Kết quả đo thực nghiệm khảo sát hệ số thế từ-điện

4.3.3.b Mô hình dao động hai chiều

4.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ kích thước dài/rộng

4.7.1. Kết quả đo thực nghiệm khảo sát hệ số thế từ-điện

Theo các kết quả nghiên cứu đã được trình bày trong phần 4.1.2, khi tỷ lệ

kích thước r = L/W càng tăng thì tính chất từ mềm và tính chất từ giảo mềm dọc

theo phương chiều dài càng được tăng cường. Các kết quả nghiên cứu này đưa ra

gợi ý rằng tỷ lệ kích thước r = L/W càng tăng thì hệ số thế từ-điện trong vùng từ

trường thấp càng tăng. Và để minh chứng cho điều này, luận án tiến hành nghiên cứu tính chất từ-điện của hệ các vật liệu có tỷ lệ kích thước khác nhau (có cùng

chiều dài L = 15 mm, chiều rộng thay đổi từ W = 15 mm đến 1 mm).

Hình 4.29 trình bày kết quả khảo sát hiệu ứng từ-điện đo trên hai mẫu khác nhau dọc theo phương “dễ” và phương “khó” gây ra bởi dị hướng hình dạng. Trong đó, phương ưu tiên dọc theo chiều dài mẫu. Mẫu có dị hướng hình dạng càng lớn khi tỷ phần chiều dài rất lớn so với chiều rộng. Theo kết quả trên,

tỷ lệ r cho giá trị hiệu ứng từ-điện cực đại vào khoảng r = 3, nhưng để có độ nhạy

Hình 4.29: Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào từ trường một chiều đo dọc theo phương dễ (chiều dài) và phương khó (chiều rộng) của các mẫu với tỷ phần

kích thước khác nhau. Mẫu có L >> W nhạy từ trường thấp khi đo dọc theo phương dễ

Hình 4.30: Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào từ trường một chiều đo dọc theo phương dễ (chiều dài) của các mẫu với tỷ phần kích thước khác nhau r = 1,

5 và 15

Hình 4.31: Hệ số thế từ-điện αE cực đại và tại từ trường H = 2 Oe của các mẫu có tỷ số L/W khác nhau

Điều này càng thấy rõ từ số liệu minh họa trên hình 4.30. Mẫu có kích

thước 15x1 mm2 biểu hiện hệ số thế từ-điện αE ở vùng từ trường trái đất là tối ưu

nhất. Trong khi αE cực đại hầu như không đổi (và có giá trị khoảng 150

V/cm.Oe) thì giá trị αE ở từ trường H = 2 Oe tăng mạnh theo tỷ số r (hình 4.31).

Đối với mẫu có giá trị r = L/W = 15 thì hệ số thế từ-điện đo tại từ trường H = 2

Oe là αE = 60 V/cm.Oe.

Hiện tượng hệ số thế từ-điện cực đại không phụ thuộc vào tỷ số r được

giải thích thông qua sự cạnh tranh nhau của hai nguyên nhân ảnh hưởng đến hệ

làm cho băng từ càng mềm theo phương chiều dài. Nguyên nhân này dẫn đến

việc tăng hệ số thế từ-điện theo tỷ số r. Thứ hai là khi tăng r thì tỷ số chu vi/diện

tích tăng theo dẫn đến đóng góp của biên tăng lên và do đó làm giảm hệ số thế từ-điện (hiệu ứng shear lag). Do sự cạnh tranh của hai xu hướng và không có xu

hướng nào chiếm ưu thế nên hệ số thế từ-điện không thay đổi theo tỷ số r (trong

vùng khảo sát).

Hiện tượng hệ số thế từ-điện ở vùng từ trường thấp (H = 2 Oe) tăng theo

tỷ số r (hay độ dốc của đường cong ở vùng từ trường thấp tăng theo tỷ số r) được

giải thích là do dị hướng hình dạng của băng từ tăng lên khi tỷ số r tăng lên. Do

đó trường khử từ theo phương chiều dài mẫu giảm khi tăng tỷ số r. Cộng thêm

nguyên nhân hệ số thế từ-điện cực đại tương đương nhau dẫn đến độ dốc của

đường cong từ-điện trong vùng từ trường thấp tăng dần theo tỷ số r.

Khảo sát sự phụ thuộc điện áp lối ra của vật liệu từ-điện đáp ứng theo sự thay đổi góc định hướng của từ trường một chiều (bias) và xoay chiều (kích thích). Kết quả thu được như mong đợi về sự thay đổi của điện áp từ-điện một cách tuần hoàn theo chu kỳ π hoặc 2π tùy thuộc vào cấu hình đo. Kết quả được chỉ ra trên hình 4.32 (a,b) cho chu kỳ tuần hoàn 2π nếu chỉ có từ trường một chiều hoặc xoay chiều thay đổi hướng tạo với mặt phẳng mẫu các góc khác nhau. Với cấu hình đo này, từ trường còn lại được cố định nằm trong mặt phẳng mẫu. Chu kỳ tuần hoàn π thu được khi cả hai từ trường được giữ song song với nhau và cùng thay đổi định hướng để tạo các góc thay đổi khác nhau với mặt phẳng mẫu (hình 4.32c).

