Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:185

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa "Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt; Lựa chọn cấu trúc và mô phỏng cải thiện độ nhạy cho cảm biến từ SAW-MO; Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ FeNiPVA.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ DUY PHÚ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM BỀ MẶT CÓ KẾT HỢP VỚI VẬT LIỆU TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ DUY PHÚ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM BỀ MẶT CÓ KẾT HỢP VỚI VẬT LIỆU TỪ Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. HOÀNG SĨ HỒNG 2. PGS.TS. LÊ VĂN VINH Hà Nội - 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và PGS.TS Lê Văn Vinh. Luận án được thực hiện hoàn toàn trong thời gian tôi là nghiên cứu sinh tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Các kết quả, số liệu trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo từ các công trình đã được công bố đều được trích dẫn một cách rõ ràng và theo đúng quy định. Tất cả những tham khảo trong luận án được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 2024 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Hoàng Sĩ Hồng PGS.TS. Lê Văn Vinh Đỗ Duy Phú i
LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ”, nghiên cứu sinh (NCS) đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, tập thể lãnh đạo, ban đào tạo, các phòng ban chức năng, các cán bộ, chuyên viên Đại học Bách khoa Hà Nội. NCS xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành về sự quan tâm giúp đỡ đầy quý báu đó. NCS cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường Điện – Điện tử, Viện ITIMS, nay là trường Vật liệu – Đại học Bách khoa Ha Nội, các nhà khoa học nơi tôi nghiên cứu đã tạo điều kiện, giúp đỡ và luôn động viên trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn những người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, theo sát và luôn động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án này. NCS xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo cơ quan nơi tôi công tác cùng các đồng nghiệp, bạn bè đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. NCS xin chân thành cảm ơn gia đình của tôi đã luôn động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án Đỗ Duy Phú ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ ................................................................... v DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................. xi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1. Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt ............................... 4 1.1. Tổng quan về cảm biến từ ................................................................................ 4 1.2. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 9 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .......................................................... 11 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................ 18 1.2.3. Thách thức của luận án ............................................................................ 19 1.3. Cơ sở lý thuyết sự hình thành sóng âm trong chất rắn ................................... 21 1.4. Các hiệu ứng và lựa chọn loại vật liệu ........................................................... 36 1.4.1. Hiệu ứng áp điện và lựa chọn vật liệu ..................................................... 36 1.4.2. Hiệu ứng từ giảo và lựa chọn vật liệu ...................................................... 38 1.4.3. Nguyên lý hình thành sóng âm bề mặt .................................................... 40 1.5. Các phương pháp mô phỏng .......................................................................... 42 1.5.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................. 42 1.5.2. Phương pháp động lực học phân tử ......................................................... 43 1.5.3. Phương pháp mô phỏng mô hình mạch tương đương ............................. 44 Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 45 Chương 2. Lựa chọn cấu trúc và mô phỏng cải thiện độ nhạy cho cảm biến từ SAW-MO ................................................................................................................. 47 2.1. Lựa chọn cấu trúc cảm biến SAW-MO ......................................................... 47 2.1.1. Lựa trọn cấu truc cơ sở ............................................................................ 47 2.1.2. Cấu trúc cảm biến SAW-MO .................................................................. 48 2.2. Mô hình mô phỏng FEM ................................................................................ 50 2.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng .................................................................. 50 2.2.2. Hiệu ứng delta-E, trường khử từ và phạm vi mô phỏng.......................... 52 2.3. Ảnh hưởng đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến SAW-MO........................ 55 2.3.1. Quá trình mô phỏng FEM ........................................................................ 55 2.3.2. Đáp ứng làm việc của cảm biến ............................................................... 60 iii
