Chương 3. Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ FeNiPVA
3.3.4 Thiết lập hệ thống đo
Dùng hai nam châm vĩnh cửu tạo từ trường ngoài (tín hiệu đo), khoảng cách giữa hai nam châm thay đổi được để thay đổi giá trị cường độ từ trường và được đo bằng thiết bị mẫu LakeShore 425 Gaussmeter. Máy phân tích mạng Protek A333 dùng đề xác định tần số công hường của cảm biến khi thay đổi cường độ từ trường đo, chi tiết được thể hiện trên Hình 3.31 (Thông số kỹ thuật của các thiết bị đo được trình bày ở Phụ lục D).
Hình 3.31. Hệ thống đo của cảm biến SAW-MO: (a) Cảm biến SAW-MO, (b) Nam châm vĩnh cửu, (c) Đầu đo từ trường, (d) LakeShore 425 Gaussmeter và (e) Máy
phân tích mạng Protek A333.
Kết quả đo: Với mẫu cảm biến S1 thì đáp ứng của cảm biến không tương tác với từ trường đo, do PVA là chất phi từ tính. Với mẫu cảm biến S4 thì tín hiệu điện áp ra trên IDT-out không tồn tại, do khối lượng hỗn hợp PVA và FeNi lớn quá làm cho biên độ sóng âm bề mặt khi di chuyển vùng delay-line này bị suy hao hết. Còn với hai mẫu cảm biến S2 và S3 sử dụng hai mẫu lớp nhạy M2 và M3 có khối lượng và tỷ lệ các thành phần phù hợp nên điện áp ra trên IDT-out vẫn còn tồn tại, cụ thể là mẫu M2 nồng độ hạt FeNi chiếm 60.6%, mẫu M2 nồng độ hạt FeNi chiếm 75.5%
tương đồng với kết quả mô phỏng với mô hình ke = 0.75. Kết quả thực nghiệm đo đáp ứng dịch tần số của các mẫu cảm biến SAW-MO được thể hiện trên Hình 3.32.
Hình 3.32. Đáp ứng dịch tần số của các mẫu cảm biến.
Mẫu cảm biến S2 với tỷ lệ thành phần FeNi ít hơn đạt dải đo là từ 0 đến 100 (Oe) và độ nhạy là 41.61 (Hz/Oe). Mẫu cảm biến S3 với tỷ lệ thành phần FeNi nhiều hơn đạt dải đo là từ 0 đến 80 (Oe) và độ nhạy là 208.04 (Hz/Oe). Kết quả này là phù hợp với các nghiên cứu [55, 79, 80, 86], cũng như là tương đồng với kết quả mô phỏng khi ke = 0.75 và được giải thích như sau: Thứ nhất, mẫu cảm biến S3 với tỷ lệ thành phần 75.5% FeNi nhiều hơn nên độ cứng tương đương sẽ lớn hơn mẫu cảm biến S2.
Điều này làm cho mẫu cảm biến S3 có đáp ứng dịch tần số (đáp ứng làm việc) dốc hơn giống như kết quả khi mô phỏng hai mẫu cảm biến FeNi/IDT/LiNbO3 và FeNi/IDT/AlN, hay nói cách khác là mẫu cảm biến S2 có dải đo rộng hơn mẫu cảm biến S3. Bên cạnh đó, mẫu S3 có dải đo nhỏ hơn mẫu S2 là do hệ số khử từ của mẫu S3 lớn hơn mẫu S2. Mặt khác, cũng do mẫu cảm biến S3 có mật độ FeNi nhiều nên khi cùng một giá trị từ trường ngoài tác động lên cảm biến thì do tính từ giảo, mẫu S3 có nhiều đảo (vùng) biến dạng hơn mẫu S2. Vì vậy, cảm biến S3 cho độ nhạy cao hơn cảm biến S2. Mật độ phân bố các đảo FeNi và độ dày trung bình lớp vật liệu nhạy từ được thể hiện trên các Hình 3.33, Hình 3.34 và Hình 3.35.
