ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN XUÂN TOÀN
TĂNG CƢỜNG HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN
TRONG VÙNG TỪ TRƢỜNG THẤP TRÊN CÁC VẬT LIỆU
MULTIFERROICS METGLAS/PZT DẠNG LỚP
CẤU TRÚC MICRÔ-NANÔ
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Đỗ Thị Hƣơng Giang
Hà Nội - 2010
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
............................................................................................................... 1
Chƣơng 1
TỔNG QUAN ....................................................................................... 3
1.1.
Sensor đo từ trƣờng ..................................................................................... 3
1.1.1.
1.1.2.
1.1.3.
1.1.4.
1.1.5.
1.2.
Sensor đo từ trường dựa trên nguyên lý cảm ứng (flux-gate sensor) ....... 3
Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thường ................................................ 4
Cảm biến AMR ...................................................................................... 6
Cảm biến GMR ...................................................................................... 7
Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện (ME sensor) ................................... 7
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 tổ hợp từ-điện ....................................................................... 10
1.2.3.a Nguyên lý hoạt động ......................................................................... 10
1.2.3.b Nguyên lý đo hiệu ứng từ - điện ........................................................ 11
1.3.
Nội dung nghiên cứu của luận văn ........................................................... 14
Chƣơng 2
2.1.
PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................. 15
Chế tạo mẫu ............................................................................................... 15
2.1.1.
2.1.2.
Chế tạo băng từ bằng phương pháp nguội nhanh .................................. 15
Chế tạo vật liệu tổ hợp từ - điện............................................................ 16
2.2.
Đo từ độ bằng từ kế mẫu rung VSM ........................................................ 18
2.3.
Kính hiển vi điện tử quét ........................................................................... 19
2.4.
Đo từ giảo bằng phƣơng pháp phản xạ quang học .................................. 21
2.5.
Hệ đo hiệu ứng từ - điện ............................................................................ 23
Chƣơng 3
3.1.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 25
Tính chất từ của băng Metglas ................................................................. 25
3.1.1. Tính chất từ siêu mềm .......................................................................... 25
3.1.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ mềm .................... 26
3.1.2.a Tính chất từ phụ thuộc vào hình dạng của băng từ............................ 26
3.1.2.b Tính toán hệ số trường khử từ ........................................................... 27
3.2.
Tính chất từ giảo của băng Metglas.......................................................... 31
3.2.1.
3.2.2.
Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh .......................................................... 31
Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ giảo ..................... 32
3.2.3.
3.3.
Tính chất từ giảo động.......................................................................... 33
Hiệu ứng từ điện vật liệu tổ hợp Metglas/PZT......................................... 35
3.3.1. Cấu trúc bilayer thường ........................................................................ 35
3.3.1.a Hệ số từ-điện phụ thuộc vào tần số và kích thước ............................. 35
3.3.1.b Hiệu ứng Shear lag ........................................................................... 37
3.3.1.c Bài toán dao động của màng mỏng ................................................... 39
3.3.2. Cấu trúc sandwich thường .................................................................... 41
3.3.3. Tăng cường hiệu ứng từ điện nhờ dị hướng hình dạng .......................... 42
3.3.3.a Hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào tần số ............................................. 43
3.3.3.b Hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào tỉ số kích thước n = l/W .................. 44
3.3.4. Cấu trúc bilayer và sandwich xen kẽ..................................................... 46
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 48
Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 49
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.
Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động (a) và ảnh chụp của cảm biến
đo từ trường 3D thương phẩm dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.......... 3
Hình 1.2.
Ảnh chụp của cảm biến đơn đo từ trường 1D (a) và cảm biến tích
hợp đo từ trường 3D thương phẩm (b) dựa trên hiện tượng cảm ứng
điện từ .......................................................................................................4
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall ........................................... 5
Cảm biến Hall tổ hợp đo từ trường 3D ...................................................... 5
Hình 1.5.
Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ-điện trở dị hướng .......................................... 6
Hình 1.6.
Hiệu ứng từ trở khổng lồ: a Khi không có từ trường ngoài, mômen
từ phản song song-điện trở cao; b Khi có từ trường ngoài mômen
từ song song-điện trở thấp .........................................................................7
Hình 1.7.
Hiệu ứng từ giảo tuyến tính Joule trên mẫu vật liệu hình thanh. ................ 9
Hình 1.8.
Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng
của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c). .................................................. 10
Hình 1.9.
Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu
multiferoics kiểu sắt từ/sắt điện ............................................................... 11
Hình 2.1.
Sơ đồ minh họa quá trình chế tạo băng vô định hình bằng phương
pháp nguội nhanh (a) và ảnh chụp băng từ sau khi được chế tạo (b). ....... 16
Hình 2.2.
Cấu trúc vật liệu tổ hợp từ - điện FeNiBSi/PZT dạng bilayer thường
(a) và bilayr xen kẽ (b) ............................................................................ 16
Hình 2.3.