2.3.3. Ảnh hưởng của vận tốc sóng âm đến đáp ứng của cảm biến .................. 65 2.4. Ảnh hưởng của độ dày lớp nhạy từ và đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến67 2.4.1. Ảnh hưởng độ dày lớp nhạy từ đến độ nhạy của cảm biến ..................... 68 2.4.2. Ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến ....................... 79 2.5. Mô phỏng động lực học phân tử lớp vật liệu nhạy từ Nickel ........................ 84 2.5.1. Mô hình mô phỏng vật liệu nhạy từ Nickel ............................................. 84 2.5.2. Kết quả mô phỏng vật liệu nhạy từ Nickel .............................................. 87 Kết luận chương 2 ................................................................................................. 91 Chương 3. Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ FeNiPVA .................................................................................................................. 93 3.1. Mô phỏng FEM cảm cho biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz ............................. 94 3.1.1. Yêu cầu khi mô phỏng cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz .................. 95 3.1.2. Mô hình mô phỏng................................................................................... 95 3.1.3. Mô phỏng mô hình tương đương cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz .. 96 3.2. Mô phỏng cảm biến SAW-MO bằng phương pháp ma trận truyền TM...... 102 3.2.1. Yêu cầu của mô phỏng ma trận truyền .................................................. 102 3.2.2. Mô hình ma trận truyền cho cảm biến SAW-MO ................................. 103 3.2.3. Kết quả mô phỏng bằng phương pháp TM ............................................ 107 3.3. Chế tạo thực nghiệm cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz .......................... 110 3.3.1. Các yêu cầu khi chế tạo thực nghiệm cảm biến SAW-MO ................... 110 3.3.2. Chế tạo thiết bị SAW trống ................................................................... 110 3.3.3. Chế tạo cảm biến SAW-MO .................................................................. 113 3.3.4 Thiết lập hệ thống đo .............................................................................. 117 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 122 Kết luận và hướng phát triển .............................................................................. 123 Danh mục các công trình đã công bố của luận án ............................................. 125 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 126 Phụ lục ....................................................................................................................... 1 Phụ lục A: Giao diện chính của phần mềm ANSYS-APDL ................................... 1 Phụ lục B: Mã lệnh mô phỏng FEM ....................................................................... 2 Phụ lục C: Mã lệnh mô phỏng phương pháp TM ................................................... 7 Phụ lục D: Một số module phần mềm của mô phỏng MD ................................... 11 Phụ lục E: Một số hình ảnh quá trình làm thực nghiệm tại viện ITIMS ............... 33 iv
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1.1. Các nguyên lý cảm biến từ. ........................................................................ 4 Hình 1.2. Dải đo các loại cảm biến từ ........................................................................ 5 Hình 1.3. Nguyên lý cảm biến Hall ............................................................................ 5 Hình 1.4. Cấu trúc và nguyên lý cảm biến kích từ dọc .............................................. 7 Hình 1.5. Ứng dụng cảm biến SAW trong các lĩnh vực .......................................... 10 Hình 1.6. Số công trình công bố với từ khóa “Magnetic sensor” theo năm trên mendeley.com/search ............................................................................................... 18 Hình 1.7. Số công trình công bố với từ khóa “SAW magnetic sensor” theo năm trên mendeley.com/search ............................................................................................... 18 Hình 1.8. Ví trí cân bằng (hạt đen) và biến dạng (hạt trắng) các hạt ....................... 21 Hình 1.9. Chuyển vị của hạt khi biến dạng .............................................................. 22 Hình 1.10. Chuyển động quay cứng của vật liệu ..................................................... 24 Hình 1.11. Ứng suất tác động trên hạt vật liệu ......................................................... 28 Hình 1.12. Tinh thể cấu trúc dạng lập phương ......................................................... 31 Hình 1.13. Mô hình vật liệu áp điện ......................................................................... 33 Hình 1.14. Hiệu ứng áp điện .................................................................................... 36 Hình 1.15. Sự phân cực của phân tử áp điện khi bị lực tác động ............................. 36 Hình 1.16. Vật từ khi bị từ hóa ................................................................................. 39 Hình 1.17. Cấu trúc và nguyên lý của một thiết bị SAW delay-line ........................ 40 Hình 1.18. Các dạng cấu trúc bộ IDT ....................................................................... 