Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường trái đất 2D, 3D dựa trên vật liệu từ - điện cấu trúc micro – nano

- Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường trái đất 2D, 3D dựa trên vật liệu từ - điện cấu trúc.
- 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.
- Cường độ và hướng của từ trường trái đất là khác nhau phụ thuộc vào vị trí địa lý.
- Tuy nhiên, do cường độ của từ trường trái đất rất yếu (~10 -4 tesla) nên cần phải có các thiết bị có độ nhạy rất cao để có phát hiện và xác định được..
- Theo định hướng nghiên cứu gắn với xu thế phát triển trên, trong luận văn này, chúng tôi đã tiến hành chế tạo và nghiên cứu sensor đo từ trường trái sử dụng vật liệu multiferroics tổ hợp của vật liệu từ giảo siêu mềm Fe 76,8 Ni 1,2 B 13,2 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..
- 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..
- TỔNG QUAN Từ trƣờng trái đất.
- 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..
- 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.
- 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 Error! Reference source not found.)..
- Vai trò của từ trƣờng trái đất.
- Từ trường trái đất tuy khá nhỏ nhưng lại không thể thiếu.
- Từ trường cản gió mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất.
- Các đặc trƣng của từ trƣờng trái đất Cƣờng độ của từ trƣờng 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.
- Hƣớng của từ trƣờng 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.
- Trục từ trường tạo với trục trái đất một góc 11°.
- Cách xác định từ trƣờng trái đất.
- 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.
- là tọa độ tham chiếu cho phép xác định hướng của từ trường trái đất.
- Đây là hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-East-Center)..
- Sensor dựa trên hiệu ứng từ – điện trở Ứng dụng của sensor đo từ trƣờng trái đất.
- Sensor đo từ trƣờng trái đất thế hệ mới dựa trên hiệu ứng từ-điện Hiệu ứng từ-điện.
- Cơ chế của hiệu ứng từ-điện thuận được giải thích là do khi vật liệu chịu tác dụng của một từ trường ngoài H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh ra ứng suất tác dụng lên pha áp điện.
- 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 (H DC ) 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.
- Để duy trì được lượng điện tích này, trong đo đạc thực nghiệm, một từ trường xoay chiều (h ac ) kích thích được sử dụng để tạo ra các ứng suất dạng dao động (σ ac ) tác dụng lên pha áp điện.
- 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 trái đất với mong đợi sẽ chế tạo thành công sensor mang thương hiệu Việt Nam có độ 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..
- Cường độ từ trường xoay chiều và tần số cộng hưởng của sensor là hai thông số quan trọng của sensor.
- Ở đây, để tạo ra từ trường xoay chiều h ac = h  sin(2ft), 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..
- 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.
- là sơ đồ minh họa hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cường độ từ trường..
- 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 kết hợp hai mặt phẳng quay cho phép quay đồng thời trong hai mặt phẳng nằm ngang và vuông góc.
- 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 (<.
- Sensor đo từ trƣờng trái đất một chiều (1D) dựa trên hiệu ứng từ-điện 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 H DC = 2 Oe trong suốt quá trình quét tần số.
- V ME /t PZT /h ac ) thay đổi theo tần số quét trong dải từ trường từ 0 đến 180 kHz..
- là đường cong sự phụ thuộc tín hiệu lối ra của sensor 1D vào cường độ từ trường một chiều đo trong dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe tác dụng theo phương song song với trục sensor (song song với chiều dài của mẫu)..
- Phép đo trong vùng từ trường thấp xung quanh vùng từ trường trái đất.
- 0.6 Oe) được thực hiện trên sensor (Error! Reference source not found.) cho thấy trong vùng này, tín hiệu sensor thay đổi tuyến tính với từ trường với độ dốc k = 653,215 mV/Oe.
- Đây cũng chính là hệ số chuyển đổi (hệ số chuẩn hóa) khi sử dụng sensor đo từ trường..
- Để đánh giá độ phân giải của sensor từ phép đo thực nghiệm, chúng tôi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu sensor trong dải từ trường nhỏ từ 0 đến 20 μOe..
- Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào định hƣớng của từ trƣờng trái đất.
- Sự phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc định hướng giữa trục sensor với từ trường trái đất đã được khảo sát khi cho sensor quay trong mặt phẳng nằm ngang theo chiều kim đồng hồ từ υ = 0° đến 360°.
- Phép đo được thực hiện tại nơi cách các nguồn phát từ trường và các vật có tính chất sắt từ khoảng 1 m để đảm bảo tại vị trí đo chỉ có ảnh hưởng của từ trường trái đất..
- 90°, 270°) với cực Bắc từ của Trái đất.
