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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "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" được nghiên cứu với mục tiêu: 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.

Chủ đề:

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

Lưu

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ DUY PHÚ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM BỀ MẶT CÓ KẾT HỢP VỚI VẬT LIỆU TỪ 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
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, 1
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 2
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 3
nhằm cải thiện độ nhạy của cảm biến và sử dụng mô phỏng MD để tính toán các thống số vật lý lớp nhạy từ. Chương 3. Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ FeNiPVA: Trình bày về xây dựng mô hình mô phỏng FEM, khảo sát mô hình mô phỏng tương đương lớp vật liệu nhạy FeNiPVA; đề xuất phương án xây dựng mô hình ma trận truyền lớp nhạy FeNi cho mô phỏng cảm biến bằng phương pháp ma trận truyền (mô hình mạch điện tương đương) và xây dựng quy trình kỹ thuật chế tạo thực nghiệm cảm biến SAW-MO. Kết luận và hướng phát triển: trình bày tóm tắt các đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo. Chương 1. Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt Thực hiện khảo sát tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt, đồng thời cũng khảo sát tổng quan về các nguyên lý làm việc khác nhau của cảm biến từ. Từ đó làm cơ sở phân tích để tìm ra những vấn đề còn bỏ trống và những thách thức cần nghiên cứu và giải quyết về cảm biến từ dạng SAW. Trên cơ sở này, luận án đã chỉ ra được định hướng nghiên cứu và cách tiếp cận của đề tài. Ngoài ra, luận án đã tìm hiểu lý thuyết cơ bản về cơ chế và mô hình toán học đối với sự hình thành sóng âm trong vật rắn để làm tiền đề xây dựng mô hình mô phỏng ở các phần tiếp theo. Thêm vào đó, nguyên lý tạo sóng âm bề mặt và cấu trúc một thiết bị SAW hai cổng dạng delay-line cũng được đề cập. Cuối cùng là đề cập đến các vấn đề liên quan đến các hiệu ứng áp điện, hiệu ứng từ giảo, cũng như là các loại vật liệu tương ứng sử dụng trong cảm biến từ dạng SAW. 1.1. Ứng dụng và ưu nhược điểm của các loại cảm biến từ Cảm biến từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và khả năng đo đa dạng các đại lượng vật lý. Mặt khác, qua khảo sát tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới về cảm biến từ nói chung và cảm biến từ dạng SAW nói riếng cho ta thấy rõ về ưu nhược điểm của nguyên ly đo (Bảng 1.2) và những điểm còn bỏ trống từ đó giúp luận án xác định được hướng nghiên cứu và tiếp cận trong nghiên cứu và chế tạo cảm biến từ dạng SAW hoạt động trong dải từ trường thấp. Bảng 1.2. Ưu nhược điểm của các loại cảm biến từ. Cảm TT biến Ưu điểm Nhược điểm 4