Cấu trúc sandwich của vật liệu tổ hợp từ - điện dạng sandwich
thường (a) và sandwich xen kẽ (b) .......................................................... 17
Hình 2.4.
Ảnh chụp các mẫu hình vuông có kích thước khác nhau: 2525,
1515 và 1010 mm ............................................................................... 17
Hình 2.5.
Ảnh chụp các mẫu hình chữ nhật cấu trúc xen kẽ (a) và cấu trúc
thường có kích thước khác nhau (b,c) ...................................................... 17
Hình 2.6.
Hình 2.7.
Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung .................................................... 18
Ảnh chụp hệ đo từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 được sử dụng
trong luận văn (PTN Micro-nano, Trường Đại học Công Nghệ) .............. 19
Hình 2.8.
Ảnh chụp hệ chụp SEM S-3400N (PTN Micro-nano, Đại học Công
Nghệ) ...................................................................................................... 19
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét [16] ................. 20
Hình 2.10. Ảnh chụp tổng thể hệ (a), và cấu tạo chi tiết (b) hệ đo từ giảo bằng
phương pháp phản xạ quang tại PTN Micro-Nano................................... 21
Hình 2.11. Cấu trúc mẫu băng từ dán trên tấm Si trong phép đo từ giảo bằng
phương pháp phản xạ quang học. ............................................................ 22
Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ giảo bằng phương pháp quang. ........................ 23
Hình 2.13. Sơ đồ minh họa hệ đo hiệu ứng từ - điện ................................................. 24
Hình 3.1.
Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni hình vuông
kích thước 5×5 mm được thực hiện với từ trường nằm trong mặt
phẳng, hướng dọc theo chiều dài (L), chiều rộng (W) và theo
phương vuông góc với mặt phẳng băng từ ............................................... 25
Hình 3.2.
Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni có kích thước
L×W khác nhau. Phép đo được thực hiện với từ trường nằm trong
mặt phẳng băng song song với chiều L của băng. L và W thay đổi
từ 0,25 mm đến 10 mm. .......................................................................... 26
Hình 3.3.
Đường cong độ cảm từ của vật liệu với các tỉ lệ kích thước n = L/W
khác nhau. ............................................................................................... 27
Hình 3.4.
(a) Biểu diễn sự hình thành của các mômen lưỡng cực trong vật liệu
bị từ hoá (b) Cảm ứng từ B, từ độ M và trường khử từ Hd của mẫu
bị từ hoá .................................................................................................. 28
Hình 3.5.
Trường khử từ bên trong một thanh chữ nhật đã được từ hoá
theo phương song song (a) và vuông góc với chiều dài thanh (b). ........... 28
Hình minh họa cách tính trường khử từ thu được từ các đường cong
từ hóa thực nghiệm.................................................................................. 29
Hình 3.6.
Hình 3.7.
Hình 3.8.
Đường cong từ hóa của mẫu băng từ Metglas pha Ni có kích thước
L×W khác nhau sử dụng để đánh giá đóng góp trường khử từ vào
dị hướng từ của mẫu. ............................................................................... 30
Đường cong từ giảo của băng từ mẫu 12x12 đo theo 2 phương
chiều dài và chiều rộng của mẫu.............................................................. 31
Đường cong độ cảm từ giảo theo phương song song với chiều dài
băng từ của mẫu 12x12 mm .................................................................... 32
Hình 3.10. Đường cong từ giảo tỉ đối (λ/λmax) của băng từ với các kích thước n
= L/W khác nhau đo trong mặt phẳng mẫu .............................................. 33
Hình 3.9.