- sử dụng hệ số chuẩn hóa k = 653.215 mV/Oe xác định được ở trên, cường độ từ trường trái đất nằm trong mặt phẳng nằm ngang tại phòng thí nghiệm nơi tiến hành phép đo (Cầu Giấy, Hà Nội) cho ta giá trị 0,3994 Oe..
- Theo nguyên lý hoạt động của sensor, do vật liệu băng từ sử dụng có dị hướng từ đơn trục nên khi từ trường ngoài rất nhỏ, thì chỉ có thành phần từ trường nào tác dụng dọc theo trục sensor (trục từ hóa dễ) mới có khả năng từ hóa băng từ và do đó có khả năng gây ra biến dạng từ giảo.
- Nói khác đi, trong trường hợp này, tín hiện lối ra của sensor chỉ xuất hiện khi có mặt thành phần từ trường hướng dọc theo trục sensor.
- tương ứng với toàn bộ thành phần từ trường trái đất chiếu xuống mặt phẳng trái đất (H horizontal ) hướng theo trục sensor.
- Ở các vị trí khác, tín hiệu sensor thu được phụ thuộc vào thành phần hình chiếu của từ trường này lên trục sensor.
- cho thấy đạt độ phân giải góc của sensor khi đo từ trường trái đất được xác định bằng thực nghiệm lên đến 10 -2 độ với độ nhạy trong dải đo từ 80 đến 90° là k φ = 3,263 mV/độ..
- Khi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc vào góc định hướng của từ trường trái đất, thực tế trên đường cong tín hiệu của sensor ta thấy sự phụ thuộc theo qui luật hàm cosine nhưng không đối xứng xung quanh trục hoành mà bị dịch đi một giá trị khoảng 100 mV (Error!.
- Ở đây, đối với sensor này, thế nền offset có thể được bù trừ rất đơn giản bằng cách đảo cực nguồn nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích.
- Sensor đo từ trƣờng trái đất 2D dựa trên hiệu ứng từ-điện Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 2D.
- là đường cong sự phụ thuộc tín hiệu lối ra trên từng sensor đơn trong sensor 2D vào cường độ từ trường một chiều đo trong dải từ trường từ -25 Oe đến 25 Oe tác dụng theo phương song song với trục của mỗi sensor (song song với chiều dài của mẫu).
- Trong vùng thay đổi tuyến tính ở từ trường thấp nằm trong dải đo của từ trường trái đất (từ -0.6 đến 0.6 Oe) (Error! Reference source not found.
- đường cong thực nghiệm cho thấy các sensor đơn này tuyến tính với từ trường ngoài có độ dốc tương ứng với hệ số chuyển đổi k 1 = 308,2 và k 2 = 310,7 mV/Oe với độ phân giải từ trường 3×10 -4 Oe tương ứng cho các sensor S và S.
- Khảo sát khả năng đo từ cƣờng độ trƣờng trái đất và góc định hƣớng trong mặt phẳng của sensor 2D.
- Các từ trường thành phần H 1 và H 2 nhận được tương ứng từ S 1 và S 2 được biểu diễn trong hệ tọa độ Polar (xem Error! Reference source not found.b).
- Theo bố trí cấu hình 2 sensor trực giao, ta có thể tính được cường độ của từ trường trái đất trong mặt phẳng ngang theo phương trình:.
- Từ các số liệu thực nghiệm và kết quả tính toán sử dụng công thức 3.5 chỉ cho ta cường độ của từ trường trái đất trong mặt phẳng ngang tại phòng thí nghiệm là 0.3994 Oe..
- Sensor đo từ trƣờng trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 3D.
- là kết quả khảo sát đặc trưng từ-điện của 3 sensor trong vùng từ trường thấp cho độ dốc k x = 192.6, k y = 200.8 và k z = 205.5 mV/Oe tương ứng với hệ số chuyển đổi của sensor S 1 , S 2 và S 3.
- Đo cƣờng độ từ trƣờng trái đất trong không gian.
- Mặt phẳng sensor chứa S 1 và S 2 được giữ song song với mặt phẳng trái đất..
- Điều này phù hợp vì trong quá trình quay sensor thì luôn luôn có thành phần hình chiếu của từ trường trái đất lên phương thẳng đứng tác dụng dọc theo trục sensor và thành phần này là không thay đổi trong quá trình thực hiện phép đo..
- biểu diễn các thành phần của từ trường trái đất (H 1 , H 2 , H 3 ) trong hệ tọa độ cực thu được thông qua hệ số chuyển đổi tương ứng của các sensor như đã đề cập ở trên.