Có cấu trúc đơn giản và dễ chế Khi muốn tăng độ nhạy thì tạo, đặc tính làm việc cơ bản gặp trở ngại về kích thước và 1 Hall tuyến tính, độ nhạy ở mức độ cấu trúc hình học không ổn trung bình. định do độ linh hoạt cao. Từ trở: Có thể chế tạo với kích thước nhỏ, MR ứng dụng đo nhiều các đại lượng Đặc tính của cảm biến phi 2 (AMR, vật lý với nhiều loại cấu trúc khác tuyến thường là hàm bậc hai TMR, nhạu. Có thể kết hợp với nguyên hoặc hình sin. …) lý khác để tăng độ nhạy. Cho độ nhạy tốt và dải đo rộng, Faraday đo được từ trường xoay chiều và Loại cảm biến này rất khó thu 3 & Flux đặc biệt còn xác định được hướng nhỏ kích thước khi chế tạo. Gate của từ trường. Lượng Gặp khó khăn khi vận hành tử siêu Loại này có độ nhạy rất cao và dải do liên quan đến nhiệt độ môi 4 dẫn: đo rộng. trường làm việc rất thấp SQUID khoảng 4K. Khi tăng độ nhạy của của biến Từ Loại này có khả năng thu nhỏ kích thì cần có các vật liệu có hệ 5 điện: thước cảm biến, cảm biến có độ số từ giảo lớn và nhiệt độ ME nhạy tốt. Curie (Tc) cao. Có khả năng chế tạo với kích thước nhỏ, Độ nhạy rất cao trong SAW- vùng từ trường thấp, làm việc ổn 6 Dải đo của cảm biến hẹp. MO định, thời gian đáp ứng nhanh, tín hiệu ra đa dạng, thụ động và không dây. 1.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cảm biến từ dạng SAW Cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt (SAW) sử dụng cấu trúc dạng delay-line Hình 1.18. IDT-in IDT-out Hình 1.18. Cấu Delay-line trúc và nguyên lý của một thiết bị SAW delay- line. Cấu trúc bao gồm một đế áp điện (PE: Piezoelectric), trên bề mặt ở hai đầu là hai bộ điện cực vào (IDT-in) và ra (IDT-out), ở giữa là vùng delay-line được phủ một lớp nhạy từ FeNi hoặc FeNiPVA. 5
Nguyên lý hoạt động, đặt xung điện áp vào IDT-in do hiệu ứng áp điện ngược, sóng âm bề mặt được hình thành và lan truyền qua vùng delay-line đến IDT-out. Tại đây do hiệu ứng áp điện thuận, điện áp được tạo ra. Điện áp này bị thay đổi tần số (dịch tần số) do tương tác giữa từ trường một chiều với vật liệu từ giảo ở vùng delay-line. Từ đó, thông qua xử lý tín hiệu điện áp (dùng FFT) trên IDT-out biết được tần số và xác định được giá trị đo của cường độ từ trường. Với mục tiêu là khảo sát sự ảnh hưởng của loại đế áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện đến đáp ứng làm việc và cải thiện độ nhạy của cảm biến hoạt động trong vùng từ trường thấp thông qua mô phỏng (FEM, MD, mô hình mạch tương đương) và chế tạo thực nghiệm. Mô hình toán học của hiệu ứng áp điện được thể hiện qua hệ phương trình cơ điện (cấu thành) (1.88) và (1.89). 𝑻 = 𝒄𝐸 𝑺− 𝒆𝑇 𝑬 (1.88) 𝑫 = 𝒆𝑺 + 𝜺 𝑆 𝑬 (1.89) Trong đó: T là ứng suất, S là biến dạng, D là chuyển vị điện tích, E là điện trường. Và các bộ thông số: c là ma trận độ cứng, e là ma trận áp điện và  là ma trận hằng số điện môi. Các bộ thông số này thường được đo bằng các máy đo chuyên dụng hoặc tham khảo kết quả đo từ các công trình đã công bố. Qua nghiên cứu, luận án nhận thấy và đề xuất sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử MD để tính toán các bộ thông số trên cho vật liệu nhạy từ Nickel. Chương 2. Lựa chọn cấu trúc và mô phỏng cải thiện độ nhạy cho cảm biến từ SAW-MO Phần này, luận án thực hiện mô phỏng sự ảnh hưởng của các thông số cấu trúc gồm loại vật liệu áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện đến đáp ứng làm việc và đặc biệt là độ nhạy của cảm biến hoạt động trong phạm vi từ trường thấp. Từ đó xác định được cấu trúc cảm