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 micro nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TUẤN MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN LÝ THUYẾT, TỐI ƢU CẤU HÌNH THEO NGUN TẮC KHÉP KÍN MẠCH TỪ VÀ DÃY TÍCH HỢP CẢM BIẾN TỪ-ĐIỆN CẤU TRÚC MICRO-NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện nano HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TUẤN MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN LÝ THUYẾT, TỐI ƢU CẤU HÌNH THEO NGUN TẮC KHÉP KÍN MẠCH TỪ VÀ DÃY TÍCH HỢP CẢM BIẾN TỪ-ĐIỆN CẤU TRÚC MICRO-NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện nano Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Thị Hƣơng Giang HÀ NỘI - 2017 LỜI CẢM ƠN Luận văn thực với quan tâm giúp đỡ đặc biệt cô, thầy hướng dẫn động viên đồng nghiệp bạn bè Đầu tiên, em gửi cảm ơn sâu sắc tới giảng viên hướng dẫn PGS TS Đỗ Thị Hương Giang công tác Khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ Nano, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, người truyền cảm hứng cho em lĩnh vực Từ học truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm trao đổi thú vị để em hoàn thành luận văn Em đặc biệt gửi lời cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Hữu Đức-Phịng thí nghiệm trọng điểm Micro-nano-VNU, người hỗ trợ cổ vũ em lĩnh vực Từ học năm qua Em gửi lời cảm ơn chân thành TS Phùng Anh Tuấn – Viện Điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội, người chia sẻ kinh nghiệm mô Em gửi lời cảm ơn tới tập thể cán bộ, thầy cô môn Vật liệu Linh kiện Từ tính Nano tạo điều kiện cho em thời gian học tập nghiên cứu anh NCS Phạm Anh Đức, NCS Lê Khắc Quynh, chị Nguyễn Thị Phương Linh người giúp đỡ em nhiều q trình em học tập làm khóa luận Khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học QGHN Luận văn hoàn thành với hỗ trợ đề tài độc lập cấp nhà nước Mã số ĐTĐL.CN-02/2017 Chương trình Khoa học Cơng nghệ cấp Quốc gia 2016-2020 đề tài cấp ĐHQGHN mã số QG.15.28 Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2017 Tác giả Nguyễn Văn Tuấn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, kết nghiên cứu khoa học luận văn công trình nghiên cứu tơi, có hỗ trợ từ cán hướng dẫn PGS TS Đỗ Thị Hương Giang Nội dung nghiên cứu luận văn không ch p bất k cơng trình nghiên cứu người khác Ngồi ra, luận văn có sử dụng thơng tin, hình vẽ thu thập từ nhiều nguồn khác rõ phần tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2017 Tác giả Nguyễn Văn Tuấn MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 SƠ LƢỢC VỀ NGUỒN GỐC TỪ TRƢỜNG 1.2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƢỜNG 1.2.1 Cảm biến Hall-hoạt động dựa hiệu ứng Hall 1.2.2 Cảm biến Fluxgate-hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ 1.3 CẢM BIẾN TỪ TRƢỜNG-HOẠT ĐỘNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ GIẢO-ÁP ĐIỆN 1.3.1 Hiệu ứng từ giảo 1.3.2 Hiệu ứng áp điện 15 1.3.3 Hiệu ứng từ giảo-áp điện 17 1.4 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐIỆN-TỪ ANSOFT MAXWELL 3D 19 Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 CẢM BIẾN ME VỚI CẤU HÌNH TỐI ƢU 23 2.2 ĐO