Nhờ sự thay đổi có quy luật này, định hướng tiếp theo cho các nghiên cứu thiết kế cảm biến đo góc là tích hợp nhiều vật liệu có dị hướng đơn trục bố trí theo các phương trực giao với nhau.

Hình 4.32: Sự phụ thuộc của hiệu ứng từ-điện vào góc tạo bởi phương chiều dài của mẫu (trục dễ) với phương định hướng của từ trường một chiều (a), xoay

chiều (b) và đồng thời cả hai từ trường (c)

Qua các khảo sát trên đây, cấu hình vật liệu tối ưu cho hiệu ứng từ-điện được xác định là cấu hình vật liệu tổ hợp dạng xen kẽ (sandwich) với các lớp từ

4.7.2. Lý thuyết trường khử từ giải thích qui luật phụ thuộc kích thước

Từ trường nội tại trong lòng vật liệu được xác định theo biểu thức:

ℎ0𝑖𝑛𝑡 = ℎ0− 𝑁. 𝑚 = ℎ0− 𝑁. 𝜒𝑀. ℎ0𝑖𝑛𝑡

→ ℎ0 = ℎ0𝑖𝑛𝑡. (1 + 𝑁. 𝜒𝑀)

(4.17)

Thay biểu thức (4.22) vào công thức (2.13) thu được:

𝛼𝐸(𝑁) = 𝑉𝑀𝐸 𝑡. ℎ0 = 𝑉𝑀𝐸 𝑡. ℎ0𝑖𝑛𝑡. (1 + 𝑁. 𝜒𝑀)= 𝛼𝐸(0) (1 + 𝑁. 𝜒𝑀) (4.18) Do đó ta có: 𝛼𝐸(𝑁) 𝛼𝐸(0) = 1 1 + 𝜒𝑀. 𝑁 (4.19)

Trong đó αE(N) và αE(0) là hệ số thế từ-điện ứng với trường hợp có tính

đến hệ số trường khử từ và không tính đến hệ số trường khử từ.

Từ biểu thức trên có thể nhận xét rằng: hệ số thế từ-điện phụ thuộc vào độ cảm từ và hệ số trường khử từ. Điều này có nghĩa là để đạt được hệ số thế từ-điện cao thì vật liệu tổ hợp từ-điện ngoài việc phải được chế tạo từ vật liệu từ giảo có độ cảm từ giảo cao còn phải có hình dạng thích hợp để có hệ số trường khử từ càng cao càng tốt.

Để xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm về hiện tượng từ hóa, luận án đã sử dụng các phép đo trên thiết bị từ kế mẫu rung (VSM). Các mẫu được sử dụng

cho phép đo là các mẫu Metglas hình hộp chữ nhật có chiều dầy T = 18 μm,

chiều dài L = 15 mm và chiều rộng W thay đổi từ 0.1 đến 15 mm (có thể coi L ≥

W≫T).

Sự khác biệt này có thể được giải thích là do các mẫu có hệ số trường khử

từ N khác nhau. Điều này được khẳng định nhờ đồ thị sự phụ thuộc của độ cảm

từ theo từ trường với các mẫu khác nhau. Độ cảm từ đạt giá trị lớn nhất χ0 =

29.217 đối với mẫu dài nhất (r = 140) (hình 4.5). Tuy nhiên, giá trị này được

Các phép đo thực nghiệm từ-điện được thực hiện tập trung trên các mẫu

có tỷ số r = 1, 2, 3, 5, 7.5 và 15. Hệ số trường khử từ N trong các thực nghiệm

này được tính toán theo công thức:

𝑁 = 1

𝜒0−

1

𝜒𝑀

(4.20)

Có thể thấy rằng giá trị 1 𝜒⁄ 𝑀 thì nhỏ hơn 1 𝜒⁄ 0 ít nhất là hai bậc độ lớn,

do đó có thể bỏ qua thành phần 1 𝜒⁄ 𝑀 trong tính toán mà không làm thay đổi kết

quả. Kết quả thực nghiệm và lý thuyết của sự phụ thuộc của hệ số trường khử từ

N và hệ số thế từ-điện αE vào giá trị r được thể hiện trong hình 4.33. Bên cạnh

đó, hệ số trường khử từ N cũng có thể được tính toán trực tiếp từ kích thước mẫu

(chiều dài L, chiều rộng W và chiều dầy T) thông qua phần mềm hỗ trợ [106].

