Như đã trình bày trong phần về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận, đối với vật liệu tổ hợp dạng tấm gồm hai lớp, khi có mặt từ trường ngoài không đổi (HDC) chỉ có lớp có từ giảo (sắt từ) bị biến dạng còn lớp áp điện (sắt điện) thì không chịu ảnh hưởng bởi từ trường này. Do có sự liên kết cơ học giữa hai lớp nên biến dạng trên vật liệu tổ hợp sẽ được quan sát là biến dạng uốn cong (xem hình 1.15) và ứng suất được sinh ra cũng là một ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh) (σDC). Sự có mặt của ứng suất này sẽ làm xuất hiện trên 2 mặt đối diện của tấm áp điện lượng điện tích cảm ứng không đổi (QDC). Lúc này tấm áp điện đóng vai trò như một tụ điện với lượng điện tích không được duy trì mãi mà sẽ bị suy giảm rất nhanh sau một hằng số thời gian (τ) do xảy ra hiện tượng phóng điện khi kết nối với các thiết bị đo đạc. Để duy trì được lượng điện tích này, trong đo đạc thực nghiệm, một từ trường xoay chiều (hac) kích thích được sử dụng để tạo ra các ứng suất dạng dao động (σac) tác dụng lên pha áp điện. Sự có mặt của ứng suất này sẽ tạo ra điện lượng biến thiên (qac) trên tấm áp điện và việc đo đạc có thể dễ dàng được thực hiện thông qua việc đo điện áp xoay chiều lối ra trên tấm vật liệu áp điện [17].
Hình 1.15: Mô tả nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận
1.4.3. Sensor đo từ trƣờng dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT
Các nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp các băng từ siêu mềm metglas có pha tạp Ni với thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Metglas pha Ni) với pha sắt điện là gốm áp điện dạng tấm Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) có hệ số điện-cơ lớn có thể cho hiệu ứng từ-điện lớn 22000 mV/cmOe trong từ trường rất nhỏ (~5 Oe) [17]. Hiệu ứng thu được này có thể so sánh được với các kết quả tốt nhất hiện nay được công bố trên thế giới trên các vật liệu tổ hợp dạng này. Chính vì vậy, trong luận văn này, chúng tôi tiếp tục các nghiên cứu trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT triển khai cho ứng dụng chế tạo sensor đo được từ trường
nhạy và độ phân giải cao đáp ứng yêu cầu ứng dụng đo từ trường trái đất có thể so sánh được với các cảm biến thương phẩm đang được sử dụng hiện nay.
Chƣơng 2
PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT
Dựa trên các kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Công Nghệ về hiệu ứng từ-điện của vật liệu tổ hợp Metglas/PZT. Trong luận văn này, chúng tôi lựa chọn băng từ Metglas và PZT có kích thước 151 mm. Với mẫu có kích thước này, tính chất từ và từ giảo mềm của băng từ được tăng cường do ảnh hưởng của dị hướng hình dạng, sự tăng cường này sẽ kéo theo sự tăng cường của hệ số từ-điện trong vùng từ trường thấp. Chúng tôi mong đợi sensor được chế tạo có độ nhạy cao có khả năng đo được từ trường trái đất.
Vật liệu multiferroics tổ hợp sử dụng trong luận văn được chế tạo bằng phương pháp kết dính với cấu hình gồm hai tấm băng từ Metglas 2650SC được gắn trên hai mặt của tấm áp điện dày 0,5 mm hình chữ nhật 151 mm. Mẫu sau khi chế tạo được gắn điện cực lên hai mặt của tấm áp điện đã được phân cực theo phương vuông góc với mặt phẳng tấm. Chiều dày các lớp, độ đồng nhất của lớp kết dính được quan sát sử dụng phương pháp chụp ảnh SEM tại PTN Micro-Nano, Trường ĐHCN. Kết quả được đưa ra trên hình 2.2. Từ phép đo thực nghiệm, độ dày lớp keo dính được xác định vào khoảng 7 µm, lớp băng từ Metglas dày 18 µm.
Hình 2.1: Hình minh họa cấu hình (a) và ảnh chụp SEM (b,c) vật liệu tổ hợp Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết dính
2.2. Chế tạo sensor 1D, 2D và 3D
Từ trường xoay chiều kích thích được tạo ra bằng cách sử dụng cuộn dây solenoid làm bằng Cu được cuốn xung quanh ống plastic có chiều dài 17 mm và có đường kính ngoài 1.8 mm. Dây Cu được sử dụng có đường kính 80 μm bọc cách điện.
