ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ NGỌC
NGHIÊN CƢ
́
U, CHÊ
́
TẠO SENSOR ĐO T TRƢỜNG
TRÁI ĐẤT 2D, 3D DỰA TRÊN VẬT LIỆU T-ĐIỆN
CẤU TRÚC MICRO - NANO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SI
̃
VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Đỗ Thị Hƣơng Giang
H Ni-2012 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất 4
Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất 5
Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên 6
Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh 6
Hình 1.5: Cách xác định vector từ trường trái đất 7
các mẫu băng từ có tỉ số kích thước r = L/W khác nhau. Ở đây các
mẫu có chiều dài không đổi L = 15 mm và chiều rộng thay đổi từ
W = 0.1 đến 15 mm. 28
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. 29
Hình 3.3: Đồ thị sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của sensor vào tần số kích
thích cuộn solenoid 30
Hình 3.4: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một
chiều H
DC
trong dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe 32
Hình 3.5: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một
chiều H
DC
trong dải từ trường từ -0.6 Oe đến 0.6 Oe 32
Hình 3.6: Đồ thị đánh giá độ phân giải của sensor 33
Hình 3.7: Đồ thị đánh giá độ phân giải của sensor Hall thương phẩm 33
Hình 3.8: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục
sensor với từ trường trái đất 34
Hình 3.9: Đồ thị đánh giá độ nhạy theo góc của sensor 35
Hình 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục
sensor với từ trường trái đất 36
Hình 3.11: Sự phụ thuộc của tín hiệu thế ra có offset vào góc phương vị khi
được kích thích bởi hai từ trường xoay chiều ngược pha nhau (h
ac
và -h
ac
) được biểu diễn trong hệ tọa độ Decac(a) và hệ tọa độ
ngang 42
Hình 3.17: Đồ thị khảo sát đặc trưng từ-điện của 3 sensor trong vùng từ
trường thấp. 44
Hình 3.18: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm
trái đất (North-East-Center). Góc phương vị φ được định nghĩa là
góc tạo bởi cực Bắc từ của trái đất với trục sensor S
1
khi cho
sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm ngang. 45
Hình 3.19: Hệ tọa độ tham chiếu (a), đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu
điện thế lối ra của 3 sensor vào góc phương vị trong hệ tọa độ
Decac (b) và hệ tọa độ Polar (c) 46
Hình 3.20: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm
trái đất (North-East-Center). Góc lệch của trục sensor so với
phương thẳng đứng (pitch) được định nghĩa là góc từ trục Z
E
đến
trụ sensor S
3
khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong
mặt phẳng thẳng đứng. 47
Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 3 sensor
vào góc phương vị trong hệ tọa độ Decac (a) và hệ tọa độ Polar
(b) 47
Hình 3.22: Kết quả đo góc phương vị φ và góc từ khuynh tính toán được từ
các thành phần từ trường H1, H2 và H3 khi cho sensor quay theo
chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm ngang 49
Hình 3.23: Kết quả đo góc pitch θ tính toán được từ các thành phần từ trường
H2 và H3 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt
trƣờng 24
2.5. Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào góc định hƣớng 25
2.6. Một số phép đo khảo sát tính chất của băng từ Metglas 26
Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28
3.1. Tính chất từ của băng từ Metglas 28
3.2. Sensor đo từ trƣờng trái đất một chiều (1D) dựa trên hiệu ứng từ-
điện 30
3.2.1. Khảo sát tần số làm việc của sensor 30
3.2.2. Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào cường độ từ trường 31
3.2.3. Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào định hướng của từ trường trái
đất 34
3.2.4. Khảo sát tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục 35
3.3. Sensor đo từ trƣờng trái đất 2D dựa trên hiệu ứng từ-điện 37
3.3.1. Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 2D 38
3.3.2. Khảo sát khả năng đo từ cường độ trường trái đất và góc định
hướng trong mặt phẳng của sensor 2D 39
3.4. Sensor đo từ trƣờng trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện 42
3.4.1. Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 3D 43
3.4.2. Đo cường độ từ trường trái đất trong không gian 45
3.4.3. Đo góc trong không gian 48
3.4.3.a. Xác định góc phương vị và góc từ khuynh 48
3.4.3.b. Xác định góc pitch 49
KẾT LUẬN 51
1 MỞ ĐẦU
Cường độ và hướng của từ trường trái đất là khác nhau phụ thuộc vào vị trí địa
lý. Đây là một trong các đặc điểm quan trọng được sử dụng để định vị toàn cầu. Tuy
Si
8,8
dạng băng từ
(Ni-based Metglas) với vật liệu gốm áp điện dạng tấm Pb(Zr,Ti)O
3
(PZT) có hệ số
điện-cơ lớn. Kết quả nghiên cứu của luận văn được trông đợi sẽ chế tạo thành công
sensor đo từ trường với độ nhạy cao và độ phân giải lớn trong vùng nanô-tesla (nT)
cho phép hướng đến các ứng dụng để đo đạc và tính toán được từ trường trái đất.
