nano
Cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng với
Hình 5.1: Ảnh chụp vật liệu tổ hợp tw-dién dạng màng mong (a), cuộn solenoid
(b) và cảm biên 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 day solenoid được chế tạo từ dây đồng (Cu) đường kính 80 um bọc cách điện quấn quanh ống nhựa có
đường kính 4 mm và chiều dài 23 mm với mật độ dài là 2.105 vòng/m.
112
Vật liệu tổ hợp từ-điện sau khi được chế tạo bằng phương pháp kết dính cơ học màng mỏng Terfecohan trên dé thủy tinh (đã được ủ nhiệt tai 350°C) với tắm áp điện PZT APCC — 855 thì được gan điện cực va đưa vao trong long cuộn day solenoid. Cuộn day solenoid có tác dụng tao 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 tan 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 ap lối ra trên vật liệu. Ưu điểm nỗi trội của bộ khuếch đại này là quá trình xác định điện áp lối ra được chon 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 thé cung cấp từ trường lên đến 10 kOe.
*(2): Cảm biến từ trường đã được chế tạo (hình 5. 1).
*(3): Dau 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.
Đề 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 bé 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 tri f=
81,9 kHz (là tan số cộng hưởng của vật liệu), hiệu điện thế nguồn nuôi là 5V (giá trị lớn nhất mà lock-in có thé cung cấp).
113
Hình 5.2: Ảnh chụp hệ đo thực nghiệm thông số làm việc của dau do 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 uV/Oe.
Các kết quả thu được của khảo sát trên cho phép rút ra kết luận: cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tô hợp từ-điện dạng màng mỏng có khả năng xác định
cường độ từ trường với độ nhạy k = 0,49 uV/Oe va dai do (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 băng 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,
114
dai do của cảm biên đã được chê tao lại được mở rộng hơn so với cảm biên tương
tự.
500
V„„(uV) 250
-250
-500
-1000 -500 0 500 1000 H (Oe)
Hình 5.3:Sự phụ thuộc cua tín hiệu lối ra của cảm biến vào cường độ từ trường một chiều
Ngoài khả năng xác định cường độ từ trường một chiều, cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tô hợp từ-điện dạng mang mỏng còn cho thấy khả năng xác định góc định hướng của từ trường một chiều so với trục của cảm biến. Thực nghiệm khảo sát cảm biến từ trường về khả năng đo góc định hướng của từ trường được thực hiện với hệ đo như hình 5.2. Từ trường một chiều được đặt giá trị có định Hac = 2500 Oe (đây là giá trị từ trường cho tín hiệu lối ra trên cảm biến là lớn nhất). Cuộn solenoid được nuôi bằng nguồn xoay chiều có tần số ƒ = 81,9 kHz (tần số cộng hưởng của vật liệu tổ hợp từ-điện) và hiệu điện thế 5V (giá
trị lớn nhất mà lock-in có thể cung cấp). Cảm biến được được đặt trên một giá
quay có thé quay quanh trục thắng đứng và kim hiển thị góc quay. Góc ban đầu (ứ = 0) được quy ước là vị trớ trục cảm biến vuụng gúc với từ trường một chiều.
Kết quả thực nghiệm được thé hiện trên hình 5.4.
Nhìn vào đồ thị thấy rằng quy luật biến đổi của tín hiệu lối ra tuần hoàn theo chu kỳ 2z (360°). Không những vậy, quy luật biến đổi của tín hiệu lối ra còn
115
tuân theo định luật hàm sine với độ chính xác cao. Sử dụng các giá trị thu được
từ thực nghiệm, luận án tiễn hành fit số liệu theo ham sine và thu được ham fit có
dang: AVouw = 0,71.sin(0) (mV).
Tổng hợp các kết quả khảo sát khả năng làm việc của cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng với lớp từ giảo Terfecohan có
câu trúc nano cho thây:
i) Cảm biến có khả năng xác định độ lớn cường độ từ trường một chiều
với độ nhạy k = 0,49 uV/Oe.
ii) Dai làm việc của cảm biến năm trong khoảng từ -1 kOe đến 1 kOe.
iii) Cảm biến còn có khả năng xác định góc định hướng của từ trường một
chiêu so với trục của cảm biên.
800
0 90 180 270 360
ọ (do)
Hình 5.4: Sự phụ thuộc của tín hiệu lôi ra của cảm biên vào góc định hướng giữa cam biến với tu trưòng một chiêu