Mật độ vòng dây được xác định từ thực nghiệm là 10.5 vòng/mm (hình 2.2). Sensor 1D được tạo ra bằng cách đưa vật liệu tổ hợp Metglas/PZT sau khi được chế tạo hoàn chỉnh vào bên trong lõi của cuộn dây tạo từ trường. Sau khi được chế tạo, sensor 1D được gắn điện cực và đóng vỏ sử dụng vật liệu Mika không từ tính. Trên hình 2.2 là ảnh chụp sensor 1D sau khi được chế tạo và đóng gói hoàn thiện.
Hình 2.2: Ảnh chụp SEM cuộn dây solenoid (a), ảnh chụp vật liệu tổ hợp và sensor 1D được đóng gói hoàn thiện (b)
Sensor 2D và 3D được chế tạo bằng cách là tổ hợp của 2 và 3 sensor đơn được bố trí trực giao hay nhiều sensor đơn được bố trí trực giao với nhau. Các sensor này sau khi chế tạo cũng được đóng vỏ sử dụng vật liệu Mika. Trên Quy trình chế tạo sensor đo từ trường và các ảnh chụp vật liệu tổ hợp, sensor sau khi hoàn thiện được đưa ra trên hình 2.3 và hình 2.4 tương ứng cho sensor 2D và 3D.
Hình 2.3 : Ảnh chụp vật liệu và sensor 2D tổ hợp 2 sensor đơn trực giao sau khi chế tạo và đóng gói hoàn thiện
Hình 2.4: Ảnh chụp sensor 3D tổ hợp 3 sensor đơn trực giao tạo thành một tam diện được chế tạo và đóng gói hoàn thiện
2.3. Khảo sát các thông số làm việc của sensor
Cường độ từ trường xoay chiều và tần số cộng hưởng của sensor là hai thông số quan trọng của sensor. Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số dao động cơ học riêng của vật liệu bằng tần số kích thích của từ trường xoay chiều. Ở đây, để tạo ra từ trường xoay chiều hac = h sin(2ft), chúng tôi sử dụng bộ khếch đại lock-in (7265 DSP Lock- in Amplifier) đóng vai trò như một nguồn nuôi xoay chiều cấp dòng cho cuộn dây solenoid của sensor. Tần số nguồn cho phép nằm trong dải từ 0 đến 250 kHz và điện áp nguồn nuôi trong dải từ 0 đến 5V. Bộ khuếch đại lock-in này đồng thời đóng vai trò làm thiết bị đo điện áp lối ra từ tấm áp điện của sensor cho phép đo chọn lọc tần số tương ứng với tần số kích thích cuộn dây. Biên độ của hac được tính toán có thể thay đổi từ h = 0 đến 2 Oe.
Thông số hoạt động của sensor được khảo sát thông qua phép đo tín hiệu lối ra từ sensor phụ thuộc và tần số và biên độ của nguồn nuôi lock-in. Số liệu đo bao gồm tín hiệu lối ra của lock-in và các tín hiệu kích thích bao gồm biên độ và tần số được ghi tự động nhờ ghép nối máy tính sử dụng chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Delphi. Trên hình 2.5 là sơ đồ bố trí hệ đo khảo sát các thông số làm việc của sensor. Giá trị tần số cộng hưởng và cường độ từ trường xoay chiều kích thích được lựa chọn khi tín hiệu điện áp lối ra thu được từ sensor cho giá trị lớn nhất.
Hình 2.5: Minh họa sơ đồ hệ đo tần số cộng hưởng của sensor
2.4. Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng
Quy luật thay đổi của điện áp lối ra của sensor vào từ trường một chiều được khảo sát dựa trên nguyên lý đo hiệu ứng từ-điện. Hình 2.6 là sơ đồ minh họa hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cường độ từ trường. Như đã trình bày trong phần 1.4.2 về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận, thế áp điện VME là thế hiệu xoay chiều sinh ra do cảm ứng bởi từ trường xoay chiều hac = hο.sin(2πft) kích thích đặt trong từ trường một chiều HDC. Trong phép đo này, để tạo từ trường một chiều DC, chúng tôi sử dụng một cuộn Helmholtz (Lake Shore Model MH-2.5 Helmholtz). Cường độ từ trường tạo ra bởi cuộn dây này có hệ số chuyển đổi là kH
được cung cấp bởi hãng Lake Shore. Cuộn dây Helmholtz được nuôi bởi nguồn dòng keiley 2400 – LV. Số liệu đo sự phụ thuộc của điện áp lối ra sensor vào cường độ từ trường do cuộn Helmholtz tạo ra được ghi tự động bằng máy tính. Trên hình 2.6 là sơ đồ bố trí hệ đo.
Ở đây, cường độ từ trường được xác định thông qua cường dòng điện được xác định theo công thức:
HDC = kHI (2.1)
trong đó, kH= 29,97 Gauss/Ampere là hệ số chuyển đổi được cung cấp bởi hãng của cuộn dây Helmholtz. Với cường độ dòng điện cực đại lên tới 1,05 A và Độ chính xác của dòng cấp là 1 μA cho cường độ từ trường cực đại là 31.4685 Gauss với độ ổn định của từ trường là 30 μG.
Mục đích của phép đo này cho ta khảo sát vùng làm việc của sensor, độ nhạy và độ phân giải của sensor và xác định hệ số chuẩn hóa của sensor khi sử dụng để đo từ trường trái đất.
Hình 2.6: Minh họa sơ đồ hệ đo từ - điện
2.5. Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào góc định hƣớng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để khảo sát khả năng sử dụng sensor đo góc định hướng của từ trường trong luận văn này, chúng tôi chế tạo hệ thống mâm quay trong không gian 3 chiều đơn giản kết hợp hai mặt phẳng quay cho phép quay đồng thời trong hai mặt phẳng nằm ngang và vuông góc. Trên hình 2.7 là ảnh chụp hệ thống mâm quay kết hợp được chế tạo bằng vật liệu Mika không từ có vạch chia góc trong cả hai mặt phẳng với góc quay thay đổi từ 0 đến 360° với độ chia nhỏ nhất 0.25°.
Trong phép đo này, chúng tôi đưa ra khái niệm góc phƣơng vị là góc tạo bởi trục sensor với phương bắc từ của từ trường trái đất theo chiều kim đồng hồ khi cho sensor quay trong mặt phẳng nằm ngang (mặt phẳng vuông góc với vector trọng trường). Góc phương vị không ( = 0o) được xác định tại vị trí khi sensor nằm trong mặt phẳng nằm ngang và song song với phương Bắc từ của từ trường trái đất.
Để xác định góc từ khuynh (hay gọi là góc nghiêng) của từ trường trái đất được thực hiện khi cho sensor được quay trong mặt phẳng thẳng đứng giao cắt với mặt phẳng nằm ngang tại giao tuyến nằm dọc theo trục Bắc-Nam (tại góc phương vị = 0°).
Hình 2.7: Ảnh chụp hệ mâm quay được sử dụng cho thí nghiệm khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào góc định hướng của từ trường trái đất
2.6. Một số phép đo khảo sát tính chất của băng từ Metglas
Ngoài các phương pháp thực nghiệm bao gồm chế tạo và đo đạc khảo sát tính chất, đặc trưng của sensor được trình bày ở trên, trong luận văn này, một số các phép đo khác được thực hiện để nghiên cứu tính chất từ, điện và tính chất bề mặt của vật liệu cũng đã được thực hiện bao gồm:
- Đo đường cong từ hóa và độ cảm từ của các băng từ Meglas sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung. Phép đo này được thực hiện trên hệ VSM LakeShore 7404 (Lakeshore, USA) đặt tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Micro và Nano, Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN với dải từ trường khảo sát nằm trong khoảng 300 Oe. Phép đo được thực hiện theo ba phương song song với chiều dài, chiều rộng của mẫu và vuông góc với mặt phẳng mẫu. Thông qua các kết quả đo này, chúng tôi đánh giá được tính chất từ mềm và xác định trục từ hóa dễ của băng từ để từ đó tối ưu kích thước và cấu hình vật liệu triển khai cho việc chế tạo sensor đo từ trường trái đất.
- Nghiên cứu bề mặt của mẫu, đo chiều dày của băng từ và của lớp kết dính, đánh giá độ đồng nhất lớp kết dính, trong luận văn này, chúng tôi sử dụng máy đo SEM S-3400N của hãng Hitachi tại Phòng thí nghiệm Micro-nano, Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Phép đo được thực hiện tại nhiệt độ phòng
với độ phân giải của thiết bị: 3.0 nm (tại 30 kV, chân không cao), 10 nm (tại 3 kV, chân không cao), 4.0 nm (tại 30 kV, chân không thấp) và dải làm việc của điện áp nằm trong khoảng từ 0,1 kV đến 30 kV.
