Mô phỏng, tính toán lý thuyết, tối ưu cấu hình theo nguyên tắc khép kín mạch từ và dãy tích hợp cảm biến từ điện cấu trúc micronano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TUẤN Tóm tắt luận văn: MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN LÝ THUYẾT, TỐI ƢU CẤU HÌNH THEO NGUN TẮC KHÉP KÍN MẠCH TỪ VÀ DÃY TÍCH HỢP CẢM BIẾN TỪĐIỆN CẤU TRÚC MICRO-NANO Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện nano Mã số: Đào tạo thí điểm TĨM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Đỗ Thị Hƣơng Giang Hà Nội - 11/2017 MỞ ĐẦU Các nghiên cứu vật liệu tổ hợp dạng dạng màng có hiệu ứng từ điện nhờ kết hợp hai pha từ giảo áp điện triển khai mạnh mẽ nhóm nghiên cứu Khoa Vật lý kỹ thuật công nghệ Nano, trường ĐH Công nghệ Dựa kết nghiên cứu này, nhiều sản phẩm ứng dụng phát triển thành cơng phải kể đến cảm biến đo từ trường độ nhạy cao, cảm biến đo góc độ phân giải cao, cảm biến đo cường độ dòng điện, la bàn điện tử, cảm biến sinh học,… Nhiều cơng trình khoa học cơng bố tạp chí khoa học quốc tế có uy tín Tuy nhiên, hầu hết kết nghiên cứu dựa nghiên cứu bán thực nghiệm Cụ thể, kết hợp việc đo đạc thực nghiệm với tính toán fit lý thuyết dựa số liệu thực nghiệm đo đạc để giải thích tượng vật lý vật liệu Tuy nhiên, việc tính toán dựa kết đo, để suy ngược lại mơ hình vật lý Như vậy, phụ thuộc vào nhiều yếu tố ví dụ kết đo, liên quan tới chủ quan khách quan Chính vậy, việc mơ tính tốn thơng qua tối ưu cấu hình dựa sở lý thuyết công cụ phần mềm nội dung cịn chưa khai thác nhóm nghiên cứu Với mong muốn tìm hiểu sâu hồn thiện nghiên cứu cách đầy đủ, hệ thống có sở khoa học từ lý thuyết đến thực hiệu ứng vật liệu ứng dụng vật liệu tổ hợp cần thiết Đối với tất lĩnh vực nói chung, mơ đóng vai trò chủ đạo việc đưa hệ thống làm việc hiệu Vật lý vậy, vai trò mơ đóng vai trị then chốt, ngày mơ lĩnh vực vật lý tăng chóng mặt với phát triển công cụ tính tốn máy tính góp phần thành cơng không nhỏ đưa sản phẩm từ lý thuyết thực tế Mô giúp đưa kết cách nhanh chóng xác định cách tư liệu có hay không, dựa hiểu biết biết Với lĩnh vực vật lý, mô xuất hầu hết hướng nghiên cứu vật lý chất rắn, vật lý hạt nhân, vật lý hạt, vật lý thiên văn Nhờ vậy, số lượng nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm liên quan tới mô tăng cách chóng mặt Mơ giúp đồng hay đưa cách nhìn tổng quan quan hệ lý thuyết thực nghiệm hệ vật lý Mơ giúp tính tốn phân tích tính chất vật lý hệ đó, hệ khơng thể nghiên cứu kỹ lưỡng cách lý thuyết hay thực nghiệm Trong luận văn này, việc mô sử dụng phần mềm mô điện từ Ansoft Maxwell 3D Đây công cụ chuyên biệt cho phép mô hệ điện, từ cách xác hiệu Việc kết hợp với nghiên cứu lý thuyết mơ nhằm đưa cấu hình tối ưu cho cảm biến, tính tốn số số thơng số làm việc từ làm sở cho việc tiến hành chế tạo thử cảm biến đo từ trường Luận văn thực tính tốn mơ dựa cấu hình từ đơn giản đơn (single bar) để xây dựng mơ hình kiểm chứng lại so với số liệu thực nghiệm nhằm khẳng định tính đắn mơ hình Dựa mơ hình lý thuyết này, tiếp tục mô theo cấu hình mạch từ khép kín chuỗi cảm biến (array) với mục tiêu tăng cường hiệu ứng, tăng cường độ nhạy từ trường thấp tăng cường độ phân giải ứng dụng cảm biến từ trường xuống 0.1 nT Đây nội dung nghiên cứu đề tài độc lập cấp nhà nước triển khai nhóm nghiên cứu Việc tính tốn mơ lý thuyết để tối ưu cấu hình dựa kết đó, triển khai thiết kế chế tạo thực nghiệp cần thiết giúp rút ngắn thời gian tiết kiệm chi phí Do vậy, luận văn định hướng thực theo nội dung mơ phỏng, tính tốn lý thuyết, tối ưu cấu hình theo ngun lý khép kín mạch từ chuỗi tích hợp cảm biến từ-điện với mục đích nâng cao tín hiệu cảm biến cách hiệu tiếp cận có sở khoa học thực tiễn Luận văn tổng quát hóa lại hiệu ứng từ giảo, hiệu ứng áp điện hiệu ứng từ điện để từ thấy phát triển tiềm ứng dụng loại vật liệu tổ hợp Multifferoics Tạo tiền đề sở cho nghiên cứu mô thực nghiệm Thông qua việc nghiên cứu hiệu ứng liên quan thấy nhu cầu, luận văn tiến hành mô tối ưu hóa cấu hình cảm biến theo hướng làm giảm ảnh hưởng trường khử từ hay nói cách khác từ thông tăng cường theo nguyên tắc mạch từ khép kín Và tiến hành mơ mỏng với chuỗi cảm biến từ điện Trên cở sở cảm biến tối ưu hóa cấu hình nhờ mơ phỏng, luận văn tiến hành tính