Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và linh kiện Nano: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị từ kế vector độ nhạy nanotesla dựa trên vật liệu sắt từ-sắt điện dạng dãy cấu trúc micro-nano phục vụ đo vẽ bản đồ từ trường trái đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VIỆT HÙNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA

DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN

DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO

PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI – 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VIỆT HÙNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nano

Mã số: 8440126.01QTD

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Thị Hương Giang

HÀ NỘI – 2020

LỜI CẢM ƠN

Những nội dung nghiên cứu trong luận văn này được tôi hoàn thiện dưới sự hướng dẫn đến từ cán bộ hướng dẫn và sự giúp đỡ từ các anh chị cùng công tác trong nhóm nghiên cứu.

Đầu tiên, tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Đỗ Thị Hương Giang, cô đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong toàn bộ luận văn này. Bên cạnh những kiến thức chuyên môn và kỹ năng trong nghiên cứu thì cô còn là người đã truyền cho tôi rất nhiều động lực bằng chính lòng nhiệt huyết và sự nghiêm túc trong công việc của cô.

Bên cạnh đó, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới các anh chị trong nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro – Nano và các thầy cô trong Khoa Vật lý kỹ thuật đã giảng dạy và giúp đỡ cho tôi trong thời gian học tập và làm việc.

Cuối cùng tôi xin được cảm ơn Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro – Nano và trường Đại học Công Nghệ đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thiện tốt luận văn này.

Luận văn này được hoàn thành với sự hỗ trợ một phần của Đề tài “Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ứng dụng hệ thống đo và định vị từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo – áp điện và kỹ thuật GPS”. Mã số ĐTĐL.CN-02/17.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi và trong đó hoàn toàn không có sự sao chép các tài liệu hay công trình nghiên cứu của người khác mà không chú thích rõ ràng trong mục tài liệu tham khảo. Những kết quả và các số liệu trong luận văn chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm, trước nhà trường về những điều tôi cam đoan trên.

Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2020

Tác giả

Nguyễn Việt Hùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii

MỤC LỤC ................................................................................................................... iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ................................................................... v

DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... vii

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 4

1.1. Tổng quan về từ trường Trái đất .......................................................................... 4

1.1.1. Nguồn gốc của từ trường Trái đất ................................................................. 4

1.1.2. Cường độ từ trường Trái đất ......................................................................... 5

1.1.3. Thành phần của từ trường Trái đất ............................................................... 6

1.2. Ứng dụng của từ trường Trái đất ......................................................................... 7

1.3. Một số loại cảm biến đo từ trường Trái đất ....................................................... 10

1.4. Cảm biến đo từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ-điện ............................ 12

1.4.1. Tổng quan về cảm biến từ-điện .................................................................. 12

1.4.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện ................................................ 13

1.4.3. Đặc điểm của cảm biến từ-điện .................................................................. 14

1.5. Vật liệu từ-điện và hiệu ứng từ-điện ................................................................... 16

1.5.1. Vật liệu đa pha sắt (Multiferroics) .............................................................. 16

1.5.2. Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric) ............................................................. 17

1.5.3. Vật liệu sắt từ, vật liệu sắt điện ................................................................... 17

1.6. Từ kế vector .......................................................................................................... 20

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................... 21

2.1. Mô phỏng tính chất từ của FeSiC ....................................................................... 21

2.2. Khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC ................................................................. 22

2.2.1. Khảo sát tính chất từ ................................................................................... 22

2.2.2. Khảo sát bề mặt và độ dày .......................................................................... 23

iii

2.2.3. Khảo sát thành phần vật liệu ....................................................................... 23

2.3. Chế tạo cảm biến từ-điện FeSiC/PZT. ................................................................ 23

2.4. Khảo sát tín hiệu và thông số của các cảm biến ................................................ 25

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................................. 27

3.1. Kết quả mô phỏng ................................................................................................ 27

3.2. Kết quả khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC ................................................... 31

3.2.1. Khảo sát tính chất từ ................................................................................... 31

3.2.2. Khảo sát thành phần vật liệu ....................................................................... 33

3.2.3. Khảo sát cấu trúc bề mặt và độ dày ............................................................ 33

3.3. Kết quả khảo sát các cấu hình cảm biến ............................................................ 35

3.3.1. Khảo sát cảm biến với cấu hình nối liền ..................................................... 35

3.3.2. Khảo sát cảm biến với cấu hình nhiều thanh .............................................. 37

3.4. Kết quả khảo sát tín hiệu cảm biến dạng dãy .................................................... 41

3.5. Kết quả khảo sát độ nhạy và độ phân giải của cảm biến .................................. 42

3.6. Tối đa hóa tín hiệu của cảm biến ........................................................................ 44

KẾT LUẬN .................................................................................................................. 47

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN

ĐẾN LUẬN VĂN ......................................................................................................... 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

AC Xoay chiều

Cảm ứng từ hiệu dụng Beff

c Chiều dài phần nối liền giữa các thanh vật liệu

D Độ từ thiên

DC Một chiều

Hệ số áp điện theo phương tác dụng lực djk

ĐTNL Cấu hình đa thanh nối liền

ĐTTR Cấu hình đa thanh tách rời

e Phần kéo dài của các thanh vật liệu

EDX

Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

F Cường độ từ trường tại điểm đo

Tần số cộng hưởng của cảm biến fch

FeSiC Vật liệu băng từ Fe96Si2C2

g Khoảng cách giữa hai thanh vật liệu trong cấu hình đa thanh

H Cường độ từ trường ngoài

Biên độ từ trường xoay chiều h0

Cường từ trường xoay chiều hac

Lực kháng từ Hc

Từ trường khử từ Hd

Từ trường một chiều Hdc

Từ trường hiệu dụng Heff

Từ trường bão hòa Hs

Các vector thành phần trong hệ tọa độ Hx, Hy, Hz

I Góc nghiêng từ

Hệ số chuyển đổi của cuộn Helmholtz kH

Hệ số máy đo từ trường proton Kp

L Chiều dài mẫu vật liệu trong chế tạo

L_tg Chiều dài mẫu vật liệu mô phỏng

Vùng khả dụng của vật liệu (vùng cảm nhận) Ls

m Số cảm biến đơn vị trong cảm biến dãy

M Từ độ của vật liệu

ME Từ-điện (Magnetoelectric)

Độ từ dư Mr

Từ độ bão hòa Ms

n Số thanh vật liệu từ giảo trong cấu hình

Độ lớn vector phân cực điện Pj

PZT Vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3

Điện lượng biến thiên qac

Điện tích cảm ứng trong vật liệu áp điện Qdc

r Độ đồng nhất của mật độ từ thông

SEM Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope)

t Độ dày của vật liệu

Điện áp xoay chiều kích thích Vac

Thế từ điện VME

VSM Từ kế mẫu rung (vibrating sample magnetometer)

W Chiều rộng mẫu vật liệu trong chế tạo

W_tg Chiều rộng mẫu vật liệu mô phỏng

Kích thước của thanh vật liệu từ giảo Wm

Hệ số từ-điện αE

δ-, δ+ Điện tích ở hai mặt của vật liệu áp điện

Từ giảo khi có tác dụng của từ trường H λ(µ0.H)

σ Độ lệch chuẩn

Ứng suất dao động σac

Ứng suất tác dụng σk

τ Thời gian duy trì điện tích của áp điện

Độ cảm từ χM

Độ cảm từ giảo χλ

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. Số lượng công bố đưa ra có từ khóa magnetoelectric và multiferroic [33] ....... 2

Hình 1.1. Từ trường Trái đất dưới tác động của Mặt trời (nguồn: NASA) ..................... 4

Hình 1.2. Mô phỏng hoạt động của các vật chất bên trong của Trái đất (XSHELLS) ... 5

Hình 1.3. Hệ tọa độ tham chiếu quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center) .... 6

Hình 1.4. Từ trường gây ra bởi mỏ quặng sắt từ và bản đồ từ tại vùng khảo sát ............ 8

Hình 1.5. Dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng khi có mỏ dầu.................................. 8

Hình 1.6. Hình minh họa đường sức từ trường không gian trong vùng có tầu ngầm ..... 9

Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp thiết bị đo từ trường flux-gate ............................ 10

Hình 1.8. Ảnh thiết bị, sơ đồ khối và phổ tín hiệu đo của máy đo từ trường proton .... 11

Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo từ lượng tử ..................................... 12

Hình 1.10. Biểu đồ giao động của từng vật liệu của cảm biến từ-điện [3].................... 14

Hình 1.11: Liên kết từ-điện trong vật liệu từ-điện thay đổi phân cực điện bởi từ trường ngoài (a); thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài (b) ................................................ 15

Hình 1.12. Sơ đồ phân loại các loại vật liệu đa pha sắt (Multiferroic) [32] .................. 17

Hình 1.13. Đường cong từ hóa của các vật liệu sắt từ .................................................. 18

Hình 1.14. Ảnh chụp ba cảm biến từ trường đơn trục và mô hình của từ kế vector với ba cảm biến đơn trục ..................................................................................................... 20

Hình 2.1. Thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 ...................................................... 22

Hình 2.2. Vật liệu PZT dạng tấm (a); vật liệu FeSiC dạng màng mỏng (b) ................. 24

Hình 2.3. Hệ máy cắt phiến Sherline 5410 và máy tính điều khiển .............................. 24

Hình 2.4. Sơ đồ lắp đặt hệ đo khảo sát tín hiệu cảm biến. ............................................ 26

Hình 3.1. Kết quả mô phỏng phân bố từ thông (a); Cảm ứng từ hiệu dụng Beff trên toàn bộ thể tích của vật liệu (b) ............................................................................................. 28

vii

Hình 3.2. Phân bố từ thông trên bề mặt của tấm vật liệu từ giảo với các cấu hình (a); Độ đồng nhất về phân bố từ thông trong vùng khả dụng của các cấu hình (b) ............. 30

Hình 3.3. Đường cong từ hóa của vật liệu FeSiC 0.8x50 mm ...................................... 32

Hình 3.4. Kết quả đo phân tích thành phần vật liệu FeSiC ........................................... 33

Hình 3.5. Ảnh chụp SEM độ dày của vật liệu FeSiC .................................................... 34

Hình 3.6. Ảnh chụp SEM bề mặt của vật liệu FeSiC .................................................... 34

Hình 3.7. Mô tả các cấu hình cảm biến được chế tạo ................................................... 35

Hình 3.8. Tín hiệu của cảm biến theo tần số (a); Tín hiệu của cảm biến theo từ trường ngoài (b) ......................................................................................................................... 36

Hình 3.9. Kích thước thanh và khoảng rỗng giữa hai thanh vật liệu ............................ 38

Hình 3.10. Tỷ số hiệu ứng “shear lag” theo số thanh (màu đỏ); Tỷ số tỷ phần thể tính giữa hai pha vật liệu (màu đen) ..................................................................................... 38

Hình 3.11. Cảm biến với cấu hình đa thanh nối liền chế tạo được ............................... 39

Hình 3.12. Kết quả tín hiệu cảm biến (a) và Hệ số từ-điện và độ nhạy với số thanh khác nhau (b) ................................................................................................................. 39

Hình 3.13. Cấu hình tối ưu của vật liệu từ giảo trong cảm biến từ-điện (a); Cấu tạo cảm biến từ-điện với cấu hình tối ưu (b) ....................................................................... 41

Hình 3.14. Kết quả tín hiệu cảm biến của các cảm biến dãy có số đơn vị cảm biến khác nhau (a); Hệ số từ-điện với cảm biến dãy có số đơn vị khác nhau (b) .......................... 42

Hình 3.15. Tín hiệu của cảm biến dãy trong dải từ trường thấp (a); Tín hiệu cảm biến theo bước nhảy cố định (b) ............................................................................................ 43

Hình 3.16. Tín hiệu thả trôi của cảm biến trong từ trường (a); Đồ thị phân bố kết quả thả trôi của hai cảm biến dãy với m = 1 và m=4 (b),(c) ................................................ 43

Hình 3.17. Tín hiệu cực đại của cảm biến khi tăng từ trường kích thích ...................... 45

Hình 3.18. Độ nhạy tín hiệu cảm biến khảo sát trong một vùng từ trường rất nhỏ ...... 45

viii

MỞ ĐẦU

Trong vài thập kỷ trở lại đây, các nghiên cứu liên quan tới từ trường Trái đất đang ngày một phổ biến và cho thấy những lợi ích trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Từ trường Trái đất cũng đóng một vai trò quan trọng, khi xem xét một cách vĩ mô nó là lớp khiên chắn, bảo vệ chúng ta khỏi những bức xạ tiêu cực từ ngoài vũ trụ, còn ở góc độ vi mô thì chúng giúp ta đang dự đoán những hiểm họa thiên nhiên, thăm dò, khảo sát và tìm kiếm những nguồn năng lượng hóa thạch. Tuy từ trường không thể quan sát thấy bằng mắt thường, nhưng nếu vận dụng đúng cách thì bằng từ trường chúng ta có thể “thấy” được những thứ chúng ta không thể nhìn thấy. Để làm được điều này chúng ta cần phải ghi nhận được những tín hiệu rất nhỏ (cỡ 10-4 Tesla) của từ trường Trái đất. Việc này buộc chúng ta phải thực hiện thông qua những thiết bị có độ nhạy rất cao đủ để có thể khảo sát được vùng từ trường thấp này.

Đến nay, các nhà khoa học vẫn đang tiến hành nghiên cứu nguyên lý, tính chất và hiệu ứng của nhiều loại vật liệu để tạo ra những cảm biến từ trường có độ nhạy cao cho phép ghi nhận tín hiệu từ trường Trái đất. Trong đo có thể kể đến một số loại cảm biến nổi bật hiện nay như cảm biến từ flux-gate, cảm biến proton hay cảm biến từ lượng tử,…Mỗi loại cảm biến này lại sở hữu những ưu điểm và nhược điểm riêng nên chúng sẽ có những mục đích ứng dụng thích hợp.

Gần đây, có một loại vật liệu đang nổi lên và rất được quan tâm bởi tiềm năng của vật liệu này có thể sẽ thay thế các vật liệu truyền thống đã giảm dần đi sức hút. Đó chính là vật liệu từ-điện ở dạng phổ biến hiện nay là dạng tổ hợp đa pha từ vật liệu sát từ và sắt điện. Ưu điểm vượt trội của vật liệu này là dễ dàng trong thiết kế, công nghệ chế tạo đơn giản và điện kiện làm việc ở nhiệt độ phòng. Chính những ưu điểm này đã tạo ra tiềm năng lớn để khai thác vật liệu này vào các ứng dụng trong đời sống. Cụ thể đã có một số ứng dụng đã có được đưa vào sử dụng như thiết bị chuyển đổi tín hiệu [26], thiết bị lưu trữ thông tin [21] và nổi bật nhất là ứng dụng trong chế tạo cảm biến từ trường với độ nhạy cao [1,3,23].

Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric) hay còn được gọi là vật liệu đa pha sắt từ-sắt điện thuộc trong nhóm các vật liệu đa pha sắt (Multiferroics) với hiệu ứng từ-điện cho phép chuyển đổi trực tiếp từ năng lượng từ sang năng lượng điện. Cảm biến chế tạo từ vật liệu này có thể ứng dụng được trong các khảo sát và đo đạc từ trường Trái đất, thăm dò khoáng sản, nhiên liệu, cảnh bảo sớm thiên tai và các ứng dụng trong quân sự khác. Sức hút này được thể hiện rõ nhất qua số lượng các bài báo và công bố với nội dung liên quan đến vật liệu này đang có xu hướng tăng lên. Sự phổ biến của các nghiên cứu liên quan về nội dung này với từ khóa là Magnetoelectric và Multiferroic được thể hiện trong hình 1.

Hình 1. Số lượng công bố đưa ra có từ khóa magnetoelectric và multiferroic [33]

Ban đầu, các nghiên cứu về vật liệu này tập trung vào dạng vật liệu đơn pha [19], sau đó phát triển sang vật liệu dạng khối đa pha [34] và gần đây các nghiên cứu vật liệu từ-điện chuyển hướng mạnh sang nghiên cứu vật liệu dạng tổ hợp đa pha. Xu hướng phát triển này diễn ra bởi trong một vài nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng độ nhạy của cảm biến này có thể cải thiện đáng kể bằng cách tối ưu hóa cấu hình thiết kế của cảm biến chế tạo [1,29].

Từ những cơ sở trên, luận văn đặt mục tiêu chế tạo ra cảm biến đo từ trường có độ nhạy nanoTesla dựa trên nền tảng của các nghiên cứu về hướng ứng dụng này đã được công bố trước đây. Với hướng tiếp cận chính để đạt được mục tiêu trên là cải thiện và tối ưu hóa cấu hình của cảm biến, thông qua hai cách là cải thiện cấu hình dưa trên các yếu tố ảnh hướng tới tín hiệu cảm biến và cải thiện độ phân cực điện cảm biến bằng phương pháp ghép dãy.