Hình 3.11. Đường cong độ cảm từ giảo đo trên các mẫu với tỉ số L/W khác
nhau ........................................................................................................ 33
Hình 3.12. Đường cong từ giảo động đo trên mẫu băng từ Metglas pha Ni tại
các tần số từ trường xoay chiều kích thích khác nhau .............................. 34
Hình 3.13. Hiệu ứng từ điện phụ thuộc vào tần số của các mẫu vuông có kích
thước khác nhau 8x8, 10x10, 15x15 và 25x25 được thực hiện ở
cùng một từ trường 10 Oe ....................................................................... 36
Hình 3.14. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường đối với các mẫu vuông kích
thước khác nhau, đo ở tần số cộng hưởng ................................................ 37
Hình 3.15. a) Sự phân bố ứng suất trên bề mặt vật liệu phụ thuộc vào vị trí tính
từ tâm của mẫu ( x = 0) ra đến ngoài biên ( x = 1). .................................. 38
Hình 3.16. Các mode dao động của màng mỏng ....................................................... 40
Hình 3.17. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng vào kích thước của các mẫu hình
vuông ...................................................................................................... 40
Hình 3.18. Sự phụ thuộc vào tần số từ trường xoay chiều kích thích của hệ số
từ-điện đo trên mẫu 15×15 mm cấu trúc sandwich thường so với
mẫu cấu trúc bilayer ................................................................................ 41
Hình 3.19. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều
đo trên mẫu sandwich thường kích thước 15×15 mm so với mẫu
bilayer thường. Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng
tương ứng của các mẫu............................................................................ 42
Hình 3.20. Hiệu ứng từ điện phụ thuộc vào tần số của các mẫu hình chữ nhật
(L×W) có cùng chiều dài L = 15 mm và chiều rộng thay đổi khác
nhau từ 1 đến 15 mm ............................................................................... 43
Hình 3.21. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng vào kích thước của các mẫu hình
chữ nhật có tỉ số kích thước n = L/W khác nhau. Kết quả thực
nghiệm được fit với kết quả lý thuyết tương ứng với các tần số dao
động riêng f11 và f10 của các mode dao động tương ứng với bộ số
nguyên (m,n) = (1,1) và (1,0) .................................................................. 43
Hình 3.22. Hệ số từ điện phụ thuộc vào từ trường một chiều đối với các mẫu
hình chữ nhật có chiều dài L = 15 mm và chiều rộng W thay đổi từ
1 đến 15 mm. Từ trường đặt dọc theo chiều dài (L). Phép đo được
thực hiện tại tần số cộng hưởng tương ứng .............................................. 44
Hình 3.23. Hệ số từ-điện tại từ trường 2.5 Oe đo trên các mẫu có tỉ số kích
thước khác nhau ...................................................................................... 45
Hình 3.24. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều
đo trên mẫu bilayer xen kẽ so sánh với mẫu bilayer thường kích
thước 15×15 mm. Phép đo được thực hiện tại tần số cộng hưởng
tương ứng của các mẫu............................................................................ 47
Hình 3.25. Đường cong hiệu ứng từ-điện phụ thuộc vào từ trường một chiều
đo trên mẫu sandwich xen kẽ so sánh với mẫu sandwich thường
kích thước 15×15 mm. Phép đo được thực hiện tại tần số cộng
hưởng tương ứng của các mẫu. ................................................................ 47
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp số liệu từ trường khử từ và hệ số trường khử từ trên
các mẫu khác nhau tính toán được từ các số liệu thực nghiệm ................... 30
Bảng 3.2. So sánh tính chất từ và từ giảo trên một số vật liệu nổi tiếng ...................... 32
Bảng 3.3. Bảng tổng hợp hệ số từ-điện cực đại đo trên các mẫu hình vuông
có kích thước khác nhau............................................................................. 37
Bảng 3.4. Bảng tổng hợp tần số cộng hưởng và hệ số từ-điện cực đại đo trên các
mẫu hình chữ nhật có kích thước khác nhau đối chiếu với các kết quả
fit lý thuyết tương ứng với các mode dao động trong lời giải của bài
toán dao động màng 2 chiều ....................................................................... 46
MỞ ĐẦU
Khoa học ngày càng phát triển đòi hỏi con người không ngừng khai thác và tìm
kiếm ra những tính chất, hiệu ứng mới, công nghệ và vật liệu mới để thay thế. Gần đây
các nghiên cứu đã công bố một trong những hiệu ứng mới là hiệu ứng từ - điện với sự
tổ hợp đồng thời của hai pha sắt từ và sắt điện trong một vật liệu đang thu hút được
nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong cuộc
sống. Từ - điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác dụng của từ trường
ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng của điện trường. Nhờ khả
năng chuyển hóa qua lại giữa năng lượng điện và từ nên hiệu ứng này có khả năng ứng
dụng trong rất nhiều lĩnh vực như sensơ, máy phát điện,…. Hiệu ứng này thường quan
sát thấy trên các vật liệu multiferroic có tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện.
Các nghiên cứu trong những năm gần đây đã chỉ ra rằng hiệu ứng từ - điện cao đã được
tìm ra trên các vật liệu multiferroics tổ hợp của 2 pha từ giảo và áp điện. Do có sự liên
kết chặt giữa hai pha này, khi chịu tác dụng của từ trường, pha từ giảo sẽ bị biến dạng
cưỡng bức và ứng suất cơ học do pha từ giảo sinh ra sẽ truyền cho pha áp điện làm xuất
hiện phân cực điện cảm ứng trên pha này.