40 Hình 2.1. Các cấu trúc của cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt................................. 47 Hình 2.2. Cấu trúc và nguyên lý của cảm biến từ SAW-MO................................... 48 Hình 2.3. Các thông số cấu trúc của cảm biến từ SAW-MO ................................... 49 Hình 2.4. Hiệu ứng delta-E của lớp nhạy từ FeNi .................................................... 51 Hình 2.5. Đáp ứng của hiệu ứng delta-E .................................................................. 53 Hình 2.6. Các đường sức từ bên trong mẫu khi bị từ hóa tạo nên trường khử từ .... 54 Hình 2.7. Hướng tác động từ trường lên mẫu vật dạng màng .................................. 54 Hình 2.8. Quá trình thực hiện mô phỏng cảm biến từ SAW-MO với đế áp điện AlN và LiNbO3 ................................................................................................................. 58 Hình 2.9. Nguyên lý hoạt động và quá trình mô phỏng cảm biến SAW-MO .......... 59 Hình 2.10. Hình ảnh thể hiện quá trình mô phỏng FEM .......................................... 59 Hình 2.11. Đáp ứng điện áp trên IDT-out của cảm biến dùng đế AlN .................... 60 Hình 2.12. Đáp ứng điện áp trên IDT-out của cảm biến dùng đế LiNbO3............... 60 Hình 2.13. Đáp ứng tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/AlN ................ 61 Hình 2.14. Đáp ứng tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/LiNbO3 ........... 61 Hình 2.15. Đáp ứng tần số tại các điểm làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/AlN . 62 v
Hình 2.16. Đáp ứng tần số tại các điểm làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/LiNbO3 .................................................................................................................................. 62 Hình 2.17. Đáp ứng làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/AlN ................................ 64 Hình 2.18. Đáp ứng làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/LiNbO3........................... 64 Hình 2.19. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3 ..................................................................................................... 65 Hình 2.20. Quá trình mô phỏng tìm điểm (h3tu) có độ dày tối ưu........................... 69 Hình 2.21. Quan hệ giữa tần số trung tâm và độ dày lớp nhạy từ FeNi, khi H = 0 . 70 Hình 2.22. Quan hệ giữa vận tốc sóng âm bề mặt và độ dày lớp nhạy từ FeNi, ...... 71 khi H = 0. .................................................................................................................. 71 Hình 2.23. Đáp ứng tần số quanh điểm làm việc tối ưu của cảm biến ..................... 72 Hình 2.24. Quá trình mô phỏng đáp ứng cảm biến quanh điểm tối ưu .................... 73 Hình 2.25. Đáp ứng làm việc của cảm biến FeNi/IDT/AlN quanh điểm tối ưu ...... 75 Hình 2.26. Quan hệ giữa độ nhạy của cảm biến với độ dày (h3) lớp nhạy từ FeNi. 76 Hình 2.27. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN, khi cùng dải đáp ứng .................................................................................................................................. 76 Hình 2.29. Đáp ứng tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1060 (nm) .......... 77 Hình 2.30. Đáp ứng tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1210 (nm) .......... 78 Hình 2.31. Đáp ứng tần số trung tâm khi thay đổi độ dày đế áp điện (h1) tại h3tu .. 79 Hình 2.32. Đặc tính tần số của cảm biến khi giảm h1 tại h3tu.................................. 79 Hình 2.33. Qua trình mô phỏng ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến tần số trung tâm .................................................................................................................................. 80 Hinh 2.34. Tần số trung tâm của cảm biến với h1=35 (m) và =30 (m) tại h3tu . 81 Hình 2.35. Quá trình mô phỏng đáp ứng làm việc của cảm biến tại các điểm tối ưu .................................................................................................................................. 82 Hình 2.36. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3tu = 1060 (nm),  = 35 (m) .. 83 Hình 2.37. Cấu trúc cảm biến SAW-MO dạng delay-line: (a) không có lớp cách điện, (b) có lớp cách điện .................................................................................................. 85 Hình 2.38. Sự biến đổi của năng lượng thế năng trung bình trên mỗi nguyên tử theo nhiệt độ ..................................................................................................................... 87 Hình 2.39. Hàm PBXT của mẫu vật liệu Ni tại các nhiệt độ khác nhau .................. 87 Hình 2.40. Trực quan hóa các quả cầu nguyên tử mặt cắt mẫu M1 ......................... 88 Hình 2.41. Đường cong ứng suất – biến dạng dưới sự biến dạng đơn trục mẫu M1 tại 300K ......................................................................................................................... 89 Hình 2.42. Độ từ hóa (a) và độ cảm từ (b) phụ thuộc vào nhiệt độ của các mẫu Ni 90 Hình 2.43. Đường cong từ trễ của các mẫu vật liệu Ni ............................................ 90 Hình 3.1. Các bước nghiên cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO ............................. 93 Hình 3.2. Cấu trúc cảm biến SAW-MO dùng đế Quartz ......................................... 95 Hình 3.3. Quá trình mô phỏng FEM cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz .............. 97 vi
