không tai
Ta bố trí 3 thanh cảm biến dọc theo 3 trục tọa độ, các thanh cách nhau lmm, quay trong từ truờng ngoài quanh trục Oz và trục Ox. Chạy mô phỏng cấu hình xoay tròn với buớc quay 15° trong mặt phẳng từ truờng trái đất cỡ 32A/m, ta thu đuợc hình ảnh hiển thị màu nhu sau:
Hình 3.21 Hiển thị màu mật độ từ thông của cẩu hình 3D không tai
Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến quanh trục Oz:
Hình 3.22 Đồ thị giá trị Begphụ thuộc vào góc quay của cẩu hình 3D không tai quanh trục Oz
Name X Y
m1 270.0000 0.1022
m2 180.0000 0.0087
m3 0.0000 0.1010
m4 90.0000 0.0084
Hình 3.23 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cẩu hình 3D không tai quanh trục Oz
Khi tiến hành quay theo trục Oz, ta chỉ khảo sát được 2 thanh cảm biến nằm trên mặt phẳng Oxy, vì vậy nên ta tiếp tục mô phỏng quay cấu hình theo trục Ox để khảo sát mật độ từ thông trên thanh cảm biến đặt dọc theo trục Oz.
Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến quanh trục Ox:
Hình 3.24 Đồ thị giá Begphụ thuộc vào góc quay của cẩu hình 3D không tai quanh trục Ox
Hình 3.25 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cẩu hình 3D không tai quanh trục Ox
Ba đường đồ thị của cả đồ thị Hình 3.22 và Hình 3.24 đều có dạng hình sin, trong đó thì có 2 thanh cảm biến có hiệu ứng từ - điện rõ ràng thể hiện rõ giá trị biên độ của Mag B, đó là 2 thanh được bố trí quay trong từ trường theo phương từ hóa dễ còn thanh còn lại biên độ nhỏ do nó được bố trí theo phương từ hóa khó, hiệu ứng từ - điện nhỏ. Từ các biểu hiện về hiệu ứng trên 3 thanh mà từ đó ta có thể lập được chính xác vector từ trường ngoài HT trong không gian, về mặt hiệu số Beff để xét về độ nhạy cảm biến thì cả 2 cách quay cảm biến theo phương nằm ngang (quay theo trục Oz) hay phương thẳng đứng (quay theo trục Ox) với từ trường ngoài đều cho tín hiệu ổn định và như nhau cỡ 0.093 - 0.095 T. So với kết quả của cấu hình 2D thì ta thấy tín hiệu của cảm biến 3D này nhỏ hơn nhưng lại có ưu điểm về mặt xác định vector từ trường trong không gian.
Namg X Y mi 3SŨ.0000 C.4&08 m2 90.0000 0.0021 m3 90.Ũ0Ũ0 0.4487 m4 ũ. 0000 0.0017 m5 45.0000 0.0099 mS 330.0000 0.0011 3.3.2 Cảm biến 3D có tai
Để cải thiện về mặt tín hiệu cho cấu hình cảm biến 3D, dựa vào các kết quả và kết luận ở mô phỏng cấu hình 2D, ta tiến hành mô phỏng cấu hình có tai ở đầu mỗi thanh cảm biến. Để tiết kiệm thể tích, ta bố trí 3 thanh cảm biến như dạng 2D chữ thập, dọc theo 3 trục tọa độ, các thanh cách nhau lmm, quay trong từ trường ngoài quanh trục Oz. Chạy mô phỏng cấu hình xoay tròn với bước quay 15° trong mặt phẳng từ trường trái đất cỡ 32A/m, ta thu được hình ảnh hiển thị màu như sau:
Hình 3.26 Hiển thị màu mật độ từ thông của cẩu hình 3D có tai Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cảm biến:
Hình 3.27 Đồ thị giá trị Begphụ thuộc vào góc quay của cẩu hình 3D có tai
Hình 3.28 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cẩu hình 3D có tai
Đầu tiên ta nhận thấy với thanh cảm biến đặt vuông gốc với từ trường ngoài cố giá trị gần tiệm cận đường offset (giá trị 0). Trong khỉ đó 2 thanh nằm trong mặt phẳng song song với từ trường ngoài thể hiện rất rõ tính chất từ - điện. Hiệu số Beff của mẫu cảm biến này cỡ 0,4487T, cao gấp 4.72 lần so với mẫu 3D dạng thanh không tai. cấu hình cảm biến này cố khả năng phát triển để làm thiết bị định vị trong không gian với độ chính xác cao.
KẾT LUẬN
Khóa luận đã đạt được một số kết quả như sau:
Tổng quan về từ trường Trái Đất và hiệu ứng từ - điện. Nêu cách sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS Maxwell.
Mô phỏng thành công cảm biến đo từ trường trái đất 1D, 2D và 3D bằng cách ghép tổ hợp các cảm biến 1D trực giao, mô phỏng so sánh độ nhạy giữa các cảm biến để tiên đoán hoạt động khi yêu cầu xác định thành phần của từ trường trái đất trong không gian và góc nghiêng từ và góc lệch từ của từ trường trái đất. Đặc biệt rút ra được kết luận về các cấu hình của cảm biến, làm tiền đề cho việc tiến hành sản xuất cảm biến đo từ trường thấp độ nhạy cao trong tương lai, trong đó:
• Cảm biến 2D chữ thập: nhỏ gọn, có thể tích hợp vào la bàn điện tử dùng trên mặt đất.
• Cảm biến 2D chữ thập có tai: kích thước lớn hơn nhưng tín hiệu đầu ra rất lớn, độ nhạy cao, có thể ứng dụng chế tạo la bàn điện tử độ chính xác cao dùng trên mặt đất.
• Cảm biến 3D dạng thanh: kích thước nhỏ, dễ bố trí các thanh cảm biến để sản xuất, có thể dùng để làm định vị trong không gian.
• Cảm biến 3D có tai: tuy kích thước khá lớn nhưng tín hiệu đầu ra lớn, thế nền nhỏ, độ nhạy cao, thích hợp để làm định vị không gian với độ chính xác cao ứng dụng trong quân đội, hàng hải, vệ tinh, xây dựng,...
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1. Lê Khắc Quynh, Nguyễn Xuân Toàn, Bùi Đình Tú, Trần Tiến Dũng, Đỗ Thị Hương Giang, Nuyễn Hữu Đức (2017), Nghiên cứu, chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE), Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 10, Tp. Huế.
2. Trần Tiến Dũng, Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Văn Diễn, Nguyễn Huy Hoàng (2018),
Nghiên cứu, chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE) cho độ nhạy cao, Đề tài đạt giải Nhất cấp trường, giải Khuyến khích giải thưởng “Sinh viên nghiên cứu khoa học” cấp Bộ và Eureka năm 2017 - 2018.
3. Le Khac Quynh, Nguyên The Hien, Nguyên Hai Binh, Tran Tien Dung, Bui Dinh Tu, Nguyên Huu Duc and Do Thi Huong Giang (2019), Simple planar Hall effect based sensors for ỉow-magnetic fieỉd detectỉon, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology.
4. L. K. Quynh, B. D. Tu, c. V. Anh, N. H. Duc, A. T. Phung, T. T. Dung, D. T. Huong Giang (2019), Design Optimization of an Anisotropic Magnetoresistance Sensorfor Detectỉon of Magnetic Nanoparticỉes, Journal of Electronic Materials, Volume 48(2), pp 997-1004.