- Từ các số liệu này, cường độ của từ trường trái đất trong mặt phẳng nằm ngang (H xy ) có thể được xác định thông qua công thức:.
- Và cường độ từ trường tổng được cho bởi công thức:.
- Kết quả tính toán thu được từ công thức (3.9) và (3.10) cho các giá trị từ trường H xy và H tot được biểu diễn trên Error! Reference source not found..
- Từ các số liệu thực nghiệm chỉ ra rằng độ lớn của từ trường trong mặt phẳng ngang H xy tại phòng thí nghiệm nơi thực hiện phép đo là 0.3994 Oe và độ lớn của từ trường trái đất tổng H tot bằng 0.4465 Oe.
- Kết quả này khá phù hợp với các giá trị từ trường trái đất đo đạc tại Việt Nam đã được công bố trong một số công trình trong nước và quốc tế [13,18]..
- nằm trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với phương Bắc từ của trái đất.
- Các từ trường thành phần (H 1 , H 2 , H 3 ) của từ trường trái đất được biểu diễn trong hệ tọa độ Polar như Error! Reference source not found.b, một lần nữa, được fit trên các đường tròn khá hoàn hảo..
- Với các kết quả đo trong phần 0, đồng thời với việc đo đạc và tính toán được độ lớn của từ trường trái đất trong không gian, ta có thể tính toán được góc phương vị sử dụng công thức (3.8).
- Từ các thành phần từ trường trong mặt phẳng nằm ngang (H xy ) và thành phần từ trường theo phương thẳng đứng (H z = H 3.
- Biên độ dao động 0.1° phù hợp với sự thay đổi về độ lớn của từ trường cỡ 10 -4 Oe..
- Góc Pitch θ được xác định bằng cách sử dụng mối liên hệ giữa hai thành phần từ trường H 2 và H 3 khi cho sensor quay trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với phương Bắc từ của trái đất.
- và kết hợp với các phương trình tính toán góc phụ thuộc vào dấu của các thành phần từ trường giống như trong công thức (3.8), góc pitch θ có thể được xác định từ số liệu thực nghiệm.
- Bằng công nghệ chế tạo đơn giản, luận văn đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo sensor đo từ trường trái đất loại 1D, 2D và 3D dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện.
- Chế tạo và nghiên cứu thành công các vật liệu tổ hợp từ điện cấu trúc micro-nano có dị hướng từ đơn trục có hiệu ứng từ-điện cao đặc biệt nhạy với từ trường thấp trong vùng từ trường trái đất..
- Chế tạo sensor đo từ trường trái đất 1D, 2D và 3D bằng cách tổ hợp các sensor đơn trực giao cho phép xác định đồng thời các thành phần của từ trường trái đất trong không gian và góc định hướng phương vị và góc từ khuynh của từ trường trái đất.
- Độ lớn của từ trường trái đất trong mặt phẳng nằm ngang: H xy = 0.3994 Oe Độ lớn của từ trường trái: H tot = 0.4465 Oe..
- Các kết quả trên hoàn toàn phù hợp với mục1.1.3b vì Việt nam là một nước nằm gần đường xích đạo ở nửa bán cầu Bắc nên đường sức từ trường trái đất sẽ đi vào tâm và và do đó góc nghiêng từ sẽ nhận giá trị dương..
- Sensor có độ nhạy cao, độ phân giải từ trường 10 -4 Oe và phân giải góc 10 -1 độ.
- Với công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ tiền, sensor chế tạo được có độ phân giải có thể so sánh được với các thiết bị cảm biến góc và cảm biến từ trường độ phân giải cao dựa trên các công nghệ đắt tiền đang được bán trên thị trường hiện nay [7,8]..
- Đỗ Thị Hương Giang, Phạm Anh Đức, Nguyễn Anh Phương, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Xuân Toàn, Nguyễn Hữu Đức, (2010), Hệ thống sensơ đo từ trường trái đất trực giao dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng trong hệ thống tự động kiểm soát và bám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh, hội thảo công nghệ vũ trụ và ứng dụng..
- Đ.T,Hương Giang, P.A.Đức, N.A.Phương, N.T.Ngọc, N.X.Toàn, N.H.Đức, (SPMS – 2011), Tối ưu hóa cấu hình của sensơ từ trường trái đất sử dụng vật liệu Multiferroics Metglas/PZT, Hội nghị vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 7..
- Nguyễn Xuân Toàn, Tăng cường hiệu ứng từ điện trong vùng từ trường thấp trên các vật liệu multiferroics Metglas/PZT dạng lớp cấu trúc micro/nano, luận văn thạc sĩ vật liệu và linh kiện nano, trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN.