor đo từ trường trái sử dụng vật liệu multiferroics tổ hợp vật liệu từ giảo siêu mềm 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 điện-cơ lớn Kết nghiên cứu luận văn trông đợi chế tạo thành công sensor đo từ trường với độ nhạy cao độ phân giải lớn vùng nanô-tesla (nT) cho phép hướng đến ứng dụng để đo đạc tính tốn từ trường trái đất Với hướng nghiên cứu này, nội dung nghiên cứu thực luận văn bao gồm cụ thể sau: - Chế tạo vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT nghiên cứu tính chất từ, điện tính chất tổ hợp từ-điện vật liệu - Chế tạo sensor đo từ trường trái đất dạng 1D sử dụng vật liệu tổ hợp chế tạo khảo sát thông số hoạt động đặc trưng sensor đánh giá khả hoạt động sensor việc đo đạc từ trường trái đất - Phát triển sensor 1D thành sensor 2D, 3D cách tích hợp gồm nhiều sensor đơn theo cấu hình trực giao cho phép xác định đồng thời độ lớn góc định hướng từ trường trái đất vị trí không gian - Đề xuất số khả ứng dụng sensor lĩnh vực vệ tinh, vũ trụ TỔNG QUAN Từ trƣờng trái đất Nguồn gốc từ trƣờng Năm 1940, số nhà vật lý đưa giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn gốc từ trường trái đất Theo thuyết từ trường Trái đất chủ yếu hình thành từ dòng chất lỏng đối lưu lòng trái đất độ sâu 3000 km Từ trường xuất lòng trái đất Hình dạng từ trường giống từ trường thỏi nam châm Từ trường từ bán cầu nam vào phía bán cầu bắc trái đất Hai nơi gọi cực từ Nó không trùng với cực nam cực bắc địa lý mà cách vài trăm số Từ trường mà trái đất sinh gần giống mơ hình lưỡng cực từ nghiêng góc 11.5° so với trục quay (xem Error! Reference source not found.) Vai trò từ trƣờng trái đất Từ trường trái đất nhỏ lại khơng thể thiếu Nó đóng vai trò chắn trái đất khỏi hạt tích điện – gió mặt trời bảo vệ sống hành tinh trước hiệu ứng có hại xạ vũ trụ Từ trường cản gió mặt trời dẫn vòng qua trái đất Nếu khơng có từ trường, khơng ngừng bị vật chất độc hại công sống khơng thể trì Trái đất Các đặc trƣng từ trƣờng trái đất Cƣờng độ từ trƣờng trái đất Từ trường trái đất có độ lớn hướng khác vị trí khác Cường độ từ trường lớn cực từ yếu gần đường xích đạo Độ lớn vào khoảng nanoteslas (nT) gauss, với gauss = 100.000 nT Nó dao động khoảng từ 25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25 đến 0,65 Gauss) [12] Hƣớng từ trƣờng trái đất Từ trường trái đất có đường sức từ trái đất vẽ không gian từ cực Nam địa lý vào cực Bắc địa lý Ở đây, Trái Đất có cực địa từ, khơng trùng với cực địa lý Cực Bắc từ có toạ độ 70° Vĩ Bắc Và 96° Kinh Tây, lãnh thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km Cực Nam từ có toạ độ 73° Vĩ Nam 156° Kinh Đông vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000 km Trục từ trường tạo với trục trái đất góc 11° Các từ cực thường có vị trí khơng ổn định đảo ngược theo chu kỳ Do đồ địa từ phải thường xuyên điều chỉnh (5 năm lần) Cách xác định từ trƣờng trái đất Tại vị trí nào, từ trường trái đất biểu diễn vector thành phần không gian chiều (Hx, Hy, Hz) Trên Error! Reference source not found tọa độ tham chiếu cho phép xác định hướng từ trường trái đất Trong đó, trục X hướng phía Bắc từ, trục Y hướng phía Đơng trục Z hướng vào tâm trái đất Đây hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng tâm trái đất (North-East-Center) Các loại sensor đo từ trƣờng phổ biến Sensor flux-gate Sensor dựa hiệu ứng Hall Sensor dựa hiệu ứng từ – điện trở Ứng