Tài liệu Mô phỏng tính toán và thiết kế tối ưu cảm biến đo từ trường trái đất 3d hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện phục vụ đo và vẽ bản đồ từ trường trái đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRẦN TIẾN DŨNG Hà Nội, 2019 MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TỐI ƯU CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 3D HOẠT ĐỘNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN PHỤC VỤ ĐO VÀ VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT Chuyên ngành: Vật lí chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hà Nội, 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRẦN TIẾN DŨNG MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TỐI ƯU CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 3D HOẠT ĐỘNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN PHỤC VỤ ĐO VÀ VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT Chuyên ngành: Vật lí chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học 1. ThS Lê Khắc Quynh 2. PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang Hà Nội - 2019 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này em luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của thầy, cô hướng dẫn. Nhân dịp này cho em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới: PGS.TS. Đỗ Thị Hương Giang, cô đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện và truyền đạt nhiều kiến thức quý báu trong thời gian em làm luận văn. Những kiến thức mà cô truyền đạt cho em chính là những kinh nghiệm quý giá cho công việc nghiên cứu của em sau này. Em xin chân thành cảm ơn Th.S. Lê Khắc Quynh. Thầy đã luôn giúp đỡ, hướng dẫn và cho em những lời khuyên bổ ích khi em thực hiện công việc nghiên cứu hoàn thành cho khóa luận này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các thầy cô giáo, các anh chị và các em trong Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micrô-Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã luôn ủng hộ, động viên, trao đổi kiến thức, kinh nghiệm và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm. Em cảm ơn các thầy, cô trong khoa Vật lí, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã có những góp ý xác đáng trong quá trình hoàn thiện khóa luận của em. Cuối cùng, cho em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ và những người thân trong gia đình. Những người luôn bên cạnh và động viên em vượt qua những khó khăn trong cuộc sống cũng như trong học tập. Trong quá trình nghiên cứu thực hiện khóa luận tốt nghiệp này do mới tiếp xúc với công nghệ nghiên cứu mới cũng như kinh nghiệm bản thân còn hạn chế nên không tránh khỏi có những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để em dần hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu của báo cáo này là do cá nhân tôi thực hiện. Các kết quả và số liệu được trình bày trong báo cáo này là hoàn toàn trung thực, chưa từng được sử dụng hay công bố tại bất kì nơi nào khác. Tác giả Trần Tiến Dũng DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hình ảnh từ trường Trái Đất ........................................................................... 4 Hình 1.2 Cách xác định vector từ trường trái đất .......................................................... 6 Hình 1.3 Hình minh họa hiện tượng từ giảo .................................................................. 8 Hình 1.4 Hình minh họa hiệu ứng áp điện .................................................................... 9 Hình 1.5 Sơ đồ khối về khái niệm vật liệu từ - điện .................................................... 10 Hình 1.6 Nguyên lí làm việc của hiệu ứng từ điện thuận trong vật liệu tổ hợp ............ 10 Hình 2.1 Chế độ vẽ 3D của phần mềm ANSYS Maxwell ........................................... 12 Hình 2.2 Vật thể 3D với lưới chia thô ......................................................................... 13 Hình 2.3 Vật thể 3D với lưới chia tinh ........................................................................ 13 Hình 2.4 Kết quả mô phỏng dưới dạng hiển thị màu ................................................... 14 Hình 2.5 Kết quả mô phỏng biểu diễn qua đồ thị ........................................................ 14 Hình 3.1 Cấu hình thanh cảm biến 1D ........................................................................ 