7. Nội dung của khóa luận
1.7.Một số cảm biến từ dựa trên hiệu ứng vật lí khác
1.7.1. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall
Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng Hall là thiết bị mang tính phổ biến
cao (đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau ví dụ
nhƣ trong các phòng thí nghiệm hiện đại). Cảm biến loại này có dải đo nhiệt
độ hoạt động nằm trong khoảng từ -1000C đến +1000
C và từ trƣờng lớn hơn
1mT. Ngoài ra thiết bị này còn có một ƣu điểm nổi bật nữa đó là có thể xác định đƣợc cả từ trƣờng một chiều và xoay chiều. Cũng giống nhƣ các loại cảm biến từ trƣờng khác, cảm biến loại này còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ: định vị và đo vận tốc dài, xác định góc định hƣớng và đo vận tốc quay.
Cảm biến từ trƣờng này có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall xuất hiện trên các vật liệu bán dẫn (hình 1.18). Hiệu ứng Hall trên vật liệu bán dẫn là hiện tƣợng xuất hiện một điện áp Hall theo phƣơng vuông góc với dòng điện chạy qua vật dẫn dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài.
22
Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn và từ trƣờng ngoài, các điện tích tự do chịu tác dụng của lực Loren theo công thức:
(1.6)
trong đó q, là điện tích và véc tơ vận tốc của hạt tải điện, và là véc tơ
điện trƣờng Hall và từ trƣờng tƣơng ứng.
Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall
Khi đó các hạt tải điện tự do trái dấu sẽ dịch chuyển ngƣợc chiều nhau về phía hai mặt của vật liệu dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. Quá trình này tạo ra một điện trƣờng vuông góc với chiều dòng điện và đƣợc gọi là điện trƣờng Hall . Điện trƣờng này có xu hƣớng ngăn cản chuyển động của các
hạt tải điện để đạt đến trạng thái cân bằng. Lực tĩnh điện do điện trƣờng Hall
cân bằng với lực Lorentz do từ trƣờng ngoài khi ở trạng thái cân bằng. Khi
trạng thái cân bằng đƣợc thiết lập, điện thế Hall VH đƣợc xác định bởi công
thức:
(1.7)
(RH: điện trở Hall, : vec tơ cƣờng độ dòng điện, : vec tơ cƣờng độ từ trƣờng, t:chiều dày của vật liệu)
Công thức này đƣợc sử dụng để xác định từ trƣờng thông qua giá trị điện
23
Hiệu ứng Hall xuất hiện ở cả kim loại và bán dẫn, tuy nhiên vật liệu bán
dẫn thƣờng đƣợc dùng để chế tạo cảm biến từ trƣờng Hall. Nguyên nhân là do bán dẫn có điện trở lớn hơn rất nhiều so với kim loại nên dẫn đến điện thế Hall trên bán dẫn cũng lớn hơn. Giá trị điện thế Hall lớn giúp cho cảm biến từ trƣờng có độ nhạy và độ phân giải tốt hơn. Ngoài ra thì cảm biến này còn có một số ƣu điểm nổi trội khác nhƣ: ít chịu ảnh hƣởng của tác động môi trƣờng (độ ẩm, độ rung, bụi bẩn ...), ổn định theo thời gian. Bên cạnh các ƣu điểm trên, cảm biến này cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ: bị giới hạn theo khoảng cách, tồn tại tín hiệu nền. Ngoài ra cảm biến này có độ nhạy và độ phân giải chƣa đủ lớn phục vụ cho các ứng dụng đòi hỏi xác định từ trƣờng rất nhỏ với độ chính xác cao.
1.7.2. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng từ điện trở
Hiệu ứng từ - điện trở là hiện tƣợng dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài
điện trở của vật liệu thay đổi. Hiệu ứng này đƣợc đặc trƣng bởi công thức:
(1.8)
Hiệu ứng từ - điện trở đƣợc chia thành các loại khác nhau nhƣ: hiệu ứng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
từ - điện trở khổng lồ, hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng, hiệu ứng từ - điện trở
xuyên ngầm ... Về cơ bản thì nguyên lí hoạt động của các cảm biến từ trƣờng
dựa trên hiệu ứng từ - điện trở là xác định sự biến đổi điện trở của vật liệu để
suy ra cƣờng độ từ trƣờng tác dụng. Dựa trên các hiệu ứng từ - điện trở khác
nhau thì các cảm biến có cấu tạo và đặc trƣng riêng biệt tƣơng ứng với hiệu
ứng cụ thể. Mặc dù khác nhau về hiệu ứng và cấu tạo nhƣng các cảm biến từ trƣờng này nói chung có độ nhạy cao (< 0,1 mOe), vùng từ trƣờng làm việc
trong khoảng từ 10-2 Oe đến 10 Oe và đặc biệt phải cần đến từ trƣờng kích
24
Với điều kiện công nghệ Việt Nam, một nhóm nghiên cứu của GS.
