Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ

Nghiên cứu cải thiện độ nhạy cảm biến từ trường SAW-MO bằng cách kết hợp sóng âm bề mặt và vật liệu từ. Tìm hiểu nguyên lý, vật liệu và ứng dụng tiềm năng.

• Tác giả: Đỗ Duy Phú
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Sĩ Hồng
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: LỰA CHỌN CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG CẢI THIỆN ĐỘ NHẠY CHO CẢM BIẾN TỪ SAW-MO
• 1.1. Lựa chọn cấu trúc cảm biến SAW-MO
• 1.2. Lựa trọn cấu truc cơ sở
• 1.3. Cấu trúc cảm biến SAW-MO
• 1.4. Mô hình mô phỏng FEM
• 1.5. Xây dựng mô hình mô phỏng
• 1.6. Hiệu ứng delta-E, trường khử từ và phạm vi mô phỏng
• 1.7. Ảnh hưởng đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến SAW-MO
• 1.8. Quá trình mô phỏng FEM
• 1.9. Đáp ứng làm việc của cảm biến
• 1.10. Ảnh hưởng của vận tốc sóng âm đến đáp ứng của cảm biến
• 1.11. Ảnh hưởng của độ dày lớp nhạy từ và đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến
• 2. CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG ĐỘ DÀY LỚP NHẠY TỪ ĐẾN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN
• 2.1. Ảnh hưởng độ dày lớp nhạy từ đến độ nhạy của cảm biến
• 2.2. Ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến
• 2.3. Mô phỏng động lực học phân tử lớp vật liệu nhạy từ Nickel
• 2.4. Mô hình mô phỏng vật liệu nhạy từ Nickel
• 2.5. Kết quả mô phỏng vật liệu nhạy từ Nickel
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ SAW-MO TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU NHẠY TỪ FeNiPVA
• 3.1. Mô phỏng FEM cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz
• 3.2. Yêu cầu khi mô phỏng cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz
• 3.3. Mô hình mô phỏng
• 3.4. Mô phỏng mô hình tương đương cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz
• 3.5. Mô phỏng cảm biến SAW-MO bằng phương pháp ma trận truyền TM
• 3.6. Yêu cầu của mô phỏng ma trận truyền
• 3.7. Mô hình ma trận truyền cho cảm biến SAW-MO
• 3.8. Kết quả mô phỏng bằng phương pháp TM
• 3.9. Chế tạo thực nghiệm cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz
• 3.10. Các yêu cầu khi chế tạo thực nghiệm cảm biến SAW-MO
• 3.11. Chế tạo thiết bị SAW trống
• 3.12. Chế tạo cảm biến SAW-MO
• 3.13. Thiết lập hệ thống đo
• 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC A: GIAO DIỆN CHÍNH CỦA PHẦN MỀM ANSYS-APDL
• PHỤ LỤC B: MÃ LỆNH MÔ PHỎNG FEM
• PHỤ LỤC C: MÃ LỆNH MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP TM
• PHỤ LỤC D: MỘT SỐ MODULE PHẦN MỀM CỦA MÔ PHỎNG MD
• PHỤ LỤC E: MỘT SỐ HÌNH ẢNH QUÁ TRÌNH LÀM THỰC NGHIỆM TẠI VIỆN ITIMS

Tóm tắt

I. Cảm Biến Từ Trường SAW MO Tổng Quan và Tiềm Năng 55 Ký Tự

Cảm biến từ trường là thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghệ thông tin đến y học và tự động hóa công nghiệp. Trong số đó, cảm biến SAW-MO (Surface Acoustic Wave - Magneto-optical) nổi lên như một giải pháp đầy tiềm năng. Thiết bị này kết hợp nguyên lý sóng âm bề mặt với vật liệu từ tính để tạo ra một cảm biến nhỏ gọn, hiệu quả và có độ nhạy cao. Cảm biến từ trường SAW có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau, bao gồm cấu trúc delay-line, bộ cộng hưởng SAW, và loại tải phát vấn. Ưu điểm của cảm biến này là dễ gia công, xử lý tín hiệu số, độ bền cao, tuổi thọ dài, và khả năng phục hồi nhanh. Với những ưu điểm vượt trội, cảm biến SAW-MO hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích trong các ứng dụng đo lường từ trường thấp, như đo từ trường sinh học, từ trường đô thị, và phát hiện sinh tồn.