biến có các thông số tối ưu mà tại đó cho độ nhạy tốt nhất. Bên cạnh đó, luận án sử dụng phương pháp mô phỏng MD tính toán thông số cơ tính và từ tính của vật liệu nhạy từ Nickel làm đầu vào cho mô phỏng FEM và dùng để phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tác động đến quá trình làm việc và cải thiện đặc tính của cảm biến từ. 2.1. Lựa chọn cấu trúc cảm biến SAW-MO Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của ba loại cấu trúc (SAW delay-line, SAW transponder và Bộ cộng hưởng SAW), vật liêu áp điện, vật liệu làm IDT và vật liệu nhạy từ. Luận án lựa chọn cấu trúc 6
SAW delay-line, các bộ điện cực IDT (Interdigital-Transducer) làm bằng nhôm và vật liệu nhạy từ FeNi dạng màng và hạt nano. Chi tiết được thể hiện trên Hình 2.2, Hình 2.3 và Bảng 2.1. Hình 2.2. Cấu trúc và nguyên lý Hình 2.3. Các thông số cấu trúc của cảm biến từ SAW-MO. của cảm biến từ SAW-MO. Bảng 2.1. Giá trị các thông số cấu trúc của cảm biến SAW-MO. TT Thông số Ký hiệu Giá tri (m) 1 Số cặp ngón tay của IDT n 25 cặp 2 Chiều rộng mỗi ngón tay d 10 3 Khoảng cách mép trái L1 2000 4 Khoảng cách mép phải L2 2000 5 Chiều dài của IDT RIDT 990 6 Chiều dài lớp nhạy từ Ls 4960 7 Độ dày lớp áp điện (PE) h1 400 8 Độ dày lớp nhạy từ h3 1 9 Khe giữa IDT và lớp nhạy k 20 10 Chiều dài cảm biến L 10980 11 Bước sóng  4*d 2.2. Mô hình mô phỏng FEM Trên cơ sở hệ phương trình cơ điện (1.88), (1.89) kết hợp với 𝛁 ∙ 𝜕2 𝒖 𝑻 = 𝜌 𝜕𝑡 2 , E = -  và điều kiện D = 0, ta có hệ phương trình cấu thành (2.5) viết cho lớp đế áp điện và (2.6) viết cho lớp nhạy từ FeNi. 𝑝 𝑝 2 𝑢 𝑖 𝑝 2 𝑢 2  𝜌𝑃 𝑡 2 − 𝑐 𝑖𝑗𝑘𝑙 𝑥 𝑥𝑘 − 𝑒 𝑘𝑖𝑗 𝑥 =0 𝑙 𝑗 𝑘 𝑥 𝑗 { 𝑝 (2.5) 2 𝑢 𝑘 2  𝑒 𝑗𝑘𝑙 𝑥 𝑙 𝑥 𝑗 −  𝑗𝑘 𝑥 𝑥 =0 𝑘 𝑗 2  𝑢 𝑖𝐹 𝐹 𝑢 𝐹 𝑘 𝜌𝐹 − 𝑐 𝑖𝑗𝑘𝑙 =0 (2.6) 𝑡 2 𝑥 𝑙 𝑥 𝑗 Trong đó: Mật độ khối (P), ma trận độ cứng (cp), ma trận áp điện (e), ma trận hằng số điện môi () của đế áp điện, chuyển vị (up) và điện thế () trong đế áp điện. Các chỉ số i, j, k, l = 1, 2, 3 thể hiện các chiều trên hệ trục tọa độ. F là mật độ khối, cF là ma trận độ cứng và uF là chuyển vị của lớp nhạy từ FeNi. Quan hệ giữa vận tốc sóng âm bề mặt 7
(Rayleigh) VR và vận tốc sóng cắt (shear wave) theo Viktorov [114] là 𝑉𝑅 0.436+𝑐12 ⁄ 𝑐11 𝑉𝑆 = 0.5+𝑐12 ⁄ 𝑐11 với 𝑉 𝑆 = √𝑐66 ⁄ 𝜌 [113]. Hiệu ứng delta-E (đặc tính E- H) và quan hệ (2.10) trên vật liệu nhạy từ được sử dụng để kích thích tín hiệu đo H đến cảm biến Hình 2.4 [61] (H: cường độ từ trường, E: module Young, F: Hệ số Poison). Cuối cùng là kết hợp với mối quan hệ giữa tần số trung tâm cộng hưởng với vận tốc sóng âm bề mặt VR/VR = f/f0 (f0: là tần số trung tâm khi H = 0 Oe), ta xác định được đáp ứng làm việc của cảm biến (H-f). Bên cạnh đó, phạm vi mô phỏng và chế tạo thực nghiệm cảm biến chỉ thực hiện trong dải từ H = 0 (hay E = Em) đến H = HS (hay E = ES: module Young bão hòa) do tác dụng của trường khử từ (Hd) đến từ trường hưởng ứng (Heff) của lớp nhạy từ. Hình 2.4. Hiệu ứng delta-E của lớp nhạy từ FeNi [61]. 