Hình 3.4. Tần số cộng hưởng khi không có lớp nhạy .............................................. 97 Hình 3.5. Tần số trung tâm với lớp nhạy có độ dày h3=190 (nm) khi H = 0 (Oe) .. 98 Hình 3.6. Tần số trung tâm với lớp nhạy có độ dày h3=200 (nm) khi H = 0 (Oe) .. 99 Hình 3.7. Các đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3=190 (nm) .......................... 99 Hình 3.8. Các đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3=200 (nm) ........................ 100 Hình 3.9. Độ nhạy của cảm biến trên toàn dải đáp ứng làm việc........................... 100 Hình 3.10. Độ nhạy của cảm biến trên cùng dải đáp ứng làm việc ........................ 101 Hình 3.11. Cấu trúc cảm biến SAW-MO dùng cho mô phỏng TM ....................... 102 Hình 3.12. Mô hình ma trận truyền của cảm biến SAW-MO ................................ 103 Hinh 3.13. Mô hình ECM cho mỗi ngón tay .......................................................... 104 Hình 3.14. Kết quả mô phỏng tần số trung tâm. .................................................... 107 Hình 3.15. Đáp ứng làm việc của cảm biến FeNi/IDT/ST-Quartz......................... 108 Hình 3.16. Đáp ứng dịch tần của cảm biến FeNi/IDT/ST-Quartz ......................... 108 Hình 3.17. Đáp ứng tần số với đặc tính vm-H bậc hai ............................................ 109 Hình 3.18. Đáp ứng tần số với đặc tính vm-H bậc ba ............................................. 109 Hình 3.19. Kích thước của các bộ IDT (đơn vị: mm) ............................................ 110 Hình 3.20. Các nguyên công chế tạo thiết bị SAW ................................................ 111 Hình 3.21. Hình ảnh quá trình chế tạo thiết bị SAW ............................................. 111 Hinh 3.22. Sản phẩm chế tạo .................................................................................. 112 Hình 3.23. Đo phần tần số cộng hưởng thiết bị SAW ............................................ 112 Hinh 3.24. Tần số cộng hưởng của thiết bị SAW trống ......................................... 113 Hình 3.25. Mẫu phân tích XRD của hạt nano FeNi ............................................... 113 Hình 3.26. Hình ảnh FESEM của hạt nano từ FeNi ............................................... 114 Hình 3.27. Mẫu lớp nhạy từ.................................................................................... 114 Hình 3.28. Quá trình gia nhiệt sấy khô cảm biến ................................................... 115 Hình 3.29. Các mẫu cảm biến ................................................................................ 115 Hình 3.30. Các bước chế tạo thực nghiệm cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz. .. 116 Hình 3.31. Hệ thống đo của cảm biến SAW-MO .................................................. 117 Hình 3.32. Đáp ứng dịch tần số của các mẫu cảm biến ......................................... 118 Hình 3.33. Mật độ phân bố các đảo FeNi của lớp nhạy từ: (a) mẫu cảm biến S2, (b) mẫu cảm biến S3..................................................................................................... 118 Hình 3.34. Đô dày trung bình lớp nhạy từ của mẫu cảm biến S2 được đo trên máy DektakXT ............................................................................................................... 119 Hình 3.35. Đô dày trung bình lớp nhạy từ của mẫu cảm biến S3 được đo trên máy DektakXT ............................................................................................................... 119 Hình 3.36. Đáp ứng tần số của mẫu cảm biến S2 tại H = 0 (Oe) và H = 100 (Oe) 120 Hình 3.37. Đáp ứng tần số của mẫu cảm biến S3 tại H = 0 (Oe) và H = 80 (Oe) .. 120 Hình 3.38. Đáp ứng dịch tần số trung bình tại lớp nhạy có độ dày trung bình h3 = 195 (nm) ........................................................................................................................ 121 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các đặc tính của cảm biến từ dạng SAW................................................. 16 Bảng 1.2. Các yếu tố tác động đến độ nhạy cảm biến. ............................................. 16 Bảng 1.3. Ưu nhược điểm của các loại cảm biến từ ................................................... 8 Bảng 1.4. Các loại vật liệu áp điện ........................................................................... 37 Bảng 1.5. Các đặc điểm của những kim loại dùng chế tạo IDT ............................... 41 Bảng 2.1. Giá trị các thông số cấu trúc của cảm biến SAW-MO ............................. 49 Bảng 2.2. Các thông số vật lý của vật liệu áp điện (AlN, LiNbO3), nhôm (Al) và hợp kim FeNi ................................................................................................................... 56 Bảng 2.3. Đáp ứng tần số(f) và dịch tần số (f)/cường độ từ trường của cảm biến có cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3 ......................................................... 63 Bảng 2.4. Đáp ứng Vận tốc SAW/cường độ từ trường của cảm biến có cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3 ....................................................................... 66 Bảng 2.5. Các thông số cấu trúc hình học của cảm biến từ FeNi/IDT/AlN ............. 67 Bảng 2.6. Tần số trung tâm (f0) và vận tốc sóng âm bề mặt (VR). Tại các điểm có độ dày khác nhau của lớp nhạy từ FeNi (h3) ................................................................ 70 Bảng 2.7. Đáp ứng làm viêc của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1000 (nm). ...... 72 Với h1 = 400 (m) và  = 40 (m). ......................................................................... 72 Bảng 2.8. Đáp ứng làm viêc của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1060 (nm). Với h1 = 400 (m) và  = 40 (m). ..................................................................................... 74 Bảng 2.9. Đáp ứng làm viêc của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1210 (nm). Với h1 = 400 (m) và  = 40 (m) ...................................................................................... 74 Bảng 2.10. Độ nhạy của cảm biến tại các độ dày quanh điểm tối ưu. Với  = 40 (m) và h1 = 400 (m). ..................................................................................................... 75 Bảng 2.11. So sánh độ nhạy của các cảm biến từ dạng SAW .................................. 78 Bảng 2.12. Độ nhạy (Sn) và độ dịch tần số (f) của cảm biến với hai nhóm thông số cấu trúc. Khi dải làm việc từ 0 đến 33.1 (Oe) .......................................................... 83 Bảng 2.13. Số lượng nguyên tử tinh thể fcc, hcp và vđh của mẫu tại 300 (K) phụ thuộc vào sự biến dạng  .................................................................................................... 88 Bảng 3.1. Các thông số vật lý của các lớp vật liệu: Áp điện (ST-Quartz), nhạy từ (FeNi), Nhôm (Al) và PVA ...................................................................................... 95 Bảng 3.2: Tần số trung tâm của cảm biến với độ dày lớp nhạy h3 = 190 (nm) và 200 (nm), khi H = 0 (Oe) ................................................................................................. 98 Bảng 3.3: Độ nhạy (Sn) của cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz ......................... 100 Bảng 3.4. Mối quan hệ giữa vm và H ...................................................................... 106 Bảng 3.5. Các mẫu lớp nhạy từ .............................................................................. 115 Bảng 3.6. Dải đo và độ nhạy của cảm biến giữa mô phỏng và thực nghiệm ......... 121 viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AMR Anisotropic Magnetoresistance Từ trở dị hướng Phần mềm dùng để mô phỏng, ANSYS Analysis System tính toán thiết kế công nghiệp Ansys Parametric Design Ngôn ngữ thiết kế tham số APDL Language ANSYS thiết kế được sự hỗ trợ của máy CAD Computer-Aided Design tính Centimetre-Gram-Second CGS Hệ đơn vị CGS system Phương pháp phân tích lân cận CNA Common Neighbor Analysis chung Phương pháp ghép cặp chế độ COM Coupling of Modes riêng Phần mềm phân tích phần tử COMSOL Comsol Multiphysics hữu hạn, giải và mô phỏng Phương pháp lắng đọng hơi CVD Chemical Vapor Deposition hóa học Phương pháp mô phỏng động ĐLHPT Động lực học phân tử lực học phân tử MD Crossed-field Equivalent ECM Mô hình trường tréo Circuit Model FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn Field Emission Scanning Kính hiển vi điện tử quét xạ FESEM Electron Microscope trường FFT Fast Fourier Transform Phân tích mật độ phổ FFT GMI Giant Magnetoimpendance Từ tổng trở khổng lồ GMR Gaint Magnetoresistance Từ trở khổng lồ IDT Inter Digital Tranducer Bộ chuyển đổi số (Bộ điện cực) IDT-in Inter Digital Tranducer-Input Bộ điện cực đầu vào IDT-out Inter Digital Tranducer-Output Bộ điện cực đầu ra IL Inserion Loss Độ suy hao IRM Impulse Response Model Mô hình đáp ứng xung Viện Đào tạo quốc tế về khoa International Training Institute ITIMS học vật liệu, Trường vật liệu, for Materials Science Đại học Bách khoa Hà Nội MC Monte – Carlo Mô phỏng Monte-Carlo MD Molecular Dynamics Động lục học phân tử ix
ME Magnetoelectric Từ điện Micro Electro Machanical MEMS Hệ thống vi cơ điện tử System OHE Ordinary Hall Effect Hiệu ứng Hall PBXT Phân Bố Xuyên Tâm Hàm phân bố xuyên tâm PE Piezoelectric Áp điện ppm Part per milion Một phần một triệu PVA Polyvinyl alcohol Nhựa polime PVA RF Radio Frequency Tần số radio SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt SAW-MO SAW-Magnetostriction SAW-từ giảo SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SI System International unite Hệ đơn vị quốc tế SI Sn Sensitivity Độ nhạy Single-Phase Unidirectional Bộ điện cực IDT dạng bất đối SPUDT Transducer xứng Superconducting Quantium SQUID Lượng tử siêu dẫn Interference Device Temperature Coefficient of TCF Hệ số tần số phụ thuộc nhiệt độ Frequency TM Transmission Matrix Ma trận truyền TMR Tunnel magnetoresistance Từ trở xuyên hầm XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TT Kí hiệu Ý nghĩa 1 Tc Nhiệt độ Curie 2 H Cường độ từ trường 3 , a, l Sai số tương đối 4 u, u Chuyển vị (Displacement) 5 S,  Biến dạng 6 T,  Ứng suất 7 F Lực khối 8  Khối lượng riêng (mật độ khối) 9  Toán tử div 10 D Chuyển vị điện tích (Electric displacement) 11 C, c Ma trận hệ số độ cứng (elastic stiffness) 12 e Ma trận áp điện 13  Ma trận hằng số điện môi 14 VR Vận tốc sóng Rayleigh (sóng âm bề mặt) 15 VS Vận tốc sóng cắt (Shear) 16 v Vận tốc sóng 17 A Hằng số dị hướng (do cấu trúc tính thể) 18 f0 Tần số trung tâm 19 fc Tần cố cộng hưởng 20 f Độ dịch tần số 21 V Độ dịch vận tốc sóng âm 22  Hệ số Poison 23 Sa, Sl, Sn Độ nhạy (Sensitivity) 24 m Khối lượng, Độ từ hóa (Từ độ) 25  Hệ số từ giảo, Bước sóng 26 ke Hệ số ảnh hưởng tỉ lệ nồng độ hạt nano FeNi và PVA 27 N Số hạt mô phỏng MD 28 U Thế năng tổng 29 Kx Độ cứng của lò so 30 kB Hằng số Boltzmann 31 E Năng lượng tổng, hoặc Module Young 32 M Mô men từ hóa 33 I Độ từ hóa (Từ độ) 34  Độ cảm từ 35 Nd Hệ số khử từ xi
36 Nx, Ny, Nz Hệ số khử từ theo các trục tọa độ x, y, z 37 Hd Trường khử từ 38 Heff Cường độ từ trường hưởng ứng (tác dụng) 39 IDTin(f) Ma trận truyền [ABCD] của bộ điện cực vào 40 IDTout(f) Ma trận truyền [ABCD] của bộ điện cực ra 41 D(f) Ma trận truyền [ABCD] của lớp nhạy vùng delay-line 42 vm Vận tốc sóng âm bề mặt vùng phủ vật liệu trên đế áp điện 43 SAW(f) Ma trận truyền [ABCD] của cảm biến 44 CS Điện dụng trễn mỗi cặp ngón tay 45 S21 Tỉ lê năng lượng đầu ra trên đầu vào của mạng hai cửa 46 x, y, z Các trục của hệ trục tọa độ 47 w Khẩu độ âm (hay khẩu độ sóng âm) xii
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Cảm biến từ là một trong những loại cảm biến có khả năng đo nhiều các đại lượng vật lý và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghệ thông tin-điện tử [1, 2], y học [3, 4], định vị [5], ô tô tự hành [6, 7], robot [8, 9], thăm dò địa chất [10] và đặc biệt là trong các hệ thống đo lường, thu thập dữ liệu và tự động hóa công nghiệp. Cảm biến từ cũng được biết đến và hoạt động bằng nhiều nguyên lý khác nhau, mỗi nguyên lý có ưu và nhược điểm riêng như từ trở, cảm ứng điện từ, hiệu ứng Hall, v.v [11-14]. Bên cạnh đó, các thiết bị hoạt động trên cơ sở sóng âm bề mặt (SAW: Surface Acoustic Wave) đã và đang được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong tương lai bởi chúng có ưu điểm nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, dễ chế tạo và có hiệu suất cao cùng nhiều ưu điểm khác [15]. Thiết bị SAW có thể hoạt động như cảm biến [16-18], bộ truyền động hay cơ cấu chấp hành [19, 20], bộ lọc [21] và bộ xử lý tín hiệu [2]. Chúng thậm chí có thể hoạt động mà không cần cấp nguồn (cảm biến thụ động) và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt [7, 22]. Trong những năm đây, cảm biến từ áp dụng nguyên lý sóng âm bề mặt kết hợp với vật liệu nhạy từ giảo (cảm biến SAW-MO: SAW-Magnetostriction) với hiệu ứng delta-E được quan tâm và phát triển. Cấu trúc của cảm biến có thể lựa chọn các loại như: cấu trúc delay-line hai cổng, bộ cộng hưởng SAW một cổng và loại tải phát vấn. Thông tin đo của cảm biến được thể hiện qua biên độ, pha hoặc tần số của điện áp đầu ra và rất dễ dàng cho việc gia công và xử lý tín hiệu đo bằng phương pháp số. Mặt khác, các tín hiệu vật lý có thể đo thông qua từ trường rất phổ biến trong thực tế như cường độ từ trường, dòng điện, góc, tốc độ, v.v. Các đại lượng này có giá trị rất nhỏ như từ trường sinh học [từ trường được tạo ra bởi não người khoảng 3*10-14 (Oe)], lớn hơn là từ trường trái đất khoảng 40 (Oe), lớn hơn nữa là từ trường trong máy chụp cộng hưởng từ khoảng 2*104 (Oe), v.v hay từ trường rất lớn là sinh ra trong các ngôi sao Neutron đến 1012 (Oe). Như vậy, dải đo của từ trường là rất rộng khoảng từ 10-14 (Oe) đến 1012 (Oe) [23, 24]. Điều này đặt ra nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu và chế tạo cảm biến từ, đặc biệt là cảm biến từ khi đo ở vùng từ trường thấp như từ trường sinh học (do não, tim phát ra), từ trường trong không gian đô thị và phát hiện sinh tồn nhờ từ trường, v.v. Ngoài các ưu điểm chung của thiết bị SAW như trên, cảm biến từ SAW-MO còn có thêm các ưu điểm như độ bền cao, tuổi thọ của cảm biến dài, thời gian tác động và phục hồi nhanh, chu kỳ lấy mẫu nhanh và đặc biệt là rất nhạy đối với các tín hiệu nhỏ. Với những ưu điểm như trên, cảm biến từ dạng SAW hứa hẹn sẽ mạng lại nhiều lợi ích khi ứng dụng đo ở vùng từ trường thấp. Vì vậy, nghiên cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO là quan trọng và cần thiết. Đề tài luận án “Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ” tập trung thực hiện nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số cấu trúc, bao gồm: độ dày lớp nhạy từ, độ dày đế áp 1
điện và loại vật liệu áp điện đến độ nhạy và dải đo của cảm biến từ dạng SAW trong dải từ trường thấp. Từ đó, xác định được cấu trúc của cảm biến cho độ nhạy tốt nhất. Tiến hành mô phỏng tính toán một số thông số cơ lý của lớp vật liệu nhạy. Khảo sát mô hình mô phỏng tương đương làm cơ sở chế tạo cảm biến từ dùng vật liệu nhạy FeNiPVA và chế tạo thực nghiệm để minh chứng cho tính đúng đắn của mô hình toán học và kết quả mô phỏng khi hoạt động trong vùng từ trường thấp. Mục tiêu Trước những vấn đề thực tế đặt ra cho cảm biến từ dạng SAW và sự khó khăn gặp phải ở trên. Mục tiêu của luận án là nghiên cứu một cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt hoạt động trong dải từ trường một chiều thấp khoảng từ 0 đến 200 (Oe). Trong đó cần mô phỏng tính toán sự ảnh hưởng loại và độ dày đế áp điện, độ dày lớp vật liệu nhạy từ để xác định độ nhạy tốt nhất của cảm biến. Đồng thời nghiên cứu và chế tạo thực nghiệm cảm biến từ với cấu trúc FeNiPVA/IDT/ST-Quartz. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết về sóng âm trong vật rắn, tác động của trường khử từ đến phạm vi khảo sát của luận án, một số vật liệu cần thiết và mô phỏng trên các phần mềm ANSYS, Fortran, Matlab có độ tin cậy cao, thừa kế các kết quả nghiên cứu đã được công bố, phân tích từ tổng quan đến chi tiết và chế tạo thực nghiệm để giải quyết mục tiêu đề ra. Ý nghĩa thực tiễn Luận án thực hiện quá trình nghiên cứu nhằm đánh giá và cải thiện độ nhạy của cảm biến SAW-MO. Đề tài đã chế tạo được cảm biến SAW-MO bằng công nghệ vi cơ điện tử và nhỏ phủ, qua đó góp phần bổ sung thêm một phương pháp chế tạo đơn giản và chi phí thấp cho hướng nghiên cứu này. Trước khi chế tạo, luận án đã tiến hành lựa chọn cấu trúc, tính toán mô phỏng trên phần mềm ANSYS APDL và xây dựng được quy trình kỹ thuật để chế tạo cảm biến là những nội dung mang ý nghĩa thực tiễn của luận án. Quá trình chế tạo thực nghiệm cảm biến là sự kết hợp của nhiều công đoạn kỹ thuật khác nhau, bao gồm: phún xạ, quang khắc, ăn mòn hóa học, tạo mẫu và phân tán lớp nhạy FeNiPVA với hạt nano FeNi được thừa kế từ nghiên cứu trước, nhỏ phủ, quy trình xấy khô, kiểm thử, thiết lập hệ thống đo và xử lý dữ liệu. Ý nghĩa khoa học Đề tài thực hiện một nghiên cứu chuyên sâu trong kỹ thuật đo lường và cảm biến là một trong những hướng nghiên cứu và đạo tạo của chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Luận án có hai đóng góp chính trong việc tính toán mô phỏng tối ưu hóa độ nhạy của cảm biến, đồng thời khảo sát mô hình mô phỏng tương đương và xây dựng quy trình kỹ thuật chế tạo cảm biến để đánh giá ảnh hưởng lớp nhạy từ đến độ nhạy: (1) Thực hiện tính toán sự ảnh hưởng của loại đế áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày của đế áp điện đến dải đo và độ nhạy của cảm biến. Theo đó, luận án xác định 2
được cấu trúc cảm biến có độ nhạy tốt nhất là 10.287 (kHz/Oe) và tiếp tục cải thiện độ nhạy của cảm biến khi dải đo thấp từ 0 đến 33.1 (Oe). Hơn nữa, luận án áp dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD) để tính toán những thông số cơ tính và từ tính của vật liệu nhạy từ làm đầu vào cho mô phỏng FEM và đánh giá điều kiện làm việc cho cảm biến. (2) Thực hiện nghiên cứu, xây dựng quy trình kỹ thuật và chế tạo cảm biến từ dạng SAW sử dụng lớp nhạy từ FeNiPVA và đế áp điện Quartz. Trong đó đã làm rõ sự ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ hạt nano FeNi và polyme PVA đến độ nhạy bằng mô phỏng và thực nghiệm. Cảm biến có khoảng đo là 0 đến 80 (Oe) và độ nhạy là 208 (Hz/Oe). Đồng thời đề xuất phương án xây dựng mô hình ma trận truyền [ABCD] cho lớp nhạy FeNi trong mô phỏng cảm biến bằng phương pháp ma trận truyền TM. Cấu trúc của luận án Phần Mở đầu trình bày lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án. Chương 1 (Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt); Tìm hiểu tổng quan về cảm biến từ; tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về cảm biến từ, từ đó nhận định các thách thức cần giải quyết; Tìm hiểu về cơ chế hình thành sóng âm và cơ sở lý thuyết của sóng âm trong chất rắn; Tìm hiểu và lựa chọn các loại vật liệu dùng trong nghiên cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO; Tìm hiểu về các phương pháp tính toán và mô phỏng cảm biến. Chương 2 (Lựa chọn cấu trúc và mô phỏng cải thiện độ nhạy cho cảm biến từ SAW-MO) trình bày sự lựa chọn cấu trúc cảm biến, xây dựng mô hình mô phỏng FEM, thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng của loại đế áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện nhằm cải thiện độ nhạy của cảm biến và sử dụng mô phỏng MD để tính toán các thống số vật lý lớp nhạy từ. Chương 3 (Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ FeNiPVA) trình bày về xây dựng mô hình mô phỏng FEM, khảo sát mô hình mô phỏng tương đương lớp vật liệu nhạy FeNiPVA; đề xuất phương án xây dựng mô hình ma trận truyền lớp nhạy FeNi cho mô phỏng cảm biến bằng phương pháp ma trận truyền (mô hình mạch điện tương đương) và xây dựng quy trình kỹ thuật chế tạo thực nghiệm cảm biến SAW-MO. Phần Kết luận và hướng phát triển trình bày tóm tắt các đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo. 3
Chương 1. Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt 1.1. Tổng quan về cảm biến từ Để thấy rõ bức tranh tổng thể về cảm biến từ nói chung, luận án thực hiện khảo sát tổng quan về các loại cảm biến từ dựa trên các nguyên lý hoạt động khác nhau. Cảm biến từ đã được sử dụng cách đây hơn 2000 năm, các ứng dụng ban đầu là để tìm hướng và dẫn đường (la bàn). Ngày nay, cảm biến từ vẫn là bộ phận dẫn hướng chính trên các phương tiện giao thông, thiết bị quân sự, v.v và cảm biến từ cũng đã được phát triển thêm các tính năng dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Công nghệ cảm biến từ cũng đã phát triển do nhu cầu về cải thiện độ nhạy, kích thước nhỏ hơn và khả năng tương thích với các hệ thống điện tử, máy móc khác nhau[25]. Cảm biến từ được nghiên cứu và chế tạo dựa trên cơ sở các định luật và hiệu ứng vật lý. Cụ thể là: cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall [26, 27], dựa trên định luật cảm ứng điện từ (Search coil) [13, 14], dựa trên hiệu ứng từ trở dị hướng AMR [12, 25], dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR [12, 25], dựa trên hiệu ứng từ trở xuyên hầm TMR [11, 28], dựa trên hiệu ứng từ tổng trở GMI [23, 29], dựa trên nguyên lý từ thông dọc trục (Flux gate) [30, 31], dựa trên nguyên lý từ thông siêu dẫn SQUID [32-34], dựa trên hiệu ứng từ điện ME là sự kết hợp giữa hiệu ứng áp điện và hiệu ứng từ giảo [35, 36] có cấu trúc kiểu sandwich. Gần đây, nhiều nhóm đã tiến hành nghiên cứu cảm biến từ trên nguyên tắc kết hợp hiệu ứng sóng âm bề mặt với hiệu ứng áp điện (PE: Piezoelectric), nhằm mục địch thu nhỏ thiết bị, cải thiện các đặc tính làm việc của cảm biến (như: độ nhạy, dải đo), dễ chế tạo và tăng tần số làm việc của cảm biến [15, 37-40]. Cảm biến từ Phương pháp Phương pháp Cảm ứng từ Vật liệu từ lượng tử kết hợp  Hall  ME  Search coil  SQUID  AMR  SAW-GMI  GMR/GMI  SAW-MO  Fuxgate  RMN  TMR . . . Hình 1.1. Các nguyên lý cảm biến từ. 4
