Ứng dụng hiệu ứng van spin để đo lường hay chuyển mạch điện tử bằng áp lực áp suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU (ITIMS) ĐẶNG VĂN KHANH ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG VAN SPIN ĐỂ ĐO LƯỜNG HAY CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ BẰNG ÁP LỰC/ÁP SUẤT Chuyên ngành : Khoa học kỹ thuật vật liệu điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn Hà Nội – Năm 2011 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Các thuật ngữ viết tắt Mục lục hình vẽ Mở đầu ……………………………………………………………… CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ……………………………………… 1.1 Giới thiệu số phương pháp đo áp suất ……………………… … 1.1.1 Khái niệm ……………………………………………… …… 1.1.2 Nguyên tắc đo áp suất ………………………………………… 1.1.3 Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu học……………………………… 1.1.4 Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu điện………………………… … 1.1.5 Một Một số dụng cụ đo áp suất dùng công nghiệp ……… … 1.2 Cơ sở lý thuyết từ điện trở GMR …………………………….…… 11 1.2.1 Hiện tượng từ - điện trở (MR) …………………………… …… 11 1.2.2 Hiện tượng từ - điện trở khổng lồ (GMR) ……………………… 14 1.2.3 Các mơ hình giải thích tượng ……………………………… 16 1.3 Hiệu ứng van spin …………………………………………….……… 20 1.3.1 Cấu trúc van spin ……………………………………….……… 20 1.3.2 Cơ chế hoạt động van spin ………………………………… 26 1.3.3 Một số cảm biến van spin sử dụng …………………… 28 1.4 Một số ứng dụng hiệu ứng van spin ……………………… …… 31 1.4.1 Đo cường độ dòng điện ……………………………….………… 31 1.4.2 Chế tạo la bàn điện tử ………………………………… ……… 31 1.4.3 Bộ chuyển đổi từ - điện sử dụng cảm biến van spin ….……… 32 1.4.4 Đầu đọc sử dụng hiệu ứng van spin …………………… …… 32 1.4.5 Spin Transistor ………………………………………………… 33 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt AC ADC AF AMR FM GMR IBM ITIMS LCD MR MRAM NM TMR USP Từ viết tắt AC ADC AF AMR FM GMR IBM ITIMS LCD MR MRAM NM TMR USP Chữ tiếng Anh đầy đủ Alternating Current Analog to digital converter Antiferromagnetic Anisotropic Magnetoresistance Ferromagnetic Giant Magnetoresistance Internationnal Business Machines International Training Institute For Materials Science Liquid crystal display Magnetoresistance Magnetoresistive Random Access Memory Non Magnetic Tunneling magneto resistance Universal Serial Bus Nghĩa từ viết tắt Dòng điện xoay chiều Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Phản sắt từ Từ điện trở dị hướng Sắt từ Từ điện trở khổng lồ Tập đoàn thương mại máy tính đa quốc gia Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu Màn hình tinh thể lỏng Từ điện trở Bộ nhớ từ truy cập ngẫu nhiên Phi từ tính Từ điện trở xuyên ngầm Chuẩn kết nối máy tính DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - BẢNG SỐ LIỆU Số hình vẽ Nội dung hình vẽ Trang Hình 1.1.1 : Áp kế “Buốc đơng” Hình 1.1.2 : Áp kế chữ U Hình 1.1.3 : Khí áp kế thủy ngân Hình 1.1.4 : Một số áp kế học truyền thống Hình 1.1.5 : Nguyên lý bồ biến đổi kiểu vi sai Hình 1.1.6 : Cơ cấu đo áp suất kiểu áp điện(nhóm1) Hình 1.1.7 : Cơ cấu đo áp suất kiểu áp điện(nhóm2) Hình 1.1.8 : Áp kế điện tử EJA440A Hình 1.1.9 : Một số thiết bị đo áp suất dùng cơng nghiệp 10 Hình 1.2.1 : Mơ hình thí nghiệm hiệu ứng MR InSb 12 Hình 1.2.2 : Từ điện trở siêu mạng từ Fe/Cr đo 4,2K 13 Hình 1.2.3 : Mơ hình số cấu trúc GMR 15 Hình 1.2.4 : Mơ hình đường cong mơ tả hiệu ứng GMR 16 Hình 1.2.5 : Cơ chế tán xạ điện tử với Spin khác 18 Hình 1.2.6 : Sơ đồ mật độ trạng thái điện tử trình vận chuyển spin 19 Hình 1.3.1 : Mô tả cấu trúc van spin không ghim 21 Hình 1.3.2 : Đường cong từ hóa van spin khơng ghim 22 Hình 1.3.3 : Đường cong từ hóa đường R(H) van spin Co/Au/Co 23 Hình 1.3.4 : Cấu trúc màng mỏng đa lớp 24 Hình 1.3.5 : Một số cấu trúc van spin có ghim 25 Hình 1.3.6 Đường cong từ hóa mẫu có tương tác NiFe/FeMn NiFe/NiO 25 Hình 1.3.7 :Đường cong từ hóa, đường quan hệ MR van spin có ghim 26 Hình 1.3.8 : Đặc tuyến mơ tả mối quan hệ R(φ) cấu trúc van spin 27 Hình 1.4.1 : Cấu hình bố trí cảm biến cuộn dây để đo dịng điện 31 Hình 1.4.2 : Ứng dụng cảm biến van spin để đóng /ngắt mạch điện 32 Hình 1.4.3 : Ứng dụng cảm biến van spin đấu đọc ổ đĩa cứng 32 Hình 1.4.4 : Cấu trúc nhớ M-RAM cơng nghệ 33 Hình 2.1.1 : Thiết bị đo đặc trưng từ trường theo khoảng cách 34 Hình 2.1.2 Dụng cụ đo, khảo sát đặc trưng điện áp cảm biến V( ) 34 Hình 2.2.1 : Cấu hình khảo sát đặc trưng từ trường theo khoảng cách/góc 36 Hình 2.2.2 : Hệ đo khảo tín hiệu cảm biến van spin 38 Hình 2.3.1 : Sơ đồ khối thiết bị đo áp suất/chuyển mạch điện tử 39 Hình 2.3.2 : Mạch khuếch đại tín hiệu cho cảm biến 41 Hình 2.3.3 : Mạch vi xử lý giao tiếp máy tính hiển thị kết LCD 42 Hình 2.3.4 : Sơ đồ nguyên lý mạch điện cho thiết bị đo áp suất 43 Hình 2.3.5 : Sơ đồ boar mạch in thiết bị đo áp suất 43 Hình 2.3.6 : Sơ đồ bố trí linh kiện thiết bị đo áp suất 44 Hình 2.3.7 : Thiết bị đo điều khiển áp suất chế tạo 44 Hình 2.4.1 : Bình khí nén (JUN-AIR) dùng để chuẩn hóa thiết bị đo 47 Hình 2.4.2 : Giao diện hiển thị kết đo máy tính 49 Hình 3.1.1 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(a) 50 Hình 3.1.2 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(b) 52 Hình 3.1.3 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(c) 52 Hình 3.1.4 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(d) 53 Hình 3.1.5 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(f) 54 Hình 3.1.6 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(g) 55 Hình 3.2.1 : Cách xác định thơng số đặc trưng cảm biến van spin 57 Hình 3.2.2 : Đường đặc trưng V(H) cảm biến van spin 58 Hình 3.2.3 : Đường đặc trưng V(d) cảm biến van spin (dx = 4,7mm) 59 Hình 3.2.4 : Đường đặc trưng V(d/2) cảm biến van spin (dx = 2,5mm) 61 Hình 3.2.5 : Đường đặc trưng theo góc quay V(φ) cảm biến 61 Hình 3.2.6 : Đường đặc trưng V(φ) với hai nguồn từ trường khác 62 Hình 3.2.7 : Đặc trưng điện áp cảm biến theo áp suất V(P) 63 Hình 3.3.1 : Hình ảnh thiết bị đo áp suất Pr-MR.01 nhìn theo ba chiều 65 Hình 3.3.2 : Đặc trưng V(H) thiết bị đo áp suất 66 Hình 3.3.3 : Đặc trưng V(d) thiết bị đo áp suất 67 Hình 3.3.4 : Đặc trưng V(P) thiết bị đo áp suất 68 Hình 3.5.1 : Cấu tạo đầu đo hay van chuyển mạch chân không 71 Số bảng Nội dung bảng số liệu Trang Bảng 2.4.1 : Thực nghiệm đánh giá sai số thiết bị đo áp suất Pr-MR.01 48 Bảng 3.4.1 : Thông số kỹ thuật thiết bị đo Pr-MR.01 69 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ……………………………….…… 34 2.1 Một số thiết bị sử dụng ……………………………………… 34 2.2 Thiết lập phép đo ……………………………………………… 35 2.2.1 Cấu hình đo, khảo sát từ trường theo khoảng cách, theo góc 35 2.2.2 Cấu hình đo đặc trưng cảm biến……………………… 37 2.3 Thiết kế mạch cho thiết bị đo áp suất ……………………….…….… 38 2.3.1 Thiết kế sơ đồ khối …………………………………….… ….… 38 2.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý/ mạch in bố trí linh kiện …….…… 40 2.3.3 Xây dựng phần mềm thử nghiệm ……………………….…… 45 2.4 Hiệu chuẩn thiết bị đo ……………………………………………….… 47 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ………………………… 50 3.1 Các đặc trưng từ trường theo khoảng cách H(d) 50 3.2 Các đặc trưng cảm biến van spin …………………………… … 56 3.2.1 Đặc trưng tín hiệu cảm biến theo từ trường V(H) ….…… 58 3.2.2 Đặc trưng tín hiệu cảm biến theo khoảng cách V(d) … 59 3.2.3 Đặc trưng tín hiệu cảm biến theo góc quay V(φ) …… … 61 3.2.4 Đặc trưng tín hiệu cảm biến theo áp suất V(p) ……….… 63 3.2.5 Nhận xét chung cảm biến van spin ………………………… 64 3.3 Thiết bị đo/chuyển mạch áp suất Pr-MR.01và đặc trưng thiết bị 64 3.3.1 Thiết bị đo /chuyển mạch áp suất Pr-MR.01 64 3.3.2 Đặc trưng tín hiệu thiết bị theo cường độ từ trường V(H) 66 3.3.3 Đặc trưng tín hiệu thiết bị theo khoảng cách V(d) …… 67 3.3.4 Đặc trưng tín hiệu thiết bị theo áp suất V(p) …………… 68 3.4 Các thông số kỹ thuật thiết bị đo áp suất……………………….… 69 3.5 Một số đề xuất nhằm hoàn thiện thiết bị đo ………………………… 71 KẾT LUẬN CHUNG…………………………………………….