dụng sensor đo từ trƣờng trái đất Sensor đo từ trƣờng trái đất hệ dựa hiệu ứng từ-điện Hiệu ứng từ-điện Hiệu ứng từ - điện hiệu ứng tổ hợp hai hiệu ứng từ giảo áp điện Hiệu ứng từ-điện chia thành hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric effect) hiệu ứng từ điện nghịch (converse magnetoelectric effect) (Error! Reference source not found.), hiệu ứng thuận hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (P) đặt từ trường (H), ngược lại hiệu ứng nghịch hiệu ứng mô men từ vật liệu bị thay đổi (M) chịu tác dụng điện trường (E) [17] Hiệu ứng thường quan sát thấy vật liệu có tồn đồng thời pha sắt từ sắt điện Trên Error! Reference source not found hình biểu diễn đơn giản đặc trưng cho mối liên hệ từ điện hai hiệu ứng từ-điện thuận nghịch Cơ chế hiệu ứng từ-điện thuận giải thích vật liệu chịu tác dụng từ trường H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) bị biến dạng sinh ứng suất tác dụng lên pha áp điện Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên vật liệu bị thay đổi hai mặt đối diện vật liệu xuất điện tích trái dấu quan sát thây Error! Reference source not found.a Hiệu ứng từ điện thuận đặc trưng hệ số từ điện:E = dE/dH Nguyên lý hoạt động hiệu ứng từ-điện thuận Như trình bày phần nguyên lý hoạt động hiệu ứng từ-điện thuận, vật liệu tổ hợp dạng gồm hai lớp, có mặt từ trường ngồi khơng đổi (HDC) có lớp có từ giảo (sắt từ) bị biến dạng lớp áp điện (sắt điện) khơng chịu ảnh hưởng từ trường Do có liên kết học hai lớp nên biến dạng vật liệu tổ hợp quan sát biến dạng uốn cong (xem Error! Reference source not found.) ứng suất sinh ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh) (σDC) Sự có mặt ứng suất làm xuất mặt đối diện áp điện lượng điện tích cảm ứng khơng đổi (QDC) Lúc áp điện đóng vai trò tụ điện với lượng điện tích khơng trì mà bị suy giảm nhanh sau số thời gian (τ) xảy tượng phóng điện kết nối với thiết bị đo đạc Để trì lượng điện tích này, đo đạc thực nghiệm, từ trường xoay chiều (hac) kích thích sử dụng để tạo ứng suất dạng dao động (σac) tác dụng lên pha áp điện Sự có mặt ứng suất tạo điện lượng biến thiên (qac) áp điện việc đo đạc dễ dàng thực thông qua việc đo điện áp xoay chiều lối vật liệu áp điện [17] Sensor đo từ trƣờng dựa vật liệu tổ hợp Metglas/PZT Các nghiên cứu gần thực nhóm nghiên cứu việc kết hợp băng từ siêu mềm metglas có pha tạp Ni với thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Metglas pha Ni) với pha sắt điện gốm áp điện dạng Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) có hệ số điện-cơ lớn cho hiệu ứng từ-điện lớn 22000 mV/cmOe từ trường nhỏ (~5 Oe) [17] Hiệu ứng thu so sánh với kết tốt công bố giới vật liệu tổ hợp dạng Chính vậy, luận văn này, tiếp tục nghiên cứu vật liệu tổ hợp Metglas/PZT triển khai cho ứng dụng chế tạo sensor đo từ trường trái đất với mong đợi chế tạo thành công sensor mang thương hiệu Việt Nam có độ nhạy độ phân giải cao đáp ứng yêu cầu ứng dụng đo từ trường trái đất so sánh với cảm biến thương phẩm sử dụng PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT Vật liệu multiferroics tổ hợp sử dụng luận văn chế tạo phương pháp kết dính với cấu hình gồm hai băng từ Metglas 2650SC gắn hai mặt áp điện dày 0,5 mm hình chữ nhật 15  mm Mẫu sau chế tạo gắn điện cực lên hai mặt áp điện phân cực theo phương vuông góc với mặt phẳng Chế tạo sensor 1D, 2D 3D Khảo sát thông số làm