1.1. Ứng Dụng Đa Dạng của Cảm Biến Từ Trường Sóng Âm Bề Mặt

Thiết bị cảm biến SAW không chỉ giới hạn ở đo từ trường. Chúng còn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như bộ truyền động, bộ lọc, và bộ xử lý tín hiệu. Đặc biệt, cảm biến SAW có thể hoạt động mà không cần nguồn cấp (cảm biến thụ động) và trong môi trường khắc nghiệt, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Theo tài liệu gốc, các thiết bị SAW có nhiều ưu điểm như nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, dễ chế tạo và hiệu suất cao.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Cảm Biến Từ Trường SAW MO

So với các loại cảm biến từ trường khác, cảm biến SAW-MO có nhiều ưu điểm nổi bật. Độ bền cao, tuổi thọ 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. Điều này làm cho cảm biến SAW-MO trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và ổn định cao, đặc biệt trong việc đo từ trường ở cường độ thấp.

II. Thách Thức Yêu Cầu Độ Nhạy Của Cảm Biến Từ Trường 59 Ký Tự

Mặc dù cảm biến SAW-MO có nhiều ưu điểm, việc nghiên cứu và chế tạo chúng vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Dải đo của từ trường rất rộng, từ 10^-14 (Oe) đến 10^12 (Oe), đòi hỏi cảm biến phải có khả năng đo lường chính xác trong nhiều môi trường khác nhau. Đặc biệt, việc đo từ trường ở vùng thấp, như từ trường sinh học, đòi hỏi cảm biến phải có độ nhạy cực cao. Để đáp ứng yêu cầu này, cần nghiên cứu và tối ưu hóa các thông số cấu trúc của cảm biến, bao gồm độ dày lớp nhạy từ, độ dày đế áp điện, và vật liệu sử dụng.

2.1. Phạm Vi Ứng Dụng Rộng Lớn Của Cảm Biến Từ Trường

Các tín hiệu vật lý đo được thông qua từ trường rất phổ biến. Ví dụ, trong y học, cảm biến có thể đo từ trường sinh ra bởi não người, chỉ khoảng 310^-14 (Oe). Ngược lại, từ trường trong máy chụp cộng hưởng từ có thể lên đến 210^4 (Oe). Dải đo rộng này đòi hỏi cảm biến từ trường phải có khả năng thích ứng và đo lường chính xác trong nhiều môi trường khác nhau.

2.2. Nghiên Cứu Cải Thiện Độ Nhạy Cảm Biến Từ Trường SAW

Việc cải thiện độ nhạy cảm biến là yếu tố then chốt để mở rộng ứng dụng của cảm biến SAW-MO, đặc biệt trong việc đo các từ trường yếu. Các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số cấu trúc, sử dụng vật liệu nano, và áp dụng các kỹ thuật chế tạo tiên tiến để đạt được độ nhạy cao nhất.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Lựa Chọn Cấu Trúc Tối Ưu 60 Ký Tự

Để cải thiện độ nhạy của cảm biến SAW-MO, việc mô phỏng và lựa chọn cấu trúc tối ưu là rất quan trọng. Các phương pháp mô phỏng như phân tích FEA (Finite Element Analysis) và mô phỏng động lực học phân tử (MD) được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu trúc đến hiệu suất của cảm biến. Các yếu tố như độ dày lớp nhạy từ, độ dày đế áp điện, và vật liệu áp điện đều được xem xét kỹ lưỡng để tìm ra cấu trúc có độ nhạy cao nhất. Theo luận án, có 3 phương pháp mô phỏng phổ biến: Phương pháp phần tử hữu hạn, Phương pháp động lực học phân tử, và Phương pháp mô phỏng mô hình mạch tương đương.