2.3. Ảnh hưởng đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến SAW-MO Thực hiện khảo sát ảnh hưởng hai loại đế áp điện (AlN và LiNbO3) trên hai cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3 nhằm đưa ra kết luận đế nào cho độ nhạy tốt hơn. Qua trình mô phỏng FEM được thực hiện trên phần mềm ANSYS với bộ số liệu đầu vào của các vật liệu dùng trong cảm biến Bàng 2.2 và thông số cấu trúc Bảng 2.1. Kết quả mô phỏng được thể hệ trên Bảng 2.3 và Hình 2.19. Bảng 2.2. Các thông số vật lý của vật liệu áp điện (AlN, LiNbO3), nhôm (Al) và hợp kim FeNi [80, 122, 143, 152, 153]. Giá trị Các thống số vật liệu AlN LiNbO3 Al FeNi c11 4.10 1.986 c12 1.49 0.547 c13 0.99 0.752 Hệ số độ cứng (1011N.m-2) c14 - 0.085 c33 3.89 2.424 c44 1.25 0.595 c66 1.25 0.719 8
e15 - 3.76 e16 - -2.43 Hệ số áp điện (C.m-2) e24 0.48 - e31 0.58 0.23 e33 1.55 1.33 ε11 9.0 38.9 Hằng số điện môi ε22 9.0 38.9 ε33 9.0 38.9 Mật độ khối (g.cm-3)  3.3 4.7 2.697 8.38 Module Young (GPa) E 70.3 E-H Hệ số Poison  0.345 0.3 Hình 2.19. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3. Bảng 2.3. Đáp ứng tần số(f) và dịch tần số (f)/cường độ từ trường của cảm biến có cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3. FeNi/IDT/AlN FeNi/IDT/LiNbO3 TT H (Oe) f (Hz) f (Hz) H (Oe) f (Hz) f (Hz) 1 0.0 140,006,510 0 0.0 82,861,328 0 2 15.0 139,990,230 -16,280 15.0 82,855,225 -6,103 3 30.7 139,908,850 -97,660 30.7 82,827,759 -33,569 4 40.0 139,827,470 -179,040 40.0 82,806,396 -54,932 5 48.0 139,729,820 -276,690 48.0 82,78,5034 -76,294 6 61.0 139,497,880 -508,630 60.0 82,736,206 -125,122 7 81.0 139,192,710 -813,800 81.0 82,659,912 -201,416 8 89.0 139,119,470 -887,040 100.0 82,586,670 -274,658 9 100.0 139,074,710 -931,800 122.0 82,504,272 -357,056 10 109.0 139,058,430 -948,080 134.0 82,467,651 -393,677 11 - - - 150.0 82,440,186 -421,142 12 - - - 157.0 82,431,030 -430,298 13 - - - 161.0 82,424,927 -436,401 9
14 - - - 165.0 82,421,875 -439,453 15 - - - 172.0 82,418,823 -442,505 Với cảm biến FeNi/IDT/AlN có tần số trung tâm f0 = 140.006510 (MHz) và độ nhay là 8.698 (kHz/Oe) cao hơn cảm biến FeNi/IDT/LiNbO3 là f0 = 82,861,328 (MHz) và độ nhạy là 2.345 (kHz/Oe) khi cùng thông số cấu trúc Bảng 2.1. 2.4. Ảnh hưởng của độ dày lớp nhạy từ và đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến Sau khi xác định được cảm biến dùng đế áp điện AlN cho độ nhạy tốt hơn đế LiNbO3, luận án tiếp tục khảo sát sự ảnh hưởng độ dày lớp nhạy từ h3 = [340  1340] (nm) nhằm tìm ra tại độ dày bao nhiêu (h3tu), cảm biến cho độ nhạy lớn nhất trong khi giữ không đổi h1 = 400 (m), kết quả tìm h3tu được thể hiện trên Hình 2.21. Đồng thời khi cảm biến hoạt động ở dải từ trường thấp hơn nữa từ 0 đến 33.1 (Oe), mô phỏng thực hiện giảm độ dày đế áp điện tại h3 = h3tu để tiếp tục cải thiện độ nhạy của cảm biến tại vùng từ trường này và xác định giới hạn độ dày tối thiểu cho phép của đế áp điện AlN. Mô phỏng FEM thực hiện trên cấu trúc cảm biến FeNi/IDT/AlN với độ dày h1 và h3 thay đổi. h3tu = 1060 (nm) Hình 2.25. Đáp ứng làm việc Hình 2.21. Quan hệ giữa tần số trung tâm của cảm biến FeNi/IDT/AlN và độ dày lớp nhạy từ FeNi, khi H = 0. quanh điểm tối ưu. Hình 2.21 cho kết quả điểm có tần sô trung tâm lớn nhất h3tu = 1060 (nm). Để xem xét tại đây đáp ứng làm việc có độ nhạy lớn nhất không? Luận án khảo sát đáp ứng làm việc sung quanh điềm này gồm các điểm h3 là 1000 (nm), 1060 (nm) và 1210 (nm). Kết quả các đáp ứng làm việc được vẽ trên Hình 2.25 toàn thang đo và Hình 2.27 đáp ứng dịch tần số với cùng thang đo. 10
Hình 2.27. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN, khi Hình 2.26. Quan hệ giữa độ nhạy của cảm cùng dải đáp ứng. biến với độ dày (h3) lớp nhạy từ FeNi. Từ đáp ứng làm việc Hình 2.25 và Hình 2.27 của cảm biến tại quanh điểm tối ưu khác nhau, ta xác định được độ nhạy tương ứng của cảm biến trong hai trường hợp toàn thang đo và cùng thang đo Bảng 2.10 và Hình 2.26. Kết quả khảo sát cho thấy, cảm biến đạt độ nhạy lớn nhất tại h3tu là 10.287 (kHz/Oe). Bảng 2.10. Độ nhạy của cảm biến tại các độ dày quanh điểm tối ưu. Với  = 40 (m) và h1 = 400 (m). Cùng dải đáp ứng Toàn dải đáp ứng TT H = [0 ÷ 89] (Oe) h3 (nm) Sn (kHz/Oe) h3 (nm) Sn (kHz/Oe) 1 0 0 0 0 2 1000 8.661 1000 9.784 3 1060 10.287 1060 10.287 4 1210 9.375 1210 9.647 So sánh độ nhạy với một số kết qủa nghiên cứu trước có cấu trúc tương đương, độ nhạy của cảm biến mà luận án thực hiện đều cho kết quả tốt hơn, chi tiết trong Bảng 2.11. Như vậy bằng việc khảo sát sự thay đổi độ dày lớp nhạy từ, luận án đã cải thiện được độ nhạy của cảm biến đạt tới 10.287 (kOe/Hz). Bảng 2.11. So sánh độ nhạy của các cảm biến từ dạng SAW. Đế áp Lớp Dải đo Độ nhạy T.số trung TT Công trình điện nhạy (Oe) (kHz/Oe) tâm (MHz) 1 Quartz CoFeB 0  240 1.553 433 [78, 79] 2 LiNbO3 FeGa 0  10 A 1.895 150 [55] 3 LiNbO3 FeCo 0  100 2.110 150 [82, 83] 4 LiNbO3 FeNi 0  190 2.345 82.861 Luận án 5 AlN FeNi 0  109 8.661 140.304 Luận án, chưa tối ưu 6 AlN FeNi 0  89 10.287 140.384 Luận án, tối ưu 11
Quan sát đặc tính làm việc của cảm biến Hình 2.25 và Hình 2.27 tại h3tu = 1060 (nm). Trong toàn bộ dải đo [0  89] (Oe), cảm biến đạt độ nhạy 10.287 (kHz/Oe). Tuy nhiên, đoạn khoảng [0  35] (Oe) đáp ứng không dốc hay độ nhạy đoạn này không cao, nên luận án tiếp tục cải thiện độ nhạy đoạn này cao hơn nữa bằng cách giảm độ dày đê áp điện (h1) để tăng tần số trung tâm của cảm biến. Kết quả mô phỏng cho thấy, khi h1 giảm xuống tần số trung tâm tăng dần, nhưng khi giảm tới 35 (m) thì đáp ứng tần số trung tâm không còn xác định được nữa Hình 2.32. Nên cần giảm bước sóng xuống  = 30 (m) để đảm bảo điều kiện độ dày đế áp điện phải lớn hơn khoảng một bước sóng. Lúc này, tần số trung tâm đạt 218.46517 (MHz) và đáp ứng làm việc của cảm biến cho thấy độ nhạy được cải thiện khá nhiều Hình 2.36 và Bảng 2.12 tăng từ 3.589 (kHz/Oe) lên 7.499 (kHz/Oe). Hình 2.32. Đặc tính tần số của cảm Hình 2.36. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến biến khi giảm h1 tại h3tu. tại h3tu = 1060 (nm),  = 35 (m). Hình 2.36. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3tu = 1060 (nm),  = 35 (m) Bảng 2.12. Độ nhạy (Sn) và độ dịch tần số (f) của cảm biến với hai nhóm thông số cấu trúc. Khi dải làm việc từ 0 đến 33.1 (Oe). Thông số cấu trúc Sn TT f (kHz) h1(m) m) h3(nm) (kHz/Oe) 12
1 400 40 1060 118.79 3.589 2 35 30 1060 248.21 7.499 2.5. Mô phỏng động lực học phân tử lớp vật liệu nhạy từ Nickel Vơi mô phỏng FEM, Các bộ thống số ở Bảng 2.2, chúng được tham khảo từ các nghiên cứu trước và được đo thực nghiệm bằng các hệ thống đo phức tạp do điều kiện thực hiện luận án không cho phép. Mặt khác, qua tìm hiểu về phương pháp mô phỏng MD, phương pháp có thể dùng công cụ tính toán số (mô phỏng số) để xây dựng mẫu các mô hình vật liệu với số lượng các nguyên tử không lớn (khoảng 10 000 nguyên từ) tính toán các tính chất vật lý vĩ mô mà không cần phải xây dựng một mẫu vật liệu với số lượng lớn các nguyên tử (bằng số Avogadro). Vì vậy, phương pháp mô phỏng MD dùng để nghiên cứu sự ảnh hưởng cấu trúc tính thể và sự thay đổi của cấu trúc tinh thể đến các tính chất cơ tính và từ tính của vật liệu nhạy từ Ni với yêu cầu cụ thể như sau:  Xây dựng mẫu Nickel bằng mô phỏng MD trên cơ sở thế tương tác nhúng lượng tử Sutton-Chen (Q-SC) với bước thời gian tính 2.5 (fs) và tốc độ làm nguội 4×1011 (K/s),  Mẫu Nickel được tạo ra dạng hình lập phương có số lượng hạt (nguyên tử) 8788 với cấu trúc tinh thể mạng lập phương tâm mặt (fcc),  Các mẫu dùng cho nghiên cứu là M1, M2 và M3. Trong đó, mẫu M1 không bị biến dạng ở nhiệt độ là 300 (K), các mẫu M2 và M3 lần lượt được biến dạng tại độ biến dạng là 0.02 và 0.04,  Sử dụng phương pháp phân tích lân cận chung (CNA: Common Neighbor Analysis) để xác định các loại cấu trúc tinh thể tồn tại trong các mẫu mô phỏng,  Trên cơ sở các mẫu, mô phỏng tính toán module Young, khảo sát và giải thích nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ Curie, độ bão hòa từ và lực kháng từ khi vật liệu Nickel bị biến dạng thông qua mô hình Ising. Mô phỏng MD sử dụng thế tương tác lượng từ Sutton-Chen [158, 159]. Sử dụng phương phân tích lân cận chung (CAN) để phân tích các loại tinh thể (fcc: lập phương tâm mặt, hcp: lục giác xếp chặt và vđh: vô định hình) tồn tại trong mẫu M1, M2, M3 khi bị biến dạng dẻo tác động ra sao đến nhiệt độ Curie (TC), lực kháng từ và bão hòa từ. Tính hàm 13
phân bố xuyên tâm để xác định thời điểm chuyển pha khi làm nguội mẫu vật M1. Đồng thời, sử dụng mô phỏng MC (Monte-Carlo) và thuật toán metropolis để tính toán tính chất từ Hình 2.42 và Hình 2.43. Hình 2.42. Độ cảm từ (b) phụ thuộc Hình 2.43. Đường cong từ trễ của vào nhiệt độ của các mẫu Ni. các mẫu vật liệu Ni. Kết quả mô phỏng cho thấy, mẫu M1 khi chưa bị biến dạng có nhiệt độ Curie cao nhất TC = 461 (K) và module Young E =154 (GPa). Mẫu biến dạng nhiều nhất M3 có TC = 421 (K). Về lực kháng từ, các mấu M1, M2 và M3 lần lượt là Hc = ±0.56 (J), Hc = ±0.30 (J) và Hc = ±0.27 (J) tương ứng tại 300 (K). Lý giải cho các thày đổi trên là do khi biến dạng càng nhiều thì tỉ lệ các nguyên tử hcp, fcc-hcp và vđh trong mẫu càng tăng Bảng 2.13. Bảng 2.13. Số lượng nguyên tử tinh thể fcc, hcp và vđh của mẫu tại 300 (K) phụ thuộc vào sự biến dạng . Mẫu ε Nfcc Nhcp Nfcc-hcp Nvđh M1 0.00 4210 3894 666 18 M2 0.02 4056 3989 731 12 M3 0.04 3822 4091 836 39 Một số ý nghĩa mang lại của kết quả mô phỏng vật liệu nhạy từ Nickel bằng phương pháp MD: - Xác định được module Young E của Nickel, cho phép ta tính được ma trận độ cứng thông qua quan hệ (2.10) vì Nickel có cấu trúc tinh thể dạng lập phương. Bộ thống số này kết hợp với khối lượng riêng và hệ số Poison để làm đầu vào cho mô phỏng FEM. - Nickel bị biến dạng (do áp suất hoặc độ rung của môi trường) càng tăng thì lực kháng từ và độ từ hóa giảm, điều này giúp ích cho việc khi chúng ta muốn giảm tính phi tuyến hoặc giảm sai số do từ trễ thì ta có thể thực hiện bằng cách tăng số lượng tính thể hcp trong vật liệu nhạy 14