Hệ số từ-điện lớn nhất trên các vật liệu tổ hợp dạng khối với hệ số từ-điện (αE =
dE/dH) = 10300 mV/cmOe đã được công bố bởi nhóm nghiên cứu Ryu và các đồng
nghiệp trên vật liệu multiferroics sử dụng vật liệu áp điện (Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)
(PZT) và từ giảo Terfenol-D dạng khối bằng phương pháp kết dính. Tuy nhiên, cho đến
nay, khả năng ứng dụng hệ vật liệu này còn hạn chế do nó đòi hỏi từ trường rất lớn (~
500 Oe) đặt vào. Các nghiên cứu cho đến nay đặc biệt trong lĩnh vực ứng dụng cảm
biến chủ yếu tập trung vào tìm ra vật liệu có hiệu ứng từ-điện rất lớn đồng thời rất nhạy
với sự thay đổi nhỏ của từ trường ngoài. Có rất nhiều phương pháp khác nhau để chế
tạo vật liệu multiferroics như tape casting, PLD, phún xạ, … nhưng cho đến nay các kết
quả nghiên cứu vẫn chỉ ra rằng phương pháp kết dính vẫn là phương pháp đơn giản và
cho hiệu ứng lớn nhất. Gần đây, nhóm nghiên cứu của S.X. Dong và các đồng nghiệp
đã thành công hơn nữa trong việc chế tạo ra các vật liệu dạng tấm sử dụng các băng từ
Metglas dày 25 µm với kích thước 0.35×100 mm kết dính trên hai mặt của tấm áp điện.
Với cấu hình này, hiệu ứng từ-điện đạt kỷ lục lên tới αE 22000 mV/cmOe tại từ
trường rất nhỏ H ~ 5 Oe [1]. Tuy nhiên việc ứng dụng đặc biệt là linh kiện và sensor thì
vật liệu này bị giới hạn do kích thước quá dài.
Cũng với phương pháp trên, nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghệ cũng
đã đạt được một số kết quả nghiên cứu và triển khai ứng dụng thành công trên vật liệu tổ
hợp sử dụng băng từ siêu mềm (Fe0.8Co0.2)0.78Si0.12B0.1/PZT bằng phương pháp kết dính
1
[2]. Tiếp tục hướng nghiên cứu này của nhóm trong luận văn này, chúng tôi tiếp tục
nghiên trên các vật liệu multiferroics dạng tấm sử dụng tấm áp điện PZT và băng từ mềm
do ưu điểm của chúng là dễ chế tạo, giá thành rẻ và đặc biệt thích hợp với các nghiên cứu
hiệu ứng từ-điện do tính chất từ siêu mềm. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng băng từ
Metglas có pha Ni với thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Ni-based Metglas). Chúng tôi trông
đợi với sự có mặt của Ni hàm lượng nhỏ 1,2% sẽ không ảnh hưởng đến hệ số từ giảo
nhưng bù lại có thể tăng cường hơn nữa tính chất từ mềm trong vùng từ trường thấp khi
so sánh với các kết quả đã được công bố gần đây trên băng từ Metglas không pha Ni.
Với hướng nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành làm những công việc cụ thể
như sau:
- Chế tạo được các mẫu vật liệu multiferroics dạng lớp sử dụng băng từ siêu
mềm Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 và các tấm áp điện bằng phương pháp kết dính
- Nghiên cứu quá trình từ hóa phụ thuộc vào hình dạng và kích thước băng từ có
kích thước khác nhau. Tính toán được hệ số trường khử từ phụ thuộc vào tỉ số
kích thước dài/rộng của băng.
- Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh và động trong từ trường một chiều và xoay
chiều của các băng từ Metglas pha Ni với hình dạng và kích thước khác nhau
- Nghiên cứu hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8/PZT
trên các cấu hình và kích thước khác nhau. Tăng cường hiệu ứng từ-điện nhờ
khai thác dị hướng hình dạng của băng từ và từ đó tối ưu cấu hình cho các
nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo.
2
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Sensor đo từ trƣờng
Cảm biến (sensor) được định nghĩa như một thiết bị dùng để biến đổi các đại
lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo
được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng, …). Nó là thành phần quan trọng
nhất trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động. Nhờ có các tiến bộ của
khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các cảm biến
đã được giảm thiểu kích thước, cải thiện tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng
dụng. Có rất nhiều loại cảm biến như cảm biến quang, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo
vận tốc, lưu lượng và mức chất lưu, cảm biến đo áp suất, cảm biến từ,… Trong khuôn
khổ luận văn tôi tập trung tìm hiểu và nghiên cứu các loại cảm biến từ.
1.1.1. Sensor đo từ trƣờng dựa trên nguyên lý cảm ứng (flux-gate sensor)
Cảm biến flux-gate hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Trên hình
1.1 là sơ nguyên lý của cảm biến sử dụng lõi hình xuyến. Cảm biến loại này có cấu tạo
rất đơn giản gồm 1 cuộn dây kích thích (exc) được quấn xung quanh lõi sắt từ mềm có
tác dụng tạo ra từ trường xoay chiều từ được cấp bởi dòng điện xoay chiều. Đây là từ
trường khép kín chạy bên trong lõi sắt. Cuộn dây tín hiệu (sensing winding) được cuốn
bên ngoài để thu tín hiệu cảm ứng khi có mặt của từ thông biến thiên.