việc sensor Cường độ từ trường xoay chiều tần số cộng hưởng sensor hai thông số quan trọng sensor Ở đây, để tạo từ trường xoay chiều hac = h sin(2ft), sử dụng khếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier) đóng vai trò nguồn ni xoay chiều cấp dòng cho cuộn dây solenoid sensor Hệ đo khảo sát tín hiệu sensor phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng Quy luật thay đổi điện áp lối sensor vào từ trường chiều khảo sát dựa nguyên lý đo hiệu ứng từ-điện Error! Reference source not found sơ đồ minh họa hệ đo khảo sát tín hiệu sensor phụ thuộc vào cường độ từ trường Hệ đo khảo sát tín hiệu sensor phụ thuộc vào góc định hƣớng Để khảo sát khả sử dụng sensor đo góc định hướng từ trường luận văn này, chế tạo hệ thống mâm quay không gian chiều kết hợp hai mặt phẳng quay cho phép quay đồng thời hai mặt phẳng nằm ngang vng góc Trên Error! Reference source not found ảnh chụp hệ thống mâm quay kết hợp chế tạo vật liệu Mika khơng từ có vạch chia góc hai mặt phẳng với góc quay thay đổi từ đến 360° với độ chia nhỏ 0.25° Một số phép đo khảo sát tính chất băng từ Metglas Ngồi phương pháp thực nghiệm bao gồm chế tạo đo đạc khảo sát tính chất, đặc trưng sensor trình bày trên, luận văn này, số phép đo khác thực để nghiên cứu tính chất từ, điện tính chất bề mặt vật liệu khảo sát sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM kính hiển vi điển tử quét SEM KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tính chất từ băng từ Metglas Tính chất từ băng từ Metglas nghiên cứu thông qua phép đo đường cong từ hóa Trên Error! Reference source not found biểu diễn đường cong từ hóa (Error! Reference source not found.a) độ cảm từ (Error! Reference source not found.b) đo mẫu băng từ có tỉ số kích thước r = L/W khác Nhìn vào đường cong ta thấy rõ tính chất từ mềm tăng mạnh với tăng lên tỉ số L/W Tất mẫu băng từ cho độ cảm từ mạnh từ trường xung quanh Oe Đây mạnh băng từ dạng khai thác ứng dụng với dải đo vùng từ trường trái đất (< Oe) Trên Error! Reference source not found đường cong từ hóa đo băng từ Metglas có kích thước 15×1 mm theo ba phương khác nhau: nằm mặt phẳng băng, song song vng góc với chiều dài mẫu vng góc với mặt phẳng băng từ Sensor đo từ trƣờng trái đất chiều (1D) dựa hiệu ứng từ-điện Khảo sát tần số làm việc sensor Khảo sát phụ thuộc hiệu điện lối thu phụ thuộc vào tần số từ trường xoay kích thích ni cuộn solenoid thực sensor 1D khác Phép đo thực từ trường chiều cố định HDC = Oe suốt trình quét tần số Trên Error! Reference source not found đường cong thay đổi hệ số từ-điện αE (= VME/tPZT/hac) thay đổi theo tần số quét dải từ trường từ đến 180 kHz Các kết tần số cộng hưởng hệ số phẩm chất tính tốn áp dụng cho sensor đưa Error! Not a valid bookmark self-reference Ta thấy, sensor 1D có hệ số phẩm chất khoảng 1.5%, tần số cộng hưởng 99.55, 100.13 100.18 KHz tương ứng cho sensor S1, S2 S3 Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào cƣờng độ từ trƣờng Trên Error! Reference source not found đường cong phụ thuộc tín hiệu lối sensor 1D vào cường độ từ trường chiều đo dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe tác dụng theo phương song song với trục sensor (song song với chiều dài mẫu) Phép đo vùng từ trường thấp xung quanh vùng từ trường trái đất (~ 0.6 Oe) thực sensor (Error! Reference source not found.) cho thấy vùng này, tín hiệu sensor thay đổi