…… 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 LỜI MỞ ĐẦU Hiệu ứng GMR tượng vật lý xảy số màng mỏng từ có cấu trúc đa lớp gồm lớp sắt từ xen kẽ bới lớp kim loại phi từ, có thay đổi lớn giá trị điện trở suất tác dụng từ trường Hiệu ứng lần phát vào năm 1986 1988 nhóm nghiên cứu, nhóm Peter Grünberg thuộc trung tâm nghiên cứu Jülich(Đức) màng mỏng Fe/Cr/Fe; nhóm Albert Fert Đại học Paris-Sub màng đa lớp Fe/Cr Bản chất tượng vật lý tán xạ phụ thuộc spin điện tử gây ra, mở đầu cho việc hình thành nên hướng nghiên cứu lĩnh vực điện tử học spin đối tượng sử dụng linh kiện điện tử hệ mới: Các linh kiện spintronics Khái niệm hiệu ứng van spin xuất phát từ hiệu ứng GMR màng mỏng từ có cấu trúc đa lớp trình bày Có thể thấy trạng thái điện trở hệ phụ thuộc vào định hướng tương đối véc tơ từ độ lớp sắt từ, nghĩa trạng thái véc tơ từ độ lớp sắt từ mà song song cho phép dịng kênh spin qua ngược lại phản song khơng cho phép dịng kênh spin qua, nói cách khác, từ độ lớp sắt từ hoạt động van đóng mở cho kênh spin [6] Trên giới hiệu ứng Van spin biết đến sau năm 1988 – 1989 đưa vào ứng dụng linh kiện điện tử cảm biến từ trường ứng dụng ổ đĩa cứng máy vi tính, nhớ MRAM, la bàn điện tử, máy dò kim loại thiết bị giám sát an ninh khu vực sân bay, khách sạn v.v… Các cảm biến thường nhạy với từ trường yếu có ưu điểm tiêu thụ lượng ít, làm việc ổn định tốt theo nhiệt độ Hiện việc nghiên cứu thử nghiệm chế tạo cảm biến van spin tiếp cận ứng dụng công nghệ spintronics nước ta tiến hành viện ITIMS thông qua hoạt động nhóm Vật lý spin Cơng nghệ spintronics Tuy nhiên đời sống thực tế Đặng Văn Khanh -1- Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 việc ứng dụng cảm biến van spin vào chế tạo thiết bị đo lường, điều khiển hay chuyển mạch điện tử chưa quan tâm mức Do nhiệm vụ giao cho đề tài luận văn nghiên cứu, ứng dụng hiệu ứng van spin để chế tạo thiết bị đo lường hay chuyển mạch điện tử áp suất, nhằm bước đầu thử nghiệm công nghệ điện tử mới, công nghệ spintronics, lĩnh vực công nghệ cao ứng dụng vào đời sống Trong ứng dụng này, van spin đóng vai trị phần tử chuyển đổi tín hiệu từ trường thành dạng tín hiệu điện, sau khuếch đại xử lý thơng qua việc lập trình để vừa hiển thị số liệu hình LCD, vừa ghép nối để hiển thị máy tính điều khiển chuyển mạch điện tử cho thiết bị khác bên ngồi.Vì đề tài luận văn có tên là: “Ứng dụng hiệu ứng van spin để đo lường hay chuyển mạch điện tử áp lực/áp suất” Vấn đề đo áp suất hay chuyển mạch điện tử dựa vào nguyên lý hoạt động cảm biến van spin, dựa vào nguyên lý đo cường độ từ trường khoảng cách thay đổi độ lớn hiệu ứng GMR, từ chuyển đối thành dạng tín hiệu điện Vì nghiên cứu đề tài trước hết tìm hiểu chất vật lý hiệu ứng GMR, nguyên lý đo cường độ từ trường hiệu ứng GMR, cấu trúc van spin cấu tạo cảm biến điện tử dựa van spin nguyên lý hoạt động Tiếp theo khảo sát đặc tuyến tín hiệu cảm biến van spin sử dụng luận văn với cường độ từ trường tác dụng lên cảm biến thay đổi theo khoảng cách, từ thiết kế mạch điện khuếch đại thích hợp với tín hiệu cảm biến van spin, thường có giá trị thay đổi nằm vùng từ 0V đến 5V, ứng với khoảng cường độ từ trường xác định; sở tiến hành thử nghiệm, thiết kế chế tạo hồn thiện thiết bị đo giá trị áp suất đường ống dẫn khí áp suất bình khí có phạm vi từ (0,4 ÷ 5) bar với độ phần giải 0,1 bar sai số tuyệt đối ∆b = 0,095 bar hay sai số tương đối quy đổi δ ≈ 1,9 % Đặng Văn Khanh -2- Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Kết cấu luận văn gồm chương sau : Chương 1: Tổng quan Chương trình bày số phương pháp đo lường áp suất truyền thống, lấy làm sở cho việc so sánh với giải pháp đo lường áp suất ứng dụng cảm biến van spin, trình bày nguyên lý hiệu ứng GMR mơ hình giải thích hiệu ứng, sở lý thuyết van spin đồng thời nêu lên số ứng dụng tiêu biểu cảm biến van spin có thực tế Chương 2: Phương pháp thực nghiệm Chương trình bày phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm sử dụng nghiên cứu Xây dựng cấu hình khảo sát đặc trưng từ trường theo khoảng cách với loại cảm biến SV-01, khảo sát đặc trưng cảm biến theo từ trường, xây dựng cấu trúc chức thiết bị, thiết kế lắp ráp mạch điện tử giải pháp hiệu chỉnh, thiết kế phần mềm giao diện cho thiết bị đo áp suất, chuẩn hóa xác định độ xác cho thiết bị Chương 3: Kết thảo luận Chương trình bày kết nghiên cứu cảm biến thiết bị chế tạo được, phân tích, nhận xét kết đo đường đặc trưng cảm biến theo từ trường, theo khoảng cách theo áp suất; nhận xét kết đường đặc trưng thiết bị, xác định thông số kỹ thuật thiết bị đo áp suất số giải pháp đề suất nhằm phát triển tính sẵn có thiết bị Kết luận chung Tài liện tham khảo Đặng Văn Khanh -3- Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Việc tiến hành khảo sát điện áp cảm biến cho ta tín hiệu chân (V+) (V-) tương tự trường hợp khảo sát đặc trưng theo khoảng cách, nhiên điện áp chân biến thiên ngược chiều nhau, tùy theo ứng dụng cụ thể mà ta cần phải lựa chọn tín hiệu cho phù hợp Theo kết hình 3.2.5 cho thấy sử dụng cảm biến van spin với ứng dụng quay theo góc cần quan tâm đến phạm vi góc quay φ= 00÷1800, từ góc 1800 đến 3600 có đường đặc trưng đối xứng Dựa vào đường đặc trưng V(ϕ) ta nhận thấy: Khi hướng véc tơ từ trường trùng với phương phần từ van spin (theo hướng trục dễ) cầu điện trở trạng thái chưa bị tác động, cặp spin phản song điện áp cảm biến mức thấp Khi góc ϕ tăng dần trạng thái spin tự bị quay theo hướng từ trường ngồi đến vị trí 1800 cặp spin trở lên song song với nhau, cầu điện trở cân dẫn tới vị trí điện áp cảm biến lớn nhất, tiếp tục tăng góc ϕ ta lại thấy điện áp cảm biến lại giảm dần đến vị trí góc ϕ = 3600 điện áp lại mức thấp Hình 3.2.6 cho ta đường đặc trưng V(ϕ) trường hợp lấy ngõ ứng với nam châm có cường độ từ trường khác nhau: Hình 3.2.6: Đường đặc trưng điện áp cảm biến theo góc V(φ) Đặng Văn Khanh - 62 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Tóm lại từ kết ta thấy đường đặc trưng V(ϕ) có tính gần đối xứng thay đổi điện áp tuyến tính phạm vi từ 900 đến 1250, biên độ điện áp thường nhỏ trường hợp thay đổi theo khoảng cách Tuy nhiên phải sử dụng cảm biến có điện áp theo góc V(ϕ) ta nên để cảm biến hoạt động vùng 3.2.4 Đặc trưng tín hiệu cảm biến theo áp suất V(p) Với cấu hình thực nghiệm bố trí hình 2.2.2, ta đưa áp suất khí nén vào đường ống dẫn khí cấu đo để xác định đường đặc trưng quan hệ áp suất với điện áp V(p) Kết đường đặc trưng V(p) thể hình 2.3.7 Hình 3.2.7: Đường đặc trưng điện áp cảm biến theo áp suất V(P) Kết đường đặc trưng V(p) hình 3.2.7 cho thấy, khoảng P = (0 ÷ 5) bar điện áp cảm biến tăng dần Vra = (2÷100) mV Đường đặc trưng biến thiên đặn đoạn từ 0,4 bar đến 4,8 bar, đoạn P = (0 ÷ 0,4) bar điện áp tăng mạnh, đoạn P > 4,8 bar dường bị bão hịa Như sử dụng cấu hình đo để chế tạo thiết bị đo áp suất phạm vi đo đáng tin cậy thiết bị nằm khoảng ≤ bar Đặng Văn Khanh - 63 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 3.2.5 Nhận xét chung cảm biến van spin Từ kết khảo sát cảm biến với chế độ khác nhóm nghiên cứu xác định hai thơng số quan trọng việc ứng dụng cảm biến độ nhạy S cảm biến khoảng làm việc tuyến tính Độ nhạy xác định S ≈ 292,34 (mV/Oe) với độ nhạy hoàn toàn phát từ trường nhỏ khả ứng dụng cảm biến vào thực tế để đo từ trường nhỏ tốt Ngoài xác định góc làm việc tốt cảm biến ϕ = (900 ÷ 1250) Q trình khảo sát thực phép đo điều kiện phịng thí nghiệm, kết thu điều kiện thực tế tốt nhất, kết áp dụng sử dụng cảm biến thực tế 3.3 Thiết bị đo/chuyển mạch áp suất Pr-MR.01và đặc trưng thiết bị 3.3.1 Thiết bị đo /chuyển mạch áp suất Pr-MR.01 Trên thực tế việc thiết kế bảng mạch điện tử thực chức thiết bị tính tốn phù hợp với vỏ máy lựa chọn (loại phổ biến thị trường) Trên sở chức hoạt động thiết bị nguyên lý làm việc mạch điện mà công tắc, núm điều chỉnh đầu thiết kế mặt trước, mặt sau hay mặt bên vỏ thiết bị cho phù hợp với thao tác, vận hành thiết bị Hình 3.3.1 hình ảnh thiết bị Pr-MR 01 chế tạo Phía trước thiết bị Pr-MR.01 gồm có hiển thị kết đo, nút chức điều chỉnh đặt điểm làm việc (OFFSET), nút điều chỉnh cường độ sáng hình hiển thị (BRIGHT), nút xóa chế độ đo để thiết lâp chế độ đo (RESET) Mặt sau thiết bị bố trí đường cấp nguồn, đầu chuyển mạch điện, đầu vào đường dẫn khí nén cần đo cổng COM giao tiếp với máy tính (PC), cạnh bên thiết bị gắn với Jắc cắm DC sử dụng nguồn điện ắc quy trường