Tài liệu ứng dụng cảm biến từ điện trở đo từ trường trái đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ===o0o=== TRẦN THỊ CHI ỨNG DỤNG CẢM BIẾN TỪ ĐIỆN TRỞ ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2017 LỜI CẢM ƠN Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã dạy dỗ chỉ bảo và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường cũng như trong quá trình thực hiện khóa luận này. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Là một sinh viên lần đầu tiên nghiên cứu khoa học nên khóa luận của em không tránh khỏi thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được những đóng góp ý kiến của các thầy cô và bạn bè để khóa luận được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Khóa luận được thực hiện bởi sự hỗ trợ của đề tài Khoa học Công nghệ Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, mã số C.2017-18-01. Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Chi LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và chưa từng công bố ở bất kì nơi nào khác. Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Chi MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..................................................................................... 3 1.1. Từ trường trái đất .......................................................................................... 3 1.1.1. Nguồn gốc của từ trường ..........................................................................3 1.1.2. Vai trò của từ trường trái đất....................................................................4 1.1.3. Các đặc trưng của từ trường.....................................................................5 1.2. Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến..................................................... 9 1.2.1. Cảm biến flux-gate ....................................................................................9 1.2.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall ...........................................................11 1.2.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện .....................................................12 1.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ – điện trở ................................................. 13 1.3.1. Cảm biến từ trở khổng lồ ........................................................................13 1.3.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng ..................................15 1.4. Kết luận chương 1 ........................................................................................ 19 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..................................... 20 2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ca-tốt .......................... 20 2.1.1. Thiết bị phún xạ ATC-2000FC ................................................................ 20 2.1.2. Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng .........................................................21 2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo linh kiện ............................................. 22 2.2.1. Quy trình chế tạo linh kiện ......................................................................22 2.2.2. Thiết bị quang khắc MJB4 ......................................................................23 2.3. Khảo sát tính chất từ điện trở của linh kiện .............................................. 24 2.4. Kết luận chương 2 ........................................................................................ 25 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 26 3.1. Kết quả khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến................................ 26 3.2. Sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào dòng điện một chiều.................... 28 3.3. Khảo sát đáp ứng góc của cảm biến với từ trường trái đất ..................... 30 3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 32 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 34 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất............................................................. 4 Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất ......................... 6 Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên .............................................................. 7 Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh .......................................................... 7 Hình 1.5: Cách xác định vecto từ trường trái đất ........................................... 8 Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux-gate ............................................ 10 Hình 1.7: (a) Sơ đồ nghiên cứu hoạt động của cảm biến Hall và (b) Cảm biến Hall đo dòng điện ............................................................................ 11 Hình 1.8: Sơ đồ minh họa vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện và nguyên lý hiệu ứng điện từ thuận ................................................................ 13 Hình 1.9: (a) Trạng thái điện trở cao và (b) Trạng thái điện trở thấp của linh kiện GMR........................................................................................ 14 Hình 1.10: Nguồn gốc vật lý của AMR ......................................................... 