tuyến tính với từ trường với độ dốc k = 653,215 mV/Oe Đây hệ số chuyển đổi (hệ số chuẩn hóa) sử dụng sensor đo từ trường Để đánh giá độ phân giải sensor từ phép đo thực nghiệm, tiến hành khảo sát phụ thuộc tín hiệu sensor dải từ trường nhỏ từ đến 20 μOe Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào định hƣớng từ trƣờng trái đất Sự phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc định hướng trục sensor với từ trường trái đất khảo sát cho sensor quay mặt phẳng nằm ngang theo chiều kim đồng hồ từ υ = 0° đến 360° Phép đo thực nơi cách nguồn phát từ trường vật có tính chất sắt từ khoảng m để đảm bảo vị trí đo có ảnh hưởng từ trường trái đất Trên Error! Reference source not found đường cong phụ thuộc góc sensor thu Nhìn vào kết thu ta thấy, tín hiệu lối phụ thuộc tuần hoàn theo quy luật hàm V = V0.cosυ Hiệu điện lối đạt giá trị lớn V0 = 260.9 mV trục sensor song song (tức  = 0°) biến trục sensor vng góc (tức  = 90°, 270°) với cực Bắc từ Trái đất Giá trị cực đại sensor hướng đo ỏ góc phương vị khơng ( = 0°), sử dụng hệ số chuẩn hóa k = 653.215 mV/Oe xác định trên, cường độ từ trường trái đất nằm mặt phẳng nằm ngang phòng thí nghiệm nơi tiến hành phép đo (Cầu Giấy, Hà Nội) cho ta giá trị 0,3994 Oe Theo nguyên lý hoạt động sensor, vật liệu băng từ sử dụng có dị hướng từ đơn trục nên từ trường ngồi nhỏ, có thành phần từ trường tác dụng dọc theo trục sensor (trục từ hóa dễ) có khả từ hóa băng từ có khả gây biến dạng từ giảo Nói khác đi, trường hợp này, tín lối sensor xuất có mặt thành phần từ trường hướng dọc theo trục sensor Vì vậy,  = 90° 270° (trục sensor hướng dọc theo trục Đơng-Tây trái đất), tín hiệu sensor V = mV cực đại  = 0° tương ứng với toàn thành phần từ trường trái đất chiếu xuống mặt phẳng trái đất (Hhorizontal) hướng theo trục sensor Ở vị trí khác, tín hiệu sensor thu phụ thuộc vào thành phần hình chiếu từ trường lên trục sensor (~ Hhorizontal cosυ) Chính vậy, đường cong thực nghiệm cho phù hợp tốt với qui luật hàm cosine Để đánh giá độ nhạy theo góc sensor, chúng tơi tiến hành đo tín hiệu lối quay sensor mặt phẳng nằm ngang với bước thay đổi góc quay 0.05° đo đưa Error! Reference source not found cho thấy đạt độ phân giải góc sensor đo từ trường trái đất xác định thực nghiệm lên đến 10-2 độ với độ nhạy dải đo từ 80 đến 90° kφ = 3,263 mV/độ Khảo sát tín hiệu (zero offset) cách khắc phục Khi tiến hành khảo sát phụ thuộc vào góc định hướng từ trường trái đất, thực tế đường cong tín hiệu sensor ta thấy phụ thuộc theo qui luật hàm cosine khơng đối xứng xung quanh trục hồnh mà bị dịch giá trị khoảng 100 mV (Error! Reference source not found.) Đây phần đóng góp (zero offset) vào sensor Lúc đường cong mơ tả theo hàm dao động tuần hồn theo góc công thức: V = Vo cosυ + Voffset (0.1) với giá trị Voffset xác định khoảng cách từ trục hồnh đến trục đối xứng (trung bình đỉnh cực đại cực tiểu) đường cong tín hiệu Ở đây, sensor này, offset bù trừ đơn giản cách đảo cực nguồn nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích Trên Error! Reference source not found.a đường cong tín hiệu thực hai trường hợp trước sau đảo cực (đảo pha) nguồn nuôi xoay chiều Sensor đo từ trƣờng trái đất 2D dựa hiệu ứng từ-điện Xác định hệ số chuẩn hóa sensor 2D Trên Error! Reference source not found đường cong phụ thuộc tín hiệu lối sensor đơn sensor 2D vào cường độ từ trường chiều đo dải