7. Nội dung của khóa luận
1.7.3. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng AMR
Từ điện trở dị hƣớng là một hiệu ứng từ điện trở mà tại đó tỉ số từ điện
trở (sự thay đổi của điện trở suất dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài) phụ thuộc vào hƣớng của dòng điện (không đẳng hƣớng trong mẫu), mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tƣơng đối giữa từ độ và dòng điện.
Hiệu ứng AMR chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại sắt từ hoặc trong một
số chất bán dẫn hoặc bán kim (có xảy ra hiệu ứng Hall lớn dị thƣờng) nhƣng khá nhỏ. Nguồn gốc vật lý của hiện tƣợng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo.
Hình 1.21. Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR.
Các đám mây điện từ bay quanh mỗi hạt nhân, theo định hƣớng của
momen từ thì các đám mây này thay đổi hình dạng và sự biến dạng của các
đám mây điện từ làm thay đổi lƣợng tán xạ của điện tủ dẫn khi nó đi qua mạng tinh thể. Ta có thể giải thích sự phụ thuộc của điện trở của của vật dẫn
27
vào định hƣớng của mômen từ với chiều dòng điện nhƣ sau: Quỹ đạo chuyển
động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện nếu từ trƣờng đƣợc
định hƣớng vuông góc với chiều dòng điện và nhƣ vậy chỉ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ của điện từ dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ. Ngƣợc lại, khi
từ trƣờng áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ dạo chuyển động của
điện tửđƣợc định hƣớng vuông góc với chiều của dòng điện và cắt đối với tán
xạ của điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao.
Hình 1.22. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vectơ từ hoá
Để giải thích hiệu ứng từ trở dị (AMR) trong các màng mỏng bằng vật
liệu từ, giả định rằng véctơ từ hoá trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão
hoà Ms khi có sự tác động của từ trƣờng ngoài sẽ làm thay đổi hƣớng của vectơ từ hoá này. Ngoài ra ta có thể xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh là: mối quan hệ giữa điện trở và hƣớng của véctơ từ độ (véctơ từ hoá) và mối quan hệ giữa hƣớng của véctơ từ độ và từ trƣờng ngoài. Điện trở của màng
mỏng có thể xác định thông qua góc ϴ - góc giữa chiều dòng điện và vectơ từ
độ:
R() = P.n. + P. .cos = R.P + R.cos2
28
= R.P + cos(2)+1 = R.P + + .cos(2) (1.11)
Với: + Ρ.n và ∆P là hằng số của vật liệu.
+ l,b,d lần lƣợt là độ dài, độ rộng, độ dày của màng mỏng.
+ R.Ρ là điện trở khi vectơ từ độ vuông góc với trục trễ từ hoá.
+ ∆R là độ thay đổi điện trở lớn đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của
R vào đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào nhất bở sự tác động của từ
trƣờng ngoài.
Từ (1.11) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào nhƣ hình 1.22.
1.7.4. Cảm biến từ trƣờng giao thoalƣợng tử siêu dẫn
Cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) là một thiết bị đo từ trƣờng có độ nhạy và độ chính xác cao nhất đƣợc biết đến hiện nay (hình 1.23a). Cấu tạo của cảm biến SQUID bao gồm một vòng siêu dẫn có chứa lớp tiếp giáp
Josephson (hình 1.23b).
Hình 1.23. Cảm biến từ giao thao lượng tử siêu dẫn (a) và cấu tạo của cảm biến (b)
29
Các cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn có thể xác định đƣợc
từ trƣờng nhỏ nhất tới 5.10-18
T trong thời gian lên tới vài ngày [22] và độ nhiễu là 3 fT.Hz-1/2
[11] .
Có hai loại cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn chính là cảm
biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn một chiều (DC) và cảm biến từ
trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫn xoay chiều (RF). Cảm biến từ trƣờng giao
thoa lƣợng tử siêu dẫn xoay chiều chỉ cần làm việc với một lớp tiếp giáp Josephson nên chúng có giá thành rẻ hơn nhƣng ngƣợc lại có độ nhạy kém
hơn so với cảm biến từ trƣờng giao thoa lƣợng tử siêu dẫnmột chiều.
Có thể nhận thấy rằng cảm biến từ trƣờng từ trƣờng giao thoa lƣợng tử
siêu dẫn là một thiết bị có độ chính xác và độ nhạy rất cao. Tuy nhiên một số
nhƣợc điểm của nó dẫn đến hạn chế trong ứng dụng thực tiễn bao gồm: * Giá thành rất cao
* Công nghệ chế tạo phức tạp
* Nhiệt độ làm việc thấp (nhiệt độ siêu dẫn).