Nguyễn Hữu Đức trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã
phát triển thành công cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị
hƣớng (Anisotropic MagnetoResistance - AMR). Nguyên tắc hoạt động của
cảm biến này là dựa trên sự tán xạ của điện tử theo hƣớng mômen từ của vật liệu làm cảm biến. Sự thay đổi điện trở không chỉ phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng mà còn phụ thuộc vào góc định hƣớng giữa véc tơ từ độ và vec tơ
dòng điện chạy qua cảm biến. Hiệu ứngtừ - điện trở dị hƣớng có thể đƣợc mô
tả nhƣ trong hình 1.19.
Hình 1.19. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng
Vật liệu sắt từ (thông thƣờng có dạng là các màng mỏng) có dị hƣớng từ
đơn trục (trục dễ) - Ox đƣợc tạo ra nhờ dị hƣớng hình dạng hoặc nhờ quá
trình phún xạ trong từ trƣờng HBias (Hx). Khi có từ trƣờng ngoài hƣớng dọc
theo trục Oy(Hy), các mômen từ của vật liệu sẽ có xu hƣớng quay một góc θ
với trục Ox. Góc quay θ đƣợc xác định bởi công thức:
(1.9)
Công thức (1.9) chỉ đúng ứng với trƣờng hợp màng mỏng sắt từ đƣợc coi
là lý tƣởng (là màng mỏng có sự từ hóa tự phát thay đổi bởi sự quay đồng bộ).
25
năng lƣợng. Sự biến đổi của điện trở vào góc quay θ đƣợc xác định thông qua
công thức:
(1.10)
Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng có ƣu điểm
là: độ nhạy cao, vùng nhiệt độ làm việc rộng (bao gồm cả nhiệt độ phòng), độ ổn định tín hiệu tốt (cao hơn so với cảm biến từ trƣờng Hall), có thể làm việc với từ trƣờng xoay chiều có tần số lên đến 10 MHz. Tuy nhiên cảm biến loại này vẫn còn một nhƣợc điểm đó là công nghệ chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao và khó có thể chế tạo đại trà với số lƣợng lớn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mặc dù cảm biến từ trƣờng AMR đã đƣợc nghiên cứu và phát triển ứng
dụng, tuy nhiên hiệu ứng từ - điện trở chƣa cao (< 6 ) vẫn là một cản trở
không dễ khắc phục. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant
MagnetoResistance - GMR) cho thấy đây là một giải pháp khắc phục tốt (
MR(%) = 101 – 102 ). Nhờ có hiệu ứng lớn nên cảm biến từ trƣờng GMR cho tín hiệu lối ra lớn hơn và đặc biệt là có công suất tiêu thụ thấp, kích thƣớc nhỏ và giá thành rẻ hơn. Vật liệu GMR có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu từ (màng mỏng từ NiFe) xen giữa là các lớp vật liệu không từ (thông thƣờng là màng mỏng Cu).
Hình 1.20. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ: khi không có từ trường ngoài (a) vàcó từ trường ngoài (b)
26
Khi không có từtrƣờng ngoài, mômen từ của 2 lớp sắt từ liền kề có định
hƣớng phản song song với nhau. Ở trạng thái này, các điện tử bị tán xạ nhiều
khi đi qua các lớp vật liệu và do đó điện trở lớn nên tín hiệu điện ở mạch
ngoài là nhỏ (hình 1.20a). Khi có từ trƣờng ngoài tác dụng, mômen từ của 2
lớp sắt từ liền kề có xu hƣớng định hƣớng lại song song với nhau và định hƣớng theo phƣơng của từtrƣờng (hình 1.20b).
Ở trạng thái này, các điện tử ít bịtán xạ khi đi qua các lớp vật liệu và do
đó điện trở giảm mạnh dẫn đến tín hiệu điện ở mạch ngoài là tăng đáng kể.
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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