3.1. Ứng Dụng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn FEA Trong Thiết Kế Cảm Biến

Phân tích FEA là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế cảm biến. Nó cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán hiệu suất của cảm biến trong các điều kiện khác nhau và xác định các thông số cấu trúc tối ưu để đạt được độ nhạy cao nhất.

3.2. Mô Hình Động Lực Học Phân Tử MD Nghiên Cứu Vật Liệu Nhạy Từ

Mô phỏng MD được sử dụng để nghiên cứu các tính chất cơ lý của vật liệu nhạy từ ở cấp độ nguyên tử. Điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của cảm biến và tìm ra các vật liệu mới có hiệu suất cao hơn.

IV. Vật Liệu Nhạy Từ FeNiPVA Chế Tạo Thực Nghiệm 60 Ký Tự

Luận án này cũng tập trung vào việc chế tạo và thực nghiệm cảm biến từ trường SAW-MO sử dụng vật liệu nhạy từ FeNiPVA. Quá trình này bao gồm việc mô phỏng FEM (Finite Element Method) để dự đoán hiệu suất của cảm biến và chế tạo thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả mô phỏng. Các kết quả thực nghiệm cho thấy sự phù hợp giữa mô phỏng và thực tế, chứng minh tính đúng đắn của mô hình toán học và các kết quả mô phỏng trong vùng từ trường thấp. Mô phỏng FEM cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz được sử dụng.

4.1. Chế Tạo Thực Nghiệm Cảm Biến Từ SAW MO FeNiPVA IDT ST Quartz

Quá trình chế tạo cảm biến bao gồm nhiều bước, từ việc chuẩn bị đế áp điện đến việc lắng đọng lớp vật liệu nhạy từ. Các kỹ thuật chế tạo tiên tiến được sử dụng để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của cảm biến.

4.2. Thiết Lập Hệ Thống Đo Đánh Giá Hiệu Suất Cảm Biến

Sau khi chế tạo, cảm biến được kiểm tra và đánh giá hiệu suất bằng các hệ thống đo chuyên dụng. Các thông số như độ nhạy, độ phân giải, và độ tuyến tính được đo đạc và so sánh với các kết quả mô phỏng.

V. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Cảm Biến Từ Trường SAW MO 50 Ký Tự

Với những ưu điểm vượt trội và khả năng đo lường chính xác trong vùng từ trường thấp, cảm biến từ trường SAW-MO có nhiều ứng dụng tiềm năng. Trong lĩnh vực y học, chúng có thể được sử dụng để đo từ trường sinh học và chẩn đoán bệnh. Trong công nghiệp, chúng có thể được sử dụng để giám sát và điều khiển các quá trình sản xuất. Ngoài ra, cảm biến này còn có thể được ứng dụng trong các hệ thống định vị, ô tô tự hành, và robot.

5.1. Ứng Dụng Cảm Biến SAW MO Trong Y Sinh Học

Cảm biến SAW-MO có tiềm năng lớn trong việc đo lường các từ trường sinh học yếu, mở ra cơ hội mới cho việc chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý liên quan đến não, tim, và các cơ quan khác.

5.2. Sử Dụng Cảm Biến SAW MO Trong Công Nghiệp Tự Động Hóa

Cảm biến SAW-MO có thể được sử dụng để giám sát và điều khiển các quá trình sản xuất, giúp tăng năng suất và giảm chi phí. Chúng có thể đo lường các thông số như dòng điện, vị trí, và tốc độ với độ chính xác cao.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Cảm Biến Từ Trường Tương Lai 59 Ký Tự

Nghiên cứu và phát triển cảm biến từ trường SAW-MO là một lĩnh vực đầy hứa hẹn. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện hơn nữa độ nhạy, giảm kích thước, và mở rộng dải đo của cảm biến. Việc sử dụng vật liệu nano mới, các kỹ thuật chế tạo tiên tiến, và các phương pháp mô phỏng chính xác sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được các mục tiêu này. 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.