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động (a) và ảnh chụp của cảm biến đo từ
trường 3D thương phẩm dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ [3]
Khi không có mặt của từ trường ngoài, từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây
tín hiệu sẽ bằng không do từ trường khép kín chạy trong lòng lõi sắt từ. Dưới tác dụng
của từ trường ngoài theo một phương nào đó (ví dụ như trong hình 1.1 a), trong hai
nửa vòng dây từ trường sẽ thay đổi theo hai xu hướng ngược nhau. Chính điều này đã
3
tạo ra một từ thông bên trong lòng cuộn dây tín hiệu. Đây là một từ thông biến thiên và
do đó sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng hay một điện áp lối ra ở hai đầu cuộn dây
tín hiệu. Từ độ lớn của điện áp này ta có thể đánh giá được cường độ từ trường tác
dụng vào trong trường hợp này. Nguyên lý hoạt động của cảm biến này có thể được
mô tả đơn giản như sau: cho một dòng kích thích Iexc chạy qua cuộn dây kích thích
sinh ra từ trường kích thích xoay chiều và tạo ra một thế ở lối ra Vout.
(a)
(b)
Hình 1.2. Ảnh chụp của cảm biến đơn đo từ trường 1D (a) và cảm biến tích hợp đo từ
trường 3D thương phẩm (b) dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ [4]
Trên hình 1.2 là cảm biến thương phẩm dùng để đo từ trường 1D và 3D đã
được phát triển bởi viện nghiên cứu Tyndall [5]. Fluxgate là cảm biến từ có độ nhạy
cao nhất khi làm việc ở nhiệt độ phòng. Khi làm việc ở thang từ trường 1mT có thể
cho độ phân giải của từ trường lên tới 100pT ở tần số từ 0-100MHz. Cho đến nay cảm
biến flux-gate vẫn được sử dụng nhiều hơn cả do đặc trưng của nó ổn định với nhiệt
độ, giá thành rẻ và có khả năng phát hiện từ trường trái đất. Tuy nhiên, hạn chế của
cảm biến loại này là kích thước lớn. Thêm vào đó, do cấu tạo của cảm biến có lõi sắt
từ có độ từ thẩm cao và có đặc trưng trễ từ đặt bên trong của các cuộn dây nên làm
giảm khả năng hoạt động của cảm biến đặc biệt khi đo trong vùng từ trường thấp.
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.
1.1.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thƣờng
Cảm biến từ được sử dụng phổ biến nhất trên thị trường hiện này là cảm biến
dựa trên hiệu ứng Hall thường được minh họa trên hình 1.2.
Nguyên lý hoạt động của sensor này dựa trên hiệu ứng Hall phẳng. Khi có một
dòng điện chạy qua chất bán dẫn khi có mặt từ trường ngoài tác dụng thì sự chuyển
động của tất cả các điện tích bị ảnh hưởng bởi lực Lorent:
F = qE + q[v×B]
(1.1)
trong đó q là điện tích của vật dẫn, v là véc tơ vận tốc, B là véc tơ từ trường. Giả thiết
rằng vật liệu là bán dẫn loại n để bỏ qua sự xuất hiện lỗ trống. Dưới tác dụng của lực
4
này, 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 (lỗ trống) thì 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
(1.2)
trong đó, RH điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là chiều dày
tấm vật liệu. Sử dụng công thức này ta có thể tính được từ trường thông qua điện áp
Hall thu được.
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall
Sensor loại này 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 sensor đo từ trường thành nhiều loại sensor khác như
sensor đo góc, vận tốc và tốc độ quay bằng cách tổ hợp nhiều cảm biến đơn (hình 1.4)
[6].
Hình 1.4. Cảm biến Hall tổ hợp đo từ trường 3D [6]
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 cảm biến trên một thiết bị đo, nó có thể cho độ
5
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 được từ trường trái đất. Tuy nhiên, cũng phải
chờ thêm thời gian nữa để các cảm biến Hall tổ hợp mới được ứng dụng rộng rãi.
1.1.3. Cảm biến AMR
Cảm biến từ điện trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance – AMR sensor)
có nguyên tắc hoạt động là dựa vào sự tán xạ của điện tử theo hướng mômen từ của
vật liệu làm cảm biến. Nói khác đi đây là hiệu ứng điện trở của các màng sắt từ thay
đổi phụ thuộc vào góc giữa từ độ (từ trường ngoài) và dòng qua cảm biến [7]. Nguyên
lý hoạt động cơ bản của cảm biến từ điện trở dị hướng được minh họa trong (hình 1.5).
