BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐỖ DUY PHÚ
NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN
TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM BỀ MẶT
CÓ KẾT HỢP VỚI VẬT LIỆU TỪ
Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số : 9520216
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Hoàng Sĩ Hồng
2. PGS. TS Lê Văn Vinh
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến
sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà
Nội
Vào hồi …… giờ, ngày …… tháng …… năm ……..
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Cảm biến từ là một trong những loại cảm biến có khả năng đo nhiều
các đại lượng vật lý và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như
công nghệ thông tin-điện tử [1, 2], y học [3, 4], định vị [5], ô tô tự hành
[6, 7], robot [8, 9], thăm dò địa chất [10] và đặc biệt là trong các hệ
thống đo lường, thu thập dữ liệu và tự động hóa công nghiệp. Cảm biến
từ cũng được biết đến và hoạt động bằng nhiều nguyên lý khác nhau,
mỗi nguyên lý có ưu và nhược điểm riêng như từ trở, cảm ứng điện từ,
hiệu ứng Hall, v.v [11-14]. Bên cạnh đó, các thiết bị hoạt động trên cơ
sở sóng âm bề mặt (SAW: Surface Acoustic Wave) đã và đang được sử
dụng phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau và sẽ tiếp tục đóng vai trò
quan trọng trong tương lai bởi chúng có ưu điểm nhỏ gọn, tiết kiệm chi
phí, dễ chế tạo và có hiệu suất cao cùng nhiều ưu điểm khác [15]. Thiết
bị SAW có thể hoạt động như cảm biến [16-18], bộ truyền động hay cơ
cấu chấp hành [19, 20], bộ lọc [21] và bộ xử lý tín hiệu [2]. Chúng
thậm chí có thể hoạt động mà không cần cấp nguồn (cảm biến thụ
động) và hoạt động trong môi trường khắc nghiệt [7, 22]. Trong những
năm đây, cảm biến từ áp dụng nguyên lý sóng âm bề mặt kết hợp với
vật liệu nhạy từ giảo (cảm biến SAW-MO: SAW-Magnetostriction) với
hiệu ứng delta-E được quan tâm và phát triển. Cấu trúc của cảm biến có
thể lựa chọn các loại như: cấu trúc delay-line hai cổng, bộ cộng hưởng
SAW một cổng và loại tải phát vấn. Thông tin đo của cảm biến được
thể hiện qua biên độ, pha hoặc tần số của điện áp đầu ra và rất dễ dàng
cho việc gia công và xử lý tín hiệu đo bằng phương pháp số. Mặt khác,
các tín hiệu vật lý có thể đo thông qua từ trường rất phổ biến trong thực
tế như cường độ từ trường, dòng điện, góc, tốc độ, v.v. Các đại lượng
này có giá trị rất nhỏ như từ trường sinh học [từ trường được tạo ra bởi
não người khoảng 3*10-14 (Oe)], lớn hơn là từ trường trái đất khoảng 40
(Oe), lớn hơn nữa là từ trường trong máy chụp cộng hưởng từ khoảng
2*104 (Oe), v.v hay từ trường rất lớn là sinh ra trong các ngôi sao
Neutron đến 1012 (Oe). Như vậy, dải đo của từ trường là rất rộng
khoảng từ 10-14 (Oe) đến 1012 (Oe) [23, 24]. Điều này đặt ra nhiều khó
khăn trong quá trình nghiên cứu và chế tạo cảm biến từ, đặc biệt là cảm
biến từ khi đo ở vùng từ trường thấp như từ trường sinh học (do não,
2
tim phát ra), từ trường trong không gian đô thị và phát hiện sinh tồn
nhờ từ trường, v.v. Ngoài các ưu điểm chung của thiết bị SAW như
trên, cảm biến từ SAW-MO còn có thêm các ưu điểm như độ bền cao,
tuổi thọ của cảm biến dài, thời gian tác động và phục hồi nhanh, chu kỳ
lấy mẫu nhanh và đặc biệt là rất nhạy đối với các tín hiệu nhỏ. Với
những ưu điểm như trên, cảm biến từ dạng SAW hứa hẹn sẽ mạng lại
nhiều lợi ích khi ứng dụng đo ở vùng từ trường thấp. Vì vậy, nghiên
cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO là quan trọng và cần thiết.
Đề tài luận án “Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ
trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ”
tập trung thực hiện nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số cấu trúc,
bao gồm: độ dày lớp nhạy từ, độ dày đế áp điện và loại vật liệu áp điện
đến độ nhạy và dải đo của cảm biến từ dạng SAW trong dải từ trường
thấp. Từ đó, xác định được cấu trúc của cảm biến cho độ nhạy tốt nhất.