hợp nguồn điện lưới Thiết bị Pr-MR.01 đo thiết bị độc lập, ghép nối với máy tính để điều khiển qua sử dụng phần mềm thích hợp Đặng Văn Khanh - 64 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 a) Hình ảnh mặt trước thiết bị Pr-MR.01 b) Hình ảnh mặt sau thiết bị Pr-MR.01 c) Hình ảnh mặt bên thiết bị Pr-MR.01 Hình 3.3.1: Hình ảnh thiết bị đo áp suất Pr-MR.01 nhìn theo chiều Đặng Văn Khanh - 65 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 3.3.2 Đặc trưng tín hiệu thiết bị theo từ trường V(H) Sau thiết bị hoàn thành, cần phải thực việc khảo sát thông số đặc trưng thiết bị điều kiện giống khảo sát đặc trưng cảm biến Tín hiệu điện từ cảm biến phải khuếch đại cho khoảng biến thiên điện áp theo áp suất phải đạt từ đến 5V để đưa vào chân số vi xử lý Mục đích việc khảo sát tín hiệu ngõ vào xử lý để xác định lại đường đặc trưng V(H) thiết bị, q trình ghép nối với mạch khuếch đại làm méo dạng điện áp, dựa vào kết để so sánh từ rút đặc tính thiết bị đo Để xác định đặc trưng V(H) thiết bị, cấu đo cảm biến đặt cố định theo cấu hình khảo sát cảm biến Thay đổi nguồn từ trường có cường độ khác khoảng ± 500 Oe Kết khảo sát phụ thuộc tín hiệu theo từ trường V(H) thiết bị ghi lại trình bày hình 3.3.2 Hình 3.3.2: Đường đặc trưng V(H) thiết bị đo áp suất Khi so sánh với kết khảo sát cảm biến hình 3.2.2, ta nhận thấy đặc trưng V(H) thiết bị gần với dạng đặc tuyến cảm biến (đường B) Khi thay đổi cường độ từ trường theo chiều ngược lại ta thấy đường đặc tuyến khơng trùng với (đường C) mà bị trễ Như tượng từ trễ phần có ảnh hưởng tụ điện mạch khuếch đại Ở thấy tín hiệu Đặng Văn Khanh - 66 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 bị giảm đột ngột vùng từ trường (-90) Oe trạng thái bão hòa vùng từ trường (+95) Oe, điện áp sau khuếch đại đưa đến mạch vi xử lý biến thiên từ (0,4÷5,2) V phù hợp với khả xử lý mạch Khoảng biến thiên từ trường làm cho tín hiệu thay đổi tuyến tính khoảng ± 75 Oe Như so sánh kết khảo sát đường đặc trưng cảm biến đường đặc trưng thiết bị, ta thấy vùng từ trường khả hoạt động thiết bị tương đối ổn định 3.3.3 Đặc trưng tín hiệu thiết bị theo khoảng cách V(d) Việc xác định đường đặc trưng tín hiệu theo khoảng cách thiết bị tiến hành với cấu hình giống xác định đường đặc trưng V(d) cảm biến Tuy nhiên đường đặc trưng V(d) cảm biến bao gồm có đường (V+) đường (V-) đường đặc trưng V(d) thiết bị cần lấy chân Trong mạch điện thiết bị đo áp suất, tín hiệu lấy chân (V+), khảo sát cảm biến ta phải dịch chuyển nam châm theo chiều qua điểm gốc tọa độ Việc khảo sát đường đặc trưng điện áp theo khoảng cách V(d) thiết bị cần dịch chuyển nam châm theo hướng tính từ điểm gốc xác định trước Cấu hình đo kết đường đặc trưng V(d) thiết bị cho hình 3.3.3 Hình 3.3.3: Đường đặc trưng V(d) thiết bị đo áp suất Đặng Văn Khanh - 67 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Từ kết khảo sát đặc trưng V(d) thiết bị hình 3.3.3 cho thấy, với khoảng cách đặt nam châm cảm biến theo phương y cố định cịn khoảng cách dịch chuyển nam châm theo phương x, thay đổi phạm vi dx = 0÷2 mm biến thiên điện áp tuyến tính, phạm vi đo thiết bị xác định vùng tốt 3.3.4 Đặc trưng tín hiệu thiết bị theo áp suất V(p) Việc khảo sát đường đặc trưng V(P) thiết bị đo áp suất tiến hành đồng thời với việc hồn thiện thiết bị Với cấu hình đo xác định giống việc khảo sát đường đặc trưng V(P) cảm biến, kết đặc trưng V(P) thiết bị trình bày hình 3.3.4 Hình 3.3.4: Đường đặc trưng V(P) thiết bị đo áp suất Kết đường đặc trưng V(p) hình 3.3.4 cho thấy, khoảng P = (0 ÷ 5) Bar điện áp sau khuếch đại tăng dần Vra = (0,2 ÷5,1)V Đường đặc trưng biến thiên đặn đoạn từ 0,4 Bar đến 4,8 Bar, đoạn P = (0 ÷ 0,4) Bar điện áp biến thiên khơng ổn định, cịn đoạn P > 4,8 Bar gần bị bão hòa Đặng Văn Khanh - 68 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 So sánh kết đường đặc trưng V(p) thiết bị ta nhận thấy dáng điệu gần giống với đường đặc trưng V(p) cảm biến, điều chứng tỏ tín hiệu qua khuếch đại làm cho biên độ điện áp tăng lên mà không làm ảnh hưởng nhiều đến dạng tín hiệu