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tín hiệu của cảm biến dựa trên vật liệu sắt từ- sắt điện tuy nhiên trong luận văn này một số yếu tố sẽ tác động trực tiếp sẽ được tập trung. Việc tối ưu cấu hình cho cảm biến cũng sẽ bám sát theo những yếu tố là tính đơn trục của cảm biến, hiệu ứng “shear-lag”, tỉ phần thể tích và sự tiểu hình hóa cho cảm biến. Theo hướng nghiên cứu như trên luận văn sẽ lựa chọn nghiên cứu trên hai loại vật liệu sắt từ và sắt điện phổ biến và sẵn có trên thị trường hiện nay là băng từ FeSiC và áp điện PZT. Bên cạnh đó luận văn cũng kế thừa những kết quả nghiên cứu đã được công bố để tối ưu thời gian nghiên cứu cho luận văn.

Trong khoảng thời gian thực hiện, theo mục tiêu và hướng nghiên cứu đặt ra, các

nội dung cụ thể sau sẽ được tiến hành nghiên cứu:

* Khảo sát và phân tính chất của vật liệu sắt từ FeSiC

* Thiết lập thông số vật liệu, dự đoán cấu hình và tiến hành mô phỏng mật độ tập trung từ thông độ, đồng đều của từ thông trên bề mặt của vật liệu sắt từ FeSiC với các cấu hình khác nhau nhằm so sánh hiệu quả của cấu hình

* Chế tạo các cảm biến theo những cấu hình đã mô phỏng để đánh giá hiệu quả cải thiện tín hiệu của cảm biến theo cấu hình trong thực tế đo đạc

* Đánh giá kết quả tín hiệu của cảm biến thu được với các cấu hình khác nhau, từ kết quả đưa ra kết luận về cấu hình tối ưu nhất

* Chế tạo các cảm biến với cùng cấu hình tối ưu nhất và tiến hành ghép nối các đơn cảm biến này thành một cảm biến có cấu trục dạng dãy. Khảo sát tín hiệu lối ra của các cảm biến dạng dãy với số đơn cảm biến khác nhau và đánh giá hiệu quả

* Sử dụng cảm biến có kết quả tín hiệu lớn nhất đã chế tạo được để khảo sát, đánh giá và tính toán độ nhạy và độ phân của cảm biến.

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về từ trường Trái đất

Theo các phép đo đạc niên đại phóng xạ và những bằng chứng khoa học khác, các nhà khoa học nhận định rằng Trái đất được hình thành từ hơn 4,5 tỷ năm trước và là vật thể thiên văn duy nhất được biết đến có tồn tại sự sống. Nhiều nhà khoa học đã chứng minh rằng hành tinh của chúng ta đang được bảo vệ khỏi những “cơn giận dữ” của Mặt trời bởi một “bong bóng” từ tính khổng lồ gọi là từ quyển hay từ trường Trái đất. Nó làm lệch đi hầu hết các nguyên tử mang năng lượng cao từ Mặt trời quét về hướng chúng ta. Điều này cho thấy rằng, rõ ràng là từ trường Trái đất đã bảo vệ Trái đất và giúp nơi đây trở thành một hành tinh có sự sống.

Hình 1.1. Từ trường Trái đất dưới tác động của Mặt trời (nguồn: NASA)

Bên cạnh lợi ích mang tính vĩ mô như vật thì xuyên suốt lịch sử loài người đến này từ trường Trái đất đã trở thành một lĩnh vực khoa học riêng, được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều vào cuộc sống. Lần đầu tiên vào năm 1600, nhà vật lý William Gilbert đã là người đầu tiên giải thích về sự tồn tại từ trường trên Trái đất, ông đã ví Trái đất như một thanh nam châm khổng lồ. Tuy nhiên, điều mà đến nay vẫn còn đang gây ra tranh luận giữa những nhà khoa học lại là nguồn gốc thực sự của từ trường Trái đất là gì?

1.1.1. Nguồn gốc của từ trường Trái đất

Trong hệ mặt trời của chúng ta, Trái đất và sao Thủy là hai hành tinh đặc biệt, với mỗi hành tinh được bảo vệ bởi một lớp từ trường riêng biệt có nguồn gốc xuất phát từ chính bản thân của hai hành tinh. Vào năm 1940, giả thuyết “geodynamo” đã được đưa ra bởi một số nhà vật lý để giải thích cho nguồn gốc của lớp từ trường này trên

Trái đất. Giả thuyết này cho rằng nguồn gốc tạo ra từ trường của Trái đất được bắt đầu từ lớp lõi ngoài của hành tinh cách bề mặt Trái đất khoảng 2900 km và được cấu tạo chủ yếu từ sắt là các vật liệu dẫn điện khác. Nhiệt độ tại lõi ngoài của Trái đất nơi được cho là đã tạo ra từ trường có thể lên đến 6000oC [10].

Ban đầu, do sức nóng tạo ra từ lõi trong của Trái đất, các vật chất ở lõi ngoài sẽ bị nóng chảy. Dòng vật chất này sẽ chuyển động cùng với chuyển động tự quay và quay quanh Mặt trời của Trái đất đã tạo thành các dòng xoáy, từ đó tạo ra từ trường tán xạ bao bạo lấy Trái đất [24]. Từ trường này sẽ liên tục được tạo ra trong một vòng lặp tuần hoàn của vật chất bên trong lõi Trái đất. Các dòng vật chất trong lõi này đủ mạnh mẽ để có thể tạo ra những đường sức khuếch tán ra xa bên ngoài không gian và bảo vệ lấy toàn bộ Trái đất. Đường sức từ này có hình dạng như đường sức từ của một thỏi nam châm, kéo dài từ cực Bắc xuống cực Nam của Trái đất. Lý thuyết này còn được gọi là lý thuyết “máy phát điện” và đây cũng là lý thuyết khả thi nhất đến nay để lý giải cho nguồn gốc về từ trường Trái đất [17].

Hình 1.2. Mô phỏng hoạt động của các vật chất bên trong của Trái đất (XSHELLS)

1.1.2. Cường độ từ trường Trái đất

Cường độ từ trường của Trái đất lần đầu được đo bởi Johann Carl Friedrich Gauss vào năm 1835 và được đo lại nhiều lần kể từ đó [30]. Cường độ từ trường thường được đo bằng đơn vị Gauss (G), tuy nhiên trong nhiều báo cáo khoa học được công bố gần đây, đơn vị cường độ từ trường được sử dụng nhiều hơn là nanoTesla (nT) với 1 Gauss = 100.000 nT. Cường độ từ trường đo được trên bề mặt Trái đất dao động trong khoảng 23.000 nT đến 62.000 nT, tại Việt Nam giá trị này vào khoảng 40.000 nT [15].

Nếu so với từ trường của một thỏi nam châm thông thường có cường độ từ vài chục đến vài trăm Gauss thì từ trường của Trái đất là nhỏ hơn rất rất nhiều. Từ trường trên bề mặt của Trái đất tại những vị trí khác nhau là khác nhau, với cường độ mạnh nhất tại hai cực và yếu dần về xích đạo. Tuy nhiên, các thay đổi của cường độ từ trường không phải là tuyến tính giữa hai cực mà là thay đổi theo cả không gian và thời gian. Ở hai cực từ, từ trường gồm nhiều các thành phần thẳng đứng với về bặt Trái đất hơn còn ở xích đạo các đường sức nằm ngang lại xuất hiện nhiều hơn. Hai vị trí có từ trường thẳng đứng gọi là Bắc cực từ và Nam cực từ. Hai cực từ của từ trường Trái đất tạo với trục của Trái đất một góc nghiêng 11,3 độ và có cực Bắc Nam ngược với cực địa lý của Trái đất.

Bằng cách đo và lập biểu đồ thể hiện các đường đẳng từ là đường nối những vị trí có cùng cường độ từ trường trên bề mặt chúng ta có thể khảo sát được đặc điểm từ trường ở một khu vực nhất định. Điều này mang lại nhiều ý nghĩa bởi có nhiều yếu tố tác động đến từ trường tại một khu vực như các nguồn từ trường ẩn dưới lớp vỏ Trái đất, từ trường của môi trường xung quanh và từ trường nền. Hiện tại trên Trái đất, những biến động từ trường đang được đo đạc và ghi nhận bởi 170 đài quan sát địa từ trên khắp thế giới [10]. Việc này giúp chúng ta dự đoán sớm được các sự biến đổi bất thường của thời tiết hoặc thiên tai trên Trái đất.

1.1.3. Thành phần của từ trường Trái đất

Từ trường Trái đất luôn luôn có hướng và độ lớn tại mọi điểm trong không gian. Ba thông số đặc trưng để mô tả cho một vector từ trường là cường độ từ trường F tại điểm đo; góc từ trường tạo ra với phương ngang hay còn được gọi là góc nghiêng từ I và độ suy giảm hay độ từ thiên D là góc giữa kinh tuyến và vector thành phần trên mặt phẳng ngang [28]. 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).

Hình 1.3. Hệ tọa độ tham chiếu quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center)

Thông thường, véc tơ từ trường được phân tích thành ba thành phần trong hệ tọa độ được sử dụng phổ biến là X (hướng Bắc), Y (hướng Đông) và Z (hướng xuống). Hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center). Từ hệ tọa độ này ta có thể phân tích ra độ nghiêng từ I của từ trường là góc tạo bởi vector từ trường Trái đất với mặt phẳng nằm ngang tại điểm quan sát. Giá trị này tại hai cực từ của Trái đất tương ứng là +90o và -90o. Độ từ thiên D trong trường hợp này được xác định là góc giữa hướng Bắc địa lý và hướng Bắc từ hay chính là góc lệch giữa kinh tuyến địa lý và kinh tuyến từ của Trái đất. Khi xét về độ lớn các giá trị này được xác định bằng cách sử dụng các công thức sau :

(1.1)

(1.2)

(1.3)

Với: (1.4)

Theo hệ đơn vị quốc tế SI đơn vị từ trường thường sử dụng là Tesla (T). Các thành phần của hệ tọa độ Descartes cũng được tính theo đơn vị nanoTeslas và được xác định như sau:

X = HcosD, Y = HsinD, Z = FsinI (1.5)

1.2. Ứng dụng của từ trường Trái đất

Những ghi nhận về sự tồn tại từ trường Trái đất đã xuất hiện từ rất lâu và đến nay nó vẫn tiếp tục thể hiện tầm quan trọng của mình trong vai trò là một lĩnh vực khoa học. Dấu ấn sơ khai nhất về khảo sát từ trường có thế kể đến là thiết bị la bàn của người Trung Quốc vào giai đoạn thế kỷ 11 [25]. Đến năm 1701, bản đồ từ trường đâu tiên đã được tạo ra bởi nhà vật lý Halley, bản đồ này bao trùm toàn bộ Đại Tây Dương [31]. Đến nay, một số ứng dụng nổi bật trong lĩnh vực này có thể kể đến là:

* Thăm dò khoáng sản

Khảo sát từ trường là phương pháp cho phép đánh giá các vật chất có từ tính ở bên dưới lòng đất mà không phải thực hiện các phương pháp xử lý trực tiếp. Từ trường tại những vị trí có mặt của nguồn từ tính mạnh như quặng sắt, hay các khối sắt thép nhân tạo sẽ có thay đổi so với từ trường địa phương. Nếu tiến hành đo đạc và trừ đi phần của từ trường xung quanh có thể giúp đánh giá được đặc tính từ của khối vật liệu, điều này tùy thuộc vào bản chất từ tính của vật liệu mà các phần từ dị thường này là khác nhau.

Hình 1.4. Từ trường gây ra bởi mỏ quặng sắt từ và bản đồ từ tại vùng khảo sát

Các khảo sát thăm dò khoáng sản thường sử dụng phương pháp lập bản đồ từ trường tại những vùng có từ trường đặc biệt. Bản đồ từ trường với các đường đẳng từ sẽ giúp đánh giá được vị trí cũng như các tính chất của nguồn từ này. Theo quy luật, từ trường dị thường khoảng 1 nT được tạo ra bởi 1 tấn sắt ở khoảng cách vài chục mét (100 feet) [10].

* Thăm dò nhiên liệu hóa thạch

Dựa vào đặc tính từ trường của lớp trầm tích ở bên trên các nguồn dâu thô hay than đá để ứng dụng tìm kiếm và phát hiện nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tàu thăm dò sẽ có nhiệm vụ tìm kiếm những vùng có từ trường bất thường, định vị và ghi chép những số liệu giúp phát hiện ra những nguồn dầu nằm bên dưới biển. Độ nhạy và độ phân giải của các thiết bị thăm dò càng cao thì bức tranh tổng thể về từ trường của lớp địa tầng đất đá ở khu vực thăm dò càng được biểu diễn một cách rõ ràng giúp việc khảo sát và đánh giá nhanh chóng và tiết kiệm hơn.

Hình 1.5. Dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng khi có mỏ dầu.

* Cảnh báo thiên tai động đất, sóng thần, sạt lở,…

Trong lĩnh vực khí tượng thủy văn, đo đạc và theo dõi biến động của từ trường Trái đất theo thời gian có thể giúp cảnh bảo sớm các hiện tượng thiên nhiên cực đoan như động đất, sóng thần hay một số thiên tai khác. Đặc biệt đối với các nước nằm trong khu vực thường xuyên xảy ra thiên tai như các quốc đảo hay các nước có đường bờ biển dài như Việt Nam. Các phương pháp cảnh bảo động đất không sử dụng từ trường gặp hạn chế vì việc phát hiện thường chậm trễ, tuy nhiên với phương pháp từ trường có thể giúp cảnh bảo sớm thiên tai để đưa ra các ứng phó kịp thời hơn.

* Dò tìm phát hiện tàu ngầm, thủy lôi và các vật thể sắt từ dưới đáy biển

Những cuộc chiến tranh đã kết thúc từ rất lâu nhưng nước ta cũng như một số quốc gia khác vẫn đang ngày ngày phải khắc phục hậu quả do bom mìn để lại từ những cuộc chiến này. Với sự tham gia của các thiết bị dò tìm băng phương pháp khảo sát từ trường đã giúp khắc phục được phần nào những hậu quả trên. Ngoài ra, trong quân sự cũng đang tập trung khai thác từ trường Trái đất để phát triển các ứng dụng liên quan như phát hiện tàu ngầm, thủy lôi,...[11]. Bằng phương pháp khảo sát từ trường gắn trên máy bay đã giúp cho lực lượng tuần tra hải quân triển khai các biện pháp bảo vệ vùng biển hiện nay.

Hình 1.6. Hình minh họa đường sức từ trường không gian trong vùng có tầu ngầm

* Hàng không vũ trụ

Như được nhắc tới trong phần đầu, Trái đất đang được bảo vệ bởi các tác động tiêu cực từ Mặt trời bởi một lớp từ khuyển. Hoạt động của vệ tinh hay các tàu thăm dò không gian bị tác động rất nhiều khi hoạt động ở bền ngoài không gian nơi cường độ từ trường Trái đất khá thấp. Các bức xạ có tác động tiêu cực này có thể gây nhiễu cho các trạm không gian hay máy tính trên máy bay. Do đó, dự đoán về hoạt động từ tính, như một máy cảnh báo giúp giảm thiểu các hậu quả không mong muốn. Đây cũng là một ví dụ khác về từ trường của Trái đất và là mối nguy hiểm mới trong thế giới hiện đại hiện nay.

* Lĩnh vực xây dựng, khảo cổ

Lĩnh vực xây dựng và khảo cổ cũng là những lĩnh vực có khai thác các yếu tố của từ trường Trái đất. Một số ứng dụng đáng chú ý như định vị đường ống, cáp điện trong xây dựng hay thăm dò phát hiện các cổ vật, công trình di tích khảo cổ,…

1.3. Một số loại cảm biến đo từ trường Trái đất

Ứng với mỗi dải từ trường cần khảo sẽ có những loại cảm biến hoạt động tốt trong khoảng từ trường đó. Đối với cảm biến sử dụng để do từ trường của Trái đất thì độ nhạy là yêu cầu đầu tiên cần phải đáp ứng được. Do cường độ từ trường của Trái đất là rất nhỏ nên chỉ có một vài loại cảm biến đáp ứng được với dải từ trường này.

* Cảm biến từ trường Flux-gate

Cảm biến từ Flux-gate là thiết bị hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của độ cảm từ của vật liệu sắt từ theo từ trường ngoài H. Thiết bị này sử dụng đầu thu là hai thanh kim loại sắt từ, thường là permalloy và hai cuộn dây quấn quanh dọc lõi sắt từ kích thích nhằm tạo từ trường để từ hóa thanh sắt từ. Một cuộn thứ cấp được sử dụng để thu tín hiệu cảm ứng sẽ được cuốn dọc theo hệ này theo hướng ngược lại với cuộn dây kích thích. Thiết bị này chỉ đo được thành phần của vector từ trường dọc theo trục cuộn dây. Ngay nay, bằng việc tổ hợp hệ thống ba cảm biến trực giao với nhau cho phép cảm biến này đo từng thành phần của từ trường từ đó xác định được hướng của từ trường Trái đất. Thiết bị dựa trên hiệu ứng này cho độ nhạy của từ trường tốt nhất hiện nay trong khoảng 0.1 nT và độ phân giải đạt tới 0.01 nT [11].

Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp thiết bị đo từ trường flux-gate

Cảm biến này có ưu điểm là công nghệ chế tạo đơn giản, chi phí thấp, kích thước nhỏ, độ bền cao, làm việc ổn định và chịu được điều kiện nhiệt độ cao. Tuy vậy, cảm biến loại này lại gặp phải những giới hạn do độ phân giải của dòng điện nên ở dải từ trường 40.000 nT thiết bị có độ nhạy thấp. Hiệu ứng cảm ứng điện từ trong vật liệu cũng tạo ra nhiều nhiễu nền nên thiết bị này gặp hạn chế trong ứng dụng. Cũng chính bởi cấu tạo gồm nhiều cuộn dây nên cảm biến này gặp khó khăn trong việc nâng cao chất lượng.

* Máy đo từ trường proton

Máy đo từ trường proton (Proton precession magnetometer) hoạt động dựa trên đo tần số tín hiệu tuế sai của proton, hạt nhân của Hydro 1H1 khi trục quay của proton định hướng lại theo từ trường ngoài. Một dung dịch chất lỏng, thường ở dạng dung dịch hoặc dầu chứa nhiều Proton có thể tích từ 0,5 đến 4 lít sẽ được quấn xung quanh bởi một cuộn dây solenoid chứa ligroin (xăng máy bay) để sử dụng làm bộ phận cảm biến. Số lần tuế sai của proton chuyển động với hệ số Kp = 0,042576 Hz/nT từ đó xác định được cường độ từ trường bằng cách đếm số lần này.

Thiết bị này có thời gian lấy mẫu dài (~ 1 giây) và có độ phân giải 1 nT trong dải từ trường của Trái đất khoảng 23.000 đến 62.000 nT và 2 nT trong dải từ trường ngoài 62.000 nT. Khi tăng thời gian lấy mẫu lên khoảng 3 lần thì thiết bị này có thể đo đường từ trường với độ nhạy lên tới 0.1 nT [22]. Có thể thấy thiết bị này rất nhạy với vùng từ trường thấp tuy nhiên cũng có một số hạn chế khi làm việc trong dải từ trường Trái đất như: kích thước lớn, độ chính xác của cảm biến phụ thuộc nhiều vào người thực hiện phép đo, thời gian đọc tín hiệu dài, cần nguồn nuôi lớn,…

Hình 1.8. Ảnh thiết bị, sơ đồ khối và phổ tín hiệu đo của máy đo từ trường proton

* Cảm biến đo từ lượng tử

Máy đo từ lượng tử, hay còn được biết đến với tên gọi là máy đo từ bơm quang học (Optically Pumped Magnetometer), là thiết bị đo từ hoạt động dựa trên việc quan sát hiện tượng phân tách mức năng lượng lượng tử của điện tử trong trường hạt nhân khi có từ trường bên ngoài đặt vào. Máy đo từ lượng tử sử dụng hơi kim loại kiềm của một số nguyên tố như Cesium, Rabidium hay Kalium, nên thường gọi theo tên nguyên tố đó, ví dụ như máy đo từ Cesium. Những máy đo dạng này có độ nhạy rất cao với từ trường ngoài lên tới 0,001 nT với một lần đo dài cỡ 0,3 giây [13]. Máy đo từ này được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng của ngành hàng không vũ trụ và vật lý địa cầu. Cảm biến từ lượng tử yêu cầu công nghệ chế tạo rất phức tạp và tinh vi do đó giá thành của thiết bị thường rất cao.

Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo từ lượng tử

* Cảm biến đo từ trường dựa trên các hiệu ứng khác

Ngoài các loại cảm biến điển hình được liệt kê ở trên thì vẫn còn những loại cảm biến từ trường khác như cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall, cảm biến từ-điện trở, cảm biến từ-điện,…Ưu điểm của những cảm biến này là dải đo từ trường rộng, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, thiết thực để ứng dụng và các thiết bị đo từ trường Trái đất nhỏ gọn cầm tay. Công nghệ chế tạo của những cảm biến này cũng là ưu điểm giúp chúng có cơ hội ứng dụng trong dân dụng nhiều hơn. Tuy nhiên tùy thuộc vào hiệu ứng hoặc vật liệu mà độ nhạy của các cảm biến này là khác nhau, các công ty thương mại hóa các loại cảm biến này đang nghiên cứu để cải thiện hơn nữa điểm yếu về độ nhạy của chúng.

Hiện nay, các hướng nghiên cứu về vật liệu chức năng, vật liệu lai là một trong những hướng nghiên cứu cấp thiết và được đánh giá như giải pháp cho các vấn đề trên. Trong đó có một nhánh trong hướng nghiên cứu này đang rất được chú ý là cảm biến từ dựa trên hiệu ứng từ-điện của các vật liệu tổ hợp đa pha từ giảo-áp điện. Vật liệu này đang rất tiềm năng là bởi loại cảm biến dựa trên vật liệu này có rất nhiều cơ hội để cải thiện độ nhạy và độ phân giải của cảm biến. Công thêm với đó là việc công nghệ chế tạo đơn giản và chi phí nguyên liệu thấp đặt ra các cơ hội rất lớn trong thực tế. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện trong tương lai được dự đoán sẽ là thế hệ cảm biến của thế kỷ mới và đang được đẩy mạnh nghiên cứu rộng khắp. Các kết quả đã chỉ ra rằng thế hệ cảm biến này với độ nhạy cao hứa hẹn có thể sẽ là công nghệ cảm biến thay thế nhiều kỹ thuật đo phức tạp và đắt tiền của thế kỷ trước.

1.4. Cảm biến đo từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ-điện

1.4.1. Tổng quan về cảm biến từ-điện

* Cảm biến từ-điện

Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện đang là một hướng nghiên cứu mới với triển vọng phát triển ứng dụng rất cao. Hiệu ứng từ-điện (magnetoelectric effect) xuất hiện

trên các vật liệu tổ hợp đa pha từ giảo-áp điện (thuộc nhóm vật liệu lai đa pha) hiện nay đang được khai thác ứng dụng trong đo lường từ trường độ nhạy cao [23,25]. Vật liệu từ giảo và vật liệu áp điện cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội mà có thể khắc phục được những nhược điểm của những loại cảm biến còn lại. Cảm biến từ-điện hiện nay thường được chế tạo bằng phương pháp tổ hợp vật liệu đa pha từ-điện. Hai pha vật liệu là sắt từ và sắt điện khi được tổ hợp thành vật liệu khối theo dạng đa lớp thì trong vật liệu sẽ xuất hiện hiệu ứng kết hợp đặc biệt cho phép chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ thành năng lượng điện và ngược lại nhờ vào hiệu ứng từ-điện.

* Hiệu ứng từ-điện

Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng thể hiện sự tương tác bên trong vật liệu giữa hiệu ứng của điện trường, từ trường và ứng suất liên kết. Hiệu ứng này được chia thành hai loại hiệu ứng là hiệu ứng từ-điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từ- điện nghịch (converse magnetoelectric effect). Khi vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện bởi từ trường ngoài thì hiệu ứng này là từ-điện thuận, ngược lại khi tính chất từ của vật liệu bị thay đổi do điện trường ngoài thì hiệu ứng là từ-điện nghịch.

Vật liệu từ-điện với hiệu ứng từ-điện thuận đang có triển vọng rất lớn cho chế tạo cảm biến từ trường Trái đất độ nhạy cao. Các nghiên cứu gần đây trên vật liệu từ-điện sử dụng trong cảm biến từ trường cho thấy kết quả độ phân giải đạt được cỡ 10 nT với độ phân giải này thì vẫn cần phải có những cải tiến trong công nghệ chế tạo của cảm biến này để có thể so sánh với các cảm biến dạng khác.

1.4.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện

Trong nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện, vật liệu pha sắt từ sẽ nhận tác động của từ trường ngoài và bị biến dạng bởi hiệu ứng từ giảo. Biến dạng này tạo ra ứng suất lên pha sắt điện có hiệu ứng áp điện. Khi ứng suất truyền tới tấm áp điện thông qua lớp liên kết giữa hai pha, tấm áp điện sẽ xuất hiện điện tích cảm ứng không đổi (QDC). Có thể coi tấm áp điện lúc này như một tụ điện nhưng chúng không thể duy trì được điện tích và bị mất trong khoảng thời gian rất ngắn (τ) do điện tích đi vào máy đo thông qua các chân điện cực. Vậy nên, để duy trì được lượng điện tích này, một cuộn dây solenoid cung cấp từ trường xoay chiều (hac) được sử dụng để tạo ra các ứng suất dạng dao động (σac). Những ứng suất này tạo ra điện lượng biến thiên (qac) trên tấm áp điện và thiết bị đo sẽ đo được tin hiệu bằng cách đo điện áp xoay chiều lối ra trên tấm vật liệu áp điện [4]. Cuộn dây solenoid này được bố trí để đặt toàn bộ cảm biến vào trong lòng cuộn dây để cho từ trường kích thích tạo bởi cuộn dây là đồng nhất trên toàn bộ cảm biến. Tần số của điện trường xoay chiều cấp vào cuộn dây kích thích là một thông số quan trọng trong cảm biến từ-điện bởi tại tần số này giao động của cảm biến sẽ cộng hưởng với tần số của cuộn kích thích và tạo ra tín hiệu điện áp lớn nhất.

Hình 1.10. Biểu đồ giao động của từng vật liệu của cảm biến từ-điện [3]

* Hệ số từ-điện

Hệ số từ-điện (magnetoelectric coefficient) ký hiệu là αE là tham số đặc trưng đại diện cho hiệu quả ghép nối của hai pha vật liệu trong hiệu ứng từ-điện nói chung hay cảm biến từ-điện nói riêng. Hệ số này phụ thuộc vào từ độ, từ trường ngoài và độ phân cực điện nội tại bên trong của vật liệu [12]. Do hiệu ứng từ-điện được chia thành hai chiều là hiệu ứng từ-điện thuận và nghịch nên hệ số từ-điện cũng sẽ tương ứng là hệ số từ-điện thuận và hệ số từ-điện nghịch.

Trong cảm biến từ-điện thì hiệu ứng được khai thác là hiệu ứng từ-điện thuận thực hiện chuyển tín hiệu dạng từ sang tín hiệu điện. Hệ số từ-điện thuận của hiệu ứng từ-điện thuận được xác định bởi công thức sau: E = dE/dH (1.6). Với E là điện trường tạo ra và H là từ trường đặt vào. Hệ số từ-điện của cảm biến sẽ phụ thuộc vào từ trường AC kích thích và từ trường đặt vào DC do đó cảm biến từ-điện có thể phát hiện được cả từ trường AC và DC.

1.4.3. Đặc điểm của cảm biến từ-điện

Mặc dù các kết quả đã được công bố trước đây về cảm biến loại này có tín hiệu với độ nhạy và độ phân giải chưa cao khi so sánh với các dòng cảm biến khác. Tuy nhiên, vật liệu này được dự đoán là còn nhiều cơ hội để cải thiện về độ nhạy. Bên cạnh đó công nghệ chế tạo cảm biến từ-điện lại rất đơn giản và khai thác được những công nghệ sẵn có hiện nay. Điều kiện làm việc của cảm biến từ-điện này cũng rất thuận lợi vì nó hoạt động tốt nhất ở điều kiện nhiệt độ phòng. Trong luận văn này một số yếu tố tác động tới tín hiệu của cảm biến từ-điện sẽ được nghiên cứu.

Hình 1.11: Liên kết từ-điện trong vật liệu từ-điện thay đổi phân cực điện bởi từ trường ngoài (a); thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài (b)

* Hiệu ứng “shear lag”

Một hiệu ứng quan trọng được quan tâm khi nghiên cứu về các cảm biến từ-điện đó là hiệu ứng “shear lag” hay còn được gọi là hiệu ứng cạnh. Là hiệu ứng thể hiện sự khác biệt về phân bố biến dạng trên bề mặt của những mẫu có dạng màng mỏng [7]. Lý thuyết này chỉ ra rằng giữa phần lõi và phần biên của vật liệu áp điện sẽ có phân bố khác nhau về sự biến dạng. Biến dạng này sẽ tăng dần từ biên của mẫu vào trong lõi với cực đại biến dạng ở tâm của vật liệu. Sự phụ thuộc của thế từ-điện vào sự tăng của kích thước mẫu theo lý thuyết “shear lag” là sự phụ thuộc một cách tuyến tính. Khi kích thước mẫu tăng nhanh thì tỷ số thể hiện của hiệu ứng “shear lag” cũng tăng theo dẫn tới các cảm biến có kích thước lớn hơn sẽ có hiệu ứng từ-điện tốt hơn so với cảm biến có kích thước nhỏ. Do đó mà hiệu ứng này giúp đưa ra dự đoán về độ lớn tín hiệu của cảm biến giữa các cấu hình khác nhau. Tỷ số hiệu ứng “shear lag” được xác định là tỷ số của diện tích mẫu/chu vi mẫu. Tỷ số này sẽ là căn cứ để đưa ra những thiết kế cấu hình thích hợp nhằm cải thiện tín hiệu cảm biến.

* Hiệu ứng dị hướng hình dạng

Dị hướng hình dạng là là hiệu ứng có liên quan chặt chẽ tới trường khử từ của vật liệu sắt từ. Trường khử từ này có xu hướng chống lại sự từ hóa của từ trường ngoài. Việc sử dụng vật liệu sắt từ có cấu trúc dạng thanh mảnh và dài (chiều dài lớn hơn nhiều lần so với chiều rộng) là phương pháp để khai thác tính chất này của vật liệu sắt từ [1]. Đối với cấu hình này vật liệu sẽ dễ từ hóa trong từ trường theo chiều dài của vật liệu, chiều còn lại sẽ là chiều khó từ hóa do trường khử từ tạo ra là rất lớn. Cấu hình này đảm bảo cho tính đơn trục của từng cảm biến trong từ kế vector khi chế tạo và cấu hình của vật liệu sắt từ dạng thanh hình chữ nhật dài và mảnh cũng là cấu hình được sử dụng cho các cảm biến từ-điện hiện nay. Bên cạnh đó cấu hình này cũng giúp cải thiện hiệu ứng từ giảo của vật liệu sắt từ trong cảm biến.

* Tỷ phần thể tích

Ngoài những hiệu ứng trên một yếu tố khác cũng được quan tâm đến trong nghiên cứu này đó là diện tích truyền ứng suất. Diện tích truyền ứng suất này được hiểu là tỷ lệ tỷ phần thể tích của vật liệu áp điện so và vật liệu từ giảo, là phần diện tích tiếp xúc giữa hai pha vật liệu từ giảo và áp điện. Diện tích này càng lớn thì phần ứng xuất tạo ra do vật liệu từ giảo truyền sang vật liệu áp điện sẽ càng nhiều dẫn đến tín hiệu sẽ càng lớn. Cấu hình của cảm biến sẽ là yếu tố quyết định tới tỷ phần này.

Việc tập trung nghiên cứu cảm biến đo từ trường dựa trên loại vật liệu này đang là hướng đi rất triển vọng với điều kiện hiện tại ở nước ta. Tuy nhiên để thực sự chế tạo được các sản phẩm thương mại từ cảm biến loại này thì cần thiết phải cải tiến hơn nữa độ nhạy cũng như độ phân giải của cảm biến. Một số nghiên cứu gần đây trên vật liệu từ-điện này đã chỉ ra rằng cảm biến từ trường chế tạo dựa trên vật liệu này vẫn còn nhiều khá năng để phát triển, đặc biệt là khả năng tối ưu hóa về mặt cấu hình [14].

1.5. Vật liệu từ-điện và hiệu ứng từ-điện

1.5.1. Vật liệu đa pha sắt (Multiferroics)

Multiferroics là khái niệm lần đầu tiền được sử dụng vào năm 1994 bởi nhà khoa học Hans Schmid và là vật liệu thể hiện hai hoặc nhiều hơn các tính chất sắt cơ bản như tính chất sắt từ, sắt điện và tính chất sắt đàn hồi [32]. Từ ba tính chất cơ bản này sẽ dẫn đến đó là những tính chất sắt thứ cấp khác như: điện đàn hồi, từ đàn hồi và đặc biệt là từ-điện. Tính chất từ của vật liệu này được tạo ra bởi tương tác trao đổi giữa các lưỡng cực từ có nguồn gốc do cấu tạo lớp vỏ của các nguyên tử. Tính chất điện là kết quả của việc thay đổi các lưỡng cực điện. Còn tính chất đàn hồi là do sự thay đổi của trật tự sắp xếp trong cấu trúc nguyên tử khi gặp ứng suất. Vật liệu này cũng được đặc trưng bởi các thông số như: độ cảm điện, độ cảm từ, hệ số đàn hồi, hệ số áp điện và hệ số từ-điện. Những thông số này là biểu hiện của sự tương tác giữa các tính rất sắt cơ bản của vật liệu.

Sự xuất hiện đồng thời của cả tính chất từ và điện đặc biệt trong cùng một vật liệu là cơ sở để khai thác vật liệu này trong nhiều ứng dụng khác nhau như máy phát điện, lưu trữ, xử lý và truyền tải thông tin. Tuy nhiên vật liệu multiferroics với hiệu ứng từ-điện đang tồn đại một số nhược điểm mà chủ yếu xuất phát từ cơ chế hoạt động bên trong của vật liệu sắt từ và sắt điện. Ngoài ra, các vật liệu này cũng khá hiếm gặp, hiệu ứng không rõ ràng và nhiệt độ tới hạn thấp so với nhiệt độ phòng.