Kết quả tính toán được thể hiện trong hình 4.33.

So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm cho thấy, giá

trị hệ số trường khử từ theo lý thuyết (NTheory) thì lớn hơn giá trị hệ số trường khử

từ thu được từ thực nghiệm (NExp) với cùng một kích thước mẫu. Tuy nhiên sự

mô phỏng về sự thay đổi của hệ số thế từ-điện tỷ đối theo hệ số trường khử từ

NExp cho thấy sự tương đồng tốt hơn so với sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện

tỷ đối theo hệ số trường khử từ NTheory. Kết quả cho thấy các lý thuyết gần

đúng về hệ số trường khử từ N của các mẫu dạng màng mỏng vẫn cần bổ xung

thêm các giả thiết khoa học thích hợp hơn. Bên cạnh đó, hệ số trường khử từ

N đã được lưu ý là có sự khác biệt khá lớn giữa các mẫu khối với các mẫu có

dạng màng mỏng.

Sử dụng giá trị hệ số trường khử từ NExp thu được từ công thức 𝑁 =

1 𝜒⁄ 0− 1 𝜒⁄ 𝑀 và NTheory [106], sự phụ thuộc của hệ số thế từ-điện tỷ đối vào r tại

các giá trị từ trường một chiều 1, 2, 5, 10 Oe được thể hiện tương ứng trong hình

4.33. Kết quả cho thấy hệ số thế từ-điện tỷ đối thu được từ giá trị NExp có sự biến

đổi lớn hơn so với khi sử dụng giá trị của NTheory. Cụ thể là hệ số thế từ-điện tỷ

Oe và với giá trị NExp, trong khi sự thay đổi tương ứng khi sử dụng NTheory chỉ là 1,3 lần.

Hình 4.33: Sự phụ thuộc của Nexp (a) và Ntheory (d), tỷ số hệ số thế từ-điện thực nghiệm (b,e) và từ lý thuyết (c,f) theo r

Để thấy được sự đúng đắn của công thức 𝑁 = 1 𝜒⁄ 0− 1 𝜒⁄ 𝑀 so với lý

thuyết [106], giá trị hệ số thế từ-điện của các mẫu vật liệu tổ hợp từ-điện có kích

thước 15x15, 15x3 và 15x1 mm (r = 1, 5 và 15) được đo tại từ trường một chiều

1, 2, 5 và 10 Oe (hình 4.33). Kết quả cho thấy khi tăng giá trị r từ 1 đến 15 thì hệ

số thế từ-điện tỷ đối tăng 4,4 lần, 3,4 lần và 1,2 lần tương ứng với khi đo tại các giá trị từ trường một chiều là 1 Oe, 2 Oe và 10 Oe. Sự biến đổi của hệ số thế từ- điện tỷ đối này là tương đối phù hợp so với các kết quả thu được khi tính toàn

theo giá trị NTheory. Tuy nhiên, kết quả thu được từ việc phân tích tĩnh từ và từ

thực nghiệm đã chỉ ra rằng hình dạng của Metglas đóng một vai trò quan trọng trong việc làm tăng mật độ từ thông bên trong vật liệu tổ hợp từ-điện. Kết quả thực nghiệm và lý thuyết đều cho thấy đối với vật liệu tổ hợp từ-điện có kích thước 15x1 mm thì cho độ nhạy đối với từ trường thấp lớn nhất. Điều này có được là do cấu hình này đã tối ưu hóa tất cả các yếu tố ảnh hưởng.

Kết luận này thêm một lần nữa khẳng định việc sử dụng cấu hình vật liệu tổ hợp từ-điện có kích thước 15x1 mm cho việc chế tạo cảm biến từ trường trái đất là tối ưu.

4.8. Kết luận chương 4

Các nghiên cứu trên hệ vật liệu tổ hợp từ-điện dạng tấm Metglas/PZT thu được một số kết quả sau:

- Cấu hình sandwich là cấu hình tối ưu

- Số lớp băng từ tối ưu là 2 (mỗi bên có một lớp băng từ) - Kích thước tối ưu có giá trị trong khoảng từ 10 đến 20 cm - Hình dạng tối ưu là hình chữ nhật kích thước 15x1 mm

- Thông số làm việc tối ưu (tần số từ trường xoay chiều) ứng với các vật liệu có hình dạng và kích thước khác nhau

Bên cạnh đó, các lý thuyết về phương trình truyền sóng 1 chiều và 2 chiều, hiệu ứng shear lag, trường khử từ đã được vận dụng để mô phỏng và giải thích các kết quả thực nghiệm.

Chương 5 ỨNG DỤNG

Các nghiên cứu về vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng với lớp từ giảo có cấu trúc nano (chương 3) và vật liệu tổ hợp từ-điện dạng tấm với lớp từ giảo có cấu trúc vô định hình (chương 4) đã tạo tiền đề cho các nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường yếu với độ nhạy và độ phân giải cao.

Trong chương này, luận án tập trung nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường dựa trên các vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng và dạng tấm, khảo sát khả năng đo cường độ từ trường, góc định hướng của từ trường và đánh giá độ nhạy và độ phân giải của các cảm biến chế tạo được.

5.1. Cảm biến từ trường dựa trên màng mỏng Terfecohan có cấu trúc nano nano

Cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng với lớp từ giảo Terfecohan có cấu trúc nano đã được chế tạo (hình 5.1).

Hình 5.1: Ảnh chụp vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng (a), cuộn solenoid (b) và cảm biến từ trường (c)

Cảm biến bao gồm vật liệu tổ hợp từ-điện kích thước 17x1 mm được đặt trong lòng cuộn dây solenoid. Cuộn dây solenoid có tác dụng tạo ra từ trường xoay chiều kích thích lên vật liệu tổ hợp từ-điện. Cuộn dây solenoid được chế tạo từ dây đồng (Cu) đường kính 80 μm bọc cách điện quấn quanh ống nhựa có

Vật liệu tổ hợp từ-điện sau khi được chế tạo bằng phương pháp kết dính

cơ học màng mỏng Terfecohan trên đế thủy tinh (đã được ủ nhiệt tại 3500C) với

tấm áp điện PZT APCC – 855 thì được gắn điện cực và đưa vào trong lòng cuộn dây solenoid. Cuộn dây solenoid có tác dụng tạo ra từ trường xoay chiều kích thích và được nuôi bởi bộ khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier). Bộ khuếch đại này cho phép cung cấp điện áp xoay chiều lên đến 5 V và tần số lớn nhất là 250 kHz. Bộ khuếch đại này không chỉ cung cấp nguồn nuôi cuộn solenoid mà còn được sử dụng để xác định điện áp lối ra trên vật liệu. Ưu điểm nổi trội của bộ khuếch đại này là quá trình xác định điện áp lối ra được chọn lọc tần số tương ứng với tần số cấp cho nguồn nuôi cuộn solenoid. Nhờ đó mà thiết bị này có khả năng lọc các tín hiệu nhiễu rất tốt. Từ trường một chiều (DC) trong các phép đo này được cung cấp bởi một nam châm điện có thể cung cấp từ trường lên đến 10 kOe.

Các thông số hoạt động của cảm biến được khảo sát bao gồm tần số và điện áp của nguồn nuôi cuộn solenoid tương ứng với giá trị hệ số thế từ-điện lớn nhất. Các thực nghiệm xác định thông số hoạt động của cảm biến được thực hiện trên hệ đo như trên hình 5.2. Trong đó:

*(1): Nam châm điện một chiều có thể cung cấp từ trường lên đến 10 kOe. *(2): Cảm biến từ trường đã được chế tạo (hình 5.1).

*(3): Đầu đo từ trường Hall thương phẩm.

*(4): Bộ khuếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier). *(5): Đường cấp nguồn nuôi cuộn solenoid của cảm biến. *(6): Đường thu tín hiệu lối ra của cảm biến.

Để khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của cảm biến vào cường độ từ trường một chiều, luận án đã tiến hành bố trí hệ đo như hình 5.2. Trong đó cảm

biến được đặt dọc theo chiều từ trường một chiều, tần số nguồn nuôi có giá trị f =

81,9 kHz (là tần số cộng hưởng của vật liệu), hiệu điện thế nguồn nuôi là 5V (giá trị lớn nhất mà lock-in có thể cung cấp).

Hình 5.2: Ảnh chụp hệ đo thực nghiệm thông số làm việc của đầu đo cảm biến

Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong hình 5.3. Từ đồ thị thấy rằng sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào cường độ từ trường một chiều có độ tuyến tính cao trong vùng từ trường từ -1 kOe đến 1 kOe. Độ nhạy của cảm biến được suy

ra từ đồ thị cho giá trị k = 0,49 μV/Oe.

Các kết quả thu được của khảo sát trên cho phép rút ra kết luận: cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng có khả năng xác định

cường độ từ trường với độ nhạy k = 0,49 μV/Oe và dải đo (vùng làm việc) của

cảm biến nằm trong vùng từ trường từ -1 kOe đến 1 kOe.

Cảm biến này có độ nhạy không lớn bằng độ nhạy của cảm biến tương tự đã được nghiên cứu chế tạo [78]. Nguyên nhân được xác định là do sự khác nhau về điều kiện công nghệ chế tạo và độ dầy của lớp từ giảo Terfecohan. Tuy nhiên,