1.7.5. Cảm biến từ trƣờng Flux - gate
Cảm biến flux-gate có cấu tạo từ một cuộn solenoid quấn quanh một lõi
sắt từ mềm hình xuyến (có độ cảm từ lớn). Một từ trƣờng xoay chiều khép kín đƣợc tạo ra trong lõi sắt từ hình xuyến bởi dòng điện xoay chiều của cuộn dây
solenoid. Cuộn dây tín hiệu có tác dụng cảm nhận các sự biến đổi của từ trƣờng ngoài và thể hiện bằng tín hiệu điện lối ra (hình 1.24).
30
Cảm biến từ trƣờng flux – gate hoạt động dựa trên hiện tƣợng xuất hiện
suất điện động cảm ứng trên cuộn dây tín hiệu khi có từ trƣờng ngoài xuất hiện. Do lõi sắt từ hình xuyến có dạng đối xứng nên khi không có từ trƣờng ngoài thì từ thông trong lòng cuộn dây tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn. Khi có từ trƣờng ngoài, mỗi nửa cuộn solenoid sẽ sinh ra các từ trƣờng cảm ứng ngƣợc chiều nhau (cùng chiều và ngƣợc chiều với từ trƣờng ngoài).
Do đó từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu sẽ khác không và sinh ra một tín hiệu lối ra tƣơng ứng. Tín hiệu này có độ lớn t lệ với độ lớn
của cƣờng độ từ trƣờng ngoài. Thông qua độ lớn tín hiệu lối ra cùng với hệ số
chuyển đổi của từng thiết bị có thể xác định cƣờng độ từ trƣờng. Cảm biến từ
trƣờng flux – gate có ƣu điểm là công nghệ chế tạo đơn giản và do đó dẫn đến giá thành rất rẻ. Tuy nhiên, cảm biến này cũng có khá nhiều nhƣợc điểm nhƣ:
kích thƣớc lớn, độ bền kém và có thời gian đáp ứng chậm (khoảng 2-3 giây).
1.7.6. So sánh cảm biến từ trong các hiệu ứng khác nhau
Các loại cảm biến từ trƣờng đƣợc trình bày ở trên đều cho thấy một điểm chung là luôn tồn tại một vài nhƣợc điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi trong đời sống và khoa học công nghệ. Chẳng hạn với cảm biến Hall đó là độ phân giải từ trƣờng thấp (mT), cảm biến từ trƣờng giao thoa siêu dẫn thì công nghệ chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao và không làm việc trong
điều kiện nhiệt độ phòng, cảm biến Flux – gate thì thời gian đáp ứng chậm và
kích thƣớc lớn, cảm biến từ điện trở thì công nghệ chế tạo phức tạp và cần có từ trƣờng nền hoặc nhiệt độ làm việc thấp.
Vật liệu tổ hợp từ - điện với hiệu ứng từ - điện thuận đã cho thấy khả
năng ứng dụng để chế tạo các cảm biến từ trƣờng với các nhiều ƣu điểm. Mặc
dù các nghiên cứu ứng dụng trên cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ -
điện cho thấy chúng không có đƣợc độ nhạy và độ phân giải cao nhƣ cảm
31
(triển vọng phát triển thiết bị giá thành thấp) và hoạt động tốt trong điều kiện
nhiệt độ phòng.
Các nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng
từ-điện với cơ sở là vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT đã cho thấy cảm
biến từ trƣờng có thể đạt đƣợc độ nhạy là 130 mV/mT và độ phân giải là 10-3
mT (hình 1.25).
Hình 1.25. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện
Tuy nhiên các nghiên cứu trên vật liệu từ - điện này vẫn còn khả năng tối
ƣu hóa về mặt vật liệu, cấu hình để có thể nâng cao hơn nữa khả năng ứng dụng của cảm biến từ trƣờng loại này. Bên cạnh đó, nguyên tắc hoạt động của thiết bị vẫn chƣa đề cập đến hiệu ứng cộng hƣởng dao động của vật liệu. Nếu
tận dụng tốt hiệu ứng cộng hƣởng dao động của vật liệu thì hiệu ứng từ - điện
trên vật liệu tổ hợp từ - điện còn có thể tăng cƣờng lên rất nhiều để có thể ứng
dụng cho các từ trƣờng nhỏ (từ trƣờng trái đất).
1.8. Kết luận chƣơng 1
Các nghiên cứu thực hiện trong chƣơng 1:
- Tổng quan về một số tính chất từ của vật liệu: ngƣời ta dựa vào dấu và
độ lớn của độ cảm từ (χ) và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nó để đặc trƣng cho mức độ từ hóa của vật liệu.