Chƣơng 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tính chất từ của băng từ Metglas
Tính chất từ của băng từ Metglas đã được nghiên cứu thông qua phép đo đường cong từ hóa. Các nghiên cứu này một phần đã được thực hiện trong luận văn của thạc sĩ Nguyễn Xuân Toàn (2011) [17]. Trong các nghiên cứu của mình, để lựa chọn cấu hình tối ưu cho các nghiên cứu triển khai ứng dụng chế tạo sensor, ở đây, chúng tôi đã tiến hành đo đạc trên các mẫu băng từ có cùng chiều dài L = 15 mm và chiều rộng thay đổi từ W = 0.1 đến 15 mm. Phép đo được tiến hành với từ trường ngoài nằm trong mặt phẳng màng và song song với phương chiều dài của mẫu. Trên hình 3.1 biểu diễn đường cong từ hóa (hình 3.1a) và độ cảm từ (hình 3.1b) được đo trên các mẫu băng từ có tỉ số kích thước r = L/W khác nhau.
Hình 3.1: Đường cong từ hóa (a) và độ cảm từ (dM/dH) (b) được đo trên các mẫu băng từ có tỉ số kích thước r = L/W khác nhau. Ở đây các mẫu có chiều dài không đổi
Nhìn vào đường cong này ta thấy rất rõ tính chất từ mềm tăng mạnh với sự tăng lên của tỉ số L/W. Điều này có thể được lý giải là do dị hướng hình dạng có xu hướng chiếm ưu thế dọc theo chiều dài mẫu khi mẫu có sự khác nhau giữa chiều dài và chiều rộng càng lớn. Tất cả các mẫu băng từ này đều cho độ cảm từ rất mạnh ở từ trường xung quanh 0 Oe. Đây chính là thế mạnh của băng từ dạng này khi khai thác ứng dụng với dải đo vùng từ trường trái đất (< 1 Oe).
Trên hình 3.2 là đường cong từ hóa đo trên băng từ Metglas có kích thước 15×1 mm theo ba phương khác nhau: nằm trong mặt phẳng băng, song song và vuông góc với chiều dài mẫu và vuông góc với mặt phẳng băng từ. Kết quả cho thấy có sự khác biệt rõ ràng khi từ hóa theo các phương này. Nếu như khi đo theo phương song song chiều dài băng từ, từ trường cần để bão hòa mẫu là Hs = 40 Oe, thì khi đo theo phương
vuông góc với chiều dài băng từ và vuông góc với mặt phẳng băng từ thì với từ trường rất lớn cỡ 1000 Oe ta vẫn chưa quan sát thấy hiện tượng bão hòa. Kết quả này cho thấy nhờ khai thác dị hướng hình dạng bằng cách chế tạo mẫu dạng thanh dài 15×1 mm, ta có thể tạo ra được dị hướng đơn trục theo chiều dài băng. Điều này rất quan trọng trong ứng dụng chế tạo sensor đo hướng của từ trường.
Hình 3.2: Đường cong từ trễ của băng từ có kích thước 15×1 mm đo theo ba phương: song song và vuông góc với chiều dài băng từ và vuông góc với mặt phẳng băng từ.
Để dễ dàng cho việc chế tạo sensor và vẫn đảm bảo được có khả năng làm việc trong vùng từ trường trái đất và có dị hướng đơn trục cao hướng tới ứng dụng đo cả độ lớn và định hướng của véc tơ từ trường trái đất, chúng tôi lựa chọn băng từ có kích thước 15×1 mm để tiếp tục các nghiên cứu ứng dụng được trình bày trong các phần tiếp theo.
3.2. Sensor đo từ trƣờng trái đất một chiều (1D) dựa trên hiệu ứng từ-điện
3.2.1. Khảo sát tần số làm việc của sensor
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra thu được phụ thuộc vào tần số từ trường xoay kích thích được nuôi bởi cuộn solenoid đã được thực hiện trên các sensor 1D khác nhau. Phép đo được thực hiện tại từ trường một chiều cố định HDC = 2 Oe trong suốt quá trình quét tần số. Trên hình 3.3 là đường cong sự thay đổi của hệ số từ- điện αE (= VME/tPZT/hac) thay đổi theo tần số quét trong dải từ trường từ 0 đến 180 kHz.