từ trường từ -25 Oe đến 25 Oe tác dụng theo phương song song với trục sensor (song song với chiều dài mẫu) Đường cong có xu hướng thay đổi tương tự với đường cong thu sensor 1D đưa Error! Reference source not found với qui luật phụ thuộc giải thích chi tiết phần Trong vùng thay đổi tuyến tính từ trường thấp nằm dải đo từ trường trái đất (từ -0.6 đến 0.6 Oe) (Error! Reference source not found.), đường cong thực nghiệm cho thấy sensor đơn tuyến tính với từ trường ngồi có độ dốc tương ứng với hệ số chuyển đổi k1 = 308,2 k2 = 310,7 mV/Oe với độ phân giải từ trường 3×10-4 Oe tương ứng cho sensor S1 S2 Khảo sát khả đo từ cƣờng độ trƣờng trái đất góc định hƣớng mặt phẳng sensor 2D Hệ tham chiếu chọn trường hợp có trục XE hướng theo cực Bắc từ, trục YE hướng phía Đơng trục ZE hướng tâm trái đất Ở đây, góc phương vị định nghĩa góc mặt phẳng ngang quay theo chiều kim đồng hồ từ trục XE tới S1 Tín hiệu lối trường hợp bù trừ offset Trên Error! Reference source not found biểu diễn đường cong phụ thuộc tín hiệu V1 V2 tương ứng với S1 S2 vào góc phương vị biểu diễn hệ tọa độ Decac tọa độ cực Các từ trường thành phần H1 H2 nhận tương ứng từ S1 S2 biểu diễn hệ tọa độ Polar (xem Error! Reference source not found.b) Trên hình vẽ ta thấy số liệu phân bố đường tròn hồn hảo Theo bố trí cấu hình sensor trực giao, ta tính cường độ từ trường trái đất mặt phẳng ngang theo phương trình: V  V  H xy  H  H        k1   k2  với 2 V1  H   k1    H  V2  k2 (0.2) (0.3) Từ số liệu thực nghiệm kết tính tốn sử dụng cơng thức 3.5 cho ta cường độ từ trường trái đất mặt phẳng ngang phòng thí nghiệm 0.3994 Oe Kết giống với kết thu sử dụng sensor 1D đưa phần Ở đây, lấy trục sensor S1 làm mốc, ta tính tốn góc phương vị sử dụng thành phần H1 H2 thu từ thực nghiệm sử dụng mối liên hệ: tan  10 H2 H1 (0.4) Sensor đo từ trƣờng trái đất 3D dựa hiệu ứng từ-điện Xác định hệ số chuẩn hóa sensor 3D Trên Error! Reference source not found kết khảo sát đặc trưng từ-điện sensor vùng từ trường thấp cho độ dốc kx = 192.6, ky = 200.8 kz = 205.5 mV/Oe tương ứng với hệ số chuyển đổi sensor S1, S2 S3 Đo cƣờng độ từ trƣờng trái đất không gian Trong trường hợp này, lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu khơng thay đổi hệ tọa độ có trục XE hướng phía Bắc từ, trục YE hướng phía Đơng trục ZE hướng thẳng đứng xuống (hướng tâm trái đất) Góc phương vị υ định nghĩa góc nằm mặt phẳng nằm ngang tính theo chiều kim đồng hồ từ trục XE đến trục sensor S1 cho sensor 3D quay xung quanh trục ZE (sensor S3), tức mặt phẳng nằm ngang (Error! Reference source not found.) Mặt phẳng sensor chứa S1 S2 giữ song song với mặt phẳng trái đất Đồ thị phụ thuộc vào góc υ tín hiệu trừ tương ứng sensor S1, S2 S3 biểu diễn Error! Reference source not found Đường cong V1 V2 cho thay đổi tuần hoàn theo quy luật hàm cosine vào góc quay υ với góc lệch pha chúng 90o Tín hiệu đạt giá trị cực đại sensor hướng phía Bắc Khi sensor hướng dọc theo phương Đơng – Tây, tín hiệu khơng Riêng sensor S3 đường cong V3 tương ứng có độ lớn khơng thay đổi xung quanh 41 mV Điều phù hợp q trình quay sensor ln ln có thành phần hình chiếu từ trường trái đất lên phương thẳng đứng tác dụng dọc theo trục sensor thành phần khơng thay đổi q trình thực phép đo Trên Error! Reference source not found biểu diễn thành phần từ trường trái đất (H1, H2, H3) hệ tọa độ cực thu thông qua hệ số chuyển đổi