17 Hình 3.2 Hiển thị màu mật độ từ thông qua cấu hình 1D ............................................ 18 Hình 3.3 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 1D .......................... 18 Hình 3.4 Tọa độ điểm cực đại và cực tiểu đồ thị của cấu hình 1D ............................... 19 Hình 3.5 Độ lớn mật độ từ thông dọc theo các trục của cấu hình 1D........................... 19 Hình 3.6 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập .............................. 20 Hình 3.7 Đồ thị giá trị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập ........ 21 Hình 3.8 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập ............................... 21 Hình 3.9 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ T .................................. 22 Hình 3.10 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ T .................... 22 Hình 3.11 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ T .................................. 23 Hình 3.12 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ L................................. 23 Hình 3.13 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ L .................... 24 Hình 3.14 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ L .................................. 24 Hình 3.15 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn ............. 25 Hình 3.16 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn . 25 Hình 3.17 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập đầu nhọn .............. 26 Hình 3.18 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 2D chữ thập dạng tai ............... 26 Hình 3.19 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay cấu hình 2D chữ thập dạng tai ... 27 Hình 3.20 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 2D chữ thập dạng tai ................ 27 Hình 3.21 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 3D không tai ........................... 28 Hình 3.22 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D không tai quanh trục Oz ....................................................................................................................... 29 Hình 3.23 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 3D không tai quanh trục Oz ..... 29 Hình 3.24 Đồ thị giá Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D không tai quanh trục Ox .............................................................................................................................. 30 Hình 3.25 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 3D không tai quanh trục Ox ..... 30 Hình 3.26 Hiển thị màu mật độ từ thông của cấu hình 3D có tai ................................. 31 Hình 3.27 Đồ thị giá trị Beff phụ thuộc vào góc quay của cấu hình 3D có tai ............... 31 Hình 3.28 Tọa độ cực đại và cực tiểu đồ thị cấu hình 3D có tai .................................. 32 MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 3 1.1 Từ trường trái đất ................................................................................................ 3 1.1.1 Nguồn gốc của từ trường trái đất ................................................................... 3 1.1.2 Vai trò của từ trường trái đất ......................................................................... 4 1.1.3 Các đặc trưng của từ trường trái đất .............................................................. 5 1.1.4 Ứng dụng của việc đo đạc và thăm dò từ trường trái đất. ............................... 7 1.2 Hiệu ứng từ - điện ............................................................................................... 8 1.2.1 Hiệu ứng từ giảo ........................................................................................... 8 1.2.2 Hiệu ứng áp điện ........................................................................................... 9 1.2.3 Hiệu ứng từ điện ........................................................................................... 9 1.3 Sensor đo từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện ................................................. 11 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG LÝ THUYẾT .................................................................. 12 2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng ........................................................................ 