Các Hình 1.1 và Hình 1.2 chỉ ra các loại, cũng như là cách phân loại cảm biến từ và dải đo của chúng. Hình 1.2. Dải đo các loại cảm biến từ. [25]. Hình 1.2 cho thấy cảm biến từ dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ có dải đo rộng nhất, còn dựa trên nguyên lý lượng tử siêu dẫn thì có độ nhạy cao nhất. Trong thực tế cường độ từ trường có khá nhiều đơn vị (T: Tesla, G: Gauss, Oe: Oersted, v.v) và được tính toán trong các hệ quy chiếu khác khác nhau như: hệ CGS và hệ SI và dưới đây là chuyển đổi giữa một số các đơn vị đo từ trường [25]. 1 (G) = 10-4 (T) = 105 (Gamma); 1 (T) = 10 (kOe)  Cảm biến Hall Hiệu ứng Hall xảy ra khi đặt một từ trường (H) vuông góc lên một bản (làm bằng: kim loại, chất bán dẫn, v.v) được gọi là thanh Hall đang có dòng điện (I) chảy qua. Lúc này ta nhận được một hiệu điện thế (điện áp Hall: VH) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall, Hình 1.3 [41]. Như vậy, cảm biến có tín hiệu đầu vào thường ở hai dạng là dòng điện và từ trường, đầu ra là đạng điện áp. Ưu điểm của cảm biến Hall là dễ chế tạo, có độ nhạy cao, chống nhiễu tốt và có giá thành thấp. Nhược điểm: Trong quá trình sử dụng, cảm biến Hall bị trôi điểm không do cấu trúc hình học thay đổi. Độ nhạy của cảm biến tỷ lệ với kích thước (cấu trúc hình học), mặt khác độ nhạy còn phụ thuộc vào độ linh hoạt của vật liệu (vật liệu càng lỏng thì độ linh hoạt càng cao). Tuy nhiên vật liệu có độ linh hoạt cao thì lại ảnh hưởng đến cấu trúc cân đối của cảm biến và cuối cùng là khó chế tạo với kích thước nhỏ [26, 27, 41]. Hình 1.3. Nguyên lý cảm biến Hall. [41] 5
 Cảm biến từ trở Hiệu ứng từ trở được William Thomson phát hiện vào năm 1857 khi quan sát thấy điện trở của các vật liệu sắt và niken phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và chiều của véctơ từ độ. Hiệu ứng này còn phát hiện trong nhiều chất bán dẫn, oxit kim loại và nhiều màng mỏng từ. Từ trở dị hướng AMR thường ở dạng cấu trúc vô định hình (dị thể) hoặc cấu trúc tinh thể đơn lớp. Hiệu ứng được ứng dụng nhiều trong chế tạo cảm biến [12, 41, 42]. Hiệu ứng GMR là một hiệu ứng lượng tử quan sát thấy trong một số màng mỏng từ tính đa lớp hoặc đơn lớp, với sự thay đổi lớn giá trị điện trở dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988 đồng thời bởi 2 nhóm nghiên cứu, là nhóm của Peter Grünberg ở Trung tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) trên màng mỏng kiểu bánh kẹp Fe/Cr/Fe; và bởi nhóm của Albert Fert ở Đại học Paris-Sud trên các màng đa lớp Fe/Cr. Phát hiện này đã mở ra một ngành mới gọi là điện tử học spin (spintronics) nghiên cứu các linh kiện điện tử mới hoạt động dựa trên điều khiển tính chất spin của điện tử. Ngoài ra, hiệu ứng GMR còn phát hiện thấy trên một số màng mỏng dạng hạt (ví dụ màng hợp kim dị thể CoCu, CoAg, v.v). Hiệu ứng GMR được ứng dụng trong công nghệ chế tạo cảm biến và đặc biệt là trong các thiết bị nhớ (ổ đĩa) để xác định giá trị các bit nhớ [12]. Hiệu ứng TMR là hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng cách điện cho phép điện tử xuyên hầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn. Hiệu ứng TMR lần đầu tiên được phát hiện trên các màng đa lớp sắt kẹp giữa là lớp germanium (Ge) đóng vai trò lớp cách điện. Hiệu ứng TMR ở nhiệt độ phòng lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1995 trên các màng mỏng CoFe/Al2O3/Co với Al2O3 đóng vai trò lớp cách điện, cho hiệu ứng MR tới 11,8% ở nhiệt độ phòng. Cùng với phát minh về hiệu ứng GMR, hiệu ứng TMR được cũng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các nghiên cứu về linh kiện spintronic và được ứng dụng phổ biến trong thiết bị nhớ [11, 28, 43]. Như vậy, hiệu ứng từ trở được ứng dụng trong thực tế để đo một số đại lượng vật lý (như: vị trí, vận tốc góc, góc quay, v.v), điển hình là cảm biến HCM1501, HCM1502 của hãng Honeywell sử dụng hiệu ứng AMR [44]. Cảm biến AC00x-xx của hãng NVE sử dụng hiệu ứng GMR [45]. Nhược điểm của nguyên lý là đặc tính làm việc của các cảm biến dạng phi tuyến và thường có quan hệ hàm bậc hai hoặc dạng hàm sin.  Cảm biến từ dựa trên định luật Faraday (Induction coil, search coil) Cảm biến cảm ứng khi chế tạo thường có hai loại: Loại cuộn dây không có lõi từ (lõi không khí) và loại cuộn dây dùng lõi sắt từ. Đáp ứng tần số đầu ra của cảm biến được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau và phù hợp với các ứng dụng như: Cuộn dây Rogowski, cảm biến đo sai trọng, cảm biến đo độ rung, cảm biến đo trường tiếp tuyến và đầu dò kim loại, ngoài ra còn được ứng dụng để chế tạo antenna. Cảm biến cảm ứng được biết đến như một loại cảm biến rất nổi tiếng, cổ điển và còn được gọi là cảm biến từ hoạt động dựa trên định luật cảm ứng của Faraday, tuy nhiên nhược điểm của loại cảm biến này là khả năng thu nhỏ về kích thước [13, 14]. 6