cảm biến 3.4 Các thông số kỹ thuật thiết bị đo áp suất Như qua việc khảo sát đặc trưng cảm biến đặc trưng thiết bị đo áp suất, giúp cho cho việc đánh giá sơ số tính chất thông số thiết bị đo, phạm vi làm việc hay dải đo thiết bị, sai số thiết bị (bảng 3.4.2), độ phân giải Bảng 3.4.1 trình bày số thơng số kỹ thuật thiết bị đo Pr-MR.01 Các đặc trưng kỹ thuật bật thiết bị gồm nguồn cấp điện cho thiết bị Ở sử dụng nguồn điện lưới với điện áp 220V/50Hz, sử dụng nguồn ắc-quy khô điện áp 12V/2A nhằm tăng cường tính linh hoạt thiết bị đo Dải đo thiết bị với áp suất nén (0÷5)bar, với độ phân giải 0,1 bar sai số tương đối thiết bị 1,9% Bảng 3.4.1: Thơng số kỹ thuật thiết bị đo Pr-MR.01 Chức thiết bị - Đo áp suất “dư “các loại khí (khí nén) - Điều khiển chuyển mạch áp suất Chức hiển thị ( giao tiếp máy tính) - Hiển thị hình LCD - Hiển thị máy tính PC Điện áp cung cấp (Nguồn AC DC) - AC 220V/50Hz - DC 12V/2A Dải đo 0,4 ÷ Bar Sai số thiết bị ≈ 0,095 bar hay sai số tuyệt đối 1,9 % Độ phân dải 0,1 Bar Nhiệt độ làm việc 20oC ÷ 45oC Áp suất đầu vào cực đại 10 Bar Đầu vào áp suất ren Φ 13mm Kích thước vỏ 20cm x 25cm x 8cm Trọng lượng thiết bị 550 gam Đặng Văn Khanh - 69 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Bảng 3.4.2: Thực nghiệm đánh giá sai số thiết bị đo áp suất Pr-MR.01 Giá trị hiển thị thiết bị đo áp suất (2) (Bar) 0,4 Sai số tuyệt đối (Bar) ≤ 04 Giá trị đồng hồ (Festo 345-39 ) (1) (Bar) 04 0,6 0,6 0,57 0.03 0,8 0,8 0,87 -0.07 1,0 1,0 106 -0.06 1,2 1,2 1,26 -0.06 1,4 1,4 1,45 -0.05 1,6 1,6 1,66 -0.06 1,8 1,8 1,87 -0.07 2,0 2,0 2,06 -0.06 10 2,2 2,2 2,27 -0.07 11 2,4 2,4 2,45 -0.05 12 2,6 2,6 2,67 -0.07 13 2,8 2,8 2,86 -0.06 14 3,0 3,0 3,03 -0.03 15 3,2 3,2 3,28 -0.08 16 3,4 3,4 3,46 -0.06 17 3,6 3,6 3,65 -0.05 18 3,8 3,8 3,83 -0.03 19 4,0 4,0 4,02 -0.02 20 4,2 4,2 4,25 -0.05 21 4,4 4,4 4,41 -0.01 22 4,6 4,6 4,59 0.01 23 4,8 4,8 4,78 0.02 TT Giá trị cần kiểm tra Sai số tuyệt đối lớn số 23 phép đo là: Sai số tuyệt đối thiết bị đo(cộng sai số mẫu) = (0,08+0,015) Sai số tương đối quy đổi : δ = ∆Max /5 = 0,095/5 Đặng Văn Khanh - 70 - (Bar) 0.08 0,095 1,9 % Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 3.5 Một số đề xuất nhằm hoàn thiện mở rộng khả thiết bị đo Với thời đầu tư cho nghiên cứu hạn chế gặp nhiều khó khăn tiếp cận công nghệ mới, thiết bị Pr-MR.01 chắn cịn có nhiều khiếm khuyết cần sửa đổi, bổ xung để tiến đến chế tạo thiết bị có khả sử dụng thực tế Mặt khác, từ nghiên cứu nảy số khả mang lại tính cho thiết bị, nâng cao tính có thiết bị Dưới số kiến nghị giải pháp nhằm nâng cấp cho thiết bị đo, cụ thể sau: 1- Mở rộng dải đo từ bar lên tới hàng vài chục bar cách thay đổi cấu “ruột gà”, cho phạm vi thay đổi áp suất đầu vào tăng lên độ dịch chuyển nam châm khoảng d ≤ 2,5 mm 2- Có thể chế tạo thiết bị đo chân không dựa nguyên lý đo áp suất mơ tả hình 2.2.2(a), nhiên vị trí đặt cảm biến cần phải thay đổi cho phù hợp 3- Nâng cao độ xác thiết bị đo áp suất cách sử dụng biến đổi ADC 12 bít, lập trình xử lý kết đo 4- Thu nhỏ kích thước cho gọn nhẹ hướng tới khả thương mại hóa, ứng dụng dân dụng cơng nghiệp 5- Đưa thêm chức sử dụng pin hay ắc-quy khô nhằm tăng cường tính di động linh hoạt thiết bị đo, làm cho thiết bị có tính chủ động cao trường hợp thiết bị đo nơi (hay vào lúc) khơng có nguồn điện lưới, hỏng nắn điện áp 6- Giao tiếp với máy tính cá nhân (laptop) hay để bàn (desktop) thông qua cổng USP để dùng nguồn cung cấp máy tính, vừa đo áp suất chân khơng, vừa ghi nhận xử lý liệu tức thời 7- Hướng tới việc chế tạo thiết bị tích hợp, cho phép chọn nhiều chức khác nhau, thiết kế cho sử dụng chung phần mạch xử lý hiển thị kết quả, ứng với chức đo khác ghép nối cấu đầu đo khác Đặng Văn Khanh - 71 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 Để làm việc cần phải lập trình giao diện bảng điều khiển máy tính để thực việc điều khiển chọn chế độ đo khác máy tính 8- Với nguyên lý hoạt động cảm biến van spin nghiên cứu, hoàn tồn mở rộng khả ứng dụng, để chế tạo nhiều phương tiện đo khác như: Đo khối lượng, đo dịng điện khơng tiếp xúc, đo tốc độ quay, đo vận tốc góc, đo khoảng cách, điều khiển chuyển mạch điện tử, đóng ngắt cho thiết bị khác thơng qua máy tính v.v… 9- Đặc biệt, từ kết nghiên cứu luận văn, phát triển để chế tạo đầu đo chân không hay công tắc áp suất sử dụng hệ chân khơng Hình 3.5.1 mơ tả phương án cấu tạo đầu đo chân không hay công tắc chân không dự kiến chế tạo đưa vào sử dụng tương lai Hình 3.5.1: Cấu tạo đầu đo hay van chuyển mạch chân không Đặng Văn Khanh - 72 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 KẾT LUẬN CHUNG Trong thời gian làm việc nghiên cứu cách nghiêm túc, với hướng dẫn tận tình Thầy PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn, đến mục tiêu luận văn hoàn thành, qua tác giả nhận thấy đạt số kết sau: 1) Đã tìm hiểu, nắm bắt nguyên lý dụng cụ, thiết bị đo áp suất từ trước đến chế hoạt động chúng, lấy làm sở cho việc thiết kế cấu hình đo, khảo sát khai thác khả ứng dụng cảm biến công nghệ để chế tạo thiết bị đo áp suất 2) Tìm hiểu tượng từ điện trở khổng lồ xảy cấu trúc màng mỏng từ đa lớp không liên tục giải thích chế hoạt động hiệu ứng Nghiên cứu cấu trúc van spin nhận thấy việc chế tạo van spin có ghim lớp phản sắt từ thuận lợi q trình điều khiển, giải thích chế hoạt động van spin Đó chế "tán xạ phụ thuộc spin" điện tử, làm thay đổi điện trở hệ Từ tìm hiểu số loại cảm biến van spin cụ thể để hướng tới khai thác khả ứng dụng chúng việc chế tạo thiết bị đo áp suất 3) Thiết lập cấu hình khảo sát mối quan hệ từ trường khoảng cách, xây dựng đường đặc trưng H(d), từ có sở để xác định cấu hình tốt vùng từ trường làm việc, vị trí đặt cảm biến vv…cho việc chế tạo thiết bị đo Pr-MR.01 Đây sở có tính chất định hướng cho hàng loạt ứng dụng 4) Khảo sát phân tích đặc trưng tín hiệu cảm biến theo cường độ từ trường V(H), đặc trưng tín hiệu cảm biến theo khoảng cách V(d) đặc trưng tín hiệu cảm biến theo áp suất V(P) Từ xác định số tính chất thông số cần thiết cảm biến để phục vụ cho trình chế tạo thiết bị đo Chẳng hạn nguồn từ trường tốt H = (50 ÷ 200) Oe , khoảng cách dịch chuyển nam châm tốt d ≤ 2,5mm , sử dụng nam châm theo góc quay góc tốt ϕ = (900 - 1250), phạm vi đo tốt P = 0,4 ÷ bar Đặng Văn Khanh - 73 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 5) Khảo sát đặc trưng tín hiệu thiết bị đo áp suất Pr-MR.01 theo yếu tố khác cường độ từ trường, theo khoảng cách theo áp suất khảo sát cảm biến nhằm so sánh, đánh giá kết đo cảm biến sau mắc cảm biến qua phận mạch điện tử Kết chứng tỏ mạch điện thiết bị có chức khuếch đại khơng làm méo dạng tín hiệu cảm biến 6) Trong q trình thiết kế mạch điện cho thiết bị Pr-MR.01, số phần mềm hỗ trợ, phần mềm thiết kế mạch điện tử Eagle 5.9 phần mềm lập trình PIC C Compiler, sử dụng Qua thiết kế chế tạo thành cơng mạch điện xử lý tín hiệu cho thiết bị đo áp suất Pr-MR.01 Việc hiển thị thơng tin kết đo máy tính kết q trình nghiên cứu số ngơn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 7) Đã ứng dụng cảm biến van spin SV-01 để chế tạo hoàn thiện thiết bị đo Pr-MR.01vừa có chức đo áp suất khí nén, vừa có khả điều khiển chuyển mạch điện tử áp suất với điện áp sử dụng 220VAC/50Hz điện áp 12VDC, hoạt động tương đối ổn định với dải đo từ 0,4÷ Bar, sai số 0,095 bar Thiết bị có khả giao tiếp với máy tính để hiển thị kết điều khiển chuyển mạch điện tử từ xa thông qua hệ thống máy tính 8) Q trình thiết kế, chế tạo thiết bị đo áp suất Pr-MR.01 cho thấy cảm biến van spin SV-01 nhạy với từ trường [≈ 292,34(mV/Oe)], mà việc điều khiển cảm biến van spin từ trường điều khiển khơng tiếp xúc, phù hợp cho ứng dụng để chế tạo thiết bị đo không cần tiếp xúc trực tiếp, thiết bị đo từ trường yếu, thiết bị dị mìn, máy dị kim loại, la bàn điện tử cho máy bay, dò dây điện âm tường vv…Việc khai thác sử dụng cảm biến van spin cần thiết có nhiều ưu điểm bật, làm việc ổn định tốt theo nhiệt độ, khả chống nhiễu chống ồn cao, lại tiêu thụ lượng thấp vv… Những kết thu luận văn kết bước đầu, sở kinh nghiệm cho việc ứng dụng cảm biến van spin vào thực tế để thực phép đo hay điều khiển công nghệ, kỹ thuật