12 2.2 Cách sử dụng phần mềm và các cấu hình cần mô phỏng .................................... 15 2.2.1 Cách sử dụng phần mềm ............................................................................. 15 2.2.2 Các cấu hình cần mô phỏng......................................................................... 16 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 17 3.1 Cấu hình 1D ...................................................................................................... 17 3.2 Cấu hình 2D ...................................................................................................... 20 3.2.1 Cảm biến thanh chưa cải tiến: ..................................................................... 20 3.2.2 Cảm biến thanh cải tiến ............................................................................... 24 3.3 Cấu hình 3D ...................................................................................................... 27 3.3.1 Cảm biến 3D không tai................................................................................ 28 3.3.2 Cảm biến 3D có tai...................................................................................... 31 KẾT LUẬN ............................................................................................... 33 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................................... 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 35 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 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 nhiên, do cường độ của từ trường trái đất rất yếu (~10-4 tesla) nên cần phải có các thiết bị đo từ trường có độ nhạy rất cao để có phát hiện và xác định được. Trên thế giới, cảm biến từ trường đã và đang được sử dụng rộng rãi và đa dạng dựa trên nhiều hiệu ứng vật lý khác nhau. Mỗi hiệu ứng đều có ưu và nhược điểm riêng tùy thuộc vào mục đích và phạm vi sử dụng. Trong số các cảm biến có thể hoạt động được trong vùng từ trường trái đất, hiện nay, hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp đồng thời cả pha từ (có tính chất từ giảo) và pha điện (có tính chất áp điện) đang được đặc biệt quan tâm nghiên cứu trên thế giới hiện nay. Khóa luận này sẽ tập trung mô phỏng với mục đích tối ưu về cấu hình, thiết kế để tối ưu hóa các thông số hoạt động cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng từ-điện. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích tín hiệu điện thế lối ra từ pha áp điện khi pha từ giảo chịu tác dụng của từ trường ngoài. Khóa luận sẽ tập trung về mô phỏng và tính toán hoạt động cảm biến sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng Ansys Maxwell (Canonsburg, PA, USA) để định hướng chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện cho độ nhạy cao. Kết quả của mô phỏng được dùng để chế tạo cảm biến 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 khảo sát từ trường trái đất. 2. Mục đích nghiên cứu Mô phỏng tính toán và thiết kế tối ưu cảm biến đo từ trường trái đất 3D hoạt động dựa trên hiệu ứng từ - điện phục vụ đo và vẽ bản đồ từ trường trái đất 3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu Nội dung chính của khóa luận là mô phỏng tính toán cảm biến đo từ trường trái đất 3D hoạt động dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng phần mềm mô phỏng và chế tạo đo đạc thử nghiệm cảm biến để kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá độ tin cậy của kết quả nghiên cứu. 1 Các nội dung nghiên cứu bao gồm: - Tổng quan lý thuyết về từ trường trái đất, hiệu ứng từ điện và sensor dựa trên hiệu ứng từ-điện. - Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell. - Mô phỏng tính toán và tối ưu cấu hình và kích thước vật liệu chế tạo cảm biến. 