6.1. Nghiên Cứu Vật Liệu Mới Nâng Cao Hiệu Suất Cảm Biến

Việc tìm kiếm và phát triển các vật liệu nano mới với các tính chất từ tính và cơ học ưu việt sẽ là một hướng đi quan trọng để cải thiện hiệu suất của cảm biến SAW-MO.

6.2. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Quy Trình Chế Tạo Cảm Biến

Việc tối ưu hóa thiết kế và quy trình chế tạo cảm biến sẽ giúp giảm chi phí sản xuất, tăng độ tin cậy, và mở rộng ứng dụng của cảm biến SAW-MO trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 (Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt); Tìm hiểu tổng quan về cảm biến từ; tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về cảm biến từ, từ đó nhận định các thách thức cần giải quyết; Tìm hiểu về cơ chế hình thành sóng âm và cơ sở lý thuyết của sóng âm trong chất rắn; Tìm hiểu và lựa chọn các loại vật liệu dùng trong nghiên cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO; Tìm hiểu về các phương pháp tính toán và mô phỏng cảm biến. Chương 2 (Lựa chọn cấu trúc và mô phỏng cải thiện độ nhạy cho cảm biến từ SAW-MO) trình bày sự lựa chọn cấu trúc cảm biến, xây dựng mô hình mô phỏng FEM, thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng của loại đế áp điện, độ dày lớp nhạy từ và độ dày đế áp điện nhằm cải thiện độ nhạy của cảm biến và sử dụng mô phỏng MD để tính toán các thống số vật lý lớp nhạy từ. Chương 3 (Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ FeNiPVA) trình bày về xây dựng mô hình mô phỏng FEM, khảo sát mô hình mô phỏng tương đương lớp vật liệu nhạy FeNiPVA; đề xuất phương án xây dựng mô hình ma trận truyền lớp nhạy FeNi cho mô phỏng cảm biến bằng phương pháp ma trận truyền (mô hình mạch điện tương đương) và xây dựng quy trình kỹ thuật chế tạo thực nghiệm cảm biến SAW-MO. Phần Kết luận và hướng phát triển trình bày tóm tắt các đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo.

Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt 1. Tổng quan về cảm biến từ Để thấy rõ bức tranh tổng thể về cảm biến từ nói chung, luận án thực hiện khảo sát tổng quan về các loại cảm biến từ dựa trên các nguyên lý hoạt động khác nhau. Cảm biến từ đã được sử dụng cách đây hơn 2000 năm, các ứng dụng ban đầu là để tìm hướng và dẫn đường (la bàn). Ngày nay, cảm biến từ vẫn là bộ phận dẫn hướng chính trên các phương tiện giao thông, thiết bị quân sự, v.v và cảm biến từ cũng đã được phát triển thêm các tính năng dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Công nghệ cảm biến từ cũng đã phát triển do nhu cầu về cải thiện độ nhạy, kích thước nhỏ hơn và khả năng tương thích với các hệ thống điện tử, máy móc khác nhau[25]. Cảm biến từ được nghiên cứu và chế tạo dựa trên cơ sở các định luật và hiệu ứng vật lý. Cụ thể là: cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall [26, 27], dựa trên định luật cảm ứng điện từ (Search coil) [13, 14], dựa trên hiệu ứng từ trở dị hướng AMR [12, 25], dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR [12, 25], dựa trên hiệu ứng từ trở xuyên hầm TMR [11, 28], dựa trên hiệu ứng từ tổng trở GMI [23, 29], dựa trên nguyên lý từ thông dọc trục (Flux gate) [30, 31], dựa trên nguyên lý từ thông siêu dẫn SQUID [32-34], dựa trên hiệu ứng từ điện ME là sự kết hợp giữa hiệu ứng áp điện và hiệu ứng từ giảo [35, 36] có cấu trúc kiểu sandwich. Gần đây, nhiều nhóm đã tiến hành nghiên cứu cảm biến từ trên nguyên tắc kết hợp hiệu ứng sóng âm bề mặt với hiệu ứng áp điện (PE: Piezoelectric), nhằm mục địch thu nhỏ thiết bị, cải thiện các đặc tính làm việc của cảm biến (như: độ nhạy, dải đo), dễ chế tạo và tăng tần số làm việc của cảm biến [15, 37-40].