15 Hình 1.11: (a) Minh họa hiệu ứng AMR phụ thuộc vào các thông số màng và (b) Mô tả điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vector từ hóa ...................................................... 16 Hình 1.12: (a) Sơ đồ đơn giản của mạch cầu Wheatstone và (b) Mạch Wheatstone dưới tác dụng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng ....... 17 Hình 2.1: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC ............................................. 20 Hình 2.2: Sơ đồ mô tả các bước cơ bản trong quy trình chế tạo linh kiện .... 23 Hình 2.3: (a) Sơ đồ hệ quang khắc và (b) Thiết bị quang khắc MJB4 .......... 23 Hình 2.4: Mặt nạ của cảm biến AMR và cảm biến sau khi hoàn thiện ......... 24 Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo AMR trong thang đo từ trường lớn tại PTN MicroNano, Trường Đại học Công nghệ ................................................. 25 Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào từ trường ngoài ................................................................................ 26 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào từ trường trong dải tuyến tính................................................................................... 27 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào dòng một chiều ......................................................................................... 28 Hình 3.4: Mô hình thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc tín hiệu ra của cảm biến vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất .................................. 31 Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu của cảm biến vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất........................................................ 32 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trên thế giới có rất nhiều loại cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau được sử dụng để đo từ trường thấp cỡ từ trường Trái đất đã được công bố. Tuy vậy, các cảm biến này thường có kích thước khá cồng kềnh và gặp phải các loại nhiễu ảnh hưởng tới tín hiệu. Ngoài ra, một số cảm biến hoạt động tốt hơn nhưng lại có cấu trúc dạng màng đa lớp khá phức tạp như cảm biến dựa trên hiệu ứng Spin-van, TMR... Với mục tiêu nghiên cứu ứng dụng cảm biến đo từ trường thấp giảm thiểu ảnh hưởng các loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt, tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa qui trình công nghệ, giảm chi phí sản xuất, tôi đã lựa chọn nghiên cứu cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng(AMR). Với thiết kế dạng mạch cầu Wheatstone này, các ảnh hưởng của nhiễu nhiệt lên tín hiệu của cảm biến sẽ được giảm tối đa và do đó sẽ tăng cường được độ nhạy của cảm biến. Trong khóa luận này, vật liệu được lựa chọn để chế tạo cho điện trở cảm biến là Ni80Fe20 – là vật liệu từ mềm có lực kháng từ Hc nhỏ, độ từ thẩm cao rất phù hợp cho việc chế tạo cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường thấp. Vì vậy ngoài khả năng đo được từ trường trái đất, cảm biến còn được kỳ vọng phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân sự, phương tiện giao thông, ... Đề tài nghiên cứu của khóa luận là “Ứng dụng cảm biến từ điện trở đo từ trường trái đất”. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu từ trường trái đất - Khảo sát các tính chất từ điện trở của cảm biến - Khảo sát ứng dụng của cảm biến đo góc của từ trường trái đất 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Cảm biến dạng mạch cầu dựa trên hiệu ứng AMR 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Ứng dụng cảm biến để đo góc từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu - Phương pháp thực nghiệm 6. Cấu trúc khóa luận - Phần 1: Mở đầu - Phần 2: Nội dung Chương 1: Tổng quan Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận - Phần 3: Kết luận 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Từ trường trái đất 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 trường 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 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 3 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 mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất. Từ trường bị biến dạng bởi gió mặt trời, hướng phía mặt trời bị nén lại, còn hướng kia thì xuất hiện một cái đuôi dài, có thể vươn vào vũ trụ đến 250.000 km. Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất Do sự thay đổi liên tục và bất thường, từ trường trái đất cần được xác định liên tục (sử dụng vệ tinh và các trạm quan trắc trên toàn thế giới) để vẽ được một bức tranh chính xác về sự phân bố và thay đổi của nó theo thời gian. Dựa trên các kết quả quan trắc, mô hình tham khảo trường địa từ được phát triển để mô tả từ trường và những thay đổi của nó trong tương lai. Hiện nay, có hai mô hình chính được sử dụng là mô hình trường địa từ quốc tế (International Geomagnetic Reference Field - IGRF) và mô hình từ thế giới (The World Magnetic Model - WMM). 