từ Nickel. Điều này lại làm giảm nhiệt độ Curie nhưng không ảnh hưởng nhiều vì vẫn cao hơn rất nhiều nhiệt độ phòng. Chương 3. Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ FeNiPVA Trong quá trình nghiên cứu, mô phỏng giúp ta thực hiện khảo sát được nhiều mô hình cảm biến có cấu trúc khác nhau, từ đó có thể so sánh và lựa chọn ra cấu trúc phù hợp làm cơ sở để chế tạo thực nghiệm. Ngược lại, sau khi chế tạo thực nghiệm xong và tiến hành đo các đặc tính của cảm biến thì kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng làm cho quá trình nghiên cứu hiệu quả hơn và kết quả có độ tin cậy cao hơn. Hơn nữa, mô phỏng giúp tiết kiệm chi phí và giảm bớt công sức trong quá trình nghiên cứu chế tạo cảm biến. Khảo sát được thực hiện trên cảm biến có cấu trúc FeNiPVA/IDT/ST-Quartz. 3.1. Mô phỏng FEM cho cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz Do module APDL (Ansys Parametric Design Language) trong bộ phần mềm ANSYS không xây dựng được mô hình mô phỏng ở dạng các hạt nano cho lớp nhạy FeNiPVA. Vì vậy để thể hiện tỷ lệ nồng độ hạt nano FeNi và PVA, luận án đề xuất hệ số ảnh hưởng ke = [0.75  1.0]. Với ke = 1.0 tương ứng hỗn hợp FeNiPVA chứa 100% hạt FeNi, và với ke = 0.75 tương ứng hỗn hợp FeNiPVA chứa 75% hạt FeNi. Với mỗi giá trị ke, mô phỏng cho ra một mô hình mô phỏng tương đương để làm cơ sở só sánh với kết quả thực nghiệm. Nhằm mục đích nghiên cứu cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-quartz trên cả hai phương diện mô phỏng và thực nghiệm. Mô hình mô phỏng thực hiện trên hai mẫu FeNiPVA với độ dày là 190 (nm) và 200 (nm). Hệ phương trình cấu thành xây dựng cho các lớp cảm biến được xác định tương tự như Phần 2.2 với bộ số liệu đầu vào Bàng 3.1, ma trận độ cứng tương đương (Ctd) của lớp nhạy FeNiPVA được xác định theo công thức (3.1). 𝑡𝑑 𝐹 𝐶 𝑖𝑗 = 𝑘 𝑒 𝐶 𝑖𝑗 (3.1) Bảng 3.1. Các thông số cơ lý của các lớp vật liệu: Áp điện (ST-Quartz), nhạy từ (FeNi), Nhôm (Al) và PVA [72, 80, 171, 172]. Ký Giá trị Thông số hiệu ST-Quarts FeNi Al PVA Mật độ (kg/m3)  2651 8380 2697 1190 Hệ số độ cứng (GPa) C11 87.26 15
C12 6.57 C13 11.95 C14 -17.18 C33 105.8 C44 57.15 C66 40.35 e11 0.17 e12 -0.04 e13 -0.13 Hệ số áp điện e14 0.08 (N/Vm) e25 0.07 e26 -0.10 e35 -0.07 e36 0.11 11 4.43 Hằng số điện môi 22 4.54 33 4.52 Module Young (GPa) E E-H 70.3 Hệ số Poison  0.3 0.345 Kết quả mô phỏng tần số trung tâm Bảng 3.2 ứng với mỗi giá trị ke khác nhau và các đáp ứng làm việc của cảm biến thể hiện trên các Hình 3.7 và Hình 3.8. Bảng 3.2: Tần số trung tâm của cảm biến với độ dày lớp nhạy h3 = 190 (nm) và 200 (nm), khi H = 0 (Oe). ke f0 (Hz) với h3 = 190 (nm) f0 (Hz) với h3 = 200 (nm) 0.75 85,395,508 85,493,164 0.8 85,463,867 85,537,109 0.9 85,527,343 85,620,117 1.0 85,620,117 85,693,359 Kết quả cho thấy, ở cả hai độ dày h3 là 190 (nm) và 200 (nm) khi ke tăng thì tần số trung tâm đều tằng, xu hướng nay là hoàn toàn đúng với lý thuyết vì tần số tỉ lệ với độ cứng của môi trường truyền sóng. Về đáp ứng làm việc, các đáp ứng tại h3 = 200 (nm) đều cho dải đo thấp hơn các đáp ứng tại h3 = 190 (nm), lý do là khi dày hơn khối vật liệu bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi trường khử từ. Tính toán độ nhạy, độ nhạy của các mô hình mô phỏng tương đương được thể hiện trong Bảng 3.3, Hình 3.9 và Hình 3.10. 16