32
- Nghiên cứu tính chất từ của băng mềm.
- Nghiên cứu hiện tƣợng tƣợng từ giảo, hiện tƣợng áp điện.
- Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện và ứng dụng. Vật liệu tổ hợp từ - điện đã đƣợc tối ƣu hóa sẽ đƣợc nghiên cứu ứng dụng để chế tạo cảm biến từ đo từ
33
CHƢƠNG 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện
Vật liệu tổ hợp từ - điện dạng tấm đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp kết
dính sử dụng keo chuyên dụng để gắn kết tấm áp điện giữa hai lớp băng từ FeNiBSi thƣơng mại. Sơ đồ minh họa cấu trúc của mẫu vật liệu tổ hợp đƣợc minh họa trên hình 2.1. Trong các nghiên cứu của mình, chúng tôi sử dụng vật liệu áp điện PZT (Pb, Zr, Ti) dạng tấm chiều dày tPZT = 250m mang số
hiệu APCC-855 đƣợc cung cấp bởi công ty của Mỹ (American Piezoceramics Inc., PA, USA) [5]. Tấm áp điện sau khi tạo kích thƣớc phù hợp đã đƣợc phủ
lớp điện cực mỏng bằng Ag vào hai mặt trên, dƣới và đã đƣợc phân cực với
véc tơ phân cực PE hƣớng vuông góc với mặt phẳng mẫu. Thế hiệu lối ra từ
vật liệu tổ hợp đƣợc đo qua hai dây điện cực bằng đồng nhỏ gắn trên 2 mặt của tấm áp điện nhờ keo dẫn Ag (Silve paint).
Hình 2.1. Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT/FeNiBSi và ảnh chụp sau khi chế tạo
2.2. Khảo sát hiệu ứng từ điện
Hiệu ứng từ - điện đƣợc đặc trƣng bởi hệ số từ - điện E và đƣợc xác
định thông qua thế áp điện VME đƣợc sinh ra trên hai mặt của tấm áp điện
34
Thế áp điện VME là thế hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trƣờng
xoay chiều hac = h sin(2 f t) đƣợc đặt trong từ trƣờng một chiều HDC. Từ trƣờng một chiều DC đƣợc tạo ra nhờ một nam châm điện với cƣờng độ cực
đại lên tới hơn 1 T (10 kOe). Để tạo ra từ trƣờng xoay chiều hac, chúng tôi sử
dụng một cuộn Helmholtz đặt vào bên trong vùng không gian của từ trƣờng
DC và đƣợc điều khiển bằng một máy phát chức năng (FG-202C Function
Generator).
Hình 2.2. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện.
Biên độ của hac có thểthay đổi từ h= 0 đến 12 Oe với dải tần số từ f = 1
Hz đến 2.5 MHz. Góc tạo giữa véc tơ phân cực điện và phƣơng các từ trƣờng
tác dụng có thể đƣợc thay đổi nhờ một hệ thống mâm quay. Thế hiệu lối ra từ
tấm áp điện đƣợc đƣa vào bộ khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in
Amplifier). Độ lớn và pha của tín hiệu VME đƣợc hiển thị trên màn hình tinh
thể lỏng. Hệ số thế từ - điện E = dE/dH đƣợc xác định qua thế hiệu từ - điện lối ra VME. Thông thƣờng VME là hàm phụ thuộc vào từtrƣờng:
35
Khi đó, biểu thức mối liên hệ giữa hệ số từ - điện với từ trƣờng và độ dày của tấm áp điện đƣợc viết tổng quát dƣới dạng:
ME ME E ο 1 1 dE dV V dH t dH t h (2.2)
Nhƣ vậy hệ số từ - điện E có thểđƣợc xác định thông qua biểu thức mối
liên hệ giữa hiệu điện thế VME chia cho độ dày mẫu áp điện (tPZT) và biên độ
từtrƣờng xoay chiều ho theo biểu thức (2.2).
2.3. Kết luậnchƣơng 2
Các nghiên cứu thực nghiệm trong chƣơng 2:
- Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện có kích thƣớc 1x15mm bằng phƣơng pháp kết dính băng keo chuyên dụng để gắn kết tấm áp điện giữa hai lớp băng
từFeNiBSi và vật liệu áp điện.
- Khảo sát hiệu ứng từ - điện bằng các hệ đo hiệu ứng từ - điện sử dụng từtrƣờng xoay chiều và một chiều.