tương ứng sensor đề cập Ta thấy số liệu phân bố đường tròn hoàn hảo Từ số liệu này, cường độ từ trường trái đất mặt phẳng nằm ngang (Hxy) xác định thơng qua cơng thức: H xy  ( H12  H 22 ) (0.5) Và cường độ từ trường tổng cho công thức: Htot  ( H12  H 22  H32 ) 11 (0.6) Kết tính tốn thu từ cơng thức (3.9) (3.10) cho giá trị từ trường Hxy Htot biểu diễn Error! Reference source not found Các kết tính tốn tổng kết Error! Reference source not found Từ số liệu thực nghiệm độ lớn từ trường mặt phẳng ngang Hxy phòng thí nghiệm nơi thực phép đo 0.3994 Oe độ lớn từ trường trái đất tổng Htot 0.4465 Oe Kết phù hợp với giá trị từ trường trái đất đo đạc Việt Nam cơng bố số cơng trình nước quốc tế [13,18] Phép đo tương tự thực quay sensor mặt phẳng thẳng đứng Trong phép đo này, trục sensor S1 giữ song song với cực Bắc từ Sensor S2 S3 nằm mặt phẳng thẳng đứng vng góc với phương Bắc từ trái đất Góc Pitch góc sensor S3 trục ZE quay hệ sensor 3D theo chiều kim đồng hồ xung quanh trục XE, tức mặt phẳng thẳng đứng minh họa Error! Reference source not found Trong Error! Reference source not found.a biểu diễn tín hiệu S2 S3 hệ tọa độ Decac Đồ thị lần phụ thuộc theo quy luật hàm cosine tín hiệu vào góc pitch θ với khác pha /2 sensor quay tương ứng hai sensor S2 S3 từ góc θ = đến 360  Trong trường hợp này, đường cong V1 sensor S1 có dạng đường thẳng khoảng 77 mV Giá trị cực đại 40 40.9 mV tương ứng sensor S2 S3 đạt trục chúng hướng thẳng đứng xuống (tức dọc theo trục ZE) Các từ trường thành phần (H1, H2, H3) từ trường trái đất biểu diễn hệ tọa độ Polar Error! Reference source not found.b, lần nữa, fit đường tròn hồn hảo Đo góc khơng gian Xác định góc phƣơng vị góc từ khuynh Với kết đo phần 0, đồng thời với việc đo đạc tính tốn độ lớn từ trường trái đất khơng gian, ta tính tốn góc phương vị sử dụng cơng thức (3.8) Kết đưa Error! Reference source not found cho phụ thuộc tuyến tính tuyệt góc đo thực nghiệm có hệ số góc 12 Từ thành phần từ trường mặt phẳng nằm ngang (Hxy) thành phần từ trường theo phương thẳng đứng (Hz = H3), góc từ khuynh I tính tốn sử dụng mối tan I  liên hệ: Hz H xy (0.7) Kết tính tốn góc từ khuynh Error! Reference source not found Kết góc từ khuynh khoảng I = 26.5 0.1o Biên độ dao động 0.1° phù hợp với thay đổi độ lớn từ trường cỡ 10-4 Oe Xác định góc pitch Góc Pitch θ xác định cách sử dụng mối liên hệ hai thành phần từ trường H2 H3 cho sensor quay mặt phẳng thẳng đứng vng góc với phương Bắc từ trái đất Mối liên hệ biểu diễn công thức: tan   H2 H3 (0.8) kết hợp với phương trình tính tốn góc phụ thuộc vào dấu thành phần từ trường giống công thức (3.8), góc pitch θ xác định từ số liệu thực nghiệm Kết minh họa Error! Reference source not found.c giá trị góc pitch thực nghiệm chu trình quay hồn chỉnh KẾT LUẬN Bằng công nghệ chế tạo đơn giản, luận văn nghiên cứu, thiết kế chế tạo sensor đo từ trường trái đất loại 1D, 2D 3D dựa vật liệu tổ hợp từ-điện Trong luận văn, thực số công việc sau: Chế tạo nghiên cứu thành công vật liệu tổ hợp từ điện cấu trúc micro-nano có dị hướng từ đơn trục có hiệu ứng từ-điện cao đặc biệt nhạy với từ trường thấp vùng từ trường trái đất Chế tạo sensor đo từ trường trái đất 1D, 2D 3D cách tổ hợp sensor đơn trực giao cho phép xác định đồng thời thành phần từ trường trái đất không gian góc định hướng phương vị góc từ khuynh từ trường trái đất đó: Độ lớn từ trường trái