Hình 3.7: Các đáp ứng dịch tần số Hình 3.8: Các đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3=190 (nm). của cảm biến tại h3=200 (nm). Bảng 3.3: Độ nhạy (Sn) của cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz. Sn (kHz/Oe): Toàn bộ Sn (kHz/Oe): Cùng dải đo, ke thang đo H = [090] (Oe) h3=190 (nm) h3=200 (nm) h3=190 (nm) h3=200 (nm) 0.75 0.567 0.673 0.614 0.673 0.8 0.883 0.942 0.868 0.964 0.9 1.015 1.025 0.889 1.033 1.0 1.036 1.042 0.922 1.085 Hình 3.9: Độ nhạy của cảm biến Hình 3.10: Độ nhạy của cảm biến trên toàn dải đáp ứng làm việc. trên cùng dải đáp ứng làm việc. Các mô hình mô phỏng tương đương với độ dày h3 = 200 (nm) đều cho kết quả độ nhạy cao hơn các mô hình với h3 =190 (nm), điều này là hoàn toàn phù hợp với cơ sở lý thuyết và các mô phỏng trước của luận án. 3.2. Mô phỏng cảm biến SAW-MO bằng phương pháp ma trận truyền TM 17
Phương pháp mô phỏng ma trận truyền TM được đề xuất, xây dựng và thực hiện cho cảm biến có cấu trúc FeNi/IDT/ST-Quartz (lớp nhạy FeNiPVA với thành phần FeNi chiếm 100% hay ke = 1.0) nhằm mục đính tận dụng ưu điểm của phương pháp là đơn giản và cho kết quả nhanh. Trong đó, lần đầu tiên mô hình ma trận truyền [ABCD] của lớp nhạy từ FeNi được đề xuất. Tuy nhiên mô phỏng TM cần biết trước tần số cộng hưởng (hoặc tần số trung tâm). Vì vậy, mô phỏng TM cần có sự kết hợp với mô phỏng FEM để xác định tần số cộng hưởng và xây dựng đặc tính kích thích của tín hiệu đo (vm-H) cho đầu vào cảm biến. Bên cạnh đó, kết quả mô phỏng bằng phương pháp ma trận truyền được so sánh với mô phỏng FEM để kiểm tra tính hợp lý và phù hợp. 3.2.1. Yều cầu của mô phỏng ma trận truyền và mô hình mô phỏng  Cấu trúc và kích thước của cảm biến SAW-MO được xác định như Hình 3.11 và Bảng 2.1,  Mô phỏng thực hiện trên cấu trúc cảm biến FeNi/IDT/ST-Quartz,  Độ dày của lớp nhạy từ FeNi là h3 = 200 (nm), kẩu độ âm W = 2.399 (mm), lấy theo mask dùng trong chế tạo thực nghiệm,  Xây dựng mô hình mô phỏng trên cơ sở phương pháp ma trận truyền,  Chương trình mô phỏng được viết bằng phần mềm MATLAB,  Mối quan hệ giữa vận tốc sóng âm bề mặt với cường độ từ trường đo được xác định thông qua mô phỏng FEM (đặc tính vm-H). Mô hình mô phỏng được thiết lập dưới dạng các ma trận truyền [ABCD] có các thành phần của cảm biến SAW-MO gồm các bộ IDT vào và ra, lớp nhày từ vùng delay-line. Mô hình được thể hiện trên Hình 3.12 và phương trình 3.22. Mô hình này được lập viết bới phần mềm Matlab tính toán tần số trung tâm và đáp ứng làm việc [174, 175]. Hình 3.12. Mô hình ma trận truyền của cảm biến SAW-MO. [𝑆𝐴𝑊(𝑓)] = [𝐼𝐷𝑇𝑖𝑛 (𝑓)][𝐷(𝑓)][𝐼𝐷𝑇 𝑜𝑢𝑡 (𝑓)] (3.22) Quan hệ vm-H được xây dựng bằng mô phỏng FEM được biểu diễn bằng hai phương trinh (3.23) bậc 2 (B2) và (3.24) bậc 3 (B3). 𝑣 𝑚 = −8. 10−5 𝐻2 − 0.0359𝐻 + 3428.2 (3.23) 18