Hình 1.12. Sơ đồ phân loại các loại vật liệu đa pha sắt (Multiferroic) [32]

1.5.2. Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric)

Vật liệu từ-điện với ba nhóm chính là vật liệu từ-điện đơn pha, đa pha và vật liệu tổ hợp đa pha. Phương pháp chế tạo vật liệu từ-điện đa pha được sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp nghiền hỗn hợp và nung thiêu kết. Những phương pháp này có công nghệ chế tạo đơn giản nhưng lại có nhược điểm là sự xuất hiện của các pha kì dị không mong muốn trong chế tạo làm giảm tính chất của vật liệu. Vật liệu tổ hợp đa pha đang là hướng đi được nhiều nhóm nghiên cứu lựa chọn để khắc phục cho những nhược điểm trên. Trong đó, phương pháp chế tạo các vật liệu tổ hợp đa pha bằng cách liên kết đa lớp hoặc màng mỏng đang là phổ biến nhất. Phương pháp này có nhiều ưu thế về công nghệ chế tạo đơn giản và tính ứng dụng cao. Ngoài ra, vật liệu tổ hợp còn có thể tùy biến một cách dễ dàng theo từng mục đích ứng dụng cụ thể trong đó có cả các ứng dụng chế tạo cảm biến hoạt động trong vùng từ trường thấp cỡ từ trường Trái đất.

Độ lớn của hiệu ứng từ-điện trong vật liệu tổ hợp đa pha phụ thuộc vào ba điểm chính là: hiệu ứng từ giảo của vật liệu sắt từ, khả năng truyền ứng suất giữa hai pha vật liệu sắt từ, sắt điện và độ phân cực điện hay hiệu ứng áp điện của vật liện pha sắt điện. Do vậy mà hiệu ứng từ-điện có thể được cải thiện thông qua nhiều hướng tiếp cận khác nhau như cải thiện tính chất của pha vật liệu, tối ưu hóa hiệu ứng của vật liệu hoặc tăng hiệu quả truyền ứng suất.

1.5.3. Vật liệu sắt từ, vật liệu sắt điện

* Vật liệu sắt từ, hiệu ứng từ giảo

Vật liệu sắt từ là những vật liệu có từ độ tự phát ổn định theo thời gian và có hiện tượng từ trễ khi bị tác động bởi từ trường ngoài. Tổng tất cả các mô men từ (mô men từ tự phát và mô men từ cảm ứng) của vật liệu sẽ tạo thành vector từ độ của vật liệu.

Vật liệu sắt từ sẽ bị từ hóa khi có từ trường ngoài tác dụng và đại lượng độ cảm từ χM được dùng để đặc trung cho mức độ từ hóa của vật liệu [2].

(1.7)

Với: M là từ độ của vật liệu; H là cường độ từ trường ngoài.

Hình 1.13. Đường cong từ hóa của các vật liệu sắt từ

Khi bị từ hóa bởi từ trường ngoài, đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ sẽ có dạng như hình 1.13. Khi tất cả các mô men từ trong vật liệu quay cùng hướng với từ trường ngoài thì vật liệu đạt tráng thái từ độ bão hòa Ms. Khi từ trường từ hóa giảm về không thì trong vật liệu vẫn còn tồn tại giá trị từ độ gọi là từ dư Mr. Tỷ số Mr/Ms là tỷ số thể hiện thông tin về tính chất của vật liệu từ là từ cứng hay từ mềm và cho biết cấu trúc vật liệu.

Hiệu ứng từ giảo được phát hiện lần đầu tiên trên vật liệu sắt vào năm 1842 bởi James Prescott Joule [16], là hiện tượng thay đổi hình dạng và kích thước khi có từ trường ngoài tác dụng lên vật liệu sắt từ. Theo chiều này được gọi là hiệu ứng từ giảo thuận, ngược lại khi thay đổi hình dạng và kính thước vật liệu thì tính chất từ của chúng cũng thay đổi gọi là hiệu ứng từ giảo nghịch. Thông số đặc trưng cho hiệu ứng này trong vật liệu sắt từ được gọi là độ cảm từ giảo (χλ) – sự biến thiên của hệ số từ giảo theo từ trường ngoài [2].

(1.8)

Với λ là hệ số từ giảo được xác định bằng công thức:

(1.9)

Trong đó: l0 là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trường ngoài; l(µ0.H)

là chiều dài cảu mẫu khi có từ trường ngoài µ0.H đặt vào.

Độ cảm từ giảo cũng tương tự như độ cảm từ, đều thể hiện khả năng phản ứng với từ trường ngoài của vật liệu, trong trường hợp của vật liệu từ giảo là khả năng thay đổi tính chất từ giảo của vật liệu khi có từ trường. Vật liệu được sử dụng trong cảm biến từ-điện đòi hỏi phải có độ từ giảo và độ cảm từ giảo lớn và nhiệt độ làm việc tại nhiệt độ phòng. Trong số các vật liệu sắt từ có tính chất từ giảo vượt trội thì vật liệu băng từ FeSiC sử dụng trong máy biến thế công nghiệp là một vật liệu hứa hẹn chưa từng được thử nghiệm trong chế tạo cảm biến. Vật liệu này đã được thương mại với các đặc điểm và tính chất sẽ được tiến hành khảo sát và sử dụng để chế tạo cảm biến trong luận văn này.

* Vật liệu sắt điện, hiệu ứng áp điện

Vật liệu sắt điện là những vật liệu có cấu trúc tinh thể và có độ phân cực điện tự phát. Độ phân cực điện này được định nghĩa là tổng tất cả mô men phân cực điện của vật liệu. Các mô men phân cực điện tự phát này tồn tại trong các phân tử của vật liệu, phần điện tích âm (δ-) và điện tích dương (δ+) luôn tồn tại một cách tách biệt. Thông thường trong các vật liệu sắt điện, các momen từ này sắp xếp song song với nhau trong toàn bộ vật liệu, khi có điện trường ngoài đặt vào các mô men này sẽ quay cùng hướng với điện trường ngoài. Vật liệu sắt điện được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như: bộ nhớ đệm, cảm biến siêu âm, thiết bị truyền động,...

Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thể hiện sự thay đổi độ phân cực điện của vật liệu áp điện khi vật liệu này bị biến dạng cơ học bởi ứng suất hoặc ngược lại vật liệu bị biến dạng do chịu tác dụng của điện trường ngoài. Mối liên hệ giữa ứng suất tác dụng của ngoại lực với vector phân cực điện được thể hiện qua công thức sau [20]:

(1.10)

Với: Pj là độ lớn của vector phân cực điện (C/m2), σk là ứng suất tác dụng (N/m2)

và djk là hệ số áp điện theo phương tác dụng lực (C/N).

Hiện nay, với ưu điểm vượt trội và khả năng ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau thì vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3 - PZT đang được sử dụng và khai thác rất rộng rãi. Một vài những ưu điểm của vật liệu này có thể kể đến như: điện dung cao, hệ số áp điện lớn, đồ bền cơ học cao, dễ gia công xử lý,…Trong luận văn này, vật liệu PZT – 855 đã thương mại hóa sẽ được sử dụng để thực hiện các nghiên cứu. Tấm áp điện PZT được sản xuất bởi công ty American Piezoceramics Inc., PA, USA [6] có độ dày 19

theo thông số được cung cấp là 500 μm với mã số là APCC-855. Tấm vật liệu ban đầu được lựa chọn sử dụng trong luận văn này có kích thước cố định là 50×50mm do đó mà cảm biến trong luận văn này sẽ khai thác tối đa kích thước này của tấm áp điện.

1.6. Từ kế vector

Từ kế hay còn được gọi là máy đo từ trường là thiết bị dùng để đo đạc cường độ và hướng của từ trường trong vùng đặt cảm biến từ. La bàn được biết đến là một từ kế quen thuộc chỉ ra thành phần nằm ngang của vectơ từ trường xung quanh. Từ kế có rất nhiều ứng dụng trong thực tế đặc biệt là vẽ bản đồ từ trường Trái đất. Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như công nghiệp, nông nghiệp, quốc phòng, cũng như sinh học, y học, hàng không vũ trụ, nghiên cứu liên hành tinh,…

Từ kế được chia thành hai loại là từ kế vô hướng và từ kế vector. Trong đó từ kế vô hướng đo cường độ của từ trường tại vị trí đo nhưng không đo hướng của chúng. Từ kế vectơ thì đo giá trị mật độ từ thông cụ thể theo cả độ lớn và hướng của từ trường trong không gian 3 chiều. Từ kế vector thường bao gồm ba cảm biến từ trường, mỗi cảm biến phục vụ đo thành phần của từ trường theo một hướng. Để xác định được vector từ trường tại vị trí đo thì mỗi cảm biến trong một phương đo của từ kế phải là một cảm biến đơn trục. Bằng ba cảm biến đơn trục đặt trực giao và các tính toán theo phương pháp Pythagorean sẽ xác định được vector từ trường tại đo [11].

Hình 1.14. Ảnh chụp ba cảm biến từ trường đơn trục và mô hình của từ kế vector với ba cảm biến đơn trục

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Với mục tiêu đã đặt ra và hướng tiếp cận để đạt được mục tiêu như đã trình bày trong phần trên thì luận văn sẽ lựa chọn phương án để thực hiện đó là xuất phát từ phương pháp mô phỏng để so sánh và đánh giá các cấu hình sau đó tiến hành chế tạo các cảm biến trong thực tế theo các cấu hình này và đo đạc kiểm nghiệm lại các kết quả mô phỏng. Từ hai phương pháp nghiên cứu này sẽ giúp luận văn chọn ra được cấu hình tối ưu cho cảm biến để thực hiện ghép dãy các đơn cảm biến thành một cảm biến dạng dãy.

2.1. Mô phỏng tính chất từ của FeSiC

Trong số các nghên cứu gần đây liên quan tới chế tạo cảm biến từ-điện đã được báo cáo cho thấy cấu hình của pha vật liệu sắt từ là yếu tố tác động đến tính đơn trục của cảm biến [14,30]. Nguyên nhân của điều này ra do tính chất dị ứng hình dạng đặc trưng của vật liệu sắt từ tạo ra. Các lý thuyết cũng đã giải thích hiệu ứng dị hướng từ do hình dạng hay gọi là dị hướng hình dạng là hiệu ứng phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu vật [2]. Ngoài ra, một số khảo sát thực nghiện đã được chỉ ra việc thay đổi hình dạng của vật liệu sắt từ bằng cách giữ nguyên chiều dài và thay đổi chiều rộng cũng làm tăng đáng kể sự tính chất từ mềm của vật liệu [1].

Để làm rõ hơn cho hiệu ứng dị hướng hình dạng trên vật liệu sắt từ, các thử nghiệm bằng phương pháp mô phỏng sẽ được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng ANSYS Maxwell 16 theo phương pháp phần tử hữu hạn. Phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell được đánh giá là một trong những phần mềm mô phỏng tốt nhất đã được thương mại hóa hiện nay với độ chi tiết rất cao, cho phép mô phỏng, tính toán các đại lượng của cả từ trường tĩnh và từ trường biến thiên. ANSYS Maxwell cho phép dựng các mô hình với kích thước và đặc tính cụ thể dưới cả hai dạng 2D hoặc 3D. Dựa trên hệ thống các phương trình Maxwell và các định luật vật lý có sẵn trong thư viện, phần mềm sẽ tạo ra các yếu tố cần khảo sát và trả về kết quả một cách rất trực quan, sinh động.

Phương án mô phỏng được thực hiện trên mẫu vật liệu từ giảo có kích thước chiều dài được lựa chọn cố định L_tg = 50 mm và chiều rộng W_tg thay đổi từ 0.8 mm đến 50 mm trong 2 trường hợp khảo sát là từ trường tác dụng dọc theo chiều dài và dọc theo chiều rộng của vật liệu. Kích thước 50 mm được lựa chọn để mô phỏng bởi vì kích thước này phụ thuộc theo kích thước của tấm vật liệu áp điện được lựa chọn sử dụng trong luận văn này có kích thước nguyên bản là 50×50 mm. Mô phỏng này giúp chỉ ra được hiệu ứng dị hướng hình dạng xảy ra trên vật liệu băng từ khi thay đổi kích thước của vật liệu.

Ngoài ra, luận văn này cũng sẽ tiến hành mô phỏng và đánh giá sự hiệu quả của việc giảm hiệu ứng khử từ bằng phương pháp cải tiến cấu hình trên cảm biến dạng đa

thanh từ giảo. Mô phỏng đánh giá mật độ từ thông sẽ được thực hiện trên cấu hình đại diện là cấu hình hai thanh liền kề với mỗi thanh có kích thước là Wm = 0.8×50 mm đặt cách nhau g = 0.35 mm và tùy biến thành cấu hình dạng hai thanh nối liền với kích thước mỗi thanh cũng là Wm = 0.8×50 mm tuy nhiên cấu hình này có sự khác biệt là hai thanh vật liệu sẽ không tách rời mà được nối liền với nhau tại hai đầu của thanh vật liệu. Phần nối liền này sẽ được thay đổi kích thước trong các mô phỏng để đánh giá hiệu quả của phần nối này. Trường khử từ khuếch tán ra môi trường bên ngoài của mỗi thanh được dự đoán sẽ hạn chế với cấu hình này. Các kết quả mô phỏng này sẽ được diễn giải rõ hơn trong phần kết quả mô phỏng.

2.2. Khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC

2.2.1. Khảo sát tính chất từ

Vật liệu sắt từ FeSiC được lựa chọn sử dụng trong luận văn này là vật liệu hợp kim sắt dạng màng đang được thương mại hóa trên thị trường. Các khảo sát được thực hiện nhằm đánh giá ưu nhược điểm của băng từ này. Cũng giống như vật liệu sắt từ khác, tính chất từ của băng từ này cũng được khảo sát thông qua phép đo đường cong từ hóa. Luận văn đã tiến hành đo đạc trên hai mẫu băng từ có chiều dài L = 50 mm và chiều rộng lần lượt là W = 0.8 mm và 50 mm. Từ trường ngoài được đặt nằm trong mặt phẳng với mặt phẳng của hai mẫu vật liệu được khảo sát. Hai phép đo sẽ được tiến hành là phép đo với từ trường ngoài dọc theo chiều dài của hai mẫu vật liệu và phép đo còn lại sẽ được thực hiện với từ trường dọc theo chiều còn lại của vật liệu. Phương đo với từ trường đặt vuông góc với mặt phẳng của tấm vật liệu không được thực hiện bởi vật liệu được lựa chọn vì vật liệu do có dạng màng mỏng nên phương từ hòa này nghiễm nhiên là phương khó từ hóa.

Hình 2.1. Thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404

Phương pháp đo từ kế mẫu rung (Vibrating sample magnetometer – VSM) là phương pháp được sử dụng để đo đường cong từ hóa của vật liệu. Hệ đo VSM LakeShore 7404 (Lakeshore, USA) tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Micro và Nano, Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN sẽ được sử dụng trong khảo sát này. Với dải từ trường thực hiện của phép đo là 200 Oe. Phép đo này cho phép đánh giá được tính chất từ mềm và xác định trục từ khó từ hóa hay dễ từ hóa của băng từ đang khảo sát.

2.2.2. Khảo sát bề mặt và độ dày

Các khảo sát chụp hình ảnh bề mặt và độ dày của mẫu băng từ FeSiC sẽ được thực hiện để đánh giá cụ thể đặc điểm của vật liệu. Đầu tiên khảo sát vật liệu băng từ FeSiC sẽ được thực hiện bằng cách chụp ảnh cấu trúc bề mặt vật liệu thông qua thiết bị Nova NanoSEM 450 hãng FEI tại Phòng thí nghiệm Khoa học vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Phép đo được thực hiện với nhiều tầng phóng đại khác nhau cho phép đánh giá từ tổng thể đến chi tiết cấu trúc bề mặt của vật liệu. Đối với các vật liệu từ giảo thông thường sẽ có cấu trúc tinh thể xuất hiện trên bề mặt của vật liệu và được quan sát thấy dưới ảnh chụp SEM. Các cấu trúc này tạo ra sự khác nhau về hiệu ứng từ giảo của vật liệu.

Phương pháp này cũng là cũng phương pháp được sử dụng để đo độ dày của vật liệu bằng cách đo mặt cắt ngang của vật liệu. Độ dày của băng từ cũng là yếu tố ảnh hưởng tới ứng suất tạo ra của vật liệu từ giảo. Độ dày thích hợp với những ứng dụng của từ trường Trái đất nằm trong khoảng từ 10 đến 30 µm tùy theo từng loại vật liệu riêng biệt [1].

2.2.3. Khảo sát thành phần vật liệu

Khảo sát về thành phần cấu trúc vật liệu của băng từ FeSiC là khảo sát để đưa ra đánh giá toàn diện về thành phần vật liệu. Trong khảo sát này, thành phần vật liệu sẽ được đo bằng thiết bị đo phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy – EDX). Thiết bị đo này được cung cấp bởi hãng Jeol – Japan có mã là JSM 5410 LV và được thực hiện tại Phòng thí nghiện Khoa học vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Khảo sát nhằm đánh giá các nguyên tố có trong thành phần cấu trúc của vật liệu và tỷ lệ của chúng. Các nguyên tố có trong vật liệu cũng sẽ tạo ra những sự khác biệt về tính chất từ của vật liệu được lựa chọn. Về cơ bản vật liệu sắt từ được lựa chọn này là vật liệu từ mềm với thành phần chủ yếu là Si và Fe. Đây là loại vật liệu phù hợp và được đa số nghiên cứu lựa chọn cho các ứng dụng về chế tạo cảm biến từ-điện đo từ trường thấp.