Với hướng nghiên cứu này, các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận
văn này bao gồm cụ thể như sau:
- Chế tạo vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT và
nghiên cứu các tính chất từ, điện và tính chất tổ hợp từ-điện của vật liệu.
2 - Chế tạo sensor đo từ trường trái đất dạng 1D sử dụng vật liệu tổ hợp chế tạo
được và khảo sát các thông số hoạt động đặc trưng của sensor và đánh giá
khả năng hoạt động của sensor trong việc đo đạc từ trường trái đất.
- Phát triển sensor 1D thành các sensor 2D, 3D bằng cách tích hợp gồm nhiều
sensor đơn theo cấu hình trực giao cho phép xác định đồng thời cả độ lớn và
góc định hướng của từ trường trái đất tại một vị trí bất kỳ trong không gian.
- Đề xuất một số khả năng ứng dụng của sensor trong lĩnh vực vệ tinh, vũ
trụ
Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W. Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái Đất là
một nam châm khổng lồ. Ông đã làm một quả cầu lớn bằng sắt nhiễm từ, gọi nó là
"Trái Đất tí hon" và đặt các từ cực của nó ở các địa cực. Đưa la bàn lại gần trái đất tí
hon ông thấy trừ ở hai cực, còn ở mọi điểm trên quả cầu, kim la bàn đều chỉ hướng
Nam Bắc. Hiện nay vẫn chưa có sự giải thích chi tiết và thỏa đáng về nguồn gốc từ
tính của Trái Đất.
1.1.1. Nguồn gốc của từ trƣờng
Năm 1940, một số nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn
gốc từ trường của trái đất. Theo thuyết này thì từ trường Trái đất chủ yếu được hình
thành từ các dòng chất lỏng đối lưu trong lòng của trái đất ở độ sâu trên 3000 km. Từ
trường xuất hiện trong lòng trái đất. Nơi đó có nhân trái đất được cấu tạo chủ yếu là
sắt. Nhân rắn bên trong được bao bọc bởi cái vỏ bằng sắt dạng lỏng. Do sức nóng từ
trong nhân, kim loại sẽ chảy tràn lên bề mặt nhân, nguội đi và lại chìm xuống phía
dưới. Đồng thời nó chảy theo đường xoắn ốc do trái đất quay. Sự chuyển động của sắt
có khả năng dẫn điện sẽ làm xuất hiện một nguồn điện, tương tự như một máy phát
điện khổng lồ. Và khi có dòng điện chảy thì sẽ xuất hiện từ trường.
Hình dạng của từ trường cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm. Từ
trường đi ra từ bán cầu nam và đi vào phía bán cầu bắc của trái đất. Hai nơi này được
gọi là cực từ. Nó không trùng với cực nam và cực bắc địa lý mà cách nhau vài trăm
cây số. Từ trường mà trái đất sinh ra gần giống mô hình của một lưỡng cực từ nghiêng
một góc 11.5°
so với trục quay (xem hình 1.1). Cực bắc từ không cố định mà thay đổi
liên tục nhưng đủ chậm để la bàn có thể điều hướng. Khoảng thời gian ngẫu nhiên
(trung bình vài trăm ngàn năm) từ trường của Trái Đất lại đảo cực (phía bắc và phía
nam thay đổi địa từ với nhau). Sự đảo cực này để lại dấu tích trong các loại đá cho
phép các nhà từ học tính toán sự dịch chuyển của các lục địa và đáy biển.