Màng mỏng sắt từ có dị hướng từ đơn trục (trục dễ) được tạo ra nhờ dị hướng hình
dạng hoặc nhờ quá trình phún xạ trong từ trường (Hx). Dưới tác dụng của từ trường
ngoài giả sử hướng dọc theo trục Oy (Hy), các mômen từ của vật liệu sẽ có xu hướng
quay ra khỏi trục từ hóa dễ của màng tạo một góc θ với trục dễ Ox. Góc này một cách
gần đúng xác định bởi :
sin
Hy
Hx
với Hy < Hx
(1.3)
Biểu thức này chỉ đúng khi màng mỏng lý tưởng mà sự từ hóa tự phát thay đổi
bởi sự quay đồng bộ. Góc quay được tính theo nguyên lý cực tiểu năng lượng. Sự phụ
thuộc vào từ trường của điện trở có thể nhận được từ công thức:
R( H y ) R0 R cos2
Màng sắt từ
Hy
Mômen từ
y
θ
Chiều dòng điện
x
Hình 1.5. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ-điện trở dị hướng
Cảm biến AMR có độ nhạy cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, độ trôi ổn
định hơn cảm biến Hall, phạm vi hoạt động tần số rộng đạt được 10MHz. Nhờ độ nhạy
cao cảm biến được ứng dụng để đếm mật độ phương tiện lưu thông, đo cường độ dòng
điện không cần tiếp xúc, đo chuyển động và tốc độ quay của máy móc, đo từ trường
trái đất và các hệ thống định vị.
6
1.1.4. Cảm biến GMR
Cảm biến GMR gồm 2 lớp phản sắt từ (B) xen giữa là lớp không từ (A) (hình
1.6). Cảm biến GMR có thể cho độ nhạy khoảng 10 mV/mT. Cảm biến loại này là một
trong các linh kiện của kỹ thuật điện tử spin (spintronics). Tuy nhiên, chúng đang gặp
phải một hạn chế như vùng làm việc bị giới hạn ở vùng từ trường lớn (thường chỉ làm
việc trong khoảng 10 -3 đến 100 mT) và để có độ nhạy cao, các cảm biến này cần phải
có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp.
Giá trị GMR được định nghĩa:
GMR
R RAF RF
R
RF
B
A
B
(1.4)
B
A
B
a
b
Chiều từ
trường ngoài
Hình 1.6. Hiệu ứng từ trở khổng lồ: a Khi không có từ trường ngoài, mômen từ phản
song song-điện trở cao; b Khi có từ trường ngoài mômen từ song song-điện trở thấp
1.1.5. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện (ME sensor)
Mỗi loại cảm biến đều có những ưu điểm và nhược điểm và tuỳ theo mục đích
sử dụng mà ta nên chọn loại cảm biến nào cho phù hợp. Để xác định từ trường trái đất
chúng ta có thể sử dụng cảm biến Hall, cảm biến AMR,... nhưng các loại cảm biến này
công nghệ chế tạo phức tạp, giá thành cao. Chính vì vậy chúng tôi mạnh dạn tìm hiểu
và nghiên cứu loại cảm biến chế tạo đơn giản, giá thành thấp, phù hợp với công nghệ ở
Việt Nam mà vẫn đảm bảo được độ nhạy của cảm biến, đặc biệt là trong vùng từ
trường thấp đó là cảm biến dựa trên hiệu ứng từ giảo – áp điện. Để chế tạo cảm biến
dựa trên hiệu ứng này chúng tôi sử dụng vật liệu multiferroics. Nó là vật liệu lưỡng
pha sắt từ - sắt điện với sự tồn tại đồng thời của cả tính chất từ, tính chất từ đàn hồi và
tính chất áp điện (hình 1.7). Với độ nhạy trong khoảng từ trường nanô-tesla (nT), các
vật liệu này có khả năng ứng dụng các đầu đọc thông tin, các cảm biến sinh học và
cảm biến xác định phương vị bắc trong các thiết bị dẫn đường,... 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 công nghệ chế tạo
đơn giản, giá thành thấp, có thể làm việc ở nhiệt độ phòng…
Đặc biệt, năm 2007, Zhai và đồng nghiệp [8] đã công bố kết quả nghiên cứu
cảm biến từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện (hình 1.8) sử dụng nguồn
dòng xoay chiều 10 mA đạt độ nhạy từ trường vùng nT và góc lệch 10 -5 độ. Đây là
7
hướng nghiên cứu mà nhóm nghiên cứu ở Trường ĐH Công nghệ cũng đã tiếp cận kịp
thời và đã có một số kết quả ban đầu rất khả quan.