đất mặt phẳng nằm ngang: Hxy = 0.3994 Oe Độ lớn từ trường trái: Htot = 0.4465 Oe 13 Góc từ khuynh khoảng : I = 26.5 0.1  Các kết hoàn toàn phù hợp với mục1.1.3b Việt nam nước nằm gần đường xích đạo nửa bán cầu Bắc nên đường sức từ trường trái đất vào tâm và góc nghiêng từ nhận giá trị dương Sensor có độ nhạy cao, độ phân giải từ trường 10-4 Oe phân giải góc 10-1 độ Với công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ tiền, sensor chế tạo có độ phân giải so sánh với thiết bị cảm biến góc cảm biến từ trường độ phân giải cao dựa công nghệ đắt tiền bán thị trường [7,8] References Tiếng Anh [1] D Landau and E Lifshitz., (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, p.119 [2] D.T Huong Giang, P.A.Duc, N.T.Ngoc, N.H Duc, Geomagnetic sensors based on Metglas/PZT laminates, Sensor and Actuators A: Physics, 2012, [3] Fred Hochgraf (October 1, 1998), Materials Handbook, Ninth Edition, Vol.10 [4] J.Alloy Comp 2008, SNA 2009 [5] Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D Viehland, (2007), Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters 123513 [6] Michael, J Caruso, Applications of meagnetoresistive sensors in navigation systems, Honey Well InC [7] Michael J Haji-Sheikh, in: Sensors, S.C Mukhopadhyay, R.Y.M Huang (eds.), (2008), Springer-Verlag, Berlin - Heidelberg 23 [8] M Johnson,(2004), Magnetoelectronics, Elsevier, Amsterdam [9] NVE Corporation, (2003), GMR Sensors data book, Minnesota – USA [10].Ripka, Pavel (ed),(2001), Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-London: Artech [11].Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D Vi1ehland, (2006)Appl Phys Lett 89 252904 14 [12].Susan Macmillan, Earth’s magnetic field, British Geological Survey, Edinburgh, UK [13].Ton Tich Ai,(2005) Geomagnetism and Magnetic Prospecting, Vietnam National University Publishers Tiếng Việt [14] Đỗ Thị Hương Giang, Phạm Anh Đức, Nguyễn Anh Phương, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Xuân Toàn, Nguyễn Hữu Đức, (2010), Hệ thống sensơ đo từ trường trái đất trực giao dựa hiệu ứng từ - điện sử dụng hệ thống tự động kiểm sốt bám sát góc tầm, hướng máy thu thông tin vệ tinh, hội thảo công nghệ vũ trụ ứng dụng [15] Đ.T,Hương Giang, P.A.Đức, N.A.Phương, N.T.Ngọc, N.X.Toàn, N.H.Đức, (SPMS – 2011), Tối ưu hóa cấu hình sensơ từ trường trái đất sử dụng vật liệu Multiferroics Metglas/PZT, Hội nghị vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ [16] Nguyễn Thị Ngọc, Nghiên cứu chế tạo tính chất màng mỏng Fe-Pt, khóa luận tốt nghiệp, trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN, t.22 [17] Nguyễn Xuân Toàn, 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, trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN 15 ... công vật liệu tổ hợp từ điện cấu trúc micro- nano có dị hướng từ đơn trục có hiệu ứng t - điện cao đặc biệt nhạy với từ trường thấp vùng từ trường trái đất Chế tạo sensor đo từ trường trái đất 1D,... sensor đo từ trƣờng phổ biến Sensor flux-gate Sensor dựa hiệu ứng Hall Sensor dựa hiệu ứng từ – điện trở Ứng dụng sensor đo từ trƣờng trái đất Sensor đo từ trƣờng trái đất hệ dựa hiệu ứng t - điện. .. multiferrroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT nghiên cứu tính chất từ, điện tính chất tổ hợp t - điện vật liệu - Chế tạo sensor đo từ trường trái đất dạng 1D sử dụng vật liệu tổ hợp chế tạo khảo sát thông