(a) (b)
Hình 3.33. Mật độ phân bố các đảo FeNi của lớp nhạy từ: (a) mẫu cảm biến S2,
(b) mẫu cảm biến S3.
Hình 3.34. Đô dày trung bình lớp nhạy từ của mẫu cảm biến S2 được đo trên
máy DektakXT.
Hình 3.35. Đô dày trung bình lớp nhạy từ của mẫu cảm biến S3 được đo trên
máy DektakXT.
Ngoài ra để thấy rõ đỉnh cộng hưởng của đáp ứng tần số khi từ trường đo thay đổi. Trên các Hình 3.36 và Hình 3.37 chỉ ra đáp ứng tần số tại hai điểm đầu khi H = 0 (Oe) và cuối (khi H đầy thang đo hay trạng thái bão hòa của cảm biến) của hai mẫu cảm biến S2 và S3 được đo trên máy phân tích mạng Protek A333.
Medium thickness: 190 (nm) Medium thickness: 200 (nm)
79.199 (MHz) 79.203 (MHz)
78.928 (MHz) 78.945 (MHz)
Hình 3.36. Đáp ứng tần số của mẫu cảm biến S2 tại H = 0 (Oe) và H = 100 (Oe).
Hình 3.37. Đáp ứng tần số của mẫu cảm biến S3 tại H = 0 (Oe) và H = 80 (Oe).
So sánh giữa kết quả đo thực nghiệm và kết quả mô phỏng FEM. Ta nhận thấy, hai mẫu cảm biến thực nghiệm S2 (tỷ lệ FeNi chiếm 60.6%) và S3 (tỷ lệ FeNi chiếm 75.5%) tương quan với kết quả mô phỏng khi hệ số ảnh hưởng ke = 0.75 (hay tỷ lệ FeNi chiếm 75%). Cụ thể là, với mẫu mô phỏng có độ dày lớp nhạy là 190 (nm) tương đồng với mẫu S2 cho dải đo rộng hơn mẫu có độ dày lớp nhạy 200 (nm) tương đồng với mẫu S3. Về độ nhạy, mẫu có độ dày lớp nhạy là 200 (nm) đạt độ nhạy cao hơn mẫu có độ dày là 190 (nm). Chi tiết trong Bảng 3.6.
Bảng 3.6. Dải đo và độ nhạy của cảm biến giữa mô phỏng và thực nghiệm.
Độ dày:
h3 (nm)
Mô phỏng với ke = 0.75 Thực nghiệm Dải đo (Oe) Độ nhạy: Sn
(Hz/Oe) Dải đo (Oe) Độ nhạy: Sn
(Hz/Oe)
190 0 đến 120 567 0 đến 100 41.6
200 0 đến 90 673 0 đến 80 208
Tuy nhiên ta nhận thấy, độ nhạy và dải đo trong mô phỏng lớn hơn khi chế tạo thực nghiệm. Điều này là do trong mô phỏng lớp nhạy từ là dạng màng nên tính chất từ giảo tốt và lý tưởng, khi bị tác động bởi từ trường ngoài thì toàn bộ lớp nhạy biến dạng. Trong khi lớp vật liệu nhạy dùng trong chế tạo là dạng hạt nano FeNi kết hợp với PVA khi bị từ trường ngoài tác động thì chỉ tạo ra biến dạng vi mô ở các đảo hạt FeNi và lại chịu tác động bới các yếu tố môi trường nên tính chất từ giảo bị giảm đi.