2.3. Chế tạo cảm biến từ-điện FeSiC/PZT.

Đối với vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp, phương pháp chế tạo sử dụng kỹ thuật kết dính cơ học vẫn cho thấy hiệu quả trong việc truyền ứng suất giữa các pha vật liệu là 23

tốt nhất so với các phương pháp khác. Các kết quả nghiên cứu chế tạo cảm biến từ- điện trước đây cũng đã được thực hiện dưa trên phương pháp này [1,3,20]. Các nguyên liệu dùng để phục vụ cho chế tạo là các vật liệu có sẵn và đã được thương mại hóa trên thị trường. Với hai vật liệu chính được sử dụng là PZT-855 và FeSiC. Cả hai vật liệu này ở trạng thái nguyên bản có dạng tấm lớn do đó rất dễ dàng để tạo thành các hình dạng và kích thước khác nhau.

(a) (b)

Hình 2.2. Vật liệu PZT dạng tấm (a); vật liệu FeSiC dạng màng mỏng (b)

Việc tạo các cấu hình khác nhau cho vật liệu sẽ được thực hiện bằng máy cắt tự động SHERLINE model 5410 (USA). Thiết bị này cũng cho phép thực hiện các bước cắt theo từng lệnh được nhập bằng máy tính. Theo thông số được cũng cấp bởi nhà sản xuất Hoa Kỳ thì máy này cho phép thực hiện cắt mẫu vật có độ chính xác tới micro mét. Máy cắt này sử dụng một lưỡi cắt bằng kim loại với tốc độ quay của lưỡi cắt có thể thay đổi được bằng núm điều chỉnh từ 70 rpm đến 2800 rpm.

Hình 2.3. Hệ máy cắt phiến Sherline 5410 và máy tính điều khiển

Các mẫu vật liệu từ giảo và áp điện sau khi thực hiện xong quá trình cắt thành các cấu hình khác nhau sẽ được tiến hành kết dinh với nhau bằng một lớp keo polymer rất mỏng sao cho lớp keo đủ để giữ cho kết cấu đa lớp của vật liệu đạt độ bền về mặt cơ học là cao nhất nhưng ứng suất truyền từ pha từ giảo sang pha áp điện không bị tiêu hao quá nhiều.

Kế thừa nghiên cứu của tác giả Nguyễn Anh Đức [1], luận văn này cũng sẽ thực hiện chế tạo cảm biến từ-điện theo dạng sandwich (pha áp điện kẹp giữa hai pha băng từ). Cấu hình dạng sandwich với hai lớp vật liệu sắt điện tương ứng với pha từ giảo dính tại hai mặt của pha áp điện PZT.

2.4. Khảo sát tín hiệu và thông số của các cảm biến

Dựa theo nguyên lý hoạt động của thiết bị cảm biến có thể thấy hai thông số được chú ý tới đối với cảm biến loại này là tần số làm việc của cảm biến (tần số cộng hưởng fch) và cường độ từ trường xoay chiều kích thích hac. Hiện tượng cộng hưởng xảy ra ở tần số làm việc của cảm biến từ-điện là hiện tượng tần số dao động cơ học của vật liệu khi phản ứng với từ trường ngoài bằng với tần số kích thích của từ trường xoay chiều tạo ra bởi cuộn dây.

Từ trường xoay chiều có trong cuộn dây được xác định là hac=h0sin(2ft) được cung cấp bởi bộ khếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier). Thiết bị này được sản xuất bởi Ametek, USA và được trang bị tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro và Nano. Thiết bị lock-in được sử dụng cho hai mục đích chính là:

+ Nguồn xoay chiều cấp cho cuộn dây solenoid của cảm biến với tấn số có thể

biến thiên và có thể thay đổi điện áp cấp vào cuộn.

+ Đo tín hiệu điện thế lối ra của cảm biến bằng hai chân điện cực tại hai mặt của

áp điện.

Dải tần hoạt động của bộ khuếch đại này nằm trong dải từ 0 đến 250 kHz. Khả năng cấp tín hiệu xoay chiều có điện áp lên đến 5V với độ chia nhỏ nhất lên tới 2nV. Thiết bị cũng có khả năng đo tín hiệu lối ra từ cảm biến ở tần số chọn lọc nhất định giúp đo được tín hiệu của cảm biến tại tần số làm việc.

Hệ đo sẽ được kết nối với nhau và đồng bộ với máy tính điều khiển thông qua phần mềm Labview. Hệ đo này cho phép thực hiện các thao tác thay đổi thông số dòng cấp cho cuộn dây kích thích như điện áp hay tần số ngay trên máy tính điều khiển. Hình 2.4 bên dưới là sơ đồ hoạt động của hệ đo khảo sát tín hiệu của cảm biến từ-điện.

Hình 2.4. Sơ đồ lắp đặt hệ đo khảo sát tín hiệu cảm biến.

Để có thể thực hiện các phép đo đánh giá cảm biến trong từ trường nhỏ với độ chính xác và độ ổn định cao thì hệ đo sẽ sử dụng thêm cuộn Helmholtz tạo từ trường được nuôi bởi nguồn dòng nanoampe. Cuộn Helmholtz (LakeShore Model MH-2.5 Helmholtz) có thể cung cấp từ trường một chiều với độ lớn trong dải -30 Oe đến +30 Oe và độ chính xác là 10-11 Oe. Để đạt được các thông số trên, cuộn Helmholtz được cấp nguồn bởi nguồn Keithley 2400-LV SourceMeter với dải dòng tối đa lên tới 1.05A và độ chính xác của nguồn cấp là 1 pA.

Nguồn Keithley 2400-LV cho phép thay đổi nguồn điện cấp cho cuộn Helmholtz từ đó tạo ra từ trường thay đổi trong cuộn, từ trường này sẽ được sử dụng để đánh giá dải làm việc hiệu dụng của mỗi cảm biến cũng như độ nhạy của cảm biến chế tạo được. Sự thay đổi của điện áp lối ra của cảm biến theo từ trường một chiều được khảo sát dựa trên nguyên lý đo hiệu ứng từ-điện.

Cường độ từ trường tạo ra được trong cuộn Helmholtz được xác định thông qua

cường dòng điện cấp vào, xác định bở công thức:

(2.1) trong đó, kH= 29,97 Gauss/Ampere là hệ số chuyển đổi (công bố bởi hãng sản

HDC = kHI

xuất)

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả mô phỏng

Thế từ-điện của cảm biến từ-điện phụ thuộc vào ứng suất tạo ra bởi pha vật liệu sắt từ bị từ hóa, ứng suất này lại có tỷ lệ gần như là bậc hai khi so với độ từ hóa M hay mật độ từ thông của pha sắt từ (nghĩa là λ ~ M2) [5]. Do đó, các thiết kế được đưa ra mô phỏng sẽ tập trung vào yếu tố này của vật liệu sắt từ. Phép mô phỏng này hướng tới mục đích là mô phỏng sự khác nhau về phản ứng của vật liệu ở các cấu hình khác nhau khi bị từ hóa trong từ trường giả lập.

Dựa trên phần mềm mô phỏng ANSYS Maxwell 3D (Phiên bản 16 của Hoa Kỳ), các khảo sát sẽ được thực hiện với vật liệu tại các cấu hình khác nhau nhưng trong cùng một từ trường đều giả định đặt vào. Kết quả của mô phỏng là cơ sở để đánh giá mật độ tập trung từ thông của mỗi cấu hình và so sách chúng. Hiệu ứng dị hướng hình dạng trên các thanh vật liệu cũng sẽ được đưa ra trong kết quả mô phỏng sau đây.

Thông số của vật liệu từ giảo được nghiên cứu dùng để nạp vào phần mềm mô phỏng ANSYS Maxwell sẽ được thu thập bằng thiết bị đo từ kế mẫu rung VSM (model 731, Lakeshore Cryotronics, Inc., Westerville, OH, USA). Trong tất cả các phép mô phỏng được thực hiện, từ trường DC đồng nhất có độ lớn là 40 µT sẽ được đặt trong toàn bộ vùng mô phỏng. Từ trường được sử dụng mô phỏng này có giá trị gần tương đương với thành phần nằm ngang của từ trường Trái đất.

Thông thường, vật liệu từ khi đặt trong từ trường ngoài H thì sẽ bị từ hóa dọc theo phương từ hóa của từ trường ngoài. Khi đó ở hai đầu vật liệu (hay còn gọi hai cực từ) sẽ xuất hiện các từ trường tán xạ, từ trường này cũng chính là từ trường của trường khử từ Hd do bản thân vật liệu bị từ hóa sinh ra. Từ trường này ngược hướng với từ trường ngoài và có xu hướng khử từ chính các vật liệu dẫn đến sự suy yếu từ trường hiệu dụng Heff (từ trường tổng cộng) được xác định theo công thức:

(3.1)

Heff = H – Hd

Từ trường khử từ này còn có nguồn gốc từ các tấm vật liệu lân cận khi đặt các tấm vật liệu lại gần nhau, khoảng cách s giữa những thanh vật liệu càng nhỏ thì trường khử từ gây ra giữa chúng càng lớn. Khả năng hưởng ứng của vật liệu từ giảo theo từ trường ngoài bị ảnh hưởng nhiều bởi trường khử từ mà nó sinh ra. Khi từ trường khử từ càng yếu thì hưởng ứng của vật liệu sẽ càng mạnh với từ trường và dẫn đến độ nhạy của linh kiện cảm biến sẽ lớn hơn khi hoạt động dựa trên hiệu ứng từ-điện.

Thông thường để làm suy yếu trường khử từ trong các vật liệu sắt từ người ta thường thiết kế các vật liệu có tỉ lệ kích thước chiều dài càng lớn so với các chiều kích thước còn lại thì càng có lợi (thường hàng chục đến hàng trăm lần tùy thuộc vào công nghệ chế tạo). Thiết kế này cũng sẽ đảm bảo cho vật liệu chỉ cảm nhận được thành

phần từ trường dọc theo cạnh dài nhất của vật liệu phù hợp cho các ứng dụng chế tạo các linh kiện cảm biến đo từ trường đơn trục. Do vậy nên tốt hơn hết là lựa chọn và thiết kế cấu hình vật liệu sao cho vật liệu chỉ hưởng ứng với từ trường dọc theo một chiều của mẫu và theo chiều còn lại thì vật liệu gần như không hưởng ứng. Ví dụ với thiết kế hình trụ có chiều dài rất lớn so với bán kính hoặc với thiết kế hình hộp chữ nhật thì chiều dài L rất lớn so với chiều rộng W và chiều dày t (L >> W; L >> t), tức là tỉ số giữa chiều dài và chiều rộng r = L/W càng lớn càng tốt hay nếu với một chiều dài L cố định thì chiều rộng W càng hẹp càng tốt và chiều dày t càng mỏng càng tốt.

Kết quả của các mô phỏng như đã trình bày trong chương 2 với chiều dài mẫu được chọn là L_tg = 50 mm và chiều rộng W_tg thay đổi từ 0.8 mm đến 50 mm trong hai trường hợp mô phỏng là từ trường tác dụng dọc theo chiều dài và dọc theo chiều rộng của vật liệu được thể hiện như trong hình 3.1 bên dưới.

Hình 3.1. Kết quả mô phỏng phân bố từ thông (a); Cảm ứng từ hiệu dụng Beff trên toàn bộ thể tích của vật liệu (b)

Từ hình 3.1 có thể thấy, từ thông tập trung mạnh nhất ở trung tâm của thanh vật liệu và suy hao dần về phía hai đầu vật liệu. Kết quả mô phỏng cũng đã chỉ ra khi cấu hình của vật liệu sắt từ có dạng thanh hẹp và dài thì cảm ứng từ hiệu dụng sẽ lớn với từ trường ngoài từ hóa vật liệu dọc theo chiều dài mẫu và sẽ rất nhỏ (~0) khi từ trường ngoài này hướng dọc theo chiều rộng của mẫu. Điều này là minh chứng cho hiệu ứng dị hướng hình dạng xảy ra trên pha vật liệu sắt từ. Đây cũng là cơ sở để lựa chọn cấu hình vật liệu từ có dạng thanh dài và hẹp làm cấu hình cho chế tạo cảm biến từ-điện đơn trục.

Cấu hình này giúp tăng cảm ứng từ hiệu dụng trên bề mặt vật liệu và đồng thời đảm bảo được tính đơn trục của cảm biến khi chỉ nhạy với thành phần từ trường dọc theo chiều dài mẫu. Cấu hình cảm biến từ-điện với vật liệu pha sắt từ dạng thanh dài và hẹp có kích thước là W_tg = 0.8×50 mm như được mô phỏng sẽ là kích thước được lựa chọn để tiến hành các đánh giá tiếp theo.

Tuy vậy, cấu hình này lại gặp phải cản trở khi muốn tăng thêm tín hiệu thu được ở lối ra do hiệu ứng “shear lag”. Để khắc phục được điều này mà vẫn giữ được cấu hình thanh dài của vật liệu sắt từ thì một ý tưởng về thay đổi thiết kế đã được luân văn đưa ra và sẽ là phương án để khắc phục cho hạn chế trên đó là chế tạo các cảm biến với pha sắt từ có dạng nhiều thanh vật liệu (n > 1) liền kề trên cùng một tấm vật liệu áp điện lớn. Phương án này còn giúp tăng thể tích phần truyền ứng suất giữa hai pha vật liệu của cảm biến đồng thời cũng giảm hiệu ứng “shear lag” rõ rệt so với các cấu hình cổ điển trước đây.

Tuy vậy, việc sử dụng cấu hình dạng nhiều thanh liền kề nhau này lại có hạn chế riêng. Sự tác động của trường khử từ lên nhau, giữa các thanh vật liệu từ giảo lân cận sẽ xảy ra và tác động làm giảm khả năng hưởng ứng của vật liệu với từ trường. Trong trường hợp này, khi thanh vật liệu sắt từ của cảm biến bị từ hóa, chúng sẽ tạo ra một trường khử từ tán xạ ra bên ngoài thể tích của vật liệu. Trường khử từ này có chiều ngược với từ trường ngoài và sẽ tác động tới những thanh vật liệu cạnh bên của nó làm suy giảm ứng suất tạo ra của vật liệu từ. Do đó cấu hình này vẫn cần cải tiến thêm để tăng hiệu quả.

Và ý tưởng tiếp theo được luận văn đưa ra đó là thực hiện kèo dài và nối liền phần đầu của những thanh vật liệu trong cấu hình lại với nhau để giảm thiểu tán xạ của trường khử từ gây ra. Phần nối liền này được kéo dài ra để tối ưu hóa cảm ứng từ hiệu dụng của vật liệu trong vùng hoạt động của cảm biến và nó có mục đích như phần giúp khép kín mạch từ cho vật liệu. Các mô phỏng sự khác nhau về chiều dài của phần nối liền giữa các thanh cũng đã được thực hiện và sẽ đồng thời được đưa ra để so sánh với các cấu hình còn lại.

Trong mô phỏng này các cấu hình sẽ được mô phỏng đồng thời trong cùng một từ trường để có thể dễ dàng so sánh được sự khác biệt giữa các cấu hình. Các ký hiệu của các thông tin trong phép mô phỏng này bao gồm: n là số lượng thanh vật liệu từ giảo trong cấu hình được mô phỏng, e là chiều dài phần kèo dài của thanh vật liệu, c là chiều dài phần nối liền giữa hai thanh vật liệu, Ls là vùng hiệu dụng của cảm biến (vùng cảm nhận), 1T là cấu hình đơn thanh, ĐT là cấu hình đa thanh, ĐTTR là cấu hình đa thanh tách rời, ĐTNL là cấu hình đa thanh nối liền. Kết quả của mô phỏng này được thể hiện trong hình 3.2 bên dưới.

Hình 3.2. Phân bố từ thông trên bề mặt của tấm vật liệu từ giảo với các cấu hình (a); Độ đồng nhất về phân bố từ thông trong vùng khả dụng của các cấu hình (b)

Kết quả hình 3.2 cho thấy so với cấu hình dạng đơn thanh, mật độ từ thông tập trung ở mẫu đa thanh (n = 2) có cùng độ dài là ít hơn nếu so sánh từng thanh. Giá trị mật độ từ thông tập trung mô phỏng được của mẫu đa thanh với n = 2 này là 24,26 mT, thấp hơn 1,7% so với giá trị thu được là 24,69 mT của mẫu đơn thanh. Đây là phép mô phỏng thể hiện sự suy giảm về mật độ tập trung từ thông của mẫu đa thanh do khử từ gây ra bởi thanh liền kề. Một điều đáng chú ý tới nữa ở phép mô phỏng này đó là sự không đồng nhất của từ thông trong vùng khả dụng xảy ra ở cả hai mẫu. Như trong hình 3.2 (b), mật độ từ thông giảm mạnh từ vị trí x/Ls = 0.5 và rất thấp tại vị trí có x = Ls (có giá trị là 2,17 mT) tại hai đầu của thanh vật liệu. Điều này dẫn đến sự mất đồng nhất về mật độ của thông của vật liệu với cấu hình này.

Để có thể xem xét được độ không đồng nhất của mật độ từ thông, tỷ lệ suy giảm tương đối của Beff từ tâm của thanh đến phần cuối thanh vật liệu sẽ được tính bởi công thực:

(3.2)

Tỷ lệ này ứng với kết quả mô phỏng thu được của mẫu có cấu hình đơn thanh sẽ có giá trị là r = 93%. Phương án nối các thanh cũng sẽ là phương án để cải thiện sự không đồng nhất của phân bố từ thông này. Các thanh vật liệu FeSiC trong mô phỏng sẽ được kéo dài ra ở hai đầu và nối liền lại giúp cải thiện tính đồng nhất của phân bố từ thông trong vùng khả dụng của vật liệu. Tính toán các kết quả mô phỏng đã cho ra con số tỷ lệ suy giảm tương đối r chỉ là 17% đối với cấu hình đa thanh kéo dài với số thanh là 2 và phần kéo dài thêm là e = 5 mm. Kết quả này thậm chí còn tốt hơn với r = 6% có thể đạt được với cấu hình dạng đa thanh nối liền với e = c = 5 mm. Trong trường hợp này, mật độ từ thông tập trung hiệu dụng cũng đạt giá trị lớn nhất trong tất cả các cấu hình là 26,14 mT.

Mô phỏng này đã đánh giá được ưu điểm của cấu hình từ giảo dạng thanh nối liền. Cấu hình này có mật độ phân bố từ thông và độ đồng nhất của từ thông trong vùng khả dụng là tốt nhất so với các cấu hình khác và so với cấu hình đơn thanh thông thường. Kết quả mô phỏng này cũng là cơ sở để nhận định rằng cấu hình đa thanh nối có thể sẽ cho tín hiệu cảm biến tốt nhất do hiệu ứng từ giao là tốt hơn. Để minh chứng thêm nhận định này, các cảm biến với cấu hình như trên được thực hiện khảo sát thực tế. Tín hiệu thu được sẽ là cơ sở để so sánh sự hiệu quả của cấu hình và kết luận cấu hình nào tối ưu hơn.

3.2. Kết quả khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC

Trong chế tạo cảm biến từ-điện hoạt động trong dải từ trường Trái đất thì vật liệu được sử dụng phổ biến nhất hiện nay vẫn là vật liệu Metglas. Vật liệu được chọn trong luận văn cũng có những đặc điểm cơ bản giống với Metglas, tuy nhiên vật liệu này có nhưng ưu điểm vượt trội trong chế tạo do độ bền vật lý tốt hơn. Để kiểm chứng thêm những tính chất khác của vật liệu thì các khảo sát lần lượt sẽ được tiến hành và báo cáo.

3.2.1. Khảo sát tính chất từ

Tính chất từ của vật liệu sắt từ thể hiện bởi khả năng tương tác của bản thân vật liệu với từ trường ngoài. Tính chất này được nghiên cứu thông qua đồ thị đường cong từ hóa được đo bằng phương pháp từ kế mẫu rung (VSM). Thiết bị này giúp đánh giá tính chất từ của mẫu thông qua đo đường cong từ hóa, từ trễ, từ độ bão hòa, độ từ dư, lực kháng từ, độ từ thẩm,...Mẫu được dùng trong khảo sát tính chất từ này là mẫu FeSiC có kích thước 0.8×50 mm và được từ hóa theo cả hai phương là phương dễ từ hóa (với từ trường dọc theo chiều dài) và phương khó từ hóa (với từ trường dọc theo chiều rộng).

Hình 3.3. Đường cong từ hóa của vật liệu FeSiC 0.8x50 mm

Kết quả đo đường cong từ hóa theo hai phương vuông góc và song song với chiều dài mẫu được thể hiện tại hình 3.3. Đường cong đo được cho thấy sự khác biệt rõ rệt khi đo với từ trường song song và vuông góc với chiều dài của mẫu. Ở phương từ hóa song song có thể dễ dàng nhận thấy băng từ FeSiC có tính chất từ siêu mềm dọc theo phương này. Tính chất từ siêu mềm này thể hiện ở độ từ dư và lực kháng từ rất nhỏ (Hc ~ 0 Oe), từ trường bão hòa rất thấp tại Hs ~ 42 Oe. Tính chất từ mềm này của vật liệu phù hợp với các nghiên cứu nhằm chế tạo cảm biến từ trường thấp cỡ từ trường Trái đất với độ nhạy và độ phân giải cao.

Phương từ hóa của từ trường tạo ra sự khác biệt về đường cong từ hóa của mẫu đã giúp khẳng định hiệu ứng dị hướng hình dạng trong vật liệu. Minh chứng là khi phép đo được thực hiện theo phương song song với chiều dài của băng từ, từ trường để mẫu đạt bảo hòa chỉ khoảng Hs = 42 Oe. Ngược lại khi phép đo với từ trường ngoài nằm theo phương vuông góc thì đồ thị có dạng đường tuyến tính và trong toàn bộ dải đo không hề quan sát thấy vật liệu phản ứng với từ trường ngoài. Kết quả này đã một lần nữa khẳng định hiệu ứng dị hướng hình dạng xảy ra trên mẫu vật liệu được khảo sát. Hiệu ứng dị hướng hình dạng như đã được nhắc tới trong phần tổng quan của luận văn là một hiệu ứng quan trọng và được khai thác trong chế tạo ra cảm biến có tính đơn trục.

Trong các kết quả nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng của mẫu cũng ảnh hướng tới tính chất từ mềm của vật liệu [1][23]. Tỷ số này càng lớn thì độ từ mềm của vật liệu với phương từ hóa của từ trường ngoài dọc theo chiều dài sẽ càng lớn. Do đó, với những nghiên cứu trong luận văn này kích thước vật liệu pha sắt từ là 0.8×50 mm sẽ được sử dụng. Bởi vì tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng

(L/W) của kích thước này là lớn nhất và kích thước này cũng là kích thước khả thi trong chế tạo với điều kiện trang thiết bị hiện tại của cơ sở nghiên cứu.

3.2.2. Khảo sát thành phần vật liệu

Trong công nghiệp vật liệu FeSiC có một số đặc điểm nổi bật như tính chất từ giảo tốt, độ bền cao và dễ dàng xử lý, gia công. Trong khảo sát này vật liệu này sẽ được tiến hành đánh giá về thành phần cấu trúc vật liệu. Do đây là một vật liệu chưa được đưa vào nghiên cứu trong các báo cáo trước đây nên các khảo sát này sẽ giúp có cái nhìn tổng quát về vật liệu này. Thành phần của vật liệu băng từ là yếu tố cơ bản tạo ra sự khác biệt về tính chất từ của vật liệu và cũng tạo ra sự khác biệt khi sử dụng trong chế tạo cảm biến từ-điện. Phương pháp phân tích thành phần EDX (phổ tán xạ năng lượng tia X) được sử dụng và cho ra kết quả được thể hiện trong hình 3.4.

Hình 3.4. Kết quả đo phân tích thành phần vật liệu FeSiC

Kết quả phân tích phổ cho thấy thành phần cấu thành của vật liệu được khảo sát bao gồm ba nguyên tố là sắt, silic và carbon. Trong đó tỉ lệ phần trăm nguyên tử của Fe đo được là: 95,61%, Si là 2,4% và tỉ lệ C trong cấu trúc là 1,99%. Từ kết quả đo trên luận văn lựa sẽ gọi tên của vật liệu này là FeSiC theo như thành phần các chất có trong vật liệu.

3.2.3. Khảo sát cấu trúc bề mặt và độ dày

Các khảo sát về cấu trúc bề mặt và độ dày của vật liệu đã được khảo sát bằng

phương pháp SEM. Kết quả thu được được thể hiện trong hình 3.5.

Hình 3.5. Ảnh chụp SEM độ dày của vật liệu FeSiC

Từ hình 3.5 có thể thấy vật liệu FeSiC có dạng băng mỏng với độ dày của là 21.13 µm. Độ dày này thích hợp trong chế tạo các cảm biến có kích thước nhỏ như cảm biến từ trường. Ngoài ra vật liệu này cũng có độ dày gần bằng với vật liệu Metglas (FeCoSiB) đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu đã được công trong chế tạo cảm biến từ-điện [8][9][33][35].

Hình 3.6. Ảnh chụp SEM bề mặt của vật liệu FeSiC

Ảnh chụp bề mặt băng từ FeSiC cho thấy trên bề mặt của vật liệu có xuất hiện các hạt cấu trúc tinh thể. Cấu trúc tinh thể này là kết quả của sự kết tinh trong quá trình chế tạo của băng từ. Các kết quả phân tích hình ảnh cho thấy tinh thể có kích thước trung bình khoảng 30 nm đến 55 nm. Như vậy có thể thấy vật liệu này có các cấu trúc nano tinh thể hứa hẹn tính chất từ giảo vượt trội.

3.3. Kết quả khảo sát các cấu hình cảm biến

Hình 3.7. Mô tả các cấu hình cảm biến được chế tạo

Trong phần này, luận văn sẽ tiến hành chế tạo các cảm biến từ-điện với hai pha vật liệu sắt từ và sắt điện là băng từ FeSiC và áp điện PZT. Sau đó thực hiện khảo sát các cảm biến có cấu hình khác này để lựa chọn cấu hình tối ưu nhất. Các cấu hình này sẽ dựa theo những phân tích được rút ra từ phần 3.1 mô phỏng mật độ từ thông tập trung và kế thừa các phương pháp chế tạo từ các nghiên cứu trước của phòng thí nghiệm [1,3,4]. Những khảo sát này sẽ tạo thành cơ sở thực nghiệm chắc chắn giúp so sánh và rút ra cấu hình cảm biến nào có tín hiệu lối ra lớn nhất.

Các cảm biến từ-điện này sẽ được kích thích bởi một nguồn từ trường AC đều trong khi đo với độ lớn hac = 1,74×10-2 Oe tạo bởi cuộn dây có chiều dài 60 mm và được nuôi bằng thiết bị lock-in 7265. Thế áp điện lối ra VME từ cảm biến cũng được ghi bởi lock-in với hệ số từ-điện E được xác định bởi công thức E = VME/(t.hac) (3.3). Với t là độ dày của tấm áp điện PZT.

3.3.1. Khảo sát cảm biến với cấu hình nối liền

Từ kết quả mô phỏng cho thấy vật liệu từ giảo có cấu hình dạng đa thanh nối liền với e = c = 5 mm cho mật độ từ thông tập trung là lớn nhất trong toàn bộ diện tích hiệu dụng. Điều này thể hiện rằng cấu hình này sẽ là cấu hình vượt trội hơn so với cấu hình

dạng đa thanh tách rời về độ lớn tín hiệu của cảm biến chế tạo. Trong phần nghiên cứu này, các cảm biến theo mô phỏng sẽ được đánh giá trong từ trường đều DC cố định với ba cấu hình khác nhau lần lượt là:

Đơn thanh thông thường với pha từ giảo là một thanh vật liệu kích thước 0.8×50

mm;

Đa thanh tách rời (ĐTTR) với số thanh là n = 2 và kích thước mỗi thanh là

0.8×50 mm;

Đa thanh nối liền (ĐTNL) với số thanh là n = 2 và phần nối liền c = 5 mm;

Hình 3.8. Tín hiệu của cảm biến theo tần số (a); Tín hiệu của cảm biến theo từ trường ngoài (b)

Hình 3.8 (a) thể hiện tín hiệu của ba cảm biến thay đổi theo tần số của từ trường AC kích thích tạo bởi cuộn dây solenoid. Kết quả thu được cho thấy rằng tần số cộng hưởng (fch) của các cảm biến có sự khác biệt và dao động trong khoảng 32,75 kHz đến 33 kHz. Với cảm biến từ-điện đa lớp có kích thước chiều dài lớn hơn rất nhiều chiều rộng (L >> W), tần số cộng hưởng sẽ bị chi phối chủ yếu bởi chiều dài của vật liệu với fch ~ 1/Ls. Trong khảo sát tín hiệu cảm biến thay đổi theo tần số thì cảm biến sẽ có tín hiệu lớn nhất tại tần số cộng hưởng. Giá trị này có ý nghĩa trong đánh giá sự khác nhau về tín hiệu cực đại của cảm biến. Cảm biến nào có giá trị tín hiệu cho ra lớn hơn thì cảm biến đó sẽ là cảm biến có độ nhạy tốt hơn. Kết quả của cấu hình đa thanh nối liền (n = 2) trong hình 3.8 (a) có tín hiệu điện áp thu được lớn nhất khi so với tín hiệu của cấu hình đa thanh tách rời (n = 2) và cấu hình đơn thanh. Từ đó dự đoán rằng cấu hình này là cấu hình tối ưu hơn và sẽ có độ nhạy lớn hơn.

Đường cong ghi nhận thế từ-điện lối ra của cảm biến từ-điện ME khi khảo sát trong dải từ trường DC đầy đủ được thể hiện trong hình 3.8 (b) và trong dải DC hẹp được thể hiện trong hình 3.8 (c). Có thể dễ dàng thấy được sự vượt trội về tín hiệu ghi nhận được của cấu hình đa thanh nối liền (ĐTNL) so với hai cấu hình còn lại trong cả dải từ trường quét rộng và hẹp. Đồ thị đường điện áp đáp ứng của cảm biến theo từ trường ngoài tạo ra bởi cuộn Helmholtz trong hai hình 3.8 (b) và (c) chính là minh chứng cho hiệu quả của việc thay đổi cấu hình cảm biến dẫn tới cải thiện tín hiệu lối ra. Trong đồ thị trên, đường giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của đồ thị sẽ cung cấp thông tin về độ nhạy của cảm biến. Phần đồ thị giữa hai điểm này với độ dốc tín hiệu càng lớn thì độ nhạy của cảm biến sẽ càng cao. Có thể giải thích điều này như sau: trong cùng một từ trường cấp vào, đồ thị tín hiệu của cảm biến nào có sự thay đổi nhiều hơn hay độ dốc đồ thị lớn hơn thì cảm biến đó sẽ có độ nhạy lớn hơn. Ngoài ra, từ điểm từ trường có giá trị tín hiệu thấp nhất đến điểm từ trường có tín hiệu thu được là lớn nhất chính là vùng làm việc của cảm biến.

Độ dốc đường cong quan sát được đối với mẫu cảm biến cấu hình đa thanh nối liền lớn hơn rõ rệt khi so với hai mẫu còn lại. Hệ số điện áp từ-điện lối ra của cấu hình này lên tới 629,9 V/cm.Oe lớn hơn 1,47 lần so với giá trị E = 427,6 V/cm.Oe của cấu hình đơn thanh cơ bản. Tuy nhiên, vùng làm việc của cấu hình đa thanh nối liền lại hẹp hơn khi so với đơn thanh và đa thanh rời. Điều này trong thực tế thì không ảnh hưởng quá nhiều tới mục đích của cảm biến bởi vì dải tuyến tính của đường tín hiệu từ cảm biến vẫn hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu để thực hiện các khảo sát trong từ trường Trái đất với dải đo yêu cầu là khoảng 120.000 nT. Đến đây có thể kết luận rằng cấu hình đa thanh nối liền là cấu hình vượt trội hơn so với cấu hình thanh tách rời.

3.3.2. Khảo sát cảm biến với cấu hình nhiều thanh

Sau khi đã kết luận được rằng cấu hình dạng thanh nối liền là cấu hình cho tín hiệu cảm biến tốt hơn thì việc tiếp theo đó là tăng tín hiệu theo hướng tăng số lượng thanh vật liệu từ giảo trong cảm biến. Số lượng thanh trong cảm biến tăng cũng đồng nghĩa với đó là kích thước của vật liệu áp điện của cảm biến tăng theo. Kích thước của vật liệu áp điện lại là yếu tố liên quan tới hiệu ứng “shear lag” như đã đề cập trong phần tổng quan. Điều này dẫn ra ý tưởng rằng khi tăng số lượng thanh từ giảo của cảm biến lên thì tín hiệu lối ra của cảm biến cũng sẽ tăng theo một cách tuyến tính. Bởi vì khi này thể tích mẫu sẽ lớn, tỷ số diện tích mẫu trên chu vi sẽ tăng nên hiệu ứng “shear lag” sẽ giảm đi. Dó vậy mà ý tưởng tiếp theo của luận văn sẽ là chế tạo các cảm biến dạng đa thanh nối liền có số lượng thanh cao hơn (n > 2) và sau đó kiểm chứng hiệu quả của chúng.

Tuy vậy, tín hiệu lối ra của cảm biến còn phụ thuộc vào một yếu tố khác mà trong phần tổng qua đã đưa ra đó là tỷ lệ tỷ phần thể tích của vật liệu áp điện so và vật liệu từ giảo. Tỷ phần này được hiểu đơn giản chính là diện tích tiếp xúc giữa hai pha

vật liệu từ giảo và áp điện. Diện tích này càng lớn thì phần ứng xuất tạo ra do vật liệu từ giảo truyền sang vật liệu áp điện sẽ càng nhiều dẫn đến tín hiệu sẽ càng lớn. Trong trường hợp này, ý tưởng về việc tăng số thanh trong cấu hình của cảm biến lên sẽ dẫn tới tỷ lệ này sẽ thay đổi nhưng thay đổi này có chiều hướng giảm dần khi tăng số lượng thanh từ giảo của cảm biến.

