Chương 2. Lựa chọn cấu trúc và mô phỏng cải thiện độ nhạy cho cảm biến từ SAW-MO
2.4.2. Ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến
Quan sát kỹ đáp ứng làm việc của cảm biến trên các Hình 2.25 và Hình 2.27, ta nhận thấy đáp ứng có tính phi tuyến. Đoạn từ trường từ 0 đến khoảng 35 (Oe), độ dốc của đáp ứng thấp hơn đoạn còn lại, hay độ nhạy của đoạn này không cao. Vì vậy luận án tiếp tục mong muốn cải thiện độ nhạy của cảm biến tại dải từ trường rất thấp này. Để thực hiện điều này, trước tiên luận án tiến hành mô phỏng sự ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến giới hạn tần số trung tâm của cảm biến, quá trình mô phỏng thực hiện giảm dần độ dày h1 của đế áp điện trong khi giữ nguyên độ dày lớp nhạy h3 = h3tu với H = 0 (Oe). Kết quả cho thấy khi độ dày đế áp điện giảm xuống thì tần số trung tâm có xu hướng tăng lến và được thể hiện trên các Hình 2.31 và Hình 2.32. Và quá trình mô phỏng được thể hiện trên Hình 2.33.
Hình 2.31. Đáp ứng tần số trung tâm khi thay đổi độ dày đế áp điện (h1) tại h3tu.
Hình 2.32. Đặc tính tần số của cảm biến khi giảm h1 tại h3tu.
Bắt đầu
h1 35 (nm)?
đúng
sai
Vẽ quan hệ giữa độ dày h1 với tần số cộng hưởng (h1-f). Và xác định điểm độ dày nhỏ nhất h1min
Giảm độ dày (h1) đế áp điện.
Đọc kết quả (điện áp) trên IDT-out rồi phân tích FFT để xác định tần số cộng hưởng tại điểm h1 tương ứng.
Đặt thời gian tính toán, chu ký lấy mẫu và đặt xung điện áp lên IDT-in. Thực hiện quá trình mô phỏng và chờ tính toán xong.
Đặt nút điện áp trên IDT-in và IDT-out, khái báo hàm xung điện áp.
Chia lưới cho các lớp vật liệu và đổi lớp vật liệu 2 và 3.
Xây dựng cấu trúc cảm biến Hình 2.2 trên phần mềm với kích thước Bảng 2.5 và gắn (glue) các lớp với nhau.
Nhập các bộ số liệu đầu vào cho các lớp vật liệu và tác động tín hiệu đo cường độ từ trường (H) vào cảm biến thông qua module Young (E) trên cơ sở hiệu ứng delta-E của lớp nhạy từ FeNi.
Khai báo lớp vật liệu 1 (PLANE224: đế áp điện), Khai báo lớp vật liệu 2 (PLANE42: các bộ IDT), Khai báo lớp vật liệu 3 (PLANE42: lớp nhạy từ FeNi).
Kết thúc Kết quả mô phỏng này là phù hợp với cơ sở lý thuyết và các công bố [113, 114,
154], tức là khi độ dày đế áp điện giảm xuống thì vận tốc sóng âm bề mặt sẽ tăng và tiến dần đến vận tốc sóng cắt. Gọi độ dày tới hạn của đế áp điện là h1min mà tại đó đặc tính tần số của cảm biến không xác định được tần số trung tâm.
Hình 2.33. Qua trình mô phỏng ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến tần số trung tâm.
Đặt cường độ từ trường H = 0; bước sóng = 40 (nm),
h1 = 400 (nm) và h3 = h3tu (nm)
Tuy nhiên, khi giảm độ dày đế áp điện xuống quá khoảng dưới một bước sóng .
Cụ thể trên Hình 2.32, đặc tính tần tại h1 = 35 (m) không còn tồn tại đỉnh cộng hưởng (dẫn đến không xác định được tần số trung tâm) như các đặc tính tần của các điểm có độ dày lớn hơn. Điều này được giải thích như sau, theo [114], khi đặt điện áp lên IDT-in thì vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng (do hiệu ứng áp điện ngược) từ bề mặt đến khoảng sâu một bước sóng . Như vậy, nếu độ dày của đế áp điện lớn hơn khoảng một bước sóng thì vùng biến dạng trên đế áp điện được bảo toàn. Nếu độ dày đế áp điện nhỏ hơn khoảng một bước sóng thì vùng biến dạng trên đế áp điện không được bảo toàn. Điều này làm cho sóng âm bề mặt khi hình thành bị cắt mất phần đỉnh phía dưới dẫn đến đặc tính tần cũng không còn được bảo toàn. Do đó, căn cứ vào kết quả mô phỏng ta xác định được giá trị độ dày của đế áp điện h1min = 35 (m) mà tại đó đặc tính tần không xác định được tần số trung tâm. Khảo sát này của luận án có ý nghĩa cho biết độ dày tối thiệu đế áp điện khi lựa chọn cấu trúc cho cảm biến.
Như vậy, để đảm bảo đặc tính tần của cảm biến được bảo toàn ta phải giảm bước sóng xuống = 30 (m), điều này dẫn đến tần số trung tâm của cảm biến tăng lên.
Và kết quả mô phỏng tần số trung tâm của cảm biến lúc này là f0 = 218.46517 (MHz) Hình 2.34.
Hinh 2.34. Tần số trung tâm của cảm biến với h1=35 (m) và =30 (m) tại h3tu.
Tiếp theo, luận án tiến hành mô phỏng đáp ứng làm việc của cảm biến với cấu trúc tại các điểm tối ưu h3tu, h1min và = 30 (m). Quá trính mô phỏng được mô tả trên Hình 2.35. Cũng như kết quả mô phỏng đáp ứng làm việc được thể hiện trên Hình
2.36 đường màu đen chấm vuông.
Bắt đầu Đặt cường độ từ trường H = 0, bước sóng = 30 (nm), h1 = h1min và h3 = h3tu
Trạng thái bão hòa?
đúng Tăng cường độ từ trường (H) Đọc kết quả (điện áp) trên IDT-out rồi phần tích FFT để xác định tần số cộng hưởng tại điểm H vừa mô phỏng.
Thực hiện quá trình mô phỏng và trờ tính toán xong.
Đặt thời gian tính toán, chu ký lấy mẫu và đặt xung điện áp lên IDT-in.
Đặt nút điện áp trên IDT-in và IDT-out, khái báo hàm xung điện áp.
Thực hiện chia lưới cho các lớp vật liệu và đổi lớp vật liệu 2 và 3.
Xây dựng cấu trúc cảm biến Hình 2.2 trên phần mềm với kích thước Bảng 2.5 và gắn (glue) các lớp với nhau.
Nhập các bộ số liệu đầu vào cho các lớp vật liệu và tác động tín hiệu đo cường độ từ trường (H) vào cảm biến thông qua module Young (E) trên cơ sở hiệu ứng delta- E của lớp nhạy từ FeNi.
Khái báo lớp vật liệu 1 (PLANE224: đế áp điện), Khái báo lớp vật liệu 2 (PLANE42: các bộ IDT), Khái báo lớp vật liệu 3 (PLANE42: lớp nhạy từ FeNi).
Kết thúc
Hình 2.35. Quá trình mô phỏng đáp ứng làm việc của cảm biến tại các điểm tối ưu.
Vẽ đáp ứng làm việc của cảm biến tại: bước sóng =
30 (nm), h1 = h1min và h3 = h3tu
Để thấy rõ được sự cải thiện về độ nhạy của cảm biến trong đoạn cường độ từ trường từ 0 (Oe) đến khoảng 35 (Oe). Hình 2.36 thể hiện các đáp ứng làm việc và độ nhạy được xác định như sau:
Hình 2.36. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3tu = 1060 (nm), = 35 (m).
Với cấu trúc của cảm biến có các thống số: h1 = 35 (m), = 30 (m) và h3 = 1060 (nm). Kết quả mô phỏng chi ra tần số trung tâm f0 = 218.46517 (MHz), dải làm việc đạt từ 0 đến 33.1 (Oe) với độ dịch tần số đạt 248.21 (kHz). Trong khi đó với cấu trúc của cảm biến có các thống số: h1 = 400 (m), = 40 (m) và h3 = 1060 (nm) khi xét đoạn dải đo từ 0 đến 33.1 (Oe); chỉ cho độ dịch tần số là 118.79 (kHz). Điều này chứng tỏ lại một lần nữa rằng khi tần số trung tâm tăng lên thì độ nhạy của cảm biến tăng lên 2.09 lần, kết quả được thể hiện cụ thể trong Bảng 2.12.
Bảng 2.12. Độ nhạy (Sn) và độ dịch tần số (f) của cảm biến với hai nhóm thông số cấu trúc. Khi dải làm việc từ 0 đến 33.1 (Oe).
TT Thông số cấu trúc
f (kHz) Sn (kHz/
h1(m) m) h3(nm) Oe)
1 400 40 1060 118.79 3.589
2 35 30 1060 248.21 7.499
Nhận xết về phương pháp mô phỏng FEM, ngoài các đặc điểm đã được trình bày ở phần 1.5.1 ta thấy các tính chất vật lý, cơ tính và từ tính của các lớp vật liệu cần phải được khai báo trước khi xây dựng cấu trúc và tính toán mô phỏng. Các tính chất này được thể hiện thông qua các bộ thống số ở Bảng 2.2, chúng được tham khảo từ các nghiên cứu trước và được đo thực nghiệm bằng các hệ thống đo phức tạp do điều kiện thực hiện luận án không cho phép. Mặt khác, qua tìm hiểu về phương pháp mô phỏng động lực học phân tử, phương pháp có thể dùng công cụ tính toán số (mô phỏng số) để xây dựng mẫu các mô hình vật liệu với số lượng các nguyên tử không
lớn (khoảng 10 000 nguyên từ) tính toán các tính chất vật lý vĩ mô mà không cần phải xây dựng một mẫu vật liệu với số lượng lớn các nguyên tử (bằng số Avogadro). Điều này thực hiện được là do trong qua trình mô phỏng có sử dụng thuật toán điều kiện biên tuần hoàn. Chính vì vậy, luận án áp dụng phương pháp này để tính toán một số tính chất cơ tính và từ tính của lớp vật liệu nhạy từ trong cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt, nội dụng này được thực hiện ở phân tiếp theo trong luận án.