tốn lý thuyết phụ thuộc tín hiệu lối cảm biến phụ thuộc vào dây dẫn thẳng dài mang dòng điện đặt gần Luận văn tiến hành chế tạo cảm biến dựa cấu hình tối ưu kết hợp với chế tạo cảm biến đơn truyền thống để so sánh nhằm thấy cải thiện phương pháp khép kín mạch từ Luận văn tiến hành đo đạc khảo sát phụ thuộc tín hiệu lối vào vị trí dây dẫn tạo định hướng cho sản phẩm thương mại sau sử dụng để phát dây dẫn ngầm cáp ngầm… Ngoài mở đầu, kết luận, luận án trình bày 03 phần sau: Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 SƠ LƢỢC VỀ NGUỒN GỐC TỪ TRƢỜNG Năm 1269, nhà khoa học Pháp tên Pierre de Maricourt thấy hướng kim nam châm (mạt sắt từ), đặt lại gần nam châm vĩnh cửu hình cầu, tạo thành đường sức từ kín qua hai điểm đối xứng qua tâm nam châm, sau de Maricourt gọi cực nam châm Thí nghiệm chứng tỏ rằng, nam châm có hai cực (cực bắc-North cực namSouth), lực tác dụng lên cực nam châm khác giống lực tương tác hai hạt điện tích tác dụng lẫn Cụ thể, hai nam châm đặt gần cực (N-N S-S) đẩy khác cực (N-S) hút Năm 1690 William Gibert (1540-1603) mở rộng thí nghiệm Maricourt với nhiều loại vật liệu khác Và Gibert gợi ý trái đất nam châm vĩnh cửu khổng lồ Năm 1750 thí nghiệm cân xoắn lực tác dụng cực từ nam châm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách cực từ Mặc dù lực tác dụng cực từ tương tự với lực tác dụng hai điện tích điểm, điện tích bị lập (electron proton) Tuy nhiên, thời điểm tại, đơn cực từ cô lập chưa quan sát thực nghiệm hay nói cách khác cực từ tồn theo cặp Mối liên hệ từ học điện học vào năm 1819 nhà khoa học Hans Christian Oersted minh họa thí nghiệm thực tế dòng điện dây dẫn làm lệch hướng kim nam châm đặt gần Trong năm mối liên hệ điện học từ học cách độc lập Faraday Johseph Henry (1297-1878) Họ dịng diện tạo cuộn dây cách di chuyển nam châm gần thay đổi cường độ dịng điện cuộn dây đặt gần Các quan sát chứng tỏ thay đổi từ trường tạo điện trường Và sau đó, Maxwell minh chứng lý thuyết điều ngược lại thay đổi điện trường tạo từ trường Từ trường trái đất bảo vệ giúp sống người mà giúp xác định hướng không gian cách sử dụng la bàn Khoa học kỹ thuật ngày phát triển, ứng dụng thiết bị liên quan tới từ trường ngày mở rộng trở thành phần khơng thể thiếu sống người Ví dụ, ứng dụng la bàn chủ yếu xác định hướng, thời đại công nghệ số, la bàn thu gọn lại nhờ vào việc đo từ trường trái đất, thiết bị la bàn tích hợp tàu biển, hay thơng tin liên lạc vệ tinh ngày trở lên quan trọng Hay, đơn giản để đo vận tốc góc thiết bị vận tốc góc/dài bánh xe cảm biến từ trường có mặt [1] 1.2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƢỜNG Trên thị trường nay, có nhiều loại cảm biến từ trường hoạt động theo hiệu ứng vật lý khác Trong có loại cảm biến chủ yếu cảm biến Hall, cảm biến từ trở, cảm biến từ flux-gate Theo thống kê dự báo Global Industry Analysts, Inc, thị trường cảm biến từ đạt khoảng $2.4 tỷ vào năm 2020 Sự tăng lên giá trị thị trường cảm biến từ trường yêu cầu chất lượng cảm biến từ nhằm đáp ứng mặt ứng dụng thiết bị di động, thiết bị điện tử, thiết bị công nghiệp hệ thống thông tin vệ tinh quân (Hình 1) Và cách đo không tiếp xúc cảm biến từ ngày trở nên quan trọng hệ điện tử tinh vi, đặc biệt thiết bị máy tính, điện thoại Hình 1: Thị trường cảm biến đo từ trường thống kê theo năm (theo IHS technology Magnetic Sensors Market Tracker) Cảm biến từ trở thành phần thiếu thiết bị điện điều khiển tự động ví dụ hệ thống phanh chống bó cứng (anti-lock braking systems), hệ thống điều khiển giữ thăng (electronic stability control) có thiết kế kỹ thuật Do vậy, nhu cầu cảm biến từ ngày khơng ngừng tăng lên đòi hỏi chất lượng cảm biến dải hoạt động từ trường làm việc, cấu hình cảm biến phải cải thiện tùy thuộc vào mục đích sử dụng 1.2.1 Cảm biến Hall-hoạt động dựa hiệu ứng Hall Cảm biến Hall loại cảm biến cho tín hiệu điên lối theo trừ trường đặt vào Cảm biến Hall thường sử dụng làm cơng tắc, xác định vị trí, tốc độ [2] Một vật dẫn phẳng mang dòng điện I dọc theo chiều dương trục Ox hình vẽ Một từ trường đồng B đặt dọc theo chiều dương trục Oy Nếu hạt mang điện tích, ví dụ electron chuyển động theo chiều âm trục Ox với vận tốc vd, electron chịu lực từ theo hướng vng góc FB=qvdB, electron di chuyển lên phía