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. Ngày nay qua đo đạc thực tế, ta thấy nhận xét trên là đúng: Trái đất là một nam châm khổng lồ. Cường độ và hướng của từ trường Trái đất phụ thuộc vào vị trí địa lý. Tuy nhiên vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng nguồn gốc cho từ trường Trái đất. 1.1.1 Nguồn gốc của từ trường trái đất Năm 1940, một số nhà vật lý đặt ra giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn gốc từ trường của Trái đất. Từ trường Trái đất do nhiều nguồn đóng góp, trong đó 99% do cấu tạo bên trong lòng trái đất (các dòng kim loại lỏng đối lưu) và 1% do dòng điện của các ion trong tầng điện ly tạo ra (liên quan đến biến thiên từ trường ngày đêm, bão từ). Từ trường xuất hiện trong lòng trái đất do nhân trái đất được cấu tạo chủ yếu là sắt. Trong lõi Trái đất có nhiệt độ rất cao, do sức nóng từ trong nhân, sắt sẽ nóng chảy tràn lên bề mặt nhân, sau đó nguội đi và lại chìm dần xuống phía dưới. Do chuyển động tự quay quanh mình của Trái đất nên dòng chất lỏng chảy theo đường xoắn ốc. Sự chuyển động của sắt sẽ làm xuất hiện một nguồn điện và khi có dòng điện 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, gọi là cực từ. Tuy vậy nó không trùng với cực nam và cực bắc địa lý mà 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 nên la bàn vẫn có thể điều hướng. Trong một thời gian ngẫu nhiên cỡ vài trăm ngàn năm thì từ trường của Trái Đất lại đảo cực (phía bắc và phía nam thay đổi địa từ với nhau). Từ trường vươn ra ngoài vũ trụ hơn 60.000 km, được gọi là từ quyển. Nó tạo thành một cái vỏ bảo vệ xung quanh trái đất. Do mặt trời không ngừng phát ra các hạt tích điện, hay được gọi là gió mặt trời. Từ trường trái đất có khả năng cản gió mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất. Tuy nhiên nó bị biến dạng bởi gió mặt trời nên phần 3 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 1.1.2 Vai trò của từ trường trái đất Từ trường trái đất tuy khá nhỏ nhưng lại đóng vai trò vô cùng quan trọng. Nó như một tấm màn chắn trái đất khỏi gió mặt trời và bảo vệ mọi sự sống trên hành tinh trước các hiệu ứng có hại của tia vũ trụ. Nếu không có từ trường, chúng ta sẽ không ngừng bị các bức xạ có hại từ vũ trụ chiếu xuống và sự sống sẽ không thể duy trì trên trái đất. Ngoài ra, từ trường trái đất còn giúp các sinh vật trong việc xác định phương hướng cho động vật như kiến, chim, rùa, cá mập… định hướng nhờ cảm nhận từ trường của nhân trái đất bằng hệ thống các giác quan của mình. Vào thế kỷ 4 trước công nguyên, con người cũng đã biết chế tạo la bàn từ nam châm vĩnh cửu để xác định phương hướng. Cho đến nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã nghiên cứu tạo ra các thiết bị định vị toàn cầu thông qua việc đo đạc và phân tích từ trường trái đất. Bên cạnh các ứng dụng hữu ích, nó cũng tiềm ẩn nhiều 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 máy móc điện tử. 4 1.1.3 Các đặc trưng của từ trường trái đất Cường độ của từ trường trái đất Từ trường trái đất có độ lớn và hướng khác nhau tại các vị trí địa lý khác nhau. Nó giống như một thỏi nam châm nên đường sức tại các cực sẽ mau hơn vậy nên cường độ của từ trường Trái đất lớn nhất tại các cực từ và yếu hơn ở gần đường xích đạo. Độ lớn của cường độ từ trường cỡ nanoteslas (nT) hoặc gauss (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). [7] Hướng của từ trường trái đất Trong các nghiên cứu về từ trường Trái đất, một số thông số sau thường được đo đạc, khai thác và sử dụng:  Trường từ bình thường: phần từ trường đồng nhất, được ký hiệu H0.  Dị thường từ: giá trị trường từ sau khi đã thực hiện hiệu chỉnh trường từ bình thường và biến thiên từ.  Từ trường tổng cộng: Từ trường tổng cộng do tất cả các nguồn đóng góp tạo ra, được ký hiệu HT.  Thành phần từ trường nằm ngang: là thành phần hình chiếu của vector từ trường tổng ⃗⃗⃗⃗⃗𝑇 trên mặt phẳng nằm ngang (horizontal), kí hiệu HH. cộng 𝐻  Thành phần thẳng đứng: là thành phần hình chiếu của vector từ trường tổng cộng trên mặt phẳng thẳng đứng Oz (vertical), kí hiệu HV.  Góc nghiêng từ: 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). Người ta gọi là độ từ khuynh hay độ nghiêng từ (magnetic dip or magnetic inclination).  Góc lệch từ: 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 gọi là độ từ thiên hay độ lệch từ (magnetic declination). 5 Cách xác định từ trường trái đất Tuy công nghệ phát triển và đã có các hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hiện đại như hiện nay 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 trong lòng đất có thể dẫn đến động đất nguy hiểm [4]. 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 1.2 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 1.2 Cách xác định vector từ trường trái đất 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. 6 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. 