đời sống Đặng Văn Khanh - 74 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Hoàng Tiến Dũng (2003), “Nghiên cứu chế tạo chuyển đổi từ điện sử dụng cảm biến van spin”, Luận văn thạc sỹ, ĐHBK/ITIMS Hà Nội [2] Phạm Minh Hà (1997), “Kỹ thuật mạch điện tử”, Nhà xuất KH&KT [3] Hồng Dương Hùng (2002), Giáo trình đo lường nhiệt, Nhà xuất KH&KT [4] Ngô Diên Tập (1996), “Đo lường điều khiển máy tính”, NXB-KH&KT [5] Bùi Văn Sáng, Phạm Ngọc Thắng (2007), “Hiệu chuẩn phi tuyến hàm biến đổi phương tiện đo không điện theo phương pháp nội suy xử lý tín hiệu số”, Khoa học Kỹ thuật (HVKTQS), số 119 [6] Nguyễn Anh Tuấn (2002), “Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ màng mỏng chứa Co”, Luận án Tiến sĩ vật lý, ĐHBK/ITIMS Hà Nội Tiếng Anh: [11] T.Ambrose, Kai Liu, C.L.Chien (1999), “Doubly exchange-biased NiCoO/NiFe/Cu/NiFe/NiCoO spin valves”,Department of Physics and Astronomy, The Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland 21218, pp.6124-6126 [12] M.N Baibich, J.M.Broto, A Fert, F.Nguyen Van Dau (1988), “Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices” Phys Rev Lett 61, pp.2472–2475 [13] L H Chen (12/1996), “Clossal magnetoresistance in La-Y-Ca-Mn-O films”, IEEE Transactions on magnetics, vol 32, No.5, pp 2585-2590 and 4692-4693 [14] R Coehoorn, Felser et al (12/2003), “Giant magnetoresistance and magnetic interactions in exchange-biased spin-valves”, Research Laboratories of Eindhoven University of Technology, Department of Applied Physics, pp.7-9 [15] J.M Daughton, and Y.J Chen (1993), “GMR Materials for Low field applications”, IEEE Trans Magn 29(6), pp 2705-2710 Đặng Văn Khanh - 75 - Luận văn thạc sỹ ITIMS - 2011 [16] Dieny et al (12/2008), “Spin-valves, applications”,(1991) and Bruce A Gurney, “Giant Magnetoresistance in Magnetic Recording”, San Jose Research Center, Hitachi Global Storage Technologies USA, pp.19-20.(Vol 18, No 6) [17] N H Mott, H H Wills.( 1936), Proc Roy Soc A156(888), pp.368 [18] J.P Nozieres, et al (1999), “Spintronique et Technology, des Composant”, CNRS, France [19] Stuart Parkin (12/2007), “The Application of Spintronics”, IBM-Stanford Spintronic Science and Applications Center, The New York Times [20] Stuart Parkin, “A Giant Leap for IBM Research” http//www.research.ibm.com [21] Michael Ross (1997), “GMR: An Attractive Resistance”, Europhysics News, pp.114-118 [22] John Schliemann, J Carlos Egues1, and Daniel Loss (2/2008), “Non-ballistic spin field-effect transistor”, Department of Physics and Astronomy, University of Basel, CH-4056 Basel, Switzerland [23] N Shirato et al (3/2010), “Giant Magnetoresistance”, Department of Materials Science and Engineering, University of Tennessee, Knoxville, TN 37996 [24] Carl H Smith and Robert W Schneider (5/1999), “Low-Field Magnetic Sensing with GMR Sensors”, Presented at Sensors EXPO-Baltimore, pp.4-7 [25] F Spizzo et al (4/2002), “GMR effect across the transition from multilayer to granular structure”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, pp.473-475 [26] W Thomson, Proc Roy Soc.(1857), London, Vol 8, pp 546 - 550 [27] E.Y.Tsymbal and D.G.Pettifor.(2001), “Perspectives of Giant Magnetoresistance” Department of Materials, University of Oxford, pp 113 [28] S.Tumanski and S.Baranowski (2006), “Magnetic sensor array for investigations of magnetic field distribution”, Electrical engineering, vol 57.no8,pp 185-188 Đặng Văn Khanh - 76 - ... chuyển mạch điện tử cho thiết bị khác bên ngồi.Vì đề tài luận văn có tên là: ? ?Ứng dụng hiệu ứng van spin để đo lường hay chuyển mạch điện tử áp lực /áp suất? ?? Vấn đề đo áp suất hay chuyển mạch điện tử. .. thiết bị đo lường hay chuyển mạch điện tử áp suất, nhằm bước đầu thử nghiệm công nghệ điện tử mới, công nghệ spintronics, lĩnh vực công nghệ cao ứng dụng vào đời sống Trong ứng dụng này, van spin. .. việc ứng dụng cảm biến van spin vào chế tạo thiết bị đo lường, điều khiển hay chuyển mạch điện tử chưa quan tâm mức Do nhiệm vụ giao cho đề tài luận văn nghiên cứu, ứng dụng hiệu ứng van spin để