36
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Sự phụ thuộc của hệ số từ - điện E vào tần số f của từ trƣờng xoay chiều chiều
Để khảo sát hiệu ứng từ điện vào từ trƣờng xoay chiều. Ta khảo sát sự
ảnh hƣởng của tần số từ trƣờng xoay chiều kích thích đến hiệu ứng từ - điện
trên các mẫu có dạng hình chữ nhật với kích thƣớc khác nhau. Đƣờng cong sự
phụ thuộc của hệ số từ - điện αE vào tần số của từ trƣờng xoay chiều hac của một số mẫu điển hình đã đƣợc thực hiện. Hình 3.1 mô tả sự phụ thuộc của αE vào tần số của từ trƣờng xoay chiều đo trên mẫu hình vuông kích thƣớc 15 ×
15 mm.
Hình 3.1. Hệ số từ điện phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều đo theo phương song song của vật liệu băng từ FeNiBSi.
Phép đo đƣợc thực hiện theo phƣơng song song với mặt phẳng băng với
biên độ đƣợc lựa chọn hac = 2 Oe và giá trị từ trƣờng một chiều H = 10 Oe
tƣơng ứng. Nhìn vào đƣờng cong ta thấy hệ số từ điện phụ thuộc mạnh vào
tần số của từ trƣờng xoay chiều. Ở vùng khảo sát tần số thấp, hệ số αE xuất hiện những đỉnh cộng hƣởng mà tại αE đạt giá trị cực đại sau đó lại giảm từ từ
37
khi tần số tiếp tục tăng. Nhƣ vậy có thể kết luận rằng tần số cộng hƣởng cho vật liệu FeNiBSi là f1 = fr1 ~ 90 kHz và f1 = fr2 ~ 136,4 kHz tại đó hiệu ứng từ điện sẽ lớn nhất. Vậy ta chọn tần số cộng hƣởng làm việc cho mẫu này là f1 = fr2 ~ 136,4 kHz, tại đó tín hiệu từ điện là lớn nhất.
Sự phụ thuộc của hệ số từ - điện Evào tần số f của từ trƣờng xoay chiều
của các mẫu khác có dạng hình chữ nhật với kích thƣớc chiều dài không đổi
(L = 15 mm) và chiều rộng thay đổi (W = 1-15 mm) đƣợc khảo sát tƣơng tự
nhƣ mẫu trên. Thực nghiệm cho thấy tần số cộng hƣởng của các mẫu hình
chữ nhậttƣơng đối bằng nhau cỡ 100 kHz.
3.2. Hiệu ứng từ - điện phụ thuộc từ trƣờng một chiều trên các mẫu có kích thƣớc khác nhau (n =L/W) đo tại tần số cộng hƣởng của các mẫu
Trên hình 3.2 là kết quả đo hệ số từ - điện phụ thuộc vào từ trƣờng một chiều đo trên các mẫu có tỉ số kích thƣớc khác nhau. Tất cả các phép đo đều
đƣợc thực hiện tại tần số cộng hƣởng tƣơng ứng của từng mẫu đã đƣợc nghiên
cứu.
Hình 3.2. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đối với các mẫu hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm và chiều rộng W thay đổi từ 1 đến 15 mm. Từ trường đặt dọc theo chiều dài (L). Phép đo được thực hiện tại tần số
38
Nhìn vào đƣờng cong này ta thấy sự phụ thuộc rất mạnh của hệ số từ -
điện vào kích thƣớc khác nhau trong đó các mẫu có tỉ sốn càng lớn thì độ dốc
của đƣờng cong trong vùng từ trƣờng thấp càng lớn và ngƣợc lại. Thêm vào
đó, giá trị từ trƣờng, tại đó hệ số từ-điện đạt cực đại giảm mạnh với sự tăng
của tỉ số kích thƣớc. Nếu với mẫu có tỉ số n = 1 thì giá trị từ trƣờng này cần thiết là 12 Oe trong khi với tỉ sốn= 15 thì giá trị này giảm xuống 2,5 lần chỉ còn khoảng 5 Oe. Kết quả này đƣợc giải thích là do hệ quả của trƣờng khử từ
hay tính dịhƣớng hình dạng.
Hình 3.3. Hệ số từ - điện tại từ trường 2,5 Oe đo trên các mẫu có tỉ số kích thước khác nhau
Với mục tiêu ứng dụng trong từ trƣờng thấp đặc biệt làm việc trong vùng
từ trƣờng trái đất thì hiệu ứng từ - điện trong vùng từ trƣờng thấp đƣợc quan
tâm hơn cả. Trên hình 3.3 là số liệu hệ số từ - điện đo tại từ trƣờng 2,5 Oe đo