Về tần số trung tâm của cảm biến: Kết quả mô phỏng FEM, tần số trung tâm khoảng f0 = 85.4 (MHz) Bảng 3.2. Trong khi kết quả thực nghiệm, tần số trung tâm khoảng f0 = 79 (MHz) Hình 3.36, Hình 3.37 (đỉnh đáp ứng tần số khi H = 0 Oe). Lý giải cho sự chênh lệch của tần số trung tâm có hai lý do. Lý do thứ nhất, bộ số (Bảng 3.1) làm đầu vào cho mô phỏng FEM được tham khảo theo [72, 80, 171, 172], nên bộ số này có thể không trùng khớp với loại vật liệu được sử dụng trong thực nghiêm. Lý do thứ hai, tần số trung tâm bị ảnh hưởng bới độ rộng các ngón tay trong các điện cực IDT, mà khi chế tạo thực nghiệm có thể xảy ra sai số.
Trong chế tạo thực nhiệm ta thấy lớp nhạy khi nhỏ phủ lên bề mặt của thiết bị SAW rất khó tạo ra được lớp nhạy bằng phẳng, vì vậy mà khi đo độ dày ta chỉ xác định được độ dày trung bình của lớp nhạy như các Hình 3.34 và Hình 3.35. Để thấy rõ hơn sự tương quan đáp ứng dịch tần số của cảm biến giữa mô phỏng và thực nghiệm, ta thực hiện tính đáp ứng dịch tần trung bình của cảm biến tại độ dày lớp nhạy có độ dày trung bình h3 = 195 (nm) hay tỉ lệ trung bình FeNi khoảng 68.05%
Hình 3.38.
Hình 3.38. Đáp ứng dịch tần số trung bình tại lớp nhạy có độ dày trung bình h3
= 195 (nm).
Kết luận chương 3
Nội dung chương 3 thực hiện được các vấn đề sau:
Luận án đề xuất mô hình mô phỏng tương đương lớp nhạy từ FeNiPVA cho cảm biến có cấu trúc FeNiPVA/IDT/ST-Quartz trên cơ sở đề xuất hệ số ảnh hưởng ke. Hệ số này thể hiện sự ảnh hưởng của tỉ lệ nồng độ hạt nano FeNi và PVA đến độ cứng tương đương của lớp nhạy FeNiPVA. Khảo sát các đáp ứng làm việc tại hai điểm độ dày lớp nhạy là 190 (nm) và 200 (nm) với nhứng giá trị ke khác nhau trên cơ sở mô phỏng FEM. Kết quả làm cớ sở đến so sánh và lựa chọn cấu trúc khi tiến hành chế tạo thực nghiệm cmả biến và ngược lại làm cơ sở đề nhận định xu thế đáp ứng cảu cảm biến khi đo thực nghiệm.
Lán đã thực hiện đề xuất phương an xây dựng mô hình ma trận truyền [ABCD] cho lớp nhạy từ FeNi với độ dày cố định h3 = 200 (nm) để thực hiện mô phỏng cảm biến bằng phương pháp ma trận truyền với thời gian mô phỏng khoảng 105 phút có sự kết hợp với mô phỏng FEM để xác định đặc tính vm-H làm kích thích đầu vào cho mô phỏng TM.
Xây dựng quy trình chế tạo thực nghiệm cảm biến SAW-MO với cấu trúc FeNiPVA/IDT/ST-Quartz. Trong đó, các bộ điện cực IDT được chế tạo bằng phương pháp phún xạ nhôm lên bề mặt đế áp điện, sáu đó thực hiện quang khác và ăn mòn hóa học. Trên mặt phần delay-line của cảm biến được nhỏ phủ một lớp nhạy từ sử dụng hỗn hợp hạt nano FeNi và PVA với độ dày trung bình là 190 (nm) tương ứng mẫu cảm biến S2 có FeNi chiếm 60.6% và 200 (nm) tương ứng mẫu cảm biến S3 có FeNi chiếm 75.5% trên cơ sở kết quả mô hình mô phỏng tương đương khi ke
= 0.75.