1.1.2. Vai trò của từ trường trái đất Từ trường trái đất tuy khá nhỏ nhưng lại không thể thiếu. Nó đóng vai trò như một tấm màn chắn trái đất khỏi các hạt tích điện – gió mặt trời và bảo vệ 4 mọi sự sống trên hành tinh trước các hiệu ứng có hại của bức xạ vũ trụ. Từ trường cản gió mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất. Nếu không có từ trường, chúng ta sẽ không ngừng bị các vật chất độc hại tấn công và cuộc sống không thể duy trì trên trái đất. Ngoài ra, từ trường trái đất còn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định phương hướng. Một số loài vật như kiến, chim, rùa, cá mập… cũng định hướng dựa nhờ cảm nhận từ trường do nhân trái đất phát ra bằng hệ thống các giác quan của mình. Con người cũng đã biết tận dụng nguồn từ trường trái đất để xác định phương hướng từ thế kỷ 4 trước công nguyên, khi la bàn ra đời. Cho đến nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã nghiên cứu và tìm hiểu nguồn gốc và qui luật của từ trường trái đất và đã tận dụng được nguồn năng lượng tự nhiên này để tạo ra các thiết bị định vị toàn cầu dựa trên nguyên lý cơ bản thông qua việc đo đạc và phân tích từ trường trái đất. 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 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).[16] 1.1.3. Các đặc trưng của từ trường 1.1.3.1. 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). [16] 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 5 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 1.1.3.2. 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). Do từ trường trái đất có hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau nên để đặc trưng cho định hướng của từ trường trái đất tại một vị trí địa lý bất kỳ, người ta đưa ra khái niệm độ từ khuynh (góc nghiêng từ) và độ từ thiên. Độ từ thiên: là góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý. Kinh tuyến từ là các đường sức từ của trái đất vẽ trên mặt đất. Kí hiệu là D. Ở Việt Nam, độ từ thiên biến đổi từ -1° ở Cao Bằng đến 0° ở Đà Lạt và đạt +1° tại Cà 6 Mau. Các đường đồng giá trị từ thiên trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường đẳng thiên" (xem hình 1.3) Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên Độ từ khuynh: là góc hợp bởi vector từ trường trái đất với mặt phẳng ngang tại vị trí quan sát. Thông thường, độ từ khuynh được xác định thông qua việc sử dụng kim nam châm hướng theo đường sức từ do tác động của lực từ. Do lực của các đường sức trên trái đất không song song với bề mặt đất nên đầu bắc của kim la bàn sẽ chúi xuống ở bắc bán cầu (giá trị dương) và hướng lên ở nam bán cầu (giá trị âm). Các đường đồng giá trị từ khuynh trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường đẳng khuynh" (xem hình 1.4). Tập hợp các điểm có giá trị từ khuynh bằng 0 thì được gọi là xích đạo từ. Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh Việt Nam là một nước nằm gần đường xích đạo về phía Bắc bán cầu nên đường sức từ trường trái đất sẽ đi vào tâm và và do đó góc nghiêng từ sẽ nhận giá trị dương nhỏ thay đổi từ 0°12’ tại Cà Mau đến 33°26’ tại Cao Bằng. 7 1.1.3.3. Cách xác định từ trường trái đất Ngay cả trong thời đại công nghệ phát triển cao với sự ra đời của các hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hiện đại như hiện nay, khi mà việc dò tìm và xác định vị trí của 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. [16] 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 (Hx, Hy, Hz). 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 (NorthEast-Center). Trong đó Hx, Hy nằm trong mặt phẳng nằm ngang và Hz 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. Hình 1.5: Cách xác định vector từ trường trái đất 8 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 tương ứng là +90o và -90o. Độ từ thiên, độ từ khuynh và cường độ từ trường F được tính dựa trên các thành phần từ trường vuông góc sử dụng các công thức tính sau: D  arctg Y X (1.1) I  arctg Z H (1.2) F  H2  Z2 (1.3) H  X 2 Y2 (1.4) với 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 = (103/4π) Am-1. Để có thể đo đạc và xác định được từ trường trái đất, các cảm biến 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 cảm biến đo từ trường phổ biến 1.2.1. Cảm biến flux-gate Cảm biến (sensor/linh kiện) hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, theo nguyên lý sự phụ thuộc của độ từ cảm μ của các vật liệu từ mềm theo trường từ ngoài Happly. Cấu tạo cảm biến gồm một lõi sắt từ mềm, có hình xuyến có độ cảm từ lớn. Một cuộn dây solenoid đóng vai trò là cuộn dây kích thích có dòng điện xoay chiều AC chạy qua cuốn quanh lõi sắt. Cuộn dây này sẽ tạo ra từ trường xoay chiều khép kín chạy vòng quanh lõi sắt từ hình xuyến. Cuộn dây 9 tín hiệu được cuốn xung quanh lõi sắt từ mềm và cuộn dây kích thích như minh họa trong hình 1.6. Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux-gate Nguyên lý hoạt động của cảm biến: từ trường xoay chiều do cuộn dây kích thích sinh ra sẽ làm xuất hiện từ thông biến thiên và do đó sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng sinh ra trong lòng cuộn dây tín hiệu. Khi không có từ trường ngoài, từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu bằng không. Khi có sự xuất hiện của từ trường ngoài, một trong hai nửa của vòng dây kích thích sẽ sinh ra từ trường cảm ứng cùng chiều với từ trường ngoài. Nửa vòng dây bên kia hiện tượng xảy ra ngược lại. Sự chênh lệch từ thông trong hai nửa vòng dây kích thích này sẽ tạo ra một suất điện động cảm ứng và do đó tạo ra điện áp trong cuộn dây tín hiệu. Điện áp này sẽ tỉ lệ với cường độ của từ trường ngoài. Thông qua việc đo điện áp lối ra của cuộn dây tín hiệu, ta có thể xác định được cường độ từ trường ngoài tác dụng. Ưu điểm của linh kiện loại này là công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, có độ nhạy cao khi làm việc ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, hạn chế của linh kiện loại này là kích thước lớn. Thời gian đáp ứng tín hiệu chậm cỡ khoảng 3 giây. Cấu tạo của cảm biến có lõi sắt từ có độ từ thẩm cao và bị trễ từ nên cảm biến khi trong vùng từ trường thấp cho độ chính xác không cao. Ngoài ra, hệ số trường khử từ lớn cũng là một trong các hạn chế cho việc thiết kế và chế tạo cảm biến loại này. 10 1.2.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879. Khi đặt một từ trường vuông góc lên một tấm bán dẫn đang có dòng điện chạy qua làm xuất hiện hiệu điện thế giữa hai mặt đối diện của bản cực (hình 1.7). Hiệu điện thế này gọi là hiệu điện thế Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall. Khi có một dòng điện chạy qua chất bán dẫn thì sự chuyển động của tất cả các điện tích bị ảnh hưởng bởi lực Lorent: Trong đó, q là điện tích của vật dẫn, v là vận tốc hạt mang điện, B là cảm ứng từ tác dụng vào vật liệu. Trường hợp vật liệu bán dẫn loại n để bỏ qua sự xuất hiện lỗ trống, dưới tác dụng của lực Lorent, các hạt tải sẽ bị lệch phương chuyển động tạo ra điện trường trên hai mặt đối diện trực giao với chiều dòng điện. Điện trường Hall vuông góc với điện trường đặt vào và từ trường. Độ lớn của trường Hall tỷ lệ với độ linh động hạt tải. Độ linh động của hạt tải loại p luôn thấp hơn độ linh động của điện tử. Vì vậy trong cảm biến Hall sử dụng bán dẫn loại n tốt hơn sử dụng bán dẫn loại p. Thế Hall cho bởi công thức:  VH  RH   I B t (1.5) Trong đó, RH điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là chiều dày tấm vật liệu. Từ công thức trên ta có thể tính được từ trường thông qua điện áp Hall thu được. Hình 1.7: (a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall và (b) Cảm biến Hall đo dòng điện 11 Cảm biến Hall thường có vùng nhiệt độ làm việc từ -100°C tới 100°C có thể đo được cả từ trường một chiều và xoay chiều với tần số xoay chiều tới 30 kHz. Dựa trên hiệu ứng này, người ta đã phát triển cảm biến đo từ trường thành nhiều loại cảm biến khác như cảm biến đo góc, đo dòng, đo tốc độ quay bằng cách tổ hợp nhiều cảm biến đơn (hình 1.7b). Các cảm biến Hall đã được thương mại hóa thường làm việc trong từ trường lớn hơn 10-3 mT. Bằng cách tổ hợp nhiều linh kiện trên một thiết bị đo, nó có thể cho độ chính xác của từ trường và góc định hướng lên đến 10-5 mT và 0,5 độ, do đó rất có triển vọng được ứng dụng để phát hiện từ trường trái đất. Thành công nhất của loại cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thường là đã phát hiện được hạt từ Dynabeads M-280, đường kính 2,8 µm vào năm 2002 bởi Besse và đồng nghiệp. 1.2.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện Hiệu ứng từ-điện gồm 2 loại là hiệu ứng từ-điện thuận và hiệu ứng từ-điện nghịch (hình 1.8) trong đó, hiệu ứng từ-điện thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (P) khi đặt trong từ trường ngoài (H) và ngược lại hiệu ứng từ-điện nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (M) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E). Hiệu ứng từ-điện đầu tiên được đưa ra bởi P.Curie vào năm 1894 và khái niệm hiệu ứng từ-điện được đưa ra bởi P. Debye năm 1926. Hiệu ứng từ-điện thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ (từ giảo) và sắt điện (áp điện). Cảm biến từ-điện đang được nghiên cứu ứng dụng vào các thiết bị di động, các phương tiện giao thông và các thiết bị định vị khác trên mặt đất. Cảm biến có thể thay thế được các la bàn truyền thống và hơn thế nữa có khả năng hiển thị số tích hợp với các mạch điện tử và có thể khai thác ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. 12 Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cứu một loại cảm biến đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu Metglas/PZT dạng tấm. Những cảm biến này có thể xác định chính xác cả độ lớn và góc định hướng của từ trường. Ngoài ra, 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 10-9 Tesla và độ phân giải góc 10-5 độ. Hình 1.8: Sơ đồ minh họa vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện và nguyên lý hiệu ứng điện từ thuận 1.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ – điện trở Các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện trở phổ biến là các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện-trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR), các cảm biến van-spin (VS), cảm biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) và cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE), cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), ... Tùy theo mỗi hiệu ứng từ-điện trở được sử dụng mà cấu tạo và thiết kế của mỗi loại cảm biến có đặc trưng riêng. Dưới đây chúng tôi giới thiệu một số loại cảm biến khác nhau. 1.3.1. Cảm biến từ trở khổng lồ Hiệu ứng từ-điện trở (MagnetoResistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường ngoài và được xác định thông qua công thức: 13