Hình 3.9. Kích thước thanh và khoảng rỗng giữa hai thanh vật liệu

Trong quá trình chế tạo các cảm biến, với các cấu hình dạng đa thanh nối liền, phân rãnh tạo ra giữa mỗi thanh sẽ là một phần khoảng rỗng nhỏ có dạng hình chữ nhật như trong hình 3.9. Đây chính là khoảng cách giữa hay thanh vật liệu và phần này lại là phần diện tích không tạo ra ứng xuất. Phần diện tích này tăng lên tương ứng khi số thanh của cảm biến tăng lên. Diện tích này là phần không tạo ra tín hiệu và là phần lãng phí trong cấu hình của cảm biến nhiều thanh nối liền. Yếu tố này có xu hướng ngược với hoạt động của hiệu ứng “shear lag” do vậy mà các so sánh là cần thiết để đưa ra nhận xét trong trường hợp này. Sự trái ngược của hai yếu tố tác động tới tín hiệu của cảm biến này cũng giúp đưa ra một nhận định rằng sẽ có một cấu hình là tối ưu nhất và cân bằng giữa cả hai yếu tố.

Hình 3.10. Tỷ số hiệu ứng “shear lag” theo số thanh (màu đỏ); Tỷ số tỷ phần thể tính giữa hai pha vật liệu (màu đen)

Tỷ số tỷ phần thể tích và tỷ số hiệu ứng “shear lag” được thể hiện như trong trong hình 3.10. Trong đó, hiệu ứng “shear lag” của pha vật liệu áp điện được biểu diễn thông qua tỷ số diện tích trên chu vi của vật liệu (Sáp điện/Cáp điện). Còn tỷ số tỷ phần thể tích được xác định là diện tích pha từ giảo trên pha áp điện (Stừ giảo/Sáp điện). Cả hai tỷ số này đều có thay đổi khi tăng dần số thanh sắt từ lên và tỷ số này cũng là xu hướng của sự thay đổi về tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến khi thay đổi số lượng thanh trong cấu hình.

Để đánh giá cụ thể hơn hai xu hướng trái ngược nhau này các khảo sát thực nghiệm đã được thực hiện. Việc thử nghiệm giúp đánh giá yếu tố nào sẽ chiếm ưu thế khi thay đổi số thanh và từ đó có thể kết luận ra được cấu hình tối ưu nhất, cho tín hiệu lớn nhất. Tín hiệu lối ra của các cảm biến có cấu hình với số thanh lần lượt là 1,2,3,4 và 6 như trong hình 3.11 đã được khảo sát với kết quả thu được được trình bày trong hình 3.12.

Hình 3.11. Cảm biến với cấu hình đa thanh nối liền chế tạo được

Hình 3.12. Kết quả tín hiệu cảm biến (a) và Hệ số từ-điện và độ nhạy với số thanh khác nhau (b)

Như kết quả trong hình 3.12 có thể thấy được sự khác biệt về tín hiệu lối ra cực đại của cảm biến với các cấu hình khác nhau. Với cảm biến cấu hình một thanh thông thường tín hiệu cực đại thu được khoảng 330 mV, với cấu hình hai thanh là khoảng 530 mV, cấu hình ba thanh khoảng 490 mV, bốn thanh là 450 mV và sáu thanh là 320 mV. Trong tất cả những cấu hình cảm biến đa thanh nối liền, từ thông được phân bố đồng đều trên tất cả các thanh từ giảo tuy nhiên tín hiệu thu được lại có sự khác biệt. Sự khác biệt này thể hiện ở tín hiệu của các biến có sự tăng lên khi tăng số thanh từ một thanh lên hai thanh, điều này là biểu hiện của hiệu ứng “shear lag” đã giảm. Khi số lượng thanh vật liệu của cảm biến tăng lên hai thanh thì diện tích tấm áp điện cũng đã tăng lên và theo đó là tỷ số “shear lag” cũng tăng theo.

Đối với cấu hình dạng hai thanh nối liền tín hiệu cảm biến đã được cải thiện đáng kể so với cấu hình một thanh thông thường là do cấu hình này có phần diện tích lãng phí không tạo ra ứng xuất chỉ là 17,5 mm2. Tỷ phần thể tích hiệu dụng của mẫu này chiếm 82.5% toàn bộ thể tích của cảm biến nên sự suy giảm là chưa đáng kể. Khi số thanh của cấu hình tăng lên ba thanh thì tín hiệu cực đại thu được từ cảm biến ba thanh nối liền lại giảm đi so với tín hiệu thu được ở cấu hình hai thanh. Điều này có thể giải thích là do cấu hình ba thanh nối liền này có tỷ phần thể tích hiệu dụng giảm đi so với mẫu hai thanh và chỉ còn 76,7%. Sự cải thiện của hiệu ứng “shear lag” ở cấu hình này đã không còn được thể hiện được ưu thế rõ ràng so với khi ở cấu hình hai thanh. Các cấu hình tiếp theo khi tăng số lượng thanh cũng cho thấy xu thế giảm tương tự của tín hiệu. Việc tăng số thanh trong cấu hình của cảm biến trong trường hợp này đang bị hạn chế bởi tỷ phần thể tích của hai pha vật liệu. Ở Hình 3.12 (a) đã cho thấy rõ rằng đường cong tín hiệu của cấu hình đa thanh nối liền với số thanh là hai (n = 2) có màu đỏ vượt trội hơn về tín hiệu cực đại so với các cấu hình có số lượng thanh khác. Điều này chứng tỏ khi số thanh tăng thì tỷ phần này lại giảm đi thể hiện qua sự suy giảm của tín hiệu, xuất phát từ diện tích truyền ứng suất giảm đi trong cấu hình. Trong khi đó hiệu ứng “shear lag” không còn giúp tăng tín hiệu một cách đáng kể. Tuy nhiên khi tăng lên của số thanh vật liệu trong cấu hình (n > 2) vùng từ trường hoạt động của cảm biến được lại mở rộng ra. Nhưng do mục tiêu hướng tới ban đầu của luận văn là xây dựng cấu hình có tín hiệu lối ra lớn nhất đồng nghĩa là độ nhạy cao nhất nên cấu hình 2 thanh vẫn được quan tâm hơn cả.

Hình 3.12 (b) là đường đồ thị thể hiện sự thay đổi của hệ số từ-điện và độ nhạy của cảm biến ứng với số thanh lần lượt là 1,2,3,4 và 6 trong cấu hình cảm biến. Với hệ số từ-điện và độ nhạy cảm biến được rút ra từ độ dốc đường cong của các mẫu cảm biến có thể thấy hệ số từ-điện thu được lớn nhất là E = 629.9 V/cm.Oe ở mẫu hai thanh nối liền. Tuy giá trị này vẫn còn thua kém nhiều so với hệ số từ-điện khổng lồ 5kV/cm.Oe thu được từ cấu trúc màng mỏng [18] nhưng nó lại lớn hơn 1,26 lần so với giá trị cao nhất E = 500V/cm.Oe được công bố trong cảm biến từ-điện tổ hợp đa lớp

FeBSiC/piezofiber [27]. Đến đây có thể kết luận được rằng cấu hình hai thanh nối liền là cấu hình cho tín hiệu lỗi ra là lớn nhất.

(a)

(b)

Hình 3.13. Cấu hình tối ưu của vật liệu từ giảo trong cảm biến từ-điện (a); Cấu tạo cảm biến từ-điện với cấu hình tối ưu (b)

Tổng kết lại kết quả từ cả ba phần đã trình bày ở trên có thể kết luận rằng cảm biến đơn trục dựa trên vật liệu FeSiC/PZT với cấu hình hai thanh nối là cấu hình cho tín hiệu lối ra của cảm biến là lớn nhất. Tuy nhiên chưa dừng lại ở đó, phần tiếp theo các khảo sát về việc ghép nối các đơn cảm biến với cấu hình này thành dạng cấu trúc dãy sẽ được nghiên cứu.

3.4. Kết quả khảo sát tín hiệu cảm biến dạng dãy

Trong phần kết quả nghiên cứu này của luận văn, bốn cảm biến giống nhau với cùng cấu hình tối ưu nhất được kết luận trong phần 3.3 sẽ được chế tạo và thực hiện ghép nối theo cấu trúc dãy. Những cảm biến này được chế tạo theo một quy trình duy nhất để đạt được độ đồng đều về chất lượng. Độ đồng đều sẽ quyết định đến độ tương đồng về tần số làm việc của cảm biến. Tần số này đóng vai trò là căn cứ để lựa chọn ra một tần số làm việc chung cho cả bốn cảm biến sau ghi ghép nối. Đối với cảm biến từ- điện thì mỗi cảm biến sẽ có một tần số làm việc riêng. Do đó nếu các tần số này gần nhau thì khi chọn ra tần số làm việc cho cảm biến ghép dãy sẽ dễ dàng hơn. Tần số làm việc chung này sẽ không bị rơi vào vị trí tần số có tín hiệu thấp của từng cảm biến nếu độ đồng đều này cao, điều này phụ thuộc hoàn toàn vào quá trình chế tạo. Vậy nên các cảm biến phải được thống nhất về quy trình chế tạo để cảm biến ghép dãy sẽ có tín hiệu thu được là tốt nhất.

Hình 3.14. Kết quả tín hiệu cảm biến của các cảm biến dãy có số đơn vị cảm biến khác nhau (a); Hệ số từ-điện với cảm biến dãy có số đơn vị khác nhau (b)

Để có thể tích hợp các đơn cảm biến thành dạng dãy thì luận văn đã tiến hành chế tạo 4 cảm biến có cấu hình là hai thanh nối liền (n = 2). Các cảm biến đơn vị này được ghép nối thành dạng dãy như trong hình 3.14 (a). Việc kết nối và khảo sát tín hiệu của cảm biến được thực hiện lần lượt với số cảm biến ghép dãy là m = 1, 2, 3 và 4. Thế từ-điện lối ra của cảm biến được thể hiện trong hình 13.4 (a) và hệ số từ-điện tương ứng được tính toán trong hình 13.4 (b). Có thể thấy rằng kết quả thu được từ thử nghiệm đo thế từ-điện của cảm biến cũng như hệ số từ-điện đã thể hiện một xu hướng rất rõ ràng. Cả hai kết quả trong hình 3.14 đều tăng lên theo tỷ lệ thuận với số lượng đơn vị cảm biến được ghép nối vào trong cảm biến dãy. Cụ thể là hệ số từ-điện E đã tăng 3.6 lần từ 630 V/cm.Oe lên 2,238 kV/cm.Oe khi số lượng đơn vị cảm biến m tương ứng tăng từ 1 lên 4 cảm biến. Kết quả này đã chứng minh rằng việc tăng độ nhạy của cảm biến từ-điện không những có thể thực hiện qua việc thay đổi cấu hình cảm biến mà còn được thực hiện bằng cách ghép nối các đơn cảm biến thành dạng dãy. Trong thử nghiệm này, mỗi cảm biến được xem như một tụ điện độc lập do đó khi ghép nối các cảm biến thì hệ số áp điện cũng tăng theo. Nguyên tác ghép cảm biến trong trường hợp này cũng được vận dụng theo phương pháp ghép tụ làm tăng điện dung của tụ điện.

3.5. Kết quả khảo sát độ nhạy và độ phân giải của cảm biến

Đối với các ứng dụng sử dụng cảm biến từ trường thấp để khảo sát từ trường Trái đất đòi hỏi cảm biến sử dụng phải có độ nhạy và độ phân giải cỡ nanoTesla. Để ước tính được độ nhạy và độ phân giải của cảm biến đã thực hiện được trong luận văn thì các khảo sát trong vùng từ trường thấp gần với từ trường Trái đất sẽ được thực hiện. Một từ trường khảo sát nằm trong dải từ 0 đến 3000 nT sẽ được tạo ra bằng cuộn dây Helmholtz để đánh giá chất lượng của cảm biến. Bên cạnh đó một thử nghiệm đo tín hiệu đầu ra của cảm biến theo thời gian thực với từ trường DC biến đổi theo từng bước với có giá trị là 50 nT cũng sẽ được khảo sát. Kết quả thu được từ hai thử nghiệm này được trình bày trong hình 3.15.

Hình 3.15. Tín hiệu của cảm biến dãy trong dải từ trường thấp (a); Tín hiệu cảm biến theo bước nhảy cố định (b)

Rõ ràng các đáp ứng điện áp lối ra thu được trong hình 3.15 (a) ứng với từ trường đặt vào thấp là hoàn toàn tuyến tính cho cả hai cảm biến có m = 1 và m = 4. Từ kết quả đo tín hiệu đáp ứng của cảm biến trong hình 3.15 (a) suy ra được độ nhạy đối với mẫu cảm biến dạng dãy được ghép từ 4 cảm biến đơn vị tương ứng m = 4 là 18.1 V/nT. Giá trị này lớn gấp gần 4 lần so với kết quả của mẫu cảm biến với m = 1 là 5 V/nT. Độ nhạy của các cảm biến này còn có thể được tăng mạnh mẽ bằng cách tăng từ trường kích thích AC cho cảm biến. Khảo sát cụ thể sẽ được báo cáo trong kết quả cuối cùng.

Hình 3.16. Tín hiệu thả trôi của cảm biến trong từ trường (a); Đồ thị phân bố kết quả thả trôi của hai cảm biến dãy với m = 1 và m=4 (b),(c)

Độ phân giải của cảm biến được khảo sát bằng cách khảo sát về độ ổn định của cảm biến tại từ trường đặt cố định là 1000 nT trong thời gian là 5 phút. Kết quả được thể hiện trong hình 3.15 (b) đã cung cấp một biểu đồ thống kê lại tín hiệu của cảm biến dãy với m = 1 và m = 4. Phương pháp phân phối chuẩn (phân phối Gauss) đã được dùng để xây dựng phân bố của sai số cảm biến trong phép đo thả trôi tự do tín hiệu trong từ trường cố định. Độ chính xác của cảm biến được thể hiện như trong hình 3.16 (a) và (b). Từ bảng này có thể tính toán được độ lệch chuẩn σ của cảm biến là vào

khoảng 0.0058 mV và 0.0053 mV trong 7000 điểm dữ liệu trung bình của dữ liệu từ cảm biến dãy m = 1 và m = 4. Kết quả này cho thấy nền nhiễu gây ra ở hai mẫu cảm biến gần như là tương đồng. Do đó, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu S/N (signal to noise) giữa hai mẫu có thế coi là bằng nhau, chỉ có thế từ-điện tăng lên do sự đóng góp của cấu hình cảm biến. Từ thông số độ lệch chuẩn σ của cảm biến đã tính toán được độ phân giải của cảm biến là vào khoảng 10-1 nanoTesla với môi trường từ trường thấp.

3.6. Tối đa hóa tín hiệu của cảm biến

Như đã nêu ở phần trước, độ nhạy của cảm biến từ-điện dạng dãy có thể được tăng lên bằng cách tăng từ trường kích thích AC của cảm biến. Với các khảo sát đã thực hiện, cuộn dây kích thích này tạo ra một từ trường có độ lớn là hac = 1.75×10-2 Oe và tín hiệu cực đại thu được từ cảm biến dãy vào khoảng 2V như trong hình 3.17. Trong khảo sát này từ trường kích thích tạo ra bởi cuộc dây kích thích sẽ được tăng lên bằng cách tăng thế đầu vào cấp cho cuộn kích thích. Nguồn nuôi cho cuộn được lấy từ bộ khuếch đại lock-in với khả năng cung cấp nguồn cho cuộn AC với thế Vac lớn nhất lên tới 5V. Giá trị hac = 1.75×10-2 Oe tạo ra bởi cuộn dây tương ứng với giá trị Vac cấp bởi thiết bị lock-in là 0.2V. Kết quả thể hiện trong hình 3.17 bên dưới thu được từ khảo sát của cảm biến dãy có số đơn vị cảm biến lần lượt là m = 1, 2 và 3 trong từ trường từ -1 mT đến 1mT với Vac = 5V tương ứng giá trị hac = 43.75×10-2 Oe.

Trong khảo sát này, việc ghi nhận tín hiệu của cảm biến dãy sau khi tăng từ trường kích thích hac gặp phải sự giới hạn về ngưỡng đo của thiết bị lock-in. Do sự hạn chế về thang đo nên các tín hiệu từ cảm biến sẽ được hạ xuống bằng một mạch hạ áp với hệ số hạ áp có thể điều chỉnh được. Mạch hạ áp này sẽ giúp hạ tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến xuống ngưỡng phát hiện của thiết bị đo lock-in là 2V. Việc sử dụng mạch hạ áp để thay đổi tín hiệu lối ra trong trường là khả thi vì mạch không làm thay đổi bản chất của phép đo mà chỉ làm giảm giá trị điện áp từ cảm biến xuống ngưỡng phát hiện của thiết bị đo. Hệ số hạ áp được sử dụng cho cả ba cảm biến trong khảo sát này là tương tự nhau và kết quả sau đo đạc sẽ được nhân ngược lại với hệ số hạ áp của mạch để cho ra kết quả tín hiệu thực của cảm biến. Kết quả khảo sát được thể hiện trong hình 3.17.