Hình 1.1. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện
trên các vật liệu multiferroics kiểu từ giảo-áp điện
Hình 1.2. Sơ đồ thí nghiệm và kết quả nghiên cứu cảm biến từ trường trái đất dựa trên
hiệu ứng từ giảo-áp điện của Zhai và đồng nghiệp (2007) [3]
1.2. Hiệu ứng từ - điện
1.2.1. Hiệu ứng từ giảo
Từ giảo là hiện tượng hình dạng và kích thước của vật liệu từ thay đổi khi chịu tác
dụng của từ trường ngoài (hình 1.7). Hiện tượng từ giảo đã được James Prescott Joule
(1818 - 1889) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842 [9]. Từ giảo tuyến tính Joule liên quan
đến sự định hướng của mômen từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiện tượng từ giảo
lớn thường chỉ quan sát thấy trên các kim loại có lớp vỏ điện tử từ có đám mây của các
điện tử không có dạng đối xứng cầu và tương tác spin - quỹ đạo (LS) mạnh, khi đó sự
quay của mômen spin gắn liền với sự quay của mômen quỹ đạo. Trường hợp tương tác
spin - quỹ đạo yếu (năng lượng tương tác LS ~ 0,015 eV/nguyên tử), khi đặt trong từ
trường ngoài chỉ có mômen spin dễ dàng quay theo hướng từ trường ngoài, trong khi đó
mômen quỹ đạo hầu như không chịu ảnh hưởng gì của từ trường ngoài (hiện tượng đóng
băng mômen quỹ đạo). Trong trường hợp này, mặc dù đám mây điện tử có dạng không
đối xứng cầu nhưng năng lượng cần thiết để quay mômen spin theo từ trường ngoài yếu
8
và từ giảo nhỏ (hình 1.11.a). Đó là trường hợp của các kim loại chuyển tiếp 3d (Fe, Co,
Ni).
Hình 1.7. Hiệu ứng từ giảo tuyến tính Joule trên mẫu vật liệu hình thanh.
Từ giảo của các vật liệu được đặc trưng bởi hệ số từ giảo được xác định theo
công thức sau:
H
l H l H l 0
l 0
l 0
(1.5)
với l(0) là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trường ngoài và l(H) là chiều
dài của mẫu khi có từ trường ngoài H đặt vào. Từ giảo là một đại lượng không có thứ
nguyên. Trong các vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng, hiện tượng từ giảo thể hiện
bởi biến dạng tuyến tính (l/l) theo phương từ trường ngoài (hình 1.12).
1.2.2.
Hiệu ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi Jacques và Pierre Curie là
hiện tượng vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất kéo hoặc nén thì trong lòng vật liệu
sẽ xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng hoặc ngược lại, khi vật liệu chịu tác dụng của
điện trường thì vật liệu sẽ bị biến dạng dài ra hoặc ngắn lại tùy thuộc vào điện trường
ngoài cùng chiều hay ngược chiều với véc tơ phân cực điện của vật liệu. Hình 1.8 mô
tả hiệu ứng áp điện dưới tác dụng của ứng suất bên ngoài. Nếu vật liệu chịu ứng suất
nén hoặc kéo dọc theo phương phân cực thì sẽ dẫn đến sự giảm hoặc tăng của độ phân
cực điện trong lòng vật liệu và kết quả sẽ làm xuất hiện trong lòng vật liệu một điện
trường cùng chiều hay ngược chiều với véc tơ phân cực điện. Kết quả là trên hai mặt
đối diện của vật liệu áp điện sẽ xuất hiện thế áp điện có dấu và độ lớn phụ thuộc vào
ứng suất tác dụng theo công thức [10]:
9
E g33
(1.6)
với g33 là hệ số tỉ lệ đặc trưng cho từng vật liệu và là độ lớn ứng suất tác dụng (ứng
suất nén 0 và ứng suất kéo 0).
Hình 1.8. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng của ứng
suất nén (b) và giãn cơ học (c).
Hiệu ứng áp điện xảy ở một số điện môi tinh thể như thạch anh, tuamalin,... Hiệu
ứng áp điện cũng được quan sát thấy trên các vật liệu đa tinh thể như các gốm áp điện.
Từ khi được phát hiện ra cho đến nay, các gốm áp điện đã được nghiên cứu và đưa vào
ứng dụng rất mạnh trong nhiều lĩnh vực như màng rung, máy phát điện, sensơ, bộ
chuyển đổi,... Một trong những vật liệu gốm áp điện được sử dụng rộng rãi nhất hiện
nay là PbTiZrO3 (PZT) được chế tạo bằng phương pháp nung thiêu kết oxít chì, Zr và
Ti. Vật liệu PZT có nhiều tính năng nổi trội như độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu
ảnh hưởng của điện dung ký sinh, độ bền cơ học cao và dễ gia công. Hiện nay các vật
liệu áp điện PZT có thành phần và tính chất tối ưu tùy vào mục đích sử dụng đã được
thương mại hóa và sản xuất hàng loạt theo yêu cầu được cung cấp bởi các công ty với
giá thành thấp.
1.2.3. Hiệu ứng tổ hợp từ-điện
1.2.3.a Nguyên lý hoạt động
Hiệu ứng từ - điện là hiện tượng vật liệu bị phân cực điện ( P ) khi đặt trong từ
trường ngoài (hiệu ứng từ-điện thuận), hay ngược lại vật liệu bị phân cực từ khi có điện
trường ngoài đặt vào (hiệu ứng từ-điện nghịch) [11]. Hiệu ứng này thường được quan sát
thấy trên các vật liệu có sự kết hợp đồng thời cả 2 pha sắt từ và sắt điện (hình 1.9).