1.1.4 Ứng dụng của việc đo đạc và thăm dò từ trường trái đất. Việc đo đạc và thăm dò và định vị từ trường trái đất được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như sau: - Thăm dò khoáng sản Sự có mặt của vật chất có từ tính như quặng sắt (magnetite) trong đất đá, gây ra sự thay đổi của từ trường tại vị trí đó. Nếu đo đạc và tính toán sẽ đo ra dị thường từ đặc trưng cho khối quặng đó. Mức độ xáo trộn này phụ thuộc vào vị trí và kích thước vật thể từ tính. - Thăm dò nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí đốt) Những lớp trầm tích ở trên nguồn dầu thô sẽ làm thay đổi từ trường của Trái đất. Bằng cách sử dụng các thiết bị khảo sát từ trường, thiết bị thăm dò không người lái có tích hợp cảm biến có thể đi qua vùng biển nào đó và định vị chính xác những vùng từ trường bất thường. Từ đó tìm ra những vị trí của nguồn dầu phía dưới. - Cảnh báo thiên tai động đất, sóng thần, sạt lở ở các vùng có nguy cơ xảy ra thiên tai Thông qua đo đạc và theo dõi tính dị thường từ trường trái đất theo thời gian tại một địa phương nào đó, dữ liệu giúp ta có thể phán đoán được nguy cơ xảy ra biến động hoặc thiên tai sắp xảy ra. Đối với các phương pháp khác, thời gian phát hiện dấu hiệu có động đất thường rất ngắn (dưới 1 giờ), tuy nhiên khi sử dụng phương pháp từ trường có thể cảnh báo trước từ 5-8 giờ. - Ứng dụng trong quân sự để dò tìm và phát hiện tầu ngầm, bom mìn, đạn dược, thủy lôi và các vật thể có tính từ dưới biển: Từ trong chiến tranh thế giới thứ 2 người ta đã sử dụng các thiết bị đo từ tính để phát hiện dị thường tại phổ từ trường đã biết trong không gian, từ đó xác định vị trí tàu ngầm và các vật có tính sắt từ nằm ở dưới đáy biển thông qua lập bản đồ trường địa từ trong vùng khảo sát. Hiện nay, dò tìm bằng phương pháp đo từ trường trái đất để xử lý 7 bom mìn, đạn dược, thuỷ lôi và chưa nổ dưới biển hiện đang được sử dụng phổ biến. Khi có một vật thể có thể nhiễm từ nằm trong vùng từ trường của trái đất thì từ trường của trái đất sẽ làm cho vật thể bị nhiễm từ, dẫn đến làm biến dạng cục bộ từ trường của trái đất tại điểm đó. Sau đó sử dụng thiết bị từ kế sẽ ghi lại được vị trí. Độ biến dạng của từ trường phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng, kích thước, độ sâu, độ từ thẩm hay khả năng nhiễm từ của vật, độ nghiêng từ tại vị trí. Đây là một ứng dụng phục vụ cho quân đội để bảo vệ chủ quyền biển đảo. Ngoài ra, cảm biến từ trường còn vô vàn các ứng dụng liên quan khác như cung cấp các thông tin có giá trị trong việc định vị đường ống chôn, cáp điện, khảo cổ, thăm dò địa nhiệt,… 1.2 Hiệu ứng từ - điện Hiệu ứng từ - điện là hiệu ứng tổ hợp của hai hiệu ứng từ giảo và áp điện. 1.2.1 Hiệu ứng từ giảo Hiệu ứng từ giảo là hiện tượng mà hình dạng và kích thước của vật liệu bị thay đổi khi có từ trường ngoài tác dụng vào. Bản chất của hiện tượng từ giảo là do sự định hướng của các mômen từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiện tượng từ giảo chỉ xảy ra khi đám mây điện tử có dạng không đối xứng cầu và có tương tác spin – quỹ đạo mạnh. Khi đám mây điện tử có dạng không đối xứng cầu thì tương tác tĩnh điện trở thành bất đẳng hướng. Dưới tác động của từ trường ngoài, momen từ bị thay đổi hướng làm cho khoảng cách giữa các nguyên tử bị thay đổi (Hình 1.3). Hình 1.3 Hình minh họa hiện tượng từ giảo 8 Trường hợp này ta có thể quan sát được hiện tượng từ giảo nhưng mức độ khác nhau phụ thuộc vào tương tác spin – quỹ đạo. Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (momen quỹ đạo bằng 0) thì tương tác tĩnh điện là đẳng hướng. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, momen từ bị thay đổi hướng nhưng không kéo theo sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử và do đó biến dạng từ giảo nhỏ. 1.2.2 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện xảy ra trên một số loại vật liệu điện môi dạng gốm có độ phân cực điện tự phát, hiệu ứng xuất hiện khi vật liệu áp điện bị biến dạng cơ học (do ngoại lực tác dụng hay tác dụng của điện trường ngoài) dẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữa các ion dẫn đến các momen lưỡng cực và độ phân cực điện trong tinh thể bị thay đổi và làm xuất hiện một điện trường thứ cấp trong vật liệu (Hình 1.4). Hình 1.4 Hình minh họa hiệu ứng áp điện 1.2.3 Hiệu ứng từ điện Hiệu ứng từ-điện được chia thành hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từ điện nghịch (converse magnetoelectric effect), trong đó hiệu ứng 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 nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (M) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E) [3]. Hiệu ứng này thường được quan sát thấy trên các vật liệu có tồn tại đồng thời cả 2 pha sắt từ và sắt điện gọi là multiferroic. 9 Vật liệu tổ hợp là vật liệu được ghép từ các lớp vật liệu. Khi hoạt động, dưới tác dụng của từ trường ngoài, do có hiệu ứng từ giảo nên pha sắt từ bị biến dạng thay đổi kích thước sinh ra một ứng suất tác dụng lên pha áp điện. Sau đó do hiệu ứng áp điện nên độ phân cực điện bên trong vật liệu này thay đổi [2] làm hai mặt đối diện của vật liệu xuất hiện các điện tích trái dấu, qua đó ta đo được điện áp lối ra. Hình 1.5 Sơ đồ khối về khái niệm vật liệu từ - điện Hình 1.6 Nguyên lí làm việc của hiệu ứng từ điện thuận trong vật liệu tổ hợp Hiệu ứng từ - điện đặc trưng bởi hệ số từ - điện: α= 𝑑𝐸 𝑑𝐻 = 10 1 𝑑𝑉𝐸 𝑡 𝑑𝐻 Chú thích: VE: Thế hiệu từ điện (mV) H: Biên độ từ trường ngoài (Oe) t: Bề dày tấm PZT (cm) 1.3 Sensor đo từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện Năm 2002, Ryu cùng các cộng sự công bố kết quả hệ số từ điện đạt được 10300mV/cm.Oe sử dụng vật liệu tổ hợp dạng tấm Terfenol-D /PZT bằng phương pháp kết dính. Tuy nhiên, để có kết quả như vậy thì cần phải có một từ trường ngoài rất lớn H  500 mT tác dụng. Chỉ có nam châm điện hoạt động với nguồn cao áp mới tạo ra được từ trường này nên khả năng ứng dụng được vật liệu này trong hệ vi cơ là rất hạn chế. Điều này có thể được lý giải là do để bão hòa được pha từ giảo từ giảo Terfenol-D cần phải có một từ trường rất lớn. Để khắc phục hạn chế này, nhóm Junyi Zhai và các đồng nghiệp [5, 6] 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. Sensor này có thể xác định chính xác cả độ lớn và góc định hướng của từ trường. Ưu điểm là 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. Hơn thế nữa, cảm biến loại này còn có nhiều thế mạnh không thể tìm thấy trên các loại cảm biến thông thường như có thể phát hiện cả từ trường một chiều và xoay chiều với dải tần số lên đến MHz. Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu đứng đầu là GS Nguyễn Hữu Đức, Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micrô-Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã nghiên cứu phát triển sensor từ trường dựa trên hiệu ứng từ - điện dạng tấm Metglas/PZT cấu trúc dạng sandwich (Metglas/PZT/Metglas) cho hệ số thế từ-điện cực đại đạt αE = 131 V/cm.Oe [P.A.Đức] [1]. Từ các kết quả đã đạt được bằng thực nghiệm, chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng, tính toán với mục đích tìm ra cấu hình tối ưu, sau đó chế tạo cảm biến từ - điện sao cho hệ số từ điện và độ nhạy của sensor lớn nhất. Khóa luận trình bày quy trình mô phỏng để tối ưu hóa hình dạng cảm biến, phục vụ cho quy trình chế tạo thực tế cảm biến đo từ trường thấp. 11 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Phần mềm mô phỏng ANSYS Maxwell 16.0 là phần mềm mô phỏng điện từ trường dành cho người nghiên cứu chế tạo các thiết bị điện từ và cơ điện như động cơ, cuộn dây hay cảm biến. Phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết tĩnh, miền tần số và các lĩnh vực liên quan đến trường điện từ khác nhau. Ưu điểm của phần mềm này khả năng giải quyết tự động, tức là chỉ cần nhập dữ liệu về cấu hình cần mô phỏng, thông số vật liệu và các điều kiện liên quan, phần mềm ANSYS Maxwell sẽ tạo ra các lưới tự động để giải ra kết quả hoạt động của vật mô phỏng. Sau khi đã có ý tưởng về hình dạng, thông số cảm biến, ta sử dụng thanh công cụ để thiết kế các cấu hình cần mô phỏng. Khi gặp những những cấu hình và chi tiết phức tạp thì phần mềm cho phép liên kết tích hợp với những phần mềm chuyên để vẽ thiết kế đồ họa khác. ANSYS Maxwell cho phép mô phỏng 3D trực quan thông qua việc khai báo các điều kiện như kích thước, vật liệu cấu thành, môi trường làm việc, từ trường đồng nhất hay không đồng nhất và chiều của dòng điện trong dây dẫn trên một hệ trục tọa độ không gian (Hình 2.1). Trong thư viện vật liệu của phần mềm có khá đầy đủ các vật liệu từ điển hình, ngoài ra chúng ta cũng có thể tự khai báo thành phần, thông số của các vật liệu mà ta sử dụng trong chế độ tùy chỉnh. Hình 2.1 Chế độ vẽ 3D của phần mềm ANSYS Maxwell 12