Đề xuất hướng nghiên cứu: Trong tương lai, về mô phỏng FEM và chế tạo thực nghiệm sẽ tiếp tục thực hiện tối ứu cấu trúc của cảm biến SAW-MO trên cơ sở tối ưu các hình dáng của lớp nhạy FeNiPVA và tối ứu tỷ lệ thành phần giữa hạt nano FeNi và PVA. Từ đó xác định được đáp ứng làm việc tốt nhất của cảm biến trên cơ sở dải đo, độ nhạy, tính phi tuyến, v.v của cảm biến. Với mô phỏng TM, sẽ tiếp tục nghiên cứu xem xét đến các thông hình dáng lớp nhạy và nồng độ hạt FeNi để đưa vào mô hình mô phỏng cảm biến SAW-MO.
Nội dung Chương 3 được công bố trên bài báo số 4 với nội dung về phương pháp TM, còn bài báo số 5 chuẩn bi gửi trên một tạp chí quốc tế với hai nội dung là mô phỏng FEM và chế tạo thực nghiệm cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz.
4. Đỗ Duy Phú, Nguyễn Văn Tuấn, Lê Văn Vinh, Hoàng Sĩ Hồng (2024), “Mô
phỏng cảm biến sóng âm bề mặt đo từ trường sử dụng mô hình ma trận truyền kết hợp với mô phỏng FEM”, Measurement, Control, and Automation, Đã chấp nhận
đăng bài và hoàn thiện bản thảo với số đăng là Vol. 5 (2) (2024).
5.Đỗ Duy Phú, Nguyễn Văn Tuấn, Lê Văn Vinh, Hoàng Sĩ Hồng, “Two-port SAW-
MO sensor based on FeNi nanoparticles and PVA polymer”, Chuẩn bị gửi bài.
Kết luận và hướng phát triển
Kết luận
Trên cơ sở mục tiêu đề ra của luận án, qua khảo sát về tình hình nhgiên cứu cảm biến từ, luận án đã tìm hiểu các yếu tố tác động đến các đặc tính và đáp ứng của cảm biến, cũng như là đưa ra các thách thức cần giải quyết. Luận án có những đóng góp trong nghiên cứu và chế tạo thực nghiệm cảm biến từ SAW-MO như sau:
Khảo sát sự ảnh hưởng hai loại đế áp điện AlN và LiNbO3 đến độ nhạy của cảm biến, kết quả chỉ ra là với đế áp điện AlN có vận tốc sóng âm bề mặt lớn hơn thì có độ nhạy cao hơn đế áp điện LiNbO3 với vận tốc sóng âm bề mặt nhỏ hơn.
Nghiên cứu thực hiện trên hai cấu trúc cảm biến là FeNi/IDT/LiNbO3 và FeNi/IDT/
AlN.
Trên cơ sở cấu trúc FeNi/IDT/AlN, luận án tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện đến dải đo và độ nhạy của cảm biến. Từ đó xác định được cấu trúc có độ nhạy tốt nhất là 10.287 (kHz/Oe) và tiếp tục cải thiện độ nhạy của cảm biến khi làm việc ở đoạn dải đo thấp từ 0 đến 33.1 (Oe).
Hơn nữa, luận án áp dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD) để tính toán những thông số cơ tính và từ tính của vật liệu nhạy từ làm đầu vào cho mô phỏng FEM, để đánh giá tác động điều kiện môi trường làm việc đến cảm biến, cũng như cải thiện tính phi tuyến và sai số của cảm biến.
Đê xuất mô hình mô phỏng tương đương lớp nhạy FeNiPVA trến cơ sở hệ số ảnh hưởng ke trong mô phỏng FEM, cũng như là đề suất mô hình ma trận truyền [ABCD] cho lớp nhạy FeNi trong mô phỏng TM. Kết quả mô phỏng làm cơ sở so sánh, lựa chọn cấu trúc và đánh giá khi chế tạo thực nghiệm cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz.
Xây dựng quy trình kỹ thuật và chế tạo thực nghiệm cảm biến từ dạng SAW sử dụng lớp nhạy từ FeNiPVA và đế áp điện Quartz. Trong đó đã làm rõ sự ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ hạt nano FeNi và polyme PVA đến độ nhạy. Cảm biến có khoảng đo là 0 đến 80 (Oe) và độ nhạy là 208 (Hz/Oe).