Từ trường vươn ra ngoài vũ trụ hơn 60.000 km, được gọi là từ quyển. Nó tạo
thành một cái vỏ bảo vệ chung quanh trái đất. Sự bảo vệ này là cần thiết vì mặt trời
không ngừng phát ra các hạt tích điện, còn được gọi là gió mặt trời. Từ trường cản gió
Bên cạnh việc đóng vai trò như một công cụ hữu ích, nó cũng tiềm ẩn nhiều
mối hiểm họa trong thế giới hiện đại. Ví dụ như dòng cảm ứng địa từ trường sinh ra
5 khi có bão từ, chúng tác động nghiêm trọng nên các hệ thống công nghệ (trong quá
khứ, hệ thống truyền tải điện ở Quebec, Canada đã phải đóng cửa hơn chín giờ đồng
hồ) [12].
1.1.3. Các đặc trƣng của từ trƣờng trái đất
1.1.3.a. Cường độ của từ trường trái đất
Từ trường trái đất có độ lớn và hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau. Cường
độ của từ trường lớn nhất tại các cực từ và yếu hơn ở gần đường xích đạo. Độ lớn của
nó vào khoảng nanoteslas (nT) hoặc gauss, với 1 gauss = 100.000 nT. Nó dao động
trong khoảng từ 25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25 đến 0,65 Gauss) [12].
Biểu đồ các đường tại đó có cùng giá trị cường độ từ trường gọi là biểu đồ
đường đẳng từ. Trong hình 1.2 là biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất
được ghi nhận năm 2010. Cường độ từ trường nhỏ nhất ở khu vực Nam Mỹ trong khi
có cực đại ở phía Bắc Canada, Siberia, và bờ biển của Nam Cực phía nam của Úc.
Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất
1.1.3.b. Hướng của từ trường trái đất
Từ trường của trái đất có các đường sức từ của trái đất vẽ ra trong không gian đi
ra từ cực Nam địa lý và đi vào cực Bắc địa lý. Ở đây, Trái Đất có 2 cực địa từ, không
trùng với 2 cực địa lý. Cực Bắc từ có toạ độ 70° Vĩ Bắc Và 96° Kinh Tây, trên lãnh
thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km. Cực Nam từ có toạ độ 73° Vĩ Nam và 156°
Kinh Đông ở vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000 km. Trục từ trường tạo với
trục trái đất một góc 11°. Các từ cực thường có vị trí không ổn định và có thể đảo
ngược theo chu kỳ. Do đó bản đồ địa từ cũng phải thường xuyên điều chỉnh (5 năm
một lần).
6
một đối tượng trên bề mặt trái đất chỉ với một cú nhấp chuột thì mô hình trường địa từ
vẫn đóng một vai trò quan trọng, nó được xây dựng thành một hệ thống định vị GPS
như là một phương án dự phòng. Mô hình trường địa từ cũng rất quan trọng trong
thăm dò khoáng sản và lập bản đồ của các đứt gãy động đất nguy hiểm [12].
Tại bất kỳ vị trí nào, từ trường trái đất cũng có thể được biểu diễn bởi một
vector 3 thành phần trong không gian 3 chiều (H
x
, H
y
, H
z
). Trên hình 1.5 là tọa độ
tham chiếu cho phép xác định hướng của từ trường trái đất. Trong đó, trục X hướng về
phía Bắc từ, trục Y hướng về phía Đông và trục Z hướng vào tâm trái đất. Đây là hệ
tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-East-Center).