mặt phía vật dẫn để lại điện tích dương phía mặt (Hình 2) Sự cư trú điện tích cạnh vật dẫn tạo cường độ điện trường lòng vật dẫn cường độ điện trường tăng lên lực điện tác dụng lên điện tích cịn lại vật dẫn cân với lực từ tác dụng lên Khi trạng thái cân thiết lập, electron không bị lệch hướng Do vậy, hiệu điện hình thành hai cạnh gọi hiệu điện Hall Hình 2: Mơ hình quan sát hiệu ứng Hall Nếu hạt tải điện điện tích dương hạt tải di chuyển theo chiều dương trục Ox, hạt tải chịu lực từ hướng lên (Hình 2) Quá trình tương tự xảy giống electron Tuy nhiên, dấu Hall điện tích dương ngược với Hall tạo electron Nếu d bề rộng, t chiều dày vật dẫn hiệu điện Hall cho biểu thức: VH  EH d  vd Bd  IB RH IB  nqt t RH=1/nq gọi hệ số Hall Mối liên hệ cho phép tính tốn cường độ từ trường biết thông số liên quan Nhược điểm lớn độ xác thấp nhiều so với cảm biến Flux-gate hay cảm biến từ trở 1.2.2 Cảm biến Fluxgate-hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ Một cảm biến Fluxgate gồm lõi sắt từ kích thích cuộn dây gọi kích thích (driven coil) cuộn dây cảm ứng (pick-up coil) (Hình 3) [3] Hình 3: Cấu hình cảm biến Fluxgate Cấu trúc hình học lõi cảm biến khác tùy vào mục đích sử dụng Bằng cách cho dịng xoay chiều vào cuộn kích thích, lõi từ tính từ tới giá bị bão hịa Khi có từ trường ngồi tác dụng vào, từ thơng gửi tới cuộn dây cảm ứng thay đổi cuộn dây cảm ứng xuất tín hiệu điện Nếu khơng có từ trường ngồi đặt vào, từ thơng lõi từ tính phụ thuộc vào từ trường tạo cuộn kích thích Lõi từ tính hầu hết kích tích trạng thái bão hịa hai nửa bão hịa đóng góp chu kỳ kích thích Sự thay đổi từ thơng hai trạng thái từ bão hịa tạo tín hiệu cuộn cảm ứng Nếu thành phần từ trường ngồi đặt dọc theo trục lõi từ tính thời gian làm cho lõi từ tính bão hịa tăng lên Điều dẫn tới thay đổi tín hiệu lối Bằng việc xác định tín hiệu điện ta suy ngược lại độ lớn hướng từ trường ngồi tác dụng lên cảm biến (Hình 4) Hình 4: Tín hiệu lối cuộn cảm ứng [4] Do nhiều lý khác mà lõi từ tính dạng thường sử dụng, mà thay vào lõi từ tính dạng hình xuyến Tuy nhiên, cảm biến Fluxgate bộc lộ số hạn chế thời gian đáp ứng chậm (2÷3s), cấu hình cảm biến cồng kềnh, bền khó tích hợp phương tiện thiết bị đo đại, nhỏ gọn [5] 1.3 CẢM BIẾN TỪ TRƢỜNG-HOẠT ĐỘNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ GIẢO-ÁP ĐIỆN Vật liệu tổ hợp từ giảo-áp điện (ME) thu hút quan tâm giới khoa học nhà sản xuất cảm biến đo từ trường tầm quan trọng đối nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật cảm biến đo từ, lọc, thiết bị lưu trữ thiết bị chuyển đổi lượng [6,7] Vật liệu tổ hợp từ giảo-áp điện gồm vật liệu sắt từ vật liệu áp điện Sự thay đổi từ trường cảm ứng lòng vật liệu sắt từ tạo nên ứng suất thông qua hiệu ứng từ giảo kết hợp với vật liệu áp điện tạo điện lổi thông qua tương tác đàn hồi 1.3.1 Hiệu ứng từ giảo Hiệu ứng từ giảo tượng mà hình dạng vật liệu sắt từ thay đổi suốt q trình từ hóa Độ biến dạng ∆l/l từ giảo thường nhỏ khoảng từ 10-5 đến 10-6 Độ biến dạng đo phương pháp Mặc dù độ biến dạng nhỏ hiệu ứng từ giảo yếu tố quan trọng việc điều khiển cấu trúc domain q trình từ hóa 1.3.2 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện vật liệu áp điện phát triển mạnh mẽ nhiều năm qua, khám phá nhà khoa học Pháp Jacques Pierre Curie vào năm 1880 Hiệu ứng áp điện hiệu ứng tác dụng ứng suất học, vật liệu bị phân cực điện độ phân cực phụ thuộc vào ứng suất tác dụng Khi hai mặt vật liệu áp điện xuất hai lớp điện tích trái dấu Hiệu ứng áp điện quan sát thấy nhiều vật liệu khác ví dụ thạch anh, tourmaline Đặc biệt vật liệu có hiệu ứng áp điện vật liệu có cấu trúc khơng có tâm đối xứng Bên cạnh vật liệu vừa kể đến vật nhóm vật liệu gốm áp điện loại vật liệu có ứng dụng cụ thể rộng rãi nhất, cụ thể vật liệu PZT (Lead zirconate titanatePb[ZrxTi1-x]O3 Vật liệu PZT vật liệu sắt điện đa tinh thể có cấu trúc tetragonal/rhombahedral gần giống với cấu trúc cubic Hình 5: Vật liệu đơn tinh thể đa tinh thể Để giải thích rõ điều ta xét tới nguyên tử tạo nên tinh thể Mỗi phân tử có độ phân cực định, bên có xu hướng mang điện tích âm, bên có xu hướng mang điện tích dương, lúc ta phân tử lưỡng cực điện Trục lưỡng cực điện trục ảo nối tâm hai loại điện tích phân tử Đối với vật liệu đơn