MỞ ĐẦU Các nghiên cứu trên vật liệu tổ hợp dạng tấm và dạng màng có hiệu ứng từ điện nhờ sự kết hợp hai pha từ giảo và áp điện đã được triển khai mạnh mẽ trong nhóm nghiên cứu tại Khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ Nano, trường ĐH Công nghệ. Dựa các kết quả nghiên cứu này, nhiều sản phẩm ứng dụng đã được phát triển thành công trong đó phải kể đến cảm biến đo từ trường độ nhạy cao, cảm biến đo góc độ phân giải cao, cảm biến đo cường độ dòng điện, la bàn điện tử, cảm biến sinh học,… Nhiều công trình khoa học đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế có uy tín [13, 15, 18]. Tuy nhiên, hầu hết các kết quả nghiên cứu trên đều dựa trên các nghiên cứu bán thực nghiệm. Cụ thể, kết hợp việc đo đạc thực nghiệm với tính toán fit lý thuyết dựa trên các số liệu thực nghiệm đo đạc được để giải thích các hiện tượng vật lý trên vật liệu này.
Tuy nhiên, việc tính toán này dựa trên kết quả đo, để suy ngược lại mô hình vật lý. Như vậy, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố ví dụ như kết quả đo, liên quan tới cả chủ quan và khách quan. Chính vì vậy, việc mô phỏng tính toán thông qua đó tối ưu cấu hình dựa trên cơ sở lý thuyết và các công cụ phần mềm là một nội dung còn chưa được khai thác trong nhóm nghiên cứu. Với mong muốn tìm hiểu sâu và hoàn thiện cũng như nghiên cứu một cách đầy đủ, hệ thống có cơ sở khoa học từ lý thuyết đến thực hiện trên hiệu ứng cũng như vật liệu và ứng dụng trên vật liệu tổ hợp là rất cần thiết.
Đối với tất cả các lĩnh vực nói chung, mô phỏng đóng vai trò chủ đạo trong việc đưa một hệ thống làm việc hiệu quả. Vật lý cũng vậy, vai trò của mô phỏng đóng vai trò then chốt, và ngày nay mô phỏng trong lĩnh vực vật lý tăng chóng mặt cùng với sự phát triển của các công cụ tính toán trên máy tính đã góp phần thành công không nhỏ đưa sản phẩm từ lý thuyết ra thực tế. Mô phỏng giúp đưa ra kết quả một cách nhanh chóng và xác định cách tư duy liệu có đúng hay không, dựa trên những hiểu biết đã biết. Với lĩnh vực vật lý, mô phỏng xuất hiện ở hầu hết mọi hướng nghiên cứu như vật lý chất rắn, vật lý hạt nhân, vật lý hạt, vật lý thiên văn.
Nhờ vậy, số lượng các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm liên quan tới mô phỏng tăng một cách chóng mặt. Mô phỏng giúp đồng nhất hay đưa ra một cách nhìn tổng quan về mỗi quan hệ giữa lý thuyết và thực nghiệm của một hệ vật lý nào đó. Mô phỏng giúp tính toán và phân tích được tính chất vật lý của một hệ đó, hệ này hầu như không thể nghiên cứu một kỹ lưỡng một cách lý thuyết hay thực nghiệm được. Trong luận văn này, việc mô phỏng sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng điện từ Ansoft Maxwell 3D.
Đây là một công cụ chuyên biệt cho ph p mô phỏng các hệ điện, từ một cách chính xác và hiệu quả. Việc kết hợp với những nghiên cứu về lý thuyết và mô phỏng nhằm 1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com đưa ra cấu hình tối ưu cho cảm biến, tính toán một số số thông số làm việc từ đó làm cơ sở cho việc tiến hành chế tạo thử cảm biến đo từ trường. Luận văn sẽ thực hiện tính toán mô phỏng dựa trên các cấu hình từ đơn giản đơn thanh (single bar-IS) để xây dựng mô hình và kiểm chứng lại so với số liệu thực nghiệm nhằm khẳng định tính đúng đắn của mô hình. Dựa trên mô hình lý thuyết này, tiếp tục mô phỏng theo các cấu hình mạch từ kh p kín và chuỗi cảm biến (array) với mục tiêu tăng cường hiệu ứng, tăng cường độ nhạy trong từ trường thấp và do đó tăng cường độ phân giải trong ứng dụng cảm biến từ trường xuống dưới 0.
Đây cũng chính là một nội dung nghiên cứu trong đề tài độc lập cấp nhà nước "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" đang được triển khai trong nhóm nghiên cứu. Việc tính toán mô phỏng lý thuyết để tối ưu cấu hình rồi dựa trên kết quả đó, triển khai thiết kế chế tạo thực nghiệp là rất cần thiết giúp rút ngắn thời gian và tiết kiệm chi phí. Do vậy, luận văn này định hướng thực hiện theo nội dung mô phỏng, tính toán lý thuyết, tối ưu cấu hình theo nguyên lý kh p kín mạch từ và chuỗi tích hợp cảm biến từ-điện với mục đích nâng cao tín hiệu cảm biến một cách hiệu quả và được tiếp cận có cơ sở khoa học và thực tiễn nhất. Trên cơ sở nghiên cứu này, các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận văn này cụ thể như sau: - Nghiên cứu tổng quan lý thuyết: Lý thuyết liên quan đến các hiệu ứng từ, từ giảo, áp điện, liên kết từ-điện.; Nguyên tắc mạch từ kh p kín.
- Xây dựng các mô hình lý thuyết, nghiên cứu và sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft Maxwell 3D, ứng dụng vào việc mô phỏng và tối ưu hóa cấu hình cảm biến theo nguyên tắc mạch từ kh p kín và chuỗi cảm biến gh p tích hợp: Nghiên cứu lý thuyết về phần mềm mô phỏng Ansoft Maxwell 3D; Xây dựng mô hình mạch từ (hở và kh p kín) và chuỗi cảm biến gh p tích hợp phục vụ mô phỏng các cấu hình cảm biến; Đặt các điều kiện (điều kiện biên, điều kiện kích thích, chia lưới…); Thu thập kết quả đo dựa trên kết quả mô phỏng. - Tính toán lý thuyết một số thông số làm việc của cảm biến - Chế tạo cảm biến dựa trên cấu hình cảm biến đã tối ưu từ kết quả mô phỏng: Chuẩn bị mẫu cảm biến dưới dạng mạch từ không kh p kín và kh p kín; chuỗi cảm biến gh p tích hợp dựa trên điều kiện đã được tối ưu; Hàn, lắp ráp mạch điện tử để chuẩn bị đo đạc các thông số làm việc; Kiểm tra đo đạc và đánh giá sản phẩm được chế tạo so với kết quả mô phỏng; Đo đạc các thông số làm việc của cảm biến (tần số, hiệu điện thế làm việc, độ nhạy, độ phân giải….); So sánh để thấy được sự tối ưu của cảm biến kh p kín mạch từ; Tiến hành ph p đo đánh giá tính đúng đắn của kết quả mô phỏng. 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. SƠ LƢỢC VỀ NGUỒN GỐC TỪ TRƢỜNG Trong quá khứ, rất nhiều nhà khoa học tin rằng la bàn, thiết bị sử dụng kim nam châm, được sử dụng ở Trung Quốc vào khoảng thế kỷ 13 trước công nguyên có nguồn gốc từ người Trung Á.
Người Hy Lạp trước đây biết đến từ học vào khoảng năm 800 trước công nguyên. Họ đã phát hiện ra những hòn đá từ tính (Fe3O4) có thể hút những mẩu sắt nhỏ. Giai thoại kể rằng tên "magnetite" bắt nguồn từ người chăn cừu du mục tên là Magnes, khi Magnes nhận thấy rằng những hòn đá ma thuật magnetite bị hút bởi những chiếc móng cừu. Năm 1269, nhà khoa học Pháp tên Pierre de Maricourt thấy rằng hướng của kim nam châm (mạt sắt từ), khi đặt lại gần một nam châm vĩnh cửu hình cầu, tạo thành đường sức từ kín đi qua hai điểm đối xứng nhau qua tâm nam châm, và sau này de Maricourt gọi đó là cực của nam châm.
Thí nghiệm chứng tỏ rằng, mỗi nam châm đều có hai cực (cực bắc-North và cực nam-South), lực tác dụng lên cực của một nam châm khác giống như lực tương tác giữa hai hạt điện tích tác dụng lẫn nhau. Cụ thể, hai nam châm đặt gần nhau nếu cùng cực (N-N hoặc S-S) thì đẩy nhau và nếu khác cực (N-S) thì hút nhau. Tên cực bắc và nam của nam châm thể hiện cách phản ứng của của một kim nam châm khi đặt vào trong vùng từ trường trái đất. Nếu một thanh nam châm được treo trên một sợi dây tại trung điểm của thanh và có thể quay tự do trong mặt phẳng nằm ngang.
Thanh nam châm sẽ quay tới khi cực của bắc của nó trùng với hướng cực bắc của trái đất và tương tự như cực nam. Năm 1690 William Gibert (1540-1603) mở rộng thí nghiệm của Maricourt với nhiều loại vật liệu khác nhau. Và Gibert gợi ý rằng trái đất chính là một nam châm vĩnh cửu khổng lồ. Năm 1750 thí nghiệm cân bằng xoắn chỉ ra rằng lực tác dụng giữa các cực từ của nam châm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các cực từ.
Mặc dù lực tác dụng giữa các cực từ tương tự với lực tác dụng giữa hai điện tích điểm, nhưng điện tích có thể bị cô lập (electron và proton). Tuy nhiên, cho tới thời điểm hiện tại, đơn cực từ cô lập vẫn chưa được quan sát bằng thực nghiệm hay nói cách khác cực từ tồn tại theo cặp. Hiện nay, nguồn gốc của từ trường trái đất vẫn còn nhiều tranh cãi. Mô hình giải thích nguồn gốc từ trường trái đất liên quan tới lớp chất lỏng sắt ở lớp vỏ lõi ngoài của trái đất hiện nay được thừa nhận rộng rãi.
Từ trường Trái đất đóng vai trò rất quan trọng 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com trong việc duy trì sự sống trên Trái đất, nó là một tấm chắn các hạt điện tích được phóng ra từ mặt trời và thậm chí là các bức xạ có hại từ vũ trụ. Mối liên hệ giữa từ học và điện học được chỉ ra vào năm 1819 khi nhà khoa học Hans Christian Oersted minh họa bằng thí nghiệm thực tế rằng dòng điện trong dây dẫn làm lệch hướng của kim nam châm đặt gần đó. Trong những năm tiếp theo mối liên hệ giữa điện học và từ học được chỉ ra một cách độc lập bởi Faraday và Johseph Henry (1297-1878). Họ chỉ ra dòng diện có thể được tạo ra trong cuộn dây bằng cách di chuyển nam châm ở gần đó hoặc thay đổi cường độ dòng điện của một cuộn dây đặt gần đó.
Các quan sát này chứng tỏ thay đổi từ trường sẽ tạo ra điện trường. Và sau đó, Maxwell đã minh chứng bằng lý thuyết rằng điều ngược lại vẫn đúng đó là thay đổi điện trường sẽ tạo ra từ trường. Từ trường trái đất không những bảo vệ giúp cuộc sống con người mà còn giúp xác định hướng trong không gian bằng cách sử dụng la bàn.