Hình 3.17. Tín hiệu cực đại của cảm biến khi tăng từ trường kích thích

Hình 3.17 là đồ thị thể hiện tín hiệu lối ra của cảm biến dãy với số lượng đơn cảm biến ghép trong dãy khác nhau. Kết quả khảo sát thu được cho thấy trong dải từ trường từ -1 mT đến 1 mT tín hiệu cảm biến tăng mạnh về độ lớn tín hiệu so với trước. Tín hiệu lối ra thu được của cảm biến được ghép từ ba đơn vị cảm biến là lớn nhất khoảng 18.000 mV. Trong khi đó, với cảm biến ghép từ hai đơn vị cảm biến thì tín hiệu lớn nhất này là khoảng 12.000 mV và một đơn vị cảm biến là 6000 mV. Giá trị tín hiệu cực đại này đều lớn hơn rất nhiều so khi chưa tăng từ trường kích thích hac ở khảo sát trước. Điều này đã chứng minh rằng tăng kích thích từ trường sẽ giúp tăng tín hiệu thu được lên đáng kể. Kết quả của việc tăng được tín hiệu lối ra của cảm biến cũng đồng nghĩa với đó là độ nhạy của cảm biến cũng sẽ tăng lên.

Hình 3.18. Độ nhạy tín hiệu cảm biến khảo sát trong một vùng từ trường rất nhỏ

Hình 3.18 thể hiện khảo sát sự nhạy của tín hiệu trong dải điện áp cấp vào cuộn Helmholtz là từ -0,01 A đến 0,01 A tương ứng với tín hiệu này sẽ là từ trường biến thiên trong cuộn Helmholtz là từ -30000 nT tới 30000 nT. Tương ứng với cường độ từ trường thay đổi trong dải này thì tín hiệu lối ra thu được từ cảm biến cũng có sự thay đổi tương ứng là từ 6000 mV về 0 mV. Điều này thể hiện rằng với những sự thay đổi rất nhỏ của từ trường thì cảm biến cũng cho ra những sự thay đổi rất rõ ràng về tín hiệu. Từ tín hiệu lối ra của cảm biến ghép từ ba đơn cảm biến này có thể tính toán được độ nhạy của cảm biến tương ứng là 0,94 mV/nT. Kết quả này là rất đáng kể và hứa hẹn khả năng ứng dụng vào trong thực tế.

KẾT LUẬN

1. Chế tạo thành công vật liệu tổ hợp đa pha từ-điện bằng vật liệu PZT/FeSiC

bằng phương pháp kết dính cơ học.

2. Khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC cho thấy vật liệu có tính từ giảo lớn thích hợp với chế tạo cảm biến từ-điện dùng trong vùng từ trường nhỏ. Hiệu ứng dị hướng hình dạng thể hiện rõ ở cấu hình thanh hình chữ nhật hẹp và dài với kích thước 0.8×50 mm thông qua phép đo từ kế mẫu rung. Với hiệu ứng từ giảo lớn và tính chất từ dị hướng thể hiện rõ ràng giúp vật liệu FeSiC có tiềm năng trong ứng dụng vào thực tế để chế tạo cảm biến từ trường.

3. Mô phỏng mật độ tập trung và độ đồng đều về phân bố từ thông trên trên bề mặt vật liệu sắt từ FeSiC. Khảo sát ở hai cấu hình vật liệu khác nhau cho thấy cấu hình dạng đa thanh nối liền có kết quả tốt hơn hẳn so với cấu hình thanh tách rời. Hiệu ứng dị hướng hình dạng của vật liệu cũng được thể hiện rõ ràng trong kết quả mô phỏng.

4. Kết quả mô phỏng được chứng minh trong thực nghiệm với việc khảo sát tín hiệu của hai cảm biến với cấu hình dạng đa thanh nối liền và đa thanh tách rời. Hệ số từ-điện của cấu hình thanh nối liền (n = 2) là 629,9 V/cm.Oe lớn hơn 1,47 lần so với giá trị E = 427,6 V/cm của cấu hình đơn thanh và đa thanh (n = 2) . Dó đó cấu hình cảm biến với dạng hai thanh từ giảo nối liền là cấu hình tối ưu hơn

5. Khảo sát các cảm biến có cấu hình với số thanh nhiều hơn hai (n > 2) cho thấy sự ảnh hưởng của hai hiệu ứng “shear lag” và tỷ phần thể tích. Kết quả cho thấy cấu hình hai thanh nối liền vẫn là cấu hình tối hình cho tín hiệu lối ra cảm biến lớn nhất.

6. Bốn cảm biến đơn vị với cấu hình tối ưu trên sẽ được chế tạo và ghép nối thành dãy. Tín hiệu đo được của cảm biến dãy này lớn gấp 3,6 lần so với một đơn cảm biến và hệ số từ-điện thu được lên tới 2,238 kV/cm.Oe. Chứng minh rằng việc ghép các đơn cảm biết thành dãy cho hiệu quả về tăng tín hiệu của cảm biến từ-điện.

7. Cảm biến từ-điện FeSiC/PZT với cấu trúc dạng dãy gồm ba đơn vị cảm biến được đo trong dải từ trường từ rất hẹp cho kết quả độ nhạy tốt nhất luận văn thu được là 0.94 mV/nT. Khảo sát thả trôi cảm biến trong từ trường cố định đã giúp xác định được độ phân giải của cảm biến là 10-1 nT. Với thông số này, cảm biến đã được thực hiện trong luận này văn hoàn toàn có thể phát triển cho các ứng dụng đo và khảo sát từ trường Trái đất với độ nhạy và độ phân giải nanoTesla.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

[1]. Trinh Dinh Cuong, Nguyen Viet Hung, Vu Le Ha, Phung Anh Tuan, Do Dinh Duong, Ho Anh Tam, Nguyen Huu Duc, Do Thi Huong Giang (2020), “Giant magnetoelectric effects in serial-parallel connected Metglas/PZT laminates”, Journal of arrays with magnetostrictively homogeneous Science: Advanced Materials and Devices.

[2]. Bằng sáng chế (2020) : “Linh kiện cảm biến đo từ trường trái đất và phương pháp chế tạo linh kiện này, thiết bị đo từ trường trái đất điện tử có linh kiện cảm biến này”. Tác giả: Đỗ Thị Hương Giang, Hồ Anh Tâm, Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu Đức, Phùng Anh Tuấn, Trịnh Đình Cường, Đỗ Đình Dương, Nguyễn Bá Biền

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1]. Nguyễn Anh Đức (2017), Chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp từ - điện với lớp từ giảo có cấu trúc nano và vô định hình dùng cho cảm biến từ trường micro – tesla”, Luận án Tiến sỹ Vật liệu và linh kiện nano, trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN.

[2]. Nguyễn Phú Thùy (2004), Vật lý các hiện tượng từ, NXB Đại học Quốc gia

Hà Nội, Hà Nội.

[3]. Nguyễn Thị Ngọc (2012), Chế tạo, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo - áp điện dạng tấm cấu trúc nano, Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và linh kiện nano, trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN.

[4]. Nguyễn Xuân Toàn, Tăng cường hiệu ứng từ-điện trong vùng từ trường thấp trên các vật liệu multiferroics Metglas/PZT dạng lớp cấu trúc micro/nano, luận văn thạc sĩ vật liệu và linh kiện nano, trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN.

Tiếng Anh

[5]. A. Clark (1980), “Ferromagnetic Materials”, North Holland Publishing:

Amsterdam, The Netherlands.

[6]. APC International Ltd datasheet: http://americanpiezo.com/piezo_theory/

[7]. C. M. Chang and G. P. Carman (2007), “Modeling shear lag and demagnetization effects in magneto – electric laminate composites”, Physical review, Vol. 76, pp. 134.

coupled modes bending-tension effect for

[8]. D. Hasanyan (2012), “Theoretical and experimental investigation of in magnetoelectric magnetostrictive-piezoelectric layered composites”, J. Appl. Phys, Vol. 112, no. 1.

[9]. E. Freeman (2017), “Improving the magnetoelectric performance of Metglas/PZT laminates by annealing in a magnetic field”, Smart Mater. Struct, Vol. 26, no. 8, p. 085038.

[10]. E. L. Gunnarsdottir (2012), “The earth’s magnetic field”, Physics Department, School of Engineering and Natural Sciences, University of Iceland.

[11]. H. Auster (2008), “How to measure Earth’s magnetic field”, American

Institude of Physics, Physics Today, pp. 76 – 77.

[12]. Hans Schmid (1994), “Multi-ferroic magnetoelectrics”, Ferroelectric, Vol.

162, pp. 317 – 338.

[13]. J. E. Lenz (1990), “A Review of Magnetic Sensors”, Proceedings of the

IEEE, Vol. 78, pp. 973 – 989.

[14]. J. Gao, D. Gray, Y. Shen, J. Li and D. Viehland (2011), “Enhanced dc in sensitivity by concentration improved field flux

magnetic magnetoelectrics laminates”, Appl. Phys. Lett, Vol. 99, pp. 153502.

[15]. J. Matzka, A. Chulliat, M. Mandea, C. C. Finlay, E. Qamili (2010), “Geomagnetic Observations for Main Field Studies”, From Ground to Space.

[16]. J. P. Joule (1847), “On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars”, Philosophical Magazine Series 3, Vol. 30, Iss 199, pp. 76 – 87.

[17]. Julien Aubert (2015), “Ancient planetary dynamos, take two”, Science, Vol.

349, pp. 475.

[18]. Kirchhof (2013), “Giant magnetoelectric effect in vacuum,” Appl. Phys.

Lett, Vol. 102, no. 23.

[19]. M. Bibes and A. Barthelemy (2008), “Multiferroics: Towards a

magnetoelectric memory”, Nature Materials, Vol. 7, pp. 425 – 426.

[20]. M. I. Bichurin, V. M. Petrov, R. V. Petrov, Y. V. Kiliba, F. I. Bukashev, A. Y. Smirnov and D. N. Eliseev (2002), “Magnetoelectric sensor of magnetic field”, Ferroelectric, Vol. 280, pp. 199.

[21]. M. Morin, E. Canevet, A. Raynaud, M. Bartkowiak, D. Sheptyakov, V. Ban, M. Kenzelmann, E. Pomjakushina, K. Conder & M. Medarde (2016), “Tuning magnetic spirals beyond room temperature with chemical disorder”, Nature communications, Vol. 7, 13758.

[22]. MC5 Proton Magnetometer – Aquascan International Ltd, Anh.

https://www.aquascan.co.uk/mc5.html

[23]. N. H. Duc and D. T. H. Giang (2007), “Magnetic sensors based on piezoelectric-magnetostrictive composites”, J. Alloys Compd, Vol. 449, pp. 214 – 218.

[24]. Nigel Weiss (2002), “Dynamos in planets, stars and galaxies”. Astronomy

and Geophysics, Vol. 43, Iss 3, pp. 3.9 – 3.14.

[25]. R. K. G. Temple (2006), “The Genius of China: 3000 Year of Science,

Discovery and Invention”, Inner Traditions.

[26]. R. V. Retrov, A.N. Soloviev, K.V. Lavrentyeva, I.N. Solovyev, V.M. Petrov and M. I. Bichurin (2013), “Magnetoelectric Transducers”, Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Stockholm, Sweden. pp. 1271.

[27]. S. Dong, J. Zhai, J. Li, and D. Viehland (2006), “Near-ideal magnetoelectricity in high-permeability magnetostrictive/ piezofiber laminates with a (2-1) connectivity”, Appl. Phys. Lett, vol. 89, no. 25, pp. 2–5.

[28]. Susan Macmillan, Earth’s magnetic field, British Geological Survey,

Edinburgh, UK.

[29]. T. T. Nguyen, F. Bouillault, L. Daniel, X. Mininger (2011), “Finite element modeling of magnetic field sensors based on ninlinear magnetoelectric effect”, J. Appl. Phys, Vol 109, pp. 084904.

[30]. V. Courtillot, J. L. L. Mouel (1988), “Time Variations of the Earth’s Magnetic Field: From Daily to Secular”, Annual Review of Earth and Planatery Science, Vol 16, pp. 435.

[31]. V. Courtillot, J. L. Mouel (2007), “The study of Earth’s magnetism (1269- 1950): Agoundation by Peregrinus and subsequent development of geomagnetism and paleomagnetism”, Geophys, Vol. 45.

[32]. W. Eerenstein, N. D. Mathur, J. F. Scott (2006), “Multiferroic and

magnetoelectric matterials”, Nature, Vol. 442, pp. 759 – 765.

[33]. X. Liang, C. Dong, H. Chen, J. Wang, Y. Wei, M. Zaeimbashi, Y. He, A. Matyushov, C. Sun, N. Sun (2020), “A review of thin-film magnetoelastic materials for Magnetoelectric Applications”, MDPI Sensors, Vol. 20, pp. 1532.

[34]. Y. Fetisov, A. Bush, K. Kamentsev, A. Ostashchenko, G. Srinivasan

(2004), “Sensors”, Proceedings of IEEE, Vol. 3, pp. 1106.

[35]. Y. Shen, K. L. McLaughlin, J. Gao, M. Li, J. Li, and D. Viehland (2013), “Effective optimization of magnetic noise for a Metglas/Pb(Zr,Ti)O3 magnetoelectric sensor array in an open environment”, Mater. Lett., Vol. 91, pp. 307–310.

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA

DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN

DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO

PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Heff = H – Hd

KẾT LUẬN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Có thể bạn quan tâm

Luận văn Thạc sĩ: Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, từ của vật liệu multiferroic Ba₀.₇Ca₀.₃TiO₃/ NiFe₂O₄

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu vật liệu biến hóa dạng chuỗi một chiều chế tạo từ kim loại đồng trên đế FR-4 hoạt động tại tần số MHz ứng dụng trong truyền năng lượng không dây

Luận văn Thạc sĩ: Đánh giá khả năng tác động tới môi trường biển của việc xả nước thải từ sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima sử dụng công cụ ERICA

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng mô hình đầu dò nơtron và gamma sử dụng nhấp nháy EJ-276 ghép nối với mảng nhân quang silicon

Luận văn Thạc sĩ: Đánh giá khả năng ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đến sức khỏe cư dân khu vực mỏ đất hiếm Đông Pao, xã Bản Hon, huyện Tam Đường, tỉnh Lai Châu

Luận văn Thạc sĩ: Sử dụng phương pháp nhiễu xạ neutron khảo sát cấu trúc tinh thể và pha trật tự từ trong vật liệu Pr2FeCrO6

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu phân lập, xác định cấu trúc và hoạt tính ức chế NO của các hợp chất thứ cấp từ chủng vi nấm biển Aspergillus sp. CL251

Luận văn Thạc sĩ: Phân tích một số hợp chất bisphenol thôi nhiễm từ bao bì nhựa lên một số mẫu thực phẩm nền tinh bột

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và đánh giá hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của loài hoa mộc (Osmanthus fragrans (Thunb.) Lour.) ở Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và đánh giá tác dụng kháng viêm của loài côi Turpinia montana (Blume) Kurz

Luận văn Thạc sĩ: Tổng hợp và đặc trưng tính chất vật liệu composite có cấu trúc nano chitosan–cyclodextrin/TiO₂–Ag

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy gốc nước và khung cơ kim - ZIF

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp một số dẫn xuất napthoquinone chứa nguyên tố flo bằng phản ứng đa thành phần

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu điều chế vật liệu Bioglass và tổ hợp lai với polymer ALG-F127 định hướng ứng dụng trong điều trị nội nha

Luận văn Thạc sĩ: Khảo sát thành phần hóa học và hoạt tính ức chế enzyme α-glucosidase trên một số hợp chất phân lập từ thịt quả bình bát nước (Annona glabra L.).

Luận văn Thạc sĩ: Tổng hợp và đánh giá hoạt tính chống ung thư của hợp chất lai chứa khung tetrahydro-β-carboline và imidazo[1,5-a]pyridine

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp một số dẫn xuất của benzazole

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu chiết tách lignin từ vỏ sầu riêng Ri6 (Durio zibethinus Murr.) và tổng hợp vật liệu biocomposite định hướng ứng dụng trong bảo quản sau thu hoạch

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hạt nano bạc phủ acid hyaluronic mang doxorubicin định hướng ứng dụng trong điều trị ung thư

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và hoạt tính kháng viêm của loài rau dừa nước (Ludwigia adscendens)

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp luật dẫn và điều khiển cho một lớp tên lửa đối hải trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron và hệ mờ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển góc Pitch tua bin gió trong điều kiện có nhiễu tác động

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hóa học lipid của hai loài san hô thủy tức Millepora dichotoma và Millepora platyphylla ở Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động của ô tô con bằng ABS

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng phản ứng Domino vào tổng hợp các dẫn xuất Podophyllotoxin, Pyrimidine và đánh giá hoạt tính sinh học của các chất tổng hợp được

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và một số hoạt tính sinh học của cây chùm ngây (Moringa oleifera)

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và ứng dụng ức chế ăn mòn cho thép của cao chiết xuất từ cây Lộc vừng thuộc họ Lecythidaceae

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook