MỞ ĐẦU Khoa học ngày càng phát triển đòi hỏi con người không ngừng khai thác và tìm kiếm ra những tính chất, hiệu ứng mới, công nghệ và vật liệu mới để thay thế. Gần đây các nghiên cứu đã công bố một trong những hiệu ứng mới là hiệu ứng từ - điện với sự tổ hợp đồng thời của hai pha sắt từ và sắt điện trong một vật liệu đang thu hút được nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Từ - điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác dụng của từ trường ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa dưới tác dụng của điện trường. Nhờ khả năng chuyển hóa qua lại giữa năng lượng điện và từ nên hiệu ứng này có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như sensơ, máy phát điện,….
Hiệu ứng này thường quan sát thấy trên các vật liệu multiferroic có tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Các nghiên cứu trong những năm gần đây đã chỉ ra rằng hiệu ứng từ - điện cao đã được tìm ra trên các vật liệu multiferroics tổ hợp của 2 pha từ giảo và áp điện. Do có sự liên kết chặt giữa hai pha này, khi chịu tác dụng của từ trường, pha từ giảo sẽ bị biến dạng cưỡng bức và ứng suất cơ học do pha từ giảo sinh ra sẽ truyền cho pha áp điện làm xuất hiện phân cực điện cảm ứng trên pha này. Hệ số từ-điện lớn nhất trên các vật liệu tổ hợp dạng khối với hệ số từ-điện (αE = dE/dH) = 10300 mV/cmOe đã được công bố bởi nhóm nghiên cứu Ryu và các đồng nghiệp trên vật liệu multiferroics sử dụng vật liệu áp điện (Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3) (PZT) và từ giảo Terfenol-D dạng khối bằng phương pháp kết dính.
Tuy nhiên, cho đến nay, khả năng ứng dụng hệ vật liệu này còn hạn chế do nó đòi hỏi từ trường rất lớn (~ 500 Oe) đặt vào. Các nghiên cứu cho đến nay đặc biệt trong lĩnh vực ứng dụng cảm biến chủ yếu tập trung vào tìm ra vật liệu có hiệu ứng từ-điện rất lớn đồng thời rất nhạy với sự thay đổi nhỏ của từ trường ngoài. Có rất nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo vật liệu multiferroics như tape casting, PLD, phún xạ, … nhưng cho đến nay các kết quả nghiên cứu vẫn chỉ ra rằng phương pháp kết dính vẫn là phương pháp đơn giản và cho hiệu ứng lớn nhất. Gần đây, nhóm nghiên cứu của S.
Dong và các đồng nghiệp đã thành công hơn nữa trong việc chế tạo ra các vật liệu dạng tấm sử dụng các băng từ Metglas dày 25 µm với kích thước 0.35×100 mm kết dính trên hai mặt của tấm áp điện. Với cấu hình này, hiệu ứng từ-điện đạt kỷ lục lên tới αE 22000 mV/cmOe tại từ trường rất nhỏ H ~ 5 Oe [1]. Tuy nhiên việc ứng dụng đặc biệt là linh kiện và sensor thì vật liệu này bị giới hạn do kích thước quá dài. Cũng với phương pháp trên, nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghệ cũng đã đạt được một số kết quả nghiên cứu và triển khai ứng dụng thành công trên vật liệu tổ hợp sử dụng băng từ siêu mềm (Fe0.1/PZT bằng phương pháp kết dính LUAN VAN CHAT LUONG download1 : add luanvanchat@agmail.
Tiếp tục hướng nghiên cứu này của nhóm trong luận văn này, chúng tôi tiếp tục nghiên trên các vật liệu multiferroics dạng tấm sử dụng tấm áp điện PZT và băng từ mềm do ưu điểm của chúng là dễ chế tạo, giá thành rẻ và đặc biệt thích hợp với các nghiên cứu hiệu ứng từ-điện do tính chất từ siêu mềm. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng băng từ Metglas có pha Ni với thành phần Fe76. Chúng tôi trông đợi với sự có mặt của Ni hàm lượng nhỏ 1,2% sẽ không ảnh hưởng đến hệ số từ giảo nhưng bù lại có thể tăng cường hơn nữa tính chất từ mềm trong vùng từ trường thấp khi so sánh với các kết quả đã được công bố gần đây trên băng từ Metglas không pha Ni. Với hướng nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành làm những công việc cụ thể như sau: - Chế tạo được các mẫu vật liệu multiferroics dạng lớp sử dụng băng từ siêu mềm Fe76.8 và các tấm áp điện bằng phương pháp kết dính - Nghiên cứu quá trình từ hóa phụ thuộc vào hình dạng và kích thước băng từ có kích thước khác nhau.
Tính toán được hệ số trường khử từ phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng của băng. - Nghiên cứu tính chất từ giảo tĩnh và động trong từ trường một chiều và xoay chiều của các băng từ Metglas pha Ni với hình dạng và kích thước khác nhau - Nghiên cứu hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp Fe76.8/PZT trên các cấu hình và kích thước khác nhau. Tăng cường hiệu ứng từ-điện nhờ khai thác dị hướng hình dạng của băng từ và từ đó tối ưu cấu hình cho các nghiên cứu triển khai ứng dụng tiếp theo. LUAN VAN CHAT LUONG download2 : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.
Sensor đo từ trƣờng Cảm biến (sensor) được định nghĩa như một thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng, …). Nó là thành phần quan trọng nhất trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động. Nhờ có các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các cảm biến đã được giảm thiểu kích thước, cải thiện tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Có rất nhiều loại cảm biến như cảm biến quang, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo vận tốc, lưu lượng và mức chất lưu, cảm biến đo áp suất, cảm biến từ,… Trong khuôn khổ luận văn tôi tập trung tìm hiểu và nghiên cứu các loại cảm biến từ.
Sensor đo từ trƣờng dựa trên nguyên lý cảm ứng (flux-gate sensor) Cảm biến flux-gate hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.1 là sơ nguyên lý của cảm biến sử dụng lõi hình xuyến. Cảm biến loại này có cấu tạo rất đơn giản gồm 1 cuộn dây kích thích (exc) được quấn xung quanh lõi sắt từ mềm có tác dụng tạo ra từ trường xoay chiều từ được cấp bởi dòng điện xoay chiều. Đây là từ trường khép kín chạy bên trong lõi sắt. Cuộn dây tín hiệu (sensing winding) được cuốn bên ngoài để thu tín hiệu cảm ứng khi có mặt của từ thông biến thiên.
Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động (a) và ảnh chụp của cảm biến đo từ trường 3D thương phẩm dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ [3] Khi không có mặt của từ trường ngoài, từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu sẽ bằng không do từ trường khép kín chạy trong lòng lõi sắt từ. Dưới tác dụng của từ trường ngoài theo một phương nào đó (ví dụ như trong hình 1.1 a), trong hai nửa vòng dây từ trường sẽ thay đổi theo hai xu hướng ngược nhau. Chính điều này đã LUAN VAN CHAT LUONG download3 : add luanvanchat@agmail.com tạo ra một từ thông bên trong lòng cuộn dây tín hiệu. Đây là một từ thông biến thiên và do đó sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng hay một điện áp lối ra ở hai đầu cuộn dây tín hiệu.
Từ độ lớn của điện áp này ta có thể đánh giá được cường độ từ trường tác dụng vào trong trường hợp này. Nguyên lý hoạt động của cảm biến này có thể được mô tả đơn giản như sau: cho một dòng kích thích Iexc chạy qua cuộn dây kích thích sinh ra từ trường kích thích xoay chiều và tạo ra một thế ở lối ra Vout. Ảnh chụp của cảm biến đơn đo từ trường 1D (a) và cảm biến tích hợp đo từ trường 3D thương phẩm (b) dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ [4] Trên hình 1.2 là cảm biến thương phẩm dùng để đo từ trường 1D và 3D đã được phát triển bởi viện nghiên cứu Tyndall [5]. Fluxgate là cảm biến từ có độ nhạy cao nhất khi làm việc ở nhiệt độ phòng.
Khi làm việc ở thang từ trường 1mT có thể cho độ phân giải của từ trường lên tới 100pT ở tần số từ 0-100MHz. Cho đến nay cảm biến flux-gate vẫn được sử dụng nhiều hơn cả do đặc trưng của nó ổn định với nhiệt độ, giá thành rẻ và có khả năng phát hiện từ trường trái đất. Tuy nhiên, hạn chế của cảm biến loại này là kích thước lớn. Thêm vào đó, do cấu tạo của cảm biến có lõi sắt từ có độ từ thẩm cao và có đặc trưng trễ từ đặt bên trong của các cuộn dây nên làm giảm khả năng hoạt động của cảm biến đặc biệt khi đo trong vùng từ trường thấp.
Ngoài ra, hệ số trường khử từ lớn cũng là một trong các hạn chế cho việc thiết kế và chế tạo cảm biến loại này. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thƣờng Cảm biến từ được sử dụng phổ biến nhất trên thị trường hiện này là cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thường được minh họa trên hình 1. Nguyên lý hoạt động của sensor này dựa trên hiệu ứng Hall phẳng. Khi có một dòng điện chạy qua chất bán dẫn khi có mặt từ trường ngoài tác dụng thì sự chuyển động của tất cả các điện tích bị ảnh hưởng bởi lực Lorent: F = qE + q[v×B] (1.1) trong đó q là điện tích của vật dẫn, v là véc tơ vận tốc, B là véc tơ từ trường.
Giả thiết rằng vật liệu là bán dẫn loại n để bỏ qua sự xuất hiện lỗ trống. Dưới tác dụng của lực LUAN VAN CHAT LUONG download4 : add luanvanchat@agmail.com này, các hạt tải sẽ bị lệch phương chuyển động tạo ra điện trường trên hai mặt đối diện trực giao với chiều dòng điện. Điện trường Hall vuông góc với điện trường đặt vào và từ trường. Độ lớn của trường Hall tỷ lệ với độ linh động hạt tải.
Độ linh động của hạt tải loại p (lỗ trống) thì luôn thấp hơn độ linh động của điện tử. Vì vậy trong cảm biến Hall sử dụng bán dẫn loại n tốt hơn sử dụng bán dẫn loại p. Thế Hall cho bởi công thức: RH VH I B (1.2) t trong đó, RH điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là chiều dày tấm vật liệu. Sử dụng công thức này ta có thể tính được từ trường thông qua điện áp Hall thu được.