tinh thể, trục lưỡng điện tất phân tử nằm hướng (Hình 5) Lúc tinh thể gọi đối xứng cắt tinh thể điểm nào, trục lưỡng cực điện tổng cộng hai phân tử nằm chiều với lúc chưa cắt Ngược lại, vật liệu đa tinh thể, vùng khác vật liệu có trục lưỡng cực điện khác Lúc tinh thể gọi bất đối xứng khơng tồn điểm thỏa mãn cắt tinh thể để trục lưỡng cực điện tổng cộng hai phân tử giống (Hình 5) 1.3.3 Hiệu ứng từ giảo-áp điện Hiệu ứng từ giảo áp điện (ME) quan sát vật liệu chứa hiệu ứng phân cực điện cảm ứng chịu tác dụng từ trường ngược lại, có hiệu ứng từ hóa cảm ứng đặt điện trường ngồi Phương trình miêu tả mối liên hệ biểu diễn sau: Pi   ij H j ; M i   ij E  j (1) Với, Pi vector phân cực điện; Mi vector từ độ; Ej Hj vector cường độ điện trường cường độ từ trường; αij tensor độ cảm từ ME; o độ từ thẩm chân không Hiệu ứng từ giảo-áp điện dự đoán lý thuyết lần Landau Lifshitz vào năm 1980, trước Dzyaloshinskii tính tốn liên quan tới hiệu ứng vật liệu crom oxit Cr2O3, quan sát thực nghiệm Astrov Folen cộng vào năm 1961 Khi đặt vật liệu vào từ trường điện trường đều, thay đổi mật độ lượng tự Gibbs biểu diễn phương trình sau: dF   Pi dEi   M i dH i (2) Phương trình đưa Landau Lifshitz (1980) Phương trình cho ta mối quan hệ đại lượng nhiệt động học với tượng phân cực điện mơi tượng từ hóa  F   F  Pi     ;  M i      Ei  H ,T  H i  E ,T (3) Với T nhiệt độ tuyệt đối Kelvin Nếu giả sử độ điện thẩm E độ từ thẩm M độc lập với E H, ta có biểu thức lượng tự hệ điện môi tuyến tính từ trường có trao đổi ME cho bởi: 1 F    E Ei E j   M H i H j   ij Ei H j 2 (4) Số hạng thứ hai bên phải lượng điện trường, lượng từ trường tích trữ điện trường từ trường đặt vào; số hạng thứ ba tương tác điện trường E từ trường H đặt vào Từ biểu thức (1.4) ta có biểu diễn cho mối liên hệ phân cực điện cảm ứng từ hóa cảm ứng có mặt điện trường E từ trường H sau: Pi   ijE E j   ij H j ; M i   ijM H j   ij E  j (5) Giá trị điện từ thẩm (ME susceptibility) tensor hạng (rank) liên quan tới trao đổi Ej Hj Giá trị đối với độ điện thẩm độ thẩm từ Điều quan trọng giá trị thành phần tensor điện từ thẩm phụ thuộc vào đối xứng hệ từ thay cấu trúc tinh thể Gần đây, hiệu ứng ME quan sát vật liệu tổ hợp multiferroics (vật liệu sắt từ-sắt điện) đóng góp vai trị quan trọng nghiên cứu ứng dụng [9, 10, 11, 12] Trong loại tổ hợp vật liệu này, điện trường cảm ứng vật liệu tổ hợp cho E= αMEH ( với αME = dE/dH hệ số từ-điện) Do đó, hiệu điện vật liệu VME = t.E với t chiều rộng vật liệu áp điện [13] Để nâng cao tín hiệu lối cảm biến có nhiều nghiên cứu tiến hành cách thay đổi hình dạng [14, 15] thay đổi điều kiện chế tạo [16] làm tăng tính chất từ mềm hay nói cách khác độ thẩm từ (χm = dM/dH) vật liệu sắt từ Những nghiên cứu nhằm mục đích giảm ảnh hưởng trường khử từ Xét tới đóng góp trường khử từ (phụ thuộc vào hệ số trường khử từ N độ từ hóa M vật liệu) hệ số từ điện lúc cho bởi: [15]:  ME  N  (αME(N) αME(0) hệ số từ-điện N  and   ME    N  m N = 0) [17] Bằng cách thay đổi tỉ số chiều dài/rộng (L/W) [18] làm giảm ảnh hưởng trường khử từ đáng kể Tuy nhiên, việc tăng tỉ số vô hạn mà tiến tới giới hạn hiệu ứng shear-lag [19] tích hợp thiết bị Do đó, cấu hình tối ưu cảm biến cần đồng thời đảm bảo làm giảm ảnh hưởng trường khử từ hiệu ứng ME lớn Dựa sở nghiên cứu thực nghiệm nhóm nghiên cứu Phịng thí nghiệm Micro-nano Khóa luận tập trung mơ phỏng, tính tốn lý thuyết theo hướng mạch từ khép kín để tìm cấu hình tối ưu cảm biến cách ghép cảm biến thành dãy cảm biến với mục đích nâng cao tín hiệu lối cảm biến 1.4 Phần mềm mô điện-từ Ansoft Maxwell 3D Ansoft Maxwell 3D phiên 16 (AMW) phần mềm mô điện từ phát triển tập đoàn Ansoft Phần mềm chuyên sử dụng cho mô thiết bị liên quan tới điện từ Trong phần mềm, phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để giải toán Một ưu điểm phần mềm tạo vùng làm việc độc lập đưa thông số, đặc tính vật liệu, từ người dùng xuất liệu ngồi Chính nhờ ưu điểm mà mà phần mềm tạo lưới chia mơ phù hợp với độ xác cao Sơ đồ khối giải tốn mơ Trong nghiên cứu này, khóa luận tập trung miêu tả vào phần mô từ trường tĩnh liên quan tới việc tối ưu hóa cấu hình cảm biến Trong phần chọn loại mơ phỏng, khóa luận chọn giải thuật từ tĩnh (Magnetostatic) Ở chế độ mô này, phần