Bên cạnh đó, luận án cũng có những đóng góp liên quan đến ứng dụng và kết hợp các phương pháp FEM, MD và TM trong mô phỏng cảm biến từ, cũng như là sử dụng các phần mềm ANSYS, Fortran và Matlab tương ứng để mô phỏng trong nghiên cứu cảm biến.
Hướng phát triển
Trong thời gian tới, với các kết quả nghiên cứu đạt được của luận án sẽ là cơ sở để tiếp tục được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn những vấn đề sau:
Tiếp tục hoàn thiện tối ứu hóa cấu trúc cảm biến bằng mô phỏng FEM 3D đến độ nhạy của cảm biến SAW-MO.
Tiếp tục áp dụng phương pháp mô phỏng MD để mô phỏng và tính toán các thống số cơ lý và hiệu ứng vật lý của những loại vật liệu từ như FeNi, FeCo, v.v.
Đưa các thống số hình dáng và cơ tính của lớp nhạy FeNi vào trong mô hình mô phỏng bằng phương pháp ma trận truyền TM nói riêng và phương pháp mô hình mạch điện tương đương nói chung.
Hệ đo của cảm biến vẫn chưa chế tạo được mạch đo mà mới chỉ sử dụng máy phân tích mạng (Network analizer). Nên trong hướng nghiên cứu tiếp theo, sẽ thực hiện nghiên cứu chế tạo mạch đo.
Trong thực tế có rất nhiều các vị trí đo không cho phép con người tiếp cận, không có nguồn cấp năng lượng và cần truyền tín hiệu không dây như: vùng không gian quanh đường điện cao áp, kho xăng, bồn chứa khí GAS, v.v. Thì cảm biến SAW hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu trên do có khả năng làm việc thụ động và không dây. Vì vậy, đây cũng là một hướng nghiên cứu hứa hẹn sẽ đem lại nhiều ý nghĩa và lợi ích.
Danh mục các công trình đã công bố của luận án
1.Đỗ Duy Phú, Hoàng Sĩ Hồng, Lê Văn Vinh (2020), “Nghiên cứu cấu trúc, cơ
tính và độ nhạy từ của vật liệu Ni trong cảm biến từ”. Hội nghị Khoa học kỹ thuật
Đo lường toàn quốc lần thứ VII-2020, ISBN 978-604-67-1588-7, 11-2020.
2.Đỗ Duy Phú, Hoàng Sĩ Hồng, Lê Văn Vinh (2022), “Simulating the piezoelectric
substrate influence on the characteristics of surface acoustic wave-magnetostriction sensor based on the FeNi magnetic sensitive material”. VNUHCM Journal of
Engineering and Technology, 5(2), 1426-1436, 6-2022.
DOI: 10.32508/stdjet.v5i2.945
3.Đỗ Duy Phú, Hoàng Sĩ Hồng, Lê Văn Vinh (2024), “The effect of FeNi-AlN layer
thickness on the response of magnetic SAW sensor by FEM simulation”. Bulletin of
Electrical Engineering and Informatics, 13(1), 167-178, 2-2024.
DOI: 10.11591/eei.v13i1.6312 (Scopus Q3)
4. Đỗ Duy Phú, Nguyễn Văn Tuấn, Lê Văn Vinh, Hoàng Sĩ Hồng (2024), “Mô
phỏng cảm biến sóng âm bề mặt đo từ trường sử dụng mô hình ma trận truyền kết hợp với mô phỏng FEM”, Measurement, Control, and Automation, Đã chấp nhận
đăng bài (accepted) và hoàn thiện bản thảo với số đăng là Vol. 5 (2) (2024).
5.Đỗ Duy Phú, Nguyễn Văn Tuấn, Lê Văn Vinh, Hoàng Sĩ Hồng, “Two-port SAW-
MO sensor based on FeNi nanoparticles and PVA polymer”, Chuẩn bị gửi bài.