Hình 1.5: Cách xác định vector từ trường trái đất
Trong đó H
x
, H
y
nằm trong mặt phẳng nằm ngang và H
z
theo phương thẳng
đứng hướng xuống. Góc giữa hướng bắc thực (bắc địa lý) và hướng bắc từ (là hướng
chỉ phương bắc của kim la bàn) hay góc tạo thành giữa kinh tuyến địa lí (phương bắc
nam) và kinh tuyến từ tại điểm đã cho trên mặt đất chính là Độ từ thiên D trong trường
hợp này. Giá trị này sẽ dương khi bắc từ nằm về phía đông của bắc địa lý và ngược lại.
Độ từ khuynh I là góc nghiêng tạo thành bởi vector từ trường Trái Đất với mặt
phẳng nằm ngang tại điểm khảo sát. Tại cực Bắc và Nam, độ từ khuynh có giá trị
(1.4)
Theo hệ đơn vị quốc tế SI đơn vị từ trường thường sử dụng là Tesla (T). Một số
đơn vị từ trường khác như: 1 Gauss = 100.000 nT, 1 gamma = 1 nT, 1 Oerted =
(10
3
/4π) Am
-1
.
Để có thể đo đạc và xác định được từ trường trái đất, các sensor đo từ trường
đòi hỏi phải có độ nhạy và độ phân giải cao, đặc biệt tuyến tính trong vùng từ trường
trái đất.
1.2. Các loại sensor đo từ trƣờng phổ biến
Trên thế giới, sensor đo từ trường đã và đang được sử dụng rộng rãi và đa dạng.
Trong đó, có thể kể đến 3 loại sensor đo từ trường đang được sử dụng phổ biến hiện
nay là sensor dựa trên hiện tượng cảm ứng điện-từ (flux-gate), sensor dựa trên hiệu
ứng từ-điện trở và sensor dựa trên hiệu ứng Hall. Hầu hết các sensor này đều hoạt
động dựa trên việc đo đạc và phân tích tín hiệu thu được từ sensor theo cường độ và
hướng của từ trường. Mỗi loại sensor đều có những thế mạnh và hạn chế riêng của tùy
thuộc vào mục đích sử dụng.
1.2.1. Sensor flux-gate
Sensor flux-gate (hình 1.6) có cấu tạo gồm một lõi sắt từ mềm có hình xuyễn có
độ cảm từ lớn được cuốn quanh bởi một cuộn dây solenoid đóng vai trò là cuộn dây
kích thích có dòng điện xoay chiều AC chạy qua. Cuộn dây này sẽ tạo ra từ trường
xoay chiều khép kín chạy vòng quanh lõi sắt từ hình xuyến. Cuộn dây tín hiệu được
cuốn xung quanh lõi sắt từ mềm và cuộn dây kích thích như minh họa trong hình vẽ.
9
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của sensor Hall [17]
Khi vật dẫn có dòng điện chạy qua, các điện tích chịu tác dụng của lực Lorent
hướng vuông góc với chiều dòng điện và từ trường ngoài:
H
F qE q v B
(1.5)
trong đó q, v là điện tích và véc tơ vận tốc của hạt tải điện, E và B là véc tơ điện trường
Hall và từ trường tương ứng.
Dưới tác dụng của lực này, các phần tử tích điện trái dấu nhau sẽ chuyển động
theo hai hướng ngược chiều nhau về hai mặt của vật dẫn, tạo ra ở hai mặt đối diện của
mẫu các điện tích trái dấu dẫn đến xuất hiện một điện trường Hall E
H
hướng vuông
góc với chiều dòng điện. Lực tĩnh điện do điện trường này gây ra sẽ ngược hướng với
lực Lorent. Trạng thái cân bằng nhanh chóng được hình thành cùng với sự tăng dần
của lực tĩnh điện cho đến khi bù trừ hoàn toàn với lực từ. Khi đạt đến trạng thái cân
bằng, lực gây ra do từ trường B sẽ cân bằng với lực điện trường E gây ra. Khi đó ta có
thế Hall V
H
được cho bởi công thức:
BI
t
R
(thường chỉ làm việc trong khoảng 10
-3
đến 10
0
mT) và để có độ nhạy cao, các sensor
này cần phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp.
Hiệu ứng từ-điện trở là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường
ngoài và được xác định thông qua công thức:
( ) (0) ( ) (0)
(%)
(0) (0)
H R H R
MR
R
(1.7)
Hiệu ứng từ-điện trở có hai loại chính là từ-điện trở dị hướng (Anisotropic
Magnetoresistance – AMR) và từ-điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance –
GMR), tương ứng ta có sensor dựa trên hiệu ứng AMR và sensor dựa trên hiệu ứng
GMR.
Sensor dựa trên hiệu ứng AMR có nguyên tắc hoạt động dựa vào sự tán xạ của
điện tử theo hướng mômen từ của vật liệu làm sensor. Hiệu ứng này phụ thuộc vào góc
định hướng giữa vecto từ độ và dòng qua sensor [17]. Nguyên lý hoạt động cơ bản của
sensor từ điện trở dị hướng được minh họa trong Hình 1.8 Trong đó, màng mỏng sắt từ
có dị hướng từ đơn trục (trục dễ) - Ox được tạo ra nhờ dị hướng hình dạng hoặc nhờ
quá trình phún xạ trong từ trường H
0
( ) cos
y
R H R R
(1.9)
Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiệu ứng AMR
Sensor loại này có độ nhạy cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, độ trôi ổn
định hơn sensor dựa trên hiệu ứng Hall, phạm vi hoạt động tần số rộng đạt được 10
MHz. Tuy nhiên nó có giá thành cao, kích thước lớn và công suất tiêu thụ cao. Các
nhược điểm này là hạn chế rất lớn của sensor khi mà nhu cầu tiểu hình hóa các thiết bị
đang ngày càng cấp thiết.[9]
Hiệu ứng AMR thu được thấp (< 6%) trong khi hiệu ứng GMR cỡ 10
1
-10
2
%.
Do đó, sensor dựa trên hiệu ứng GMR cho tín hiệu lớn hơn, trong khi công suất tiêu
thụ thấp, kích thước nhỏ và giá thành rẻ hơn [9]. Sensor loại này có cấu tạo gồm nhiều
lớp từ (màng mỏng từ NiFe), xen giữa là các lớp không từ (Cu) có điện trở thay đổi
dưới tác dụng của từ trường ngoài. Ở trạng thái ban đầu (khi chưa có từ trường ngoài)
momen từ của 2 lớp sắt từ định hướng phản song song với nhau. Ở trạng thái này, các
điện tử bị tán xạ nhiều khi đi qua các lớp vật liệu do đó điện trở lớn nên tín hiệu điện ở
mạch ngoài là nhỏ (hình 1.9a). Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ
có xu hướng định hướng lại song song với nhau theo phương của từ trường (hình
1.9b). Đồng thời với quá trình quay đó của vector từ độ, điện trở của mẫu giảm mạnh
(điện tử khi chạy qua các lớp vật liệu sẽ ít bị tán xạ ) nên tạo ra được tín hiệu điện lớn
ở mạch ngoài.
degree compass) được sử dụng trong lĩnh vực định vị [6]. Trong đó, la bàn hiển thị 8
đoạn cho biết 8 hướng cơ bản: Bắc, Nam, Đông, Tây, Tây Bắc, Đông Bắc, Tây Nam,
Đông Nam. La bàn loại này được sử dụng cho các phương tiện mà người điều khiển
chỉ cần biết thông tin hướng di chuyển với độ chính xác không cần cao. Với các ứng
dụng loại này, chỉ cần xác định thành phần H
x
, H
y
của từ trường trái đất bằng cách sử
dụng sensor đo từ trường 2D. Tuy nhiên, có một số hạn chế khi sử dụng thiết kế này:
1) không có sensor xác định độ nghiêng (tilt sensor) do đó sensor đo từ trường phải
được đặt cố định trong trạng thái cân bằng, 2) không nên đặt gần vật liệu từ do có thể
làm biến dạng từ trường, 3) góc từ khuynh rất khó để thêm vào thiết kế dạng này. Tuy
nhiên với một số hệ thống định vị yêu cầu độ chính xác cao hơn là một la bàn 8 đoạn.
Ví dụ như hệ thống định vị toàn cầu GPS có thể theo dõi sự thay đổi nhỏ về vị trí của
các phương tiện trên bản đồ hình ảnh với độ chính xác hơn 10m. Với các hệ thống này,
yêu cầu về độ chính xác của la bàn là tốt hơn 1
. Điều này đòi hỏi sensor đo từ trường
có thể nhận biết được sự thay đổi của từ trường khi thay đổi góc 0.1
. Độ lớn của từ
trường trái đất trong mặt phẳng ngang vào khoảng 0.2
0.3 Oe.
Sensor đo từ trường cũng được ứng dụng để giải quyết các vấn đề đối với TV
và màn hình gây ra bởi trường địa từ. Từ trường trái đất ảnh hưởng đến quỹ đạo của
các electron trong ống phát CRT, gây ra lỗi hội tụ khi chúng đập lên màn hình huỳnh
quang, làm cho hình ảnh bị biến dạng. Hiện tượng này được khắc phục bằng cách sử
dụng một cuộn dây được nuôi bởi nguồn DC được quấn quanh cổ của CRT và tạo ra từ
Trong đó cách thứ hai thì đơn giản hơn nhưng yêu cầu sensor phải có độ nhạy
và độ phân giải cao để xác định chính xác các tham số góc của vệ tinh.
1.4. Sensor đo từ trƣờng trái đất thế hệ mới dựa trên hiệu ứng từ-điện
Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp [5, 11] đã công bố kết quả nghiên
cứu một loại sensor đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu
Metglas/PZT dạng tấm. Những sensor này có thể xác định chính xác cả độ lớn và góc
định hướng của từ trường. Chúng hoạt động không cần từ trường làm việc (bias) và
được kích thích bởi một dòng xoay chiều nhỏ 10 mA, có độ phân giải từ trường cao
16 10
-9
Tesla và độ phân giải góc 10
-5
độ. Đây là một loại cảm biến hoạt động dựa trên
một hiệu ứng hoàn toàn mới, mở ra khả năng cung cấp một thiết bị định vị toàn cầu
kích thước nhỏ và độ chính xác cao. Hơn thế nữa, sensor loại này còn có nhiều thế
mạnh không thể tìm thấy trên các loại sensor thông thường như có thể phát hiện cả
từ trường một chiều và xoay chiều với dải tần số lên đến MHz, công nghệ chế tạo
đơn giản, giá
thành thấp, có thể làm việc trong các điều kiện khác nhau.
Đây cũng là
hướng nghiên cứu được nhóm nghiên cứu trường Đại học Công nghệ khai thác nghiên
cứu và triển khai ứng dụng cho ra đời một số sản phẩm khoa học và công nghệ được
biết đến cả trong nước và quốc tế [4]. Đây cũng là nội dung nghiên cứu được lựa chọn
trong luận văn này. Để có thể hiểu rõ hơn về sensor này, cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của vật liệu và cảm biến sẽ được trình bày cụ thể ở dưới đây.
1.4.1. Hiệu ứng từ-điện
Hiệu ứng từ - điện là hiệu ứng tổ hợp của hai hiệu ứng từ giảo và áp điện. Hiệu
M
= dM/dE.
Hình 1.13: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được
gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài
Hình 1.14: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và ε-σ đặc trưng cho hiệu ứng từ-điện
trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện [17].
Hiệu ứng từ-điện có sự chuyển hóa trực tiếp từ năng lượng điện thành năng
lượng từ và ngược lại. Chính nhờ tính chất này, hiệu ứng này và đang được nghiên cứu
và khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại đây. Để hướng tới
mục tiêu ứng dụng chế tạo sensor đo từ trường, hiệu ứng từ-điện thuận tỏ ra có nhiều
ưu thế do khả năng chuyển đổi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lối ra mà
không nguồn dòng nuôi như các cảm biến Hall và cảm biến từ-điện trở truyền thống.
a
b
Copyright: Tài liệu đại học ©