tử cố định, nguồn tạo từ trường nam châm từ trường ngồi thơng qua cách đặt điều kiện biên sử dụng dòng điện chiều chạy lòng vật dẫn Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 CẢM BIẾN ME VỚI CẤU HÌNH TỐI ƢU Dựa kết mô điều kiện thực tế Luận văn tiến hành chế tạo cảm biến với cấu hình dạng đơn (IS-115 mm2), cấu hình cảm biến dạng hình xuyến (SRS1515 mm2) cấu hình dạng chữ U (US-1515 mm2) để so sánh hiệu ứng từ điện nhằm làm rõ ảnh hưởng trường khử từ thông số liên quan Với mẫu có kích thước hình dạng trên, tính chất từ từ giảo mềm băng từ cải thiện yếu trường khử từ qua hệ số từ điện hay nói cách khác tín hiệu lối cảm biến tăng cường Hình 1: Hình mơ tả cấu hình vật liệu đơn giản hình vng (SS) (a), hình chữ nhật (b); dạng đơn (IS) 115mm2 (c) ; cấu hình mạch từ khép kín dạng xuyến hình vng có khe khơng khí (SRS-AG) (d) khơng có khe khơng khí (SRS) (e) Hình miêu tả số cấu hình tiến hành chạy mơ chế tạo Vật liệu tổ hợp dùng cho cảm biến luận văn chế tạo phương pháp kết dính hai loại vật liệu từ giảo (băng từ) áp điện với keo dính voi 502-Thuận Phong ISO 9001:2008 (Tp.HCM-Việt Nam) lớp băng từ (Metglas 2650SC) có chiều dày 18 µm kết dính mặt áp điện (APCC-855 hãng American Piezoceramics Inc, PA, USA) dày 0,5 mm Các mẫu sau kết dính gắn với điện cực sau cuộn dây kích thích với mục đích đo đạc thơng số liên quan 2.2 ĐO ĐỘ CẢM TỪ CỦA CẢM BIẾN VÀ CÁC THAM SỐ LIÊN QUAN Để xác định đại lượng từ mẫu vật liệu tổ hợp như: lực kháng từ, từ dư, từ độ bão hòa thiết bị sử dụng rộng rãi để khảo sát tính chất hệ từ kế mẫu rung LakeShore 7404 (Lakeshore, USA) [20] Do cấu hình cảm biến, đặc biệt cấu hình SRS US khơng đo hệ từ kế mẫu dung (VSM) nên độ cảm từ cấu hình đo phương pháp gián tiếp Trong phương pháp này, ba cuộn dây solenoids đồng trục lồng vào Cuộn solenoid có đường kích nhỏ có tác dụng cung cấp tín hiệu xoay chiều máy Lockin 7265 (DSP Lock-in Amplifier) cấp, cuộn solenoid có đường kính lớn sử dụng để cung cấp dòng chiều kết nối với Keithley 2400 (có thể cấp dịng từ -1A đến 1A, độ phân giải cỡ nA), cuộn solenoid có đường kính lớn nối với Lockin để ghi lại liệu Chương trình đo điểu khiển thơng qua phần mềm Labview tích hợp máy tính Trước khảo sát hiệu ứng ME, tần số cộng hưởng hiệu điện tham số mà cảm biến có cho hiệu ứng ME lớn nhất, tham số khảo sát kỹ lưỡng [13] Hiệu ứng từ điện khảo sát thông qua ngun lý [13] Khi có từ trường ngồi đặt vào, hiệu ứng từ giảo gây ứng suất tác dụng lên áp điện kết dính với vật liệu tổ hợp, lúc áp điện bị phân cực điện theo phương vng góc với hai mặt Kết mặt xuất hai lớp điện tích trái dấu nhau, hay nói cách khác xuất hiệu điện hai mặt áp điện VME Và hiệu điện VME đo phương pháp xoay chiều đề cập [13] 2.3 MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƢU HĨA CẤU HÌNH Việc mơ dựa ngun tắc làm giảm ảnh hưởng hệ số trường khử từ Trong báo này, mơ tối ưu hóa cấu hình dựa phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Ansoft Maxwell với tham số đầu vào cảm bao gồm kích thước (chiều dài, chiều rộng, chiều dày) tính chất từ thơng qua đường cong từ hóa B(H) pha từ lấy từ kết đo đạc thực nghiệm hệ VSM Đường cong từ hóa thực băng từ vơ định hình metglas-Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (được chế tạo băng phương pháp phun băng nguội nhanh) có độ dày 18 m, hình vng kích thước 1515mm2 (Square-shape) (kí hiệu SS) (Hình 1a) đo hệ đo từ kế mẫu rung (VSM-Lakeshore 7400) Dữ liệu đo (Hình 1a) mẫu sử dụng làm tham số đầu vào cho vật liệu dùng mơ cho cấu hình dạng hình chữ nhật với chiều dài 15 mm chiều rộng khác (Rectangular-shape) (kí hiệu RS) (Hình 1b) Trong thí nghiệm mơ phỏng, phép chia lưới nằm khoảng 100,000 đến 400,000 điểm; sai số mơ đặt độ xác 0.05%; thí nghiệm mô thực điều kiện không khí có hệ số từ thẩm tương đối Cảm biến thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas áp điện có bề dày 200m (APCC-855, sản phầm thương mại công ty American Piezoceramics Inc, PA, USA) Các phép đo đạc hiệu ứng từ-điện thực nghiệm thực tần số cộng hưởng dao động học mẫu, thông số làm việc, độ nhạy độ phân giải từ trường cảm biến từ-điện đo đạc sử dụng cuộn dây solenoid với nguồn cấp tạo thiết bị Lockin Tín hiệu xoay chiều lối VME lấy PZT vật liệu tổ hợp đo sử dụng chức đo đạc lọc tần số thiết bị Lockin Nguồn cấp từ trường chiều dải đo từ -30 đến 30 Oe sử dụng với độ xác lên tới picoTesla sử dụng Nguyên lý hoạt động cảm biến từ-điện sử dụng báo cáo trình bày mơ tả chi tiết tài liệu tham khảo [5] Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 KẾT QUẢ TÍNH TỐN LÝ THUYẾT 3.1.1 Tính tốn cho độ cảm từ Như biết từ trường vật liệu từ thành phần liên quan cho biểu thức (eq.19) Beff =  H eff  M     H applied  M    N d M H demagnetization    N d M (6) Với B cảm ứng từ; o hệ số từ thẩm chân không; Heff cường độ từ trường hiệu dụng vật liệu; M độ từ hóa;  độ cảm từ; Happlied Hdemagnetization từ trường đặt vào trường khử từ Trong trường hợp tiến hành thí nghiệm, phép đo gián tiếp thực để tìm độ cảm từ vật liệu số cấu hình phức tạp không đo máy VSM, cảm ứng từ B lịng cuộn dây solenoid tính tốn dựa vào định luật Bio-savart Laplace (giả sử diện tích mặt cắt cuộn dây solenoid khơng thay đổi cho dòng điện chạy vào cuộn dây) Theo định luật Faraday ta có sức điện động cảm ứng cho bởi:       o S.d H eff  M o S.d H eff   H eff dH eff d S.dB      1    o S dt dt dt dt dt (7) 3.1.2 Tính tốn phụ thuộc lối cảm biến theo vị trí SCCW Áp dụng định luật Biot-Savart cho trường hợp đoạn dây dẫn dài 2D mang dòng điện I, từ trường gây dòng điện khoảng cách rp = a cho bởi: B O I  cos 2  cos 1  4 a Trong toán đối xứng, 1 = -2 bố trí thí nghiệm, từ trường B viết lại sau: D cos  cos 1  a D 2 B O I D I D or H  2 2 a a  D 2 a a  D (8) Nguyên lý hoạt động cảm biến mơ tả chi tiết điện lối phụ thuộc vào hệ số từ-điện (αi) thành phân từ trường dọc theo trục Ox cho bởi: i  dE or dVout  i H x dx dxH x oz Trường hợp dịch chuyển dọc theo trục Oz, tín hiệu lối Vout độ nhạy cảm biến cho bởi: N Voutoz   dVout i 1   DL   i I      i H x dx  tan 1    L L     2   a D  a       L (V1)   DL   Vout  1  (V2) Sensitivity  =C tan   I  a D2  a2   L       2   Trong biểu thức tính tốn trên, hệ số từ điện αi giả sử số hệ số phụ thuộc vào cấu hình cảm biến Cơng thức sử dụng cho tính tốn lý thuyết cơng thức sử dụng để fit với số liệu thực nghiệm Tính tốn tương tự trường hợp SCCW dịch chuyển dọc theo trục cảm biến Ox ox SCCW vị trí xo so với gốc tọa độ gắn trung điểm cảm biến, Vout cho bởi: oz N ox Vout   dVout i 1   D  xO  x    i I   1     i H x dx    tan    2   a D   xO  x   a            L   L (V3) Tuy nhiên, khoảng cách SCCW cảm biến gần tức a ~ 0, lúc từ trường mà dòng điện tạo bề mặt cảm biến lớn dẫn đến hệ số từ-điện số mẫu cảm biến mà thay đổi Do vậy, trường hợp phương pháp số sử dụng kết hợp với mô để đưa phụ thuộc tín hiệu lối cảm biến cho bởi: 10 N N i 1 i 1 ox Vout   dVout  i H ix xi (V4) 3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.2.1 Khảo sát từ trường đồng Tiến hành mô sử dụng đường cong từ hóa B(H) đo thực nghiệm (Hình 1a) làm thông số đầu vào để thực cấu hình có tỷ số L/W khác (thay đổi từ 1÷15) từ trường đồng 40 A/m đăt dọc theo phương trục Ox với với điều kiện thông số đặt vào đề cập chi tiết phần thực nghiệm Trên Hình 1b kết tranh đường sức phân bố hai mẫu vật liệu IS (115 mm2) SS (1515 mm2) cho thấy cảm ứng từ có xu hướng tăng lên mẫu IS tập trung vào vùng khơng gian vùng có xu hướng mở rộng IS so với SS Điều giải thích yếu trường khử từ (theo phương trình (eq.18)) làm tăng cường từ độ hóa lịng vật liệu Hình 1c phụ thuộc hệ số trường khử từ mẫu với tỷ số L/W khác tính tốn thơng qua đường cong B(H) thu từ mơ (phương trình (eq.18)) so sánh với giá trị tính tốn lý thuyết đưa Aharoni [21] Có thể thấy kết mơ cho phù hợp tốt với kết tính tốn lý thuyết yếu trường khử từ nhiều tỷ số L/W lớn Tốc độ suy giảm đặc biệt quan sát thấy nhanh vùng tỷ số L/W < 30 Cùng với suy giảm trường khử từ tăng cường cảm ứng từ tính trung bình tồn thể tích vật liệu L/W tăng (Hình 1d) Điều khẳng định độ tin cậy mơ tính tốn vi cấu trúc từ tính chất từ vật liệu có đóng góp trường khử từ đặt vật liệu từ trường Sự tăng cường từ tính giúp cải thiện hiệu ứng từ-điện sử dụng vật liệu từ chế tạo vật liệu tổ hợp cho ứng dụng cảm biến nhạy từ trường Hình 1: Đường cong B(H) thực nghiệm Metglas SS (1515mm2) (a), tranh phân bố cảm ứng từ thu từ mô mẫu IS (151 mm2) SS đặt từ trường đồng 40 A/m dọc theo trục Ox (b), phụ thuộc hệ số trường khử từ theo tỷ số L/W tính tốn mơ theo lý thuyết Aharoni (c); phụ thuộc cảm ứng từ B lòng vật liệu theo tỷ số L/W Như kết trình bày trên, mơ tính tốn ảnh hưởng đóng góp trường khử từ vào tính chất từ vật liệu thể rõ nét thông qua tranh tập trung từ thơng bên vật liệu hình dạng kích thước vật liệu thay đổi Tiếp tục sử dụng công cụ mô cho cấu hình xuyến hình chữ nhật với mong muốn việc khép kín mạch từ làm suy giảm trường khử từ vật liệu đó, tăng cường độ cảm hiệu ứng từ điện vùng từ trường thấp cho ứng dụng đo đạc nhạy từ trường thấp Cũng với nguyên lý trên, cấu hình mạch từ khép kín dạng xuyến hình vng có khe khơng khí (SRS-AG) độ rộng khe g thay đổi khơng có khe khơng khí (SRS) thực mô phụ thuộc vào độ rộng khe hở đặt từ trường đồng với cường độ 40A/m cho tranh đường sức so tranh mẫu hình chữ I (Hình 2a) Nhìn vào tranh thấy rõ khác phân bố từ thơng mẫu hình xuyến SRS-AG SRS so với mẫu đơn IS Dữ liệu cảm ứng từ phân bố dọc theo chiều dài xuất từ kết mô phụ thuộc vào độ rộng khe khơng khí thay đổi từ g = đến 0.8 mm mẫu hình 11 xuyến so với mẫu hình chữ I đưa Hình 2b Số liệu xuất từ mô dọc theo chiều dài (Hình 2b) cho thấy kết hợp với sắt từ lân cận, cảm ứng từ vật liệu tăng cường không đáng kể từ 92.5 mT mẫu IS lên 97.6 mT mẫu SRSAG khe g = 0.01 đặc biệt tăng đáng kể lên 110.9 mT mẫu SRS khơng có khe khơng khí (g = mm) (Hình 2c) Điều cho thấy rõ vai trị làm suy yếu đóng góp trường khử từ nhờ việc khép kín mạch từ mẫu hình xuyến Kết mô cho thấy tăng cường tập trung từ thông hay suy yếu trường khử từ thấy rõ khoảng cách khe g giảm Điều giải thích đưa thông số ảnh hưởng từ trở (magnetic reluctance):  F l    r A  từ trở; F sức từ động cảm ứng;  từ thông;  độ từ r thẩm tương đối môi trường xét; A tiết diện mặt cắt; l chiều dài mạch từ Hình 2: Bức tranh phân bố cảm ứng từ thu từ mơ xuyến hình vng có khe khơng khí SRS-AG với độ rộng khe thay đổi (a), cảm ứng từ phân bố dọc theo chiều dài mẫu ứng với cấu hình khác (b) phụ thuộc cảm ứng từ mẫu SRS-AG theo độ rộng khe g (c) Theo kết này, độ đồng quan sát tăng mạnh cấu trúc khơng có khe từ Có thể nói, cấu trúc lý tưởng cho mạch từ khép kín từ trường tán xạ ngồi khơng gian gây nên trường khử từ vật liệu nhỏ Tiếp tục mô tối ưu cấu hình cảm biến theo hướng khép kín mạch từ khơng có khe hở Trong thí nghiệm mơ này, cảm biến có cấu trúc SRS với khoảng cách cảm biến khác thực (Hình 3.a) Kết mơ mẫu vật liệu, vùng có cảm ứng từ lớn mở rộng tăng khoảng cách hai (Hình 3.b) Điều chứng tỏ rằng, trường khử từ giảm đáng kể khoảng cách từ d tăng Đường cong cảm ứng từ tính trung bình tồn dọc theo từ trường phụ thuộc vào khoảng cách d vẽ Hình 3.c Kết cho thấy tăng cường mạnh từ độ vật liệu tăng khoảng cách d có xu hướng tiến đến bão hịa khoảng cách d > 10 mm Hình 3: Bức tranh phân bố cảm ứng từ thu từ mô đặt tvrong từ trường đồng 40 A/m dọc theo trục Ox mẫu hình xuyến khơng có khe từ (SRS) với khoảng cách từ d thay đổi (a), đường cong phân bố cảm ứng từ dọc theo cạnh dọc từ trường (b) phụ thuộc cảm ứng từ tính trung bình phụ thuộc vào khoảng cách d (c) Theo kết mô cấu hình xuyến tối ưu lựa chọn cấu trúc hình xuyến khơng khe từ có kích thước hình vng cạnh 15 mm (khoảng cách d = 13 mm thanh) Với cấu hình lựa chọn tối ưu này, đóng góp trường khử từ nhỏ nhất, từ độ 12 vật liệu tăng cường phân bố mẫu với đồng tốt so với mẫu dạng đơn IS truyền thống Trong phần tiếp theo, luận văn tiếp tục mô so sánh số cấu hình khác hình xuyến vng (OSS), hình chữ U (US), O shape with airgap (g = 0.1mm), L shape I shape (IS) để tìm cấu hình cảm biến có hệ số trường khử từ nhỏ Ta thấy rõ cảm ứng từ OSS US không thay đổi Sự cải thiện cảm ứng từ hay nói cách khác tập trung từ thông trường hợp đem lại kết tốt Khi lấy tích phân tồn thể tích cảm biến theo cảm ứng từ, giá trị IS, SRS-AG, LSS 0.0193, 0.0197 and 0.0204 T giá trị cho SRS US xấp xỉ băng 0.0215 T Điều chứng minh rằng, từ thông tăng cường rõ rệt Vì giá trị cảm ứng từ SRS US tương đương nên hiệu ứng ME hai trường hợp Dó đó, thí nghiệm nói tới US ta hiểu SRS Hình Bức tranh từ trường cảm ứng vẽ phần vật liệu kết dính với vật liệu áp điện vùng từ trường đồng 30A/m 3.2.2 Khảo sát độ cảm từ hệ số trường khử từ mô Kết mô rằng: đường cong B(H) hai mẫu US SRS-O shape hoàn toàn trùng vùng từ trường thấp cảm ứng từ mẫu US lớn IS giá trị từ trường kích thích Hình b Cụ thể, từ trường đặt vào 4A/m cảm ứng từ IS US 0.028 T 0.032 T Xu hướng giải thích cách xét đến ảnh hưởng trường khử từ đề cập tới phương trình (eq.19) Từ ta tính tốn hệ số trường khử từ cơng thức (eq.19), giá trị hệ số trường khử từ 4.3x10-4, 2.6 x10-4, 2.2 x10-4, 1.2 x10-4 cho cấu hình IS, SRS-AG, LSS US Rõ ràng trường hợp này, suy giảm hệ số trường khử từ đắn nguyên lý khép kín mạch từ Hình a) Cấu hình mơ b) Đường cong B(H) vật liệu Metglas với cấu hình khác (dịng điện chạy từ 0÷1104 A) Từ liệu mơ Hình 5b, ta suy độ cảm từ vật liệu cách lấy đạo hàm từ độ theo từ trường đặt vào Kết độ cảm từ vật liệu theo từ trường đặt vào miêu tả Hình 5a Rõ ràng rằng, đường cong độ cảm từ theo từ 13 trường ngồi có xu hướng Hơn giá trị độ cảm từ cực đại từ trường tiến tới Giá trị độ cảm từ cấu hình IS 4.6x102 giá trị cho SRS-AG, LSS US gấp 1.26, 1.29 and 1.37 so với cấu hình IS Hình a) Đường cong độ cảm từ theo từ trường đặt vào b) đường cong tỉ đối độ cảm từ /max vùng từ trường nhỏ 3.2.3 Mơ ứng dụng đo dịng điện Sợi dây thẳng dài SCCW dài 600 mm, bán kính 80 m, mang dòng điện 1A dọc theo chiều dương trục Oz, cảm biến IS US đặt dọc theo trục Ox IS US Hình Bức tranh phân bố cảm ứng từ B mẫu IS US cách dây dẫn mang dòng điện khoảng cách y = 1.5mm dây dẫn di chuyển dọc theo trục Ox từ 0÷7 mm Trong thí nghiệm này, dây dẫn SCCW di chuyển dọc theo trục Ox ứng với vị trí y khác y = 1.5mm, 4.5 mm and 9.5 mm (Hình 7) Chú ý rằng, vùng có cảm ứng từ lớn cấu hình IS bị thu nhỏ lại so với US dây dẫn dịch chuyển cạnh cảm biến Đặc biệt gần cạnh cảm biến, đóng góp việc khép kín mạch từ cấu hình US thấy rõ thông qua vùng màu đậm mở rộng dần cấu hình US Tuy nhiên cải thiện xuất vùng nhỏ cảm biến khơng phản tồn cảm biến Khi dây dẫn dịch chuyển dọc theo trục Oy, rõ ràng rằng, từ trường dây dẫn SCCW gửi tới cảm biến tỷ lệ nghịch với khoảng cách, điều dẫn tới tín hiệu cảm biến bị suy giảm Hình Cảm ứng từ trung bình Bx lấy dọc theo trục Ox y = 4.5 mm y = 9.5 mm Hình Cảm ứng từ trung bình Bx lấy dọc theo trục Ox x = mm ứng với y thay đổi Sự phụ thuộc cảm ứng từ phụ thuộc vào vị trí SCCW dọc theo trục Ox mà cịn vào trục Oy (Hình 9) Kết tính tốn lý thuyết mơ tạo tiền đề cho khảo sát thực nghiệm 14 Trong ứng dụng đo dịng, dải đo đóng vai trò quan trọng Bởi vậy, việc khảo sát dải đo phụ thuộc vào vị trí cần xét đến Trong thí nghiệm này, sợi dây SCCW đặt vị trí khác với dịng điện đặt vào dây thay đổi từ ÷ 30 A Hình 10 so sánh phụ thuộc cảm ứng từ trung bình lấy cảm biến dịng điện thay đổi từ 0÷30A vị trí khác 1.5 mm, 4.5 mm and 9.5 mm Khi từ dòng điện đặt vào sợ dây lớn cảm ứng từ cấu hình cảm biến tiến tới giá trị bão hịa Nhưng tất phép đo vị trí khác cảm ứng từ cấu hình US ln lớn IS Và dải giá trị dịng điện để cho cảm ứng từ mẫu cảm biến tăng tuyên tính cách trường hợp y = 1.5 mm, 4.5 mm, 9.5 cỡ khoảng 4.0, 10 and 18 A Sự suy giảm dải đo khoảng cách cần giải thích cách xét tới định luật Bio-Savart đường cong B(H) đầu Hình 10 Sự phụ thuộc cảm ứng từ trung bình Bx lấy dọc theo phương Ox vị trí dịng điện thay đổi từ 0÷30 A 3.2.4 Mơ ghép chuỗi cảm biến Hình 11: Mơ hình cảm bến dạng array lắp ghép với Hình 12: Bức tranh phân bố cảm ứng từ với cấu hình khác Trong mô này, cảm biến đặt từ trường đồng 30 A/m, chiều dài mẫu cảm biến giữ cố định 15 mm, khoảng cách cảm biến trì 1mm Khoảng cách d lớp vật liệu thay đổi Hình 12 cho thấy phân bố cảm ứng từ tren đơn cảm biến array Với d=0mm ta thấy cảm ứng từ lớn cảm ứng từ suy giảm cho Điều giải thích tăng cường từ trường tán xạ lân cận gửi đến, kết làm cho cảm ứng từ bị suy yếu đáng kể Tuy nhiên, theo cách khảo sát phần dựa vào nguyên tắc khép kín mạch từ tăng chiều dày d lớp vật liệu làm mạch từ cảm ứng từ mẫu cảm biến cải thiện rõ rệt, từ hình vẽ ta thấy rõ điều 3.3 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 3.3.1 Tính chất từ băng từ Metglas Hình a miêu tả đường cong từ hóa B(H) mẫu vật liệu dải từ trường từ 0÷6104 A/m mẫu hình vng đặc (Hình 1a) 1515 mm2 để đảm bảo tính đẳng hướng tham số đầu vào Kết cho thấy cảm ứng từ mẫu bão hòa cỡ 1.7 T, từ trường đặt vào cỡ 5.5104 A/m Và giá trị từ dư khơng có Ở khoảng từ trường đặt vào nhỏ (