10
Hình 1.9. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu
multiferoics kiểu sắt từ/sắt điện
Khi chịu tác dụng của từ trường ngoài, pha sắt từ sẽ bị biến dạng do hiệu ứng từ
giảo. Sự biến dạng này sẽ tạo ra ứng suất truyền sang pha sắt điện (do có liên kết cơ học)
và do đó sẽ xuất hiện sự thay đổi véc tơ phân cực điện trong lòng pha sắt điện do hiện
tượng áp điện thuận. Khi đó, trên bề mặt vật liệu áp điện sẽ xuất hiện điện tích cảm ứng
(điện trường) bởi từ trường. Bằng các thiết bị đo (máy khuếch đại điện tích) ta có thể xác
định được lượng điện tích được tạo ra này. Điện lượng này thay đổi phụ thuộc vào ứng
suất hay phụ thuộc vào từ trường tác dụng. Thông qua việc đo điện lượng (điện trường)
được tạo ra này ta có thể tính được từ trường chịu tác dụng. Đây chính là nguyên lý hoạt
động khi sử dụng vật liệu tổ hợp từ-điện chế tạo làm sensor đo từ trường.
Hiệu ứng từ-điện được coi như là một hiệu ứng tích của hai hiệu ứng từ giảo và
hiệu ứng áp điện, được đặc trưng bởi hệ số từ điện được định nghĩa bởi công thức sau:
E
dE dE d
dH d dH
(1.7)
1.2.3.b Nguyên lý đo hiệu ứng từ - điện
Như đã trình bày trong phần 1.2.3.a về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng, đối với
vật liệu tổ hợp dạng lớp gồm hai lớp, do có sự liên kết giữa hai lớp nên 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 gì bởi từ trường này. Trong trường hợp này, biến
dạng trên vật liệu tổ hợp sẽ được quan sát là biến dạng uốn cong (xem hình 1.10) và ứng
suất được sinh ra cũng là một ứng suất không đổi (DC). Sự có mặt của ứng suất này sẽ
làm xuất hiện trên bề mặt của tấm áp điện lượng điện tích cảm ứng không đổi (QDC). Lúc
này tấm áp điện hoạt động như một tụ điện với lượng điện tích này không được duy trì
mãi mà sẽ bị suy giảm rất nhanh sau một hằng số thời gian () do xảy ra hiện tượng phóng
điện khi kết nối với các thiết bị đo đạc. Chính vì lý do này, trong các bố trí thực nghiệm,
người ta đã cung cấp thêm một từ trường xoay chiều (hac) với mục đích tạo ra các ứng suất
dạng dao động (ac). Sự xuất hiện của ứng suất này sẽ tạo ra điện lượng biến thiên (qac)
11
trên tấm áp điện và việc đo đạc có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách sử dụng các
voltmeter có chức năng đo điện áp xoay chiều.
Khi đó, hệ số thế từ - điện E được xác định qua điện áp lối ra VME được đo trực
tiếp từ tấm áp điện theo công thức:
E
dE 1 dVME
dH t dH
(1.8)
với t là chiều dày của tấm áp điện.
Thông thường VME là hàm phi tuyến phụ thuộc vào từ trường:
VME f ( H )
(1.9)
Ta có thể khai triển biểu thức (1.9) dưới dạng chuổi Taylor theo biểu thức:
1 d nV
n
n 0 n! dH
VME
12
Hn
H 0
(1.10)
VME const H H 2 H 3 ...
(1.11)
1 d 2VME
,
2 dH 2
H 0
(1.12)
ở đây:
dV
const VME ( H ) H 0 , ME
dH
1 d 3VME
và
6 dH 3
H 0
H 0
với
H H dc hac
(1.13)
H H dc hο sin 2 ft
(1.14)
Biểu thức (1.11) có thể được viết lại dưới dạng:
VME const H dc hο sin 2 ft H dc hο sin 2 f
2
H dc hο sin 2 f ...
3
(1.15)
hay
VME A H dc , h B H dc , h sin 2 ft
C H dc , hο cos 4 ft D H dc , hο sin 6 ft ...
(1.16)
Thế hiệu - từ điện:
VME
3
H dc4
8 16 24 hο 6 hο
B H dc , hο
...
3
8 H dc H dc2 H dc H dc H dc2 H dc
Bỏ qua số hạng bậc cao
(1.17)
hο
h
( ο 1 ) và xấp xỉ đạo hàm riêng bậc nhất ta có:
H dc H dc
VME hο hο
dVME
dH
(1.18)
H 0
Khi đó, biểu thức mối liên hệ giữa hệ số từ - điện với từ trường và độ dày của tấm
áp điện được viết tổng quát dưới dạng:
E
dE 1 dVME 1 VME
dH t dH
t hο
(1.19)
Công thức này sẽ được sử dụng để tính toán hệ số từ-điện trong các phép đo thực
nghiệm của luận văn.
13
- Xem thêm -
.PDF 
57 
205 
131 