Tiến hành mô phỏng tính toán một số thông số cơ lý của lớp vật liệu
nhạy. Khảo sát mô hình mô phỏng tương đương làm cơ sở chế tạo cảm
biến từ dùng vật liệu nhạy FeNiPVA và chế tạo thực nghiệm để minh
chứng cho tính đúng đắn của mô hình toán học và kết quả mô phỏng
khi hoạt động trong vùng từ trường thấp.
Mục tiêu
Trước những vấn đề thực tế đặt ra cho cảm biến từ dạng SAW và sự
khó khăn gặp phải ở trên. Mục tiêu của luận án là nghiên cứu một cảm
biến từ dạng sóng âm bề mặt hoạt động trong dải từ trường một chiều
thấp khoảng từ 0 đến 200 (Oe). Trong đó cần mô phỏng tính toán sự
ảnh hưởng loại và độ dày đế áp điện, độ dày lớp vật liệu nhạy từ để xác
định độ nhạy tốt nhất của cảm biến. Đồng thời nghiên cứu và chế tạo
thực nghiệm cảm biến từ với cấu trúc FeNiPVA/IDT/ST-Quartz.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp giữa
nghiên cứu lý thuyết về sóng âm trong vật rắn, tác động của trường khử
từ đến phạm vi khảo sát của luận án, một số vật liệu cần thiết và mô
phỏng trên các phần mềm ANSYS, Fortran, Matlab có độ tin cậy cao,
thừa kế các kết quả nghiên cứu đã được công bố, phân tích từ tổng quan
đến chi tiết và chế tạo thực nghiệm để giải quyết mục tiêu đề ra.
Đóng góp chính của luận án
3
Đề tài thực hiện một nghiên cứu chuyên sâu trong kỹ thuật đo lường
và cảm biến là một trong những hướng nghiên cứu và đạo tạo của
chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Luận án có hai đóng
góp chính trong việc tính toán mô phỏng tối ưu hóa độ nhạy của cảm
biến, đồng thời khảo sát mô hình mô phỏng tương đương và xây dựng
quy trình kỹ thuật chế tạo cảm biến để đánh giá ảnh hưởng lớp nhạy từ
đến độ nhạy:
(1) Thực hiện tính toán sự ảnh hưởng của loại đế áp điện, độ dày lớp
nhạy từ và độ dày của đế áp điện đến dải đo và độ nhạy của cảm biến.
Theo đó, luận án xác định được cấu trúc cảm biến có độ nhạy tốt nhất
là 10.287 (kHz/Oe) và tiếp tục cải thiện độ nhạy của cảm biến khi dải
đo thấp từ 0 đến 33.1 (Oe). Hơn nữa, luận án áp dụng phương pháp mô
phỏng động lực học phân tử (MD) để tính toán những thông số cơ tính
và từ tính của vật liệu nhạy từ làm đầu vào cho mô phỏng FEM và đánh
giá điều kiện làm việc cho cảm biến.
(2) Thực hiện nghiên cứu, xây dựng quy trình kỹ thuật và chế tạo cảm
biến từ dạng SAW sử dụng lớp nhạy từ FeNiPVA và đế áp điện Quartz.
Trong đó đã làm rõ sự ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ hạt nano FeNi và
polyme PVA đến độ nhạy bằng mô phỏng và thực nghiệm. Cảm biến
có khoảng đo là 0 đến 80 (Oe) và độ nhạy là 208 (Hz/Oe). Đồng thời đề
xuất phương án xây dựng mô hình ma trận truyền [ABCD] cho lớp
nhạy FeNi trong mô phỏng cảm biến bằng phương pháp ma trận truyền
TM.
Bố cục của luận án
Mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu và phạm vi nghiên
cứu của luận án.
Chương 1. Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt: Tìm
hiểu tổng quan về cảm biến từ; tình hình nghiên cứu trên thế giới và
trong nước về cảm biến từ, từ đó nhận định các thách thức cần giải
quyết; Tìm hiểu về cơ chế hình thành sóng âm và cơ sở lý thuyết của
sóng âm trong chất rắn; Tìm hiểu và lựa chọn các loại vật liệu dùng
trong nghiên cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO; Tìm hiểu về các
phương pháp tính toán và mô phỏng cảm biến.
Chương 2. Lựa chọn cấu trúc SAW-MO và mô phỏng cải thiện độ
nhạy cho cảm biến từ SAW-MO: Trình bày sự lựa chọn cấu trúc cảm
biến, xây dựng mô hình mô phỏng FEM, thực hiện khảo sát sự ảnh
hưởng của loại đế áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện
