CẢM BIẾN TỪ

Kỹ thuật dùng từ trường là loại vừa có đặc tính tuổi thọ của linh kiện cao, vừa có tính chống chịu môi trường nhiễm bẩn cực tốt do nguyên lý đo là không tiếp xúc với đối tượng. Cảm biến tiệm cận từ tường nói chung dựa vào một nam châm vĩnh cửu để phát hiện ra sự có mặt hay không có mặt của vật thể. Nam châm được dùng để tạo từ trường và được đo bởi một IC cảm biến từ có đặc tính nhạy với từ trường. Thông thường, nam châm được gắn với đối tượng cần đo hoặc cần phát hiện. Tùy theo khoảng cách giữa đối tượng và IC xa hay gần mà từ trường tác động lên IC

cảm biến sẽ thay đổi, dẫn đến tín hiệu ngõ ra của IC hay đổi tỉ lệ tương ứng với sự di chuyển của đối tượng.

Cảm biến Hall là một loại cảm biến từ bán dẫn dùng hiệu ứng từ Hall để phát hiện ra từ trường. Hiệu ứng Hall xảy ra khi một vật dẫn điện được đặt vào trong từ trường. Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn điện được đặt vào trong từ trường. Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn, trên hai bề mặt của vật sẽ xuất hiện một điện áp. Độ lớn điện áp này tỉ lệ tuyến tính với cường độ từ trường đặt lên vật dẫn. Vật liệu bán dẫn của cảm biesn Hall có thể là hợp chất GaAs (Gallium Arsenide), InSb (Indium Antimonide), InAs (Indium Arsenide) … nhưng thông dụng nhất là loại GaAs do đặc tính chính xác và ổn định nhiệt độ cao.

Bị giới hạn nhiều hơn so với cảm biến điện trở từ do phải phụ thuộc vào loại nam châm. Cảm biến điện trở từ dùng hiệu ứng từ-điện trở (magnetoresistance effect) để phát hiện ra từ trường. Do vậy, khi có dòng điện chạy qua vật kim loại này đặt trong từ trường, điện áp trên vật sẽ thay đổi và sự thay đổi điện áp này cũng tỉ lệ với độ lớn và chiều của từ trường.

Tuổi thọ rất cao, ứng dụng dùng để đo vị trí, dịch chuyển hoặc dùng để đo từ trường và không dùng cho các đối tượng đứng yên.

2.6.1 Cảm biến Hall

Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến Hall dựa trên tác động tương hổ giữa dòng điện và từ trường, còn gọi là hiệu ứng Hall. Thành phần cấu tạo chính của cảm biến Hall là một miếng hình vuông nhỏ được làm bằng vật liệu bán dẫn thường là hợp chất GaAs (Galium Arsenide) hoặc InSb (Indium Antimonide).

Khi cảm biến được đặt trong từ trường B và cho dòng điện Ic (một chiều) chạy qua phần tử bán dẫn, từ trường sẽ tương tác với dòng điện sinh ra lực Lorentz trên vật liệu bán dẫn làm leehcj hướng di chuyển của các hạt điện tích (âm, dương) về hai cạnh bên ngược phía nhau của tấm bán dẫn như hình 2.35. Sự tích tụ các hạt điện tích bằng nhâu và trái dấu về hai cạnh bên mép sẽ tạo ra một điện áp giữa hai cạnh bên được gọi là điện áp Hall, dòng điện Ic được gọi là dòng điều khiển và phải được cung cấp một cách thật ổn định.

Phương thức điều khiển hoạt động của cảm biến Hall có thể chia làm hai loại: dòng ổn định và áp ổn định. Đối với cảm biến Hall vật liệu GaAs, khi sử dụng phương thức dòng ổn định, đặc tính ổn định theo nhiệt độ của cảm biến cực kỳ tốt (độ biến đổi của điện áp Hall chỉ khoảng 0,06%0C), trong khi dùng phương thức áp ổn định nhiệt độ không tốt bằng (0,03%0C).

Loại cảm biến Hall trình bày như ở hình 2.35 thuộc loại phương thức điều khiển bằng dòng ổn định. Điện áp Hall VH trong trường hợp điều khiển dòng ổn định sẽ tỉ lệ với tích số của dòng điều khiển Ic [mA] và mật độ từ thông B [kGauss, kG] theo biểu thức”

VH = kH.IC.B (2.75)

Trong công thức trên, kH là hệ số Hall, hay còn được gọi là độ nhạy của cảm biến Hall, và B là mật độ từ thông có đơn vị là kGauss (kG) với quan hệ giữa kGauss và Tesla là 1T=10kG (từ trường trái đất khoảng 0,5Gauss=5x10-5T).

Mạch đo từ trường

Hình 2.36 trình bày một mạch khuếch đại dùng cho cảm biến Hall THS119 loại GaAs của hãng Toshiba với phần mạch phía trước là mạch ổn định dòng dùng Opamp, phần mạch phía sau là mạch khuếch đại đo lường (instrumentation

amplifier). Mạch dạng này có thể được dùng làm thiết bị đo từ trường

(Gaussmeter) hoặc đo vị trí nếu nam châm được gắn với đối tượng chuyển động cần đo.

Ở mạch ổn định dòng, OP1 đóng vai trò bộ đệm áp nên V0=Vin, do đó dòng điện điều khiển I0 của cảm biến Hall được tính:

I0 =

Với mạch hình 2.36 thì Vin =5V được tạo thành từ diode (Zener), R0=1kΩ, do đó dòng điện I0 = 5/1000 = 5mA sẽ là dòng ổn định điều khiển cảm biến Hall. Điện trở nội của cảm biến Hall cũng khá lớn, do vậy trong phương thức điều khiển bằng dòng ổn định thì điện áp nguồn phải cao (thường là 12V).

Transistor 2SC1815 được sử dụng để ổn định để ổn định theo nhiệt độ vì điện áp VBE của transistor được dùng làm điện áp phản hồi âm nên những ảnh hưởng của nhiệt độ lên transistor làm VBE thay đổi sẽ bị triệt tiêu. Do vật phần mạch ổn định dòng sẽ có tính ổn định cao với nhiệt độ.

Khi cho nam châm vĩnh cửu tiến sát tới bề mặt của cảm biến Hall, ở hai chân ngõ ra của cảm biến sẽ xuất hiện điện áp Hall VH. Điện áp này sẽ được mạch khuếch đại đo lường khuếch đại thành điện áp ra Vout. Phía ngõ ra của mạch có diode Zener ổn định điện áp 5V nên điện áp ra Vout không thể vượt quá 5V, hay là nói cách khác với hệ số khuếch đại áp của mạch khuếch đại đo lường là:

A0 =

thì giới hạn điện áp Hall VH để cảm biến có thể phát hiện được từ trường là: VH = =

Như vậy có thể nói với mạch như hinhf2.36, khi nam châm tiến gần đến cảm biến quá mức giới hạn (điện áp ngõ ra VH > 15mV) thì điện áp ra của mạch đạt bão hòa 5V không thay đổi. Điện áp ngõ ra Vout có thể được đo bằng đồng hồ VOM hoặc kết nối với vi xử lý để hiển thị kết quả đo ra màn hình LCD.

Mạch chỉ thị cực tính nam châm

Hình 2.37 trình bày một dạng mạch kiểm tra cực tính N, S của nam châm vĩnh cửu dùng cảm biến Hall HW-300A loại InSb của hãng Asahi Kasei

Microdevices (Nhật Bản). Đây là một đặc tính ưu việt của cảm biến Hall mà cảm biến điện trở từ (MR) không có. Cực tính của nam châm sẽ được chỉ thị tương ứng bằng LED xanh hoặc đỏ. Mạch này không sử dụng tầng khuếch đại nên độ nhạy sẽ không cao. Do vậy trong trường hợp cần độ nhạy lớn hơn, tín hiệu ngõ ra của cảm biến Hall sẽ được khuếch đại theo yêu cầu trước khi được đưa đến điều khiển các transistor 2SC1815.

Mạch đo tốc độ từ trường quay

Hình 2.38 trình bày một dạng mạch cảm biến Hall (HW-101A-4T, hãng Asahi Kasei Microdevices, loại InSb) theo phương thức dòng ổn định được dùng để kiểm tra số vòng quay của nam châm đa cực chuyển động dạng quay tròn. Hai transistor TR1, TR2 loại PNP mắc theo kiểu khuếch đại vi sai. Cực B của hai

transistor này được nối với ngõ ra của cảm biến Hall. Vì thế, khi điện áp cực B của mỗi transistor này lần lượt lớn, nhỏ ứng với các cực N, S tiến gần cảm biến thì transistor tương ứng sẽ dẫn-ngưng và lặp lại liên tục khi nam châm quay.

Tín hiệu ngõ ra của cực C của TR2 được dùng để điều khiển transistor TR3. Hoạt động của TR3 lặplại y nguyên sự dẫn, ngưng của TR2 nên ngõ ra của mạch Vout sẽ có dạng xung vuông ứng với mỗi cặp cực N, S của nam châm chuyển động quay ngang qua mặt cảm biến. Điện áp này nếu đưa vào mạch vi xử lý hoặc PLC để đếm số xung thì mạch này có thể được ứng dụng để đo tốc độ quay của từ trường nam châm.

Mạch điều khiển áp ổn định

Hình 2.39 trình bày một mạch điều khiển cảm biến Hall THS121 (loại GaAs của hãng Toshiba) dùng phương thức áp ổn định. Thông thường, điện trở trong của cảm biến Hall cũng khá lớn nên trong phương thức điều khiển bằng dòng ổn định thì điện áp nguồn thường phải lớn (khoảng 12V), trong khi nếu dùng phương thức áp ổn định thì điện áp nguồn thấp chỉ khoảng 6V.

Một đặc điểm nữa của mạch này là đối với cảm biến loại GaAs, đặc tính theo nhiệt độ của phương thức áp ổn định sẽ không tốt bằng phương thức dòng ổn định (so sánh độ biến đổi điện áp) Hall giữa hai phương thức là 0,3%/0C so với

0,06%/0C).

Lưu ý

Trong các trường hợp dùng cảm biến Hall như trình bày ở trên, phương của từ trường B được giả sử vuông góc với cả bề mặt cảm biến và dòng điện IC. Nếu từ trường B hợp với bề mặt cảm biến một góc ᶿ (theo phương dòng điện) thì điện áp Hall khi đó sẽ tỉ lện với cosᶿ.

VH = kH.IC.B.cosᶿ

2.6.2 Cảm biến điện trở từ

Cảm biến điện trở từ, Magnetoresistance (MR), là một loại điện trở hiệu ứng từ trường tức là điện trở của nó có tính chất thay đổi theo độ lớn hoặc hướng của từ

trường. Vật liệu làm cảm biến điện trở từ có thể là bán dẫn như InSb (Indium Antimonide), hoặc sắt từ (kim loại từ tính mạnh) như hợp kim Nickel-sắt (Ni-Fe), Cobalt-Nickel (Co-Ni) …

Để cảm biesn tác động thì điện trở từ loại bán dẫn phải được đặt sao cho từ trường vuông góc mặt tác động của cảm biến, trong khi loại kim loại thì phương của từ trường có thể hợp với bề mặt tác động của cảm biến một góc ᶿ, hay nói cách khác là loại cảm biến điện trở từ bán dẫn thì điện trở thay đổi theo độ lớn từ

trường, còn ở kim loại thì điện trở thay đổi chủ yếu theo phương tác động của từ trường.

Ngoài ra, loại điện trở từ bán dẫn có độ biến đổi điện trở rất lớn (có thể tối đa gấp 10 lần giá trị điện trở ban đầu), trong khi loại điện trở từ kim loại có độ biến đổi điện trở chỉ vài phần trăm.

Cảm biến điện trở từ bán dẫn

Trong phần tử điện trở từ bằng vật liệu bán dẫn, khi không có từ trường, điện tử (dòng điện) di chuyển thẳng xuyên qua phần tử. Tuy nhiên, khi có từ trường đặt lên phần tử, lực Lorentz làm lệch đường di chuyển của điện tử dài hơn. Mô tả chi tiết hơn về hiện tượng này trong phần tử cảm biến được trình bày trong hình 2.40.

Các điện cực tạo thành điện trường E (vector) và tác động một lực điện trường Fe = qE lên điện tử (có điện tích q) làm điện tử di chuyển thẳng theo hướng điện trường như hình 2.40a. Khi có từ trường ngoài, lực từ trường Fm = qvB (v là vận tốc điện tử) tác động lên điện tử theo phương vuông góc với hướng di chuyển của điện tử. Vì vậy, tổng lực tác động lên điện tử là lực điện từ Lorentz F = qE + qvB làm điện tử di chuyển lệch hướng so với khi không có từ trường một góc α như hình 2.40b,c. Kết quả là điện từ phải di chuyển quãng đường dài hơn, hay nói một cách khác là điện từ di chuyển từ bản cực này đến bản cực kia khó khăn hơn, có nghĩa là điện trở của phần tử cảm biến sẽ tăng lên khi có từ trường.

Hiệu ứng điện từ trong phần tử cảm biến như trên liên quan chặt chẽ đến sự di chuyển của điện tử thông qua một thông số gọi là độ di chuyển của điện tử

(mobility) µ, được định nghĩa là: µ = v/E

Theo hình 2.40c, ta có: Tan α = vB/E = µB

có nghĩa là độ di chuyển của điện tử µ liên quan mật thiết đến góc α tức là liên quan mật thiết đến điện trở của phần tử cảm biến. Chính vì lý do này mà vật liệu bán dẫn InSb thường được chọn cho loại cảm biến điện trở từ bán dẫn vì vật liệu InSb có µ lớn hơn nhiều so GaAs (xem so sánh trong bảng 2.4)

Giá trị điện trở của phần tử điện trở từ thường rất nhỏ nên để có được cảm biến có giá trị trong khoảng vài trăm Ω đến vài kΩ thì người ta phải nối tiếp nhiều phần tử lại với nhau như cấu tạo ở hình 2.41a. Hình 2.41b biểu diễn mối quan hệ giữa sự biến đổi điện trở với từ trường với R0 là điện trở ban đầu khi chưa có từ trường. Từ hình này ta thấy, điện trở sẽ biến đổi phi tuyến trong phạm vi từ trường <800Gauss và gần như tuyến tính trong phạm vi >800Gauss.

Từ đặc tính ở hình 2.41b, ta có nhận xét là cảm biến Hall và cảm biến điện trở từ nếu cùng được làm bằng vật liệu InSb thì đều có hiệu ứng từ-điện trở, tuy nhiên ở cảm biến Hall phần từ điện trở từ được thiết kế có hình dạng d/r>1 nghĩa là điện trở gần như không đổi khi được đặt trong từ trường, nên đối với những ứng dụng thông thường của cảm biến Hall thì sự thay đổi điện trở không ảnh hưởng đáng kể.

Cũng từ hình 2.41b, ta thấy rằng ttrong phạm vi từ trường nhỏ thì độ thay đổi điện trở nhỏ tức là độ nhạy nhỏ. Do vậy để tăng độ nhạy cũng như độ tuyến tính, cảm biến trong thực tế được chế tạo có một nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường dịch (Bbias) và trên nam châm này người ta đặt cảm biến điện trở từ như hình 2.42. Từ trường dịch này không cần lớn vì nếu lớn quá sẽ làm tăng kích thước và giá thành của cảm biến nên giá trị thông thường khoảng 500gauss ~ vài kGauss.

Một số dạng mạch cơ bản dùng cảm biến điện trở từ bán dẫn như hình 2.43. Như đã trình bày ở phần cảm biến Hall, vật liệu InSb nói chung có đặc tính ổn định với nhiệt độ kém, vì vật hình 2.43a trình bày mạch sử dụng một cảm biến sẽ có tính ổn định theo nhiệt độ kém hơn mạch hình 2.43b sử dụng hai cảm biến.

Một dạng mạch khác để kiểm tra, phát hiện từ trường được trình bày ở hình 2.44. Mạch sử dụng hai cảm biến MR của hãng Siemens FP17L200E, một cảm biến dùng để phát hiện từ trường, cảm biến kia (lắp đặt cách ly với từ trường) được dùng để bù trừ ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. Biến trở VR 500Ω được dùng để điều chỉnh sự mất cân bằng giữa MRA và MRB (hay còn được gọi là chỉnh 0 ban đầu). Khi có từ trường tác động vào MRA, điện trở của nó thay đổi làm mạch cầu mất cân bằng, dẫn đến xuất hiện điện áp Vab. Điện áp này đucợ khuếch đại bởi Opamp và xuất đến ngõ ra Vout.

Cảm biến điện trở từ kim loại

Vật liêu của cảm biến điện trở từ kim loại (ferromagnetic magnetoresistance) chủ yếu là sắt từ ví dụ như hợp kim Nickel-Sắt, Nickel-Cobalt hoặc Cobalt-Sắt… Về bản chất, hiệu ứng từ-điện trở trong kim loại khác hẳn với hiệu ứng trong loại điện trở từ bán dẫn.

Trong một nguyên tử, điện tử có 2 loại chuyển động : theo quỹ đạo xung quanh hạt nhân và tự quay quanh chính nó. Mà chúng ta đã biết, điện tử chuyển động là tạo thành dòng điện, và dòng điện thì sinh ra từ trường. Như vật, bản thân một điện từ sẽ tạo ra 2 từ trường : từ trường quỹ đạo và từ trường quay (spim). Tổng hợp 2 từ trường này của điện tử được đặc trưng bởi một vector gọi là momen từ. Momen từ của một điện tử là một đại lượng vector từ trường có chiều và độ lớn đặc trưng cho khuynh hướng thẳng hàng với từ trường ngoài. Trong vật liệu sắt từ, từ trường quỹ đạo và từ trường quay của điện tử tăng cường cho nhau nên momen từ của chúng cực lớn, đông thời rất dễ bị ảnh hưởng theo từ trường ngoài hơn vật liệu kim loại thông thường. Khi không có từ trường, momen từ của các điện tử trong sắt từ hướng theo nhiều chiều khác nhau nên dòng điện tử tự do (dòng điện) khi chạy qua vật liệu sẽ bị tán xạ mạnh, tức là dòng điện khó chạy qua vật liệu hơn dẫn đến điện trở vật liệu lớn. Khi vật liệu sắt từ được đặt trong từ trường, các momen từ của điện tử sẽ hướng cùng chiều nhau và theo cùng chiều từ trường ngoài làm giảm sự tán xạ của các điện tử tự do, do đó dòng điện tử dự do dễ dàng