Cảm biến từ Phương pháp Phương pháp Cảm ứng từ Vật liệu từ lượng tử kết hợp  Hall  ME  Search coil  SQUID  AMR  SAW-GMI  GMR/GMI  SAW-MO  Fuxgate  RMN  TMR. Các nguyên lý cảm biến từ.2 chỉ ra các loại, cũng như là cách phân loại cảm biến từ và dải đo của chúng. Dải đo các loại cảm biến từ.2 cho thấy cảm biến từ dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ có dải đo rộng nhất, còn dựa trên nguyên lý lượng tử siêu dẫn thì có độ nhạy cao nhất. Trong thực tế cường độ từ trường có khá nhiều đơn vị (T: Tesla, G: Gauss, Oe: Oersted, v.v) và được tính toán trong các hệ quy chiếu khác khác nhau như: hệ CGS và hệ SI và dưới đây là chuyển đổi giữa một số các đơn vị đo từ trường [25].

1 (G) = 10-4 (T) = 105 (Gamma); 1 (T) = 10 (kOe)  Cảm biến Hall Hiệu ứng Hall xảy ra khi đặt một từ trường (H) vuông góc lên một bản (làm bằng: kim loại, chất bán dẫn, v.v) được gọi là thanh Hall đang có dòng điện (I) chảy qua. Lúc này ta nhận được một hiệu điện thế (điện áp Hall: VH) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall, Hình 1. Như vậy, cảm biến có tín hiệu đầu vào thường ở hai dạng là dòng điện và từ trường, đầu ra là đạng điện áp.

Ưu điểm của cảm biến Hall là dễ chế tạo, có độ nhạy cao, chống nhiễu tốt và có giá thành thấp. Nhược điểm: Trong quá trình sử dụng, cảm biến Hall bị trôi điểm không do cấu trúc hình học thay đổi. Độ nhạy của cảm biến tỷ lệ với kích thước (cấu trúc hình học), mặt khác độ nhạy còn phụ thuộc vào độ linh hoạt của vật liệu (vật liệu càng lỏng thì độ linh hoạt càng cao). Tuy nhiên vật liệu có độ linh hoạt cao thì lại ảnh hưởng đến cấu trúc cân đối của cảm biến và cuối cùng là khó chế tạo với kích thước nhỏ [26, 27, 41].

Nguyên lý cảm biến Hall. [41] 5  Cảm biến từ trở Hiệu ứng từ trở được William Thomson phát hiện vào năm 1857 khi quan sát thấy điện trở của các vật liệu sắt và niken phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và chiều của véctơ từ độ. Hiệu ứng này còn phát hiện trong nhiều chất bán dẫn, oxit kim loại và nhiều màng mỏng từ. Từ trở dị hướng AMR thường ở dạng cấu trúc vô định hình (dị thể) hoặc cấu trúc tinh thể đơn lớp.

Hiệu ứng được ứng dụng nhiều trong chế tạo cảm biến [12, 41, 42]. Hiệu ứng GMR là một hiệu ứng lượng tử quan sát thấy trong một số màng mỏng từ tính đa lớp hoặc đơn lớp, với sự thay đổi lớn giá trị điện trở dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988 đồng thời bởi 2 nhóm nghiên cứu, là nhóm của Peter Grünberg ở Trung tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) trên màng mỏng kiểu bánh kẹp Fe/Cr/Fe; và bởi nhóm của Albert Fert ở Đại học Paris-Sud trên các màng đa lớp Fe/Cr. Phát hiện này đã mở ra một ngành mới gọi là điện tử học spin (spintronics) nghiên cứu các linh kiện điện tử mới hoạt động dựa trên điều khiển tính chất spin của điện tử.

Ngoài ra, hiệu ứng GMR còn phát hiện thấy trên một số màng mỏng dạng hạt (ví dụ màng hợp kim dị thể CoCu, CoAg, v. Hiệu ứng GMR được ứng dụng trong công nghệ chế tạo cảm biến và đặc biệt là trong các thiết bị nhớ (ổ đĩa) để xác định giá trị các bit nhớ [12]. Hiệu ứng TMR là hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng cách điện cho phép điện tử xuyên hầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn. Hiệu ứng TMR lần đầu tiên được phát hiện trên các màng đa lớp sắt kẹp giữa là lớp germanium (Ge) đóng vai trò lớp cách điện.

Hiệu ứng TMR ở nhiệt độ phòng lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1995 trên các màng mỏng CoFe/Al2O3/Co với Al2O3 đóng vai trò lớp cách điện, cho hiệu ứng MR tới 11,8% ở nhiệt độ phòng. Cùng với phát minh về hiệu ứng GMR, hiệu ứng TMR được cũng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các nghiên cứu về linh kiện spintronic và được ứng dụng phổ biến trong thiết bị nhớ [11, 28, 43]. Như vậy, hiệu ứng từ trở được ứng dụng trong thực tế để đo một số đại lượng vật lý (như: vị trí, vận tốc góc, góc quay, v.v), điển hình là cảm biến HCM1501, HCM1502 của hãng Honeywell sử dụng hiệu ứng AMR [44]. Cảm biến AC00x-xx của hãng NVE sử dụng hiệu ứng GMR [45].

Nhược điểm của nguyên lý là đặc tính làm việc của các cảm biến dạng phi tuyến và thường có quan hệ hàm bậc hai hoặc dạng hàm sin.  Cảm biến từ dựa trên định luật Faraday (Induction coil, search coil) Cảm biến cảm ứng khi chế tạo thường có hai loại: Loại cuộn dây không có lõi từ (lõi không khí) và loại cuộn dây dùng lõi sắt từ. Đáp ứng tần số đầu ra của cảm biến được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau và phù hợp với các ứng dụng như: Cuộn dây Rogowski, cảm biến đo sai trọng, cảm biến đo độ rung, cảm biến đo trường tiếp tuyến và đầu dò kim loại, ngoài ra còn được ứng dụng để chế tạo antenna. Cảm biến cảm ứng được biết đến như một loại cảm biến rất nổi tiếng, cổ điển và còn được gọi là cảm biến từ hoạt động dựa trên định luật cảm ứng của Faraday, tuy nhiên nhược điểm của loại cảm biến này là khả năng thu nhỏ về kích thước [13, 14].

6  Cảm biến từ dựa trên kích từ dọc (flux gate) Từ kế kích từ dọc được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống định vị la bàn. Chúng được phát triển từ năm 1928 và ứng dụng trong quân đội để phát hiện tàu ngầm. Cảm biến fluxgate còn được sử dụng để lập bản đồ từ trường không khí và khảo sát địa lý. Loại từ kế fluxgate phổ biến nhất được gọi là thiết bị sóng hài bậc hai.

Thiết bị bao gồm hai cuộn dây (Hình 1.4), một cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp quấn quanh một lõi sắt từ có khả năng chịu lực cao. Cảm ứng từ của lõi thay đổi khi thiết bị được đặt vào từ trường ngoài biến thiên. Nguyên lý hoạt động, cuộn sơ cấp được cung cấp một tín hiệu (điện áp điều khiển: VDrive) có tần số (f). Bên thứ cấp sinh ra một tín hiệu (VSense), tín hiệu này có biện độ phụ thuộc vào sự thay đổi của cảm ứng từ trong lõi sắt từ.

Sử dụng một bộ phát hiện pha, sau đó tín hiệu được giải điều chế và lọc để suy ra giá trị của từ trường cần đo. Từ kế fluxgate có thể đo tín hiệu có giá trị khoảng microGauss và ứng dụng để đo cường độ và hướng của từ trường [13, 14, 25].