ĐỘ CẢM TỪ CỦA CẢM BIẾN VÀ CÁC THAM SỐ LIÊN QUAN 24 2.3 MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƢU HĨA CẤU HÌNH 25 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 KẾT QUẢ TÍNH TỐN LÝ THUYẾT 27 3.1.1 Tính tốn cho độ cảm từ 27 3.1.2 Tính tốn phụ thuộc lối cảm biến theo vị trí SCCW 28 3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 30 3.2.1 Khảo sát từ trường đồng 30 3.2.2 Khảo sát độ cảm từ hệ số trường khử từ mô 35 3.2.3 Mô ứng dụng đo dòng điện 37 3.2.4 Mô gh p chuỗi cảm biến cấu trúc micro-nano .40 3.3 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 44 3.3.1 Tính chất từ băng từ Metglas 44 3.3.2 Hiệu ứng ME 45 3.3.3 Đo dòng điện phương pháp gián tiếp 46 3.3.4 Đo dòng điện thẳng dài 48 KẾT LUẬN 51 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT IS: Cấu hình cảm biến dạng chữ I (bar shape) LS: Cấu hình cảm biến dạng chữ L (L shape) SS: Cấu hình cảm biến dạng hình vng đặc (solid square shape) SRS-AG: Cấu hình cảm biến dạng xuyến hình vng có khe hở khơng khí (square ring shape with airgap) SRS: Cấu hình cảm biến dạng xuyến hình vng khơng có khe hở khơng khí (square ring shape without airgap) US: Cấu hình cảm biến dạng chữ U (U shape) ME: Hiệu ứng từ giảo-áp điện PZT: Vật liệu áp điện Metglas: Băng từ giảo AMW: Phần mềm Ansoft Maxwell 3D VSM: Hệ đo từ kế mẫu rung SCCW: Sợi dây thẳng dài mang dòng điện L/W: Tỷ số chiều dài/rộng iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Thị trường cảm biến đo từ trường thống kê theo năm (theo IHS technology Magnetic Sensors Market Tracker) Hình 2: Mơ hình quan sát hiệu ứng Hall Hình 3: Cấu hình cảm biến Fluxgate Hình 4: Tín hiệu lối cuộn cảm ứng [4] Hình 5: Sự k o giãn bán kính hình cầu bán kính đơn vị theo phương hợp với trục ứng suất tức thời góc  10 Hình 6: Sự quay vector từ hóa tức thời Is tác dụng từ trường H tinh thể đơn trục 11 Hình 7: Mơ hình cặp spin với khoảng cách liên kết r, góc  hai spin song song phương r 12 Hình 8: Vật liệu đơn tinh thể đa tinh thể 16 Hình 9: Phân cực điện vật liệu gốm tạo hiệu ứng áp điện 16 Hình 10: Một số giao điện cửa sổ tiện ích có phần mềm mơ 20 Hình 11 Sơ đồ giải thuật sử dụng phần mềm AMW 21 Hình 12: Sự khác biệt lưới chia tự động phần mềm lưới chia can thiệp 22 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 kh p kín dạng xuyến hình vng có khe khơng khí (SRS-AG) (d) khơng có khe khơng khí (SRS) (e) 23 Hình 2 :Sơ đồ nguyên lý hoạt động từ kế mẫu rung VSM [20] 24 Hình Một số cấu hình sử dụng để đo độ cảm từ chữ L (LS) (a), chữ U (US) (b) dạng xuyến hình vng khơng có khe hở khơng khí (SRS) (c) 25 Hình Cấu hình đo thực nghiệm cấu tạo chung cảm biến đo từ trường hoạt động dựa hiệu ứng ME 26 Hình Dây dẫn thẳng chiều dài 2D mang dòng điện I gây từ trường điểm S cách đoạn rp = a 29 Hình 2: 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 iv 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 31 Hình 3: 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) 32 Hình 4: Bức tranh phân bố cảm ứng từ thu từ mô đặt từ trường đồng 40 A/m dọc theo trục Ox mẫu hình xuyến khơng có khe khơng khí (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) 33 Hình Từ trường đặt vào mô phỏng, vùng từ trường đồng đặt mẫu khảo sát (a) từ trường lấy vùng đặt mẫu (b) 34 Hình Bức tranh từ trường cảm ứng vẽ phần vật liệu kết dính với vật liệu áp điện vùng từ trường đồng 30A/m 35 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) 36 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 36 Hình Bức tranh phân bố cảm ứng từ mẫu IS US cách dây dẫn mang dòng điện khoảng cách y = 1.5mm (a), 4.5 mm (b) and 9.5 (c) mm dây dẫn di chuyển dọc theo trục Ox từ 0÷7 mm 38 Hình 10 Cảm ứng từ trung bình dọc theo trục Ox y = 4.5 mm (a) 9.5 mm (b) 39 Hình 11 Cảm ứng từ trung bình lấy dọc theo trục Ox tâm cảm biến x = mm ứng với y thay đổi 39 Hình 12 Sự phụ thuộc cảm ứng từ trung bình lấy dọc theo phương Ox vị trí y = 1.5 mm (a), 4.5 mm (b) 9.5 mm (c) với dịng điện thay đổi từ 0÷30 A 40 Hình 13: Bức tranh cảm ứng từ lòng vật liệu với chiều dày khác cấu hình cảm biến 115t mm3 từ trường đồng 30 A/m 41 Hình 14: Cảm ứng từ mẫu vật liệu với chiều dày khác 41 Hình 15: Sự phụ thuộc hệ số trường khử từ vào chiều dày 41 v Hình 16: Mơ hình cảm bến dạng array lắp gh p với với tập trung từ thơng có chiều dày d 42 Hình 17: Bức tranh phân bố cảm ứng từ với cấu hình khác tập trung từ thông thay đổi chiều dày từ đến mm 43 Hình 18: Sự phụ thuộc cảm ứng từ vào d (a) so sánh với đơn IS (b) 43 Hình 19: Đường cong độ cảm từ phụ thuộc vào dòng điện đặt vào cuộn solenoid (tạo từ trường) đường cong tỷ đối đo tần số 10 kHz hai mẫu IS US phương pháp gián tiếp 44 Hình 20: Sự phụ thuộc tín hiệu lối cảm biến theo tần số kích thích nguồn xoay chiều 1.5V 45 Hình 21 Sự phụ thuộc tín hiệu lối theo từ trường tạo cuộn Hemholtz tần số cộng hưởng điện áp làm việc 46 Hình 22 Sự phụ thuộc tín hiệu lối theo từ trường tạo cuộn solenoid tần số cộng hưởng điện áp làm việc 47 Hình 23 Tín hiệu lối US theo dòng cấp cuộn solenoid với bước qu t A dải 0÷50 A (a) (theo phương pháp gián tiếp), histogram thả trơi tín hiệu 50 A (b) 47 Hình 24.Sự phụ thuộc độ nhạy phụ thuộc vào vị trí của cảm biến dọc theo trục Oy đường cong fit theo mơ hình tính tốn 48 Hình 25 Thả trơi tín hiệu lối theo thời gian giá trị dòng điện khác vị trí y= 41.5 mm, histogram phân bố tín hiệu 49 Hình 26 Hiệu điện lối phụ thuộc vào dòng điện khoảng cách y = 1.5 mm (a), 7.5 mm (b) 50 Hình 27 Sự phụ thuộc tín hiệu lối cảm biến SCCW dịch chuyển dọc theo trục Ox cảm biến vị trí y = 4.5 mm (a) 9.5 mm (b) 50 vi 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 ... TUẤN MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN LÝ THUYẾT, TỐI ƢU CẤU HÌNH THEO NGUN TẮC KHÉP KÍN MẠCH TỪ VÀ DÃY TÍCH HỢP CẢM BIẾN TỪ-ĐIỆN CẤU TRÚC MICRO- NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện nano Ngƣời... vào việc mơ tối ưu hóa cấu hình cảm biến theo nguyên tắc mạch từ kh p kín chuỗi cảm biến gh p tích hợp: Nghiên cứu lý thuyết phần mềm mô Ansoft Maxwell 3D; Xây dựng mơ hình mạch từ (hở kh p kín) ... việc cảm biến - Chế tạo cảm biến dựa cấu hình cảm biến tối ưu từ kết mô phỏng: Chuẩn bị mẫu cảm biến dạng mạch từ khơng kh p kín kh p kín; chuỗi cảm biến gh p tích hợp dựa điều kiện tối ưu; Hàn,