Nghiên cứu, chế tạo Sensor đo từ trường trái đất 2D, 3D dựa trên vật liệu từ - điện cấu trúc micro - nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





NGUYỄN THỊ NGỌC






NGHIÊN CƢ
́
U, CHÊ
́
TẠO SENSOR ĐO T TRƢỜNG
TRÁI ĐẤT 2D, 3D DỰA TRÊN VẬT LIỆU T-ĐIỆN
CẤU TRÚC MICRO - NANO

LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SI
̃
VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO








H Ni-2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ NGỌC


NGHIÊN CƢ
́
U, CHÊ
́
TẠO SENSOR ĐO T
TRƢƠ
̀
NG TRÁI ĐẤT 2D, 3D DỰA TRÊN VẬT LIỆU
T-ĐIỆN CẤU TRÚC MICRO - NANO





Chuyên ngành: Vật liê
̣
u va
̀
linh kiê
̣
n Nano
M s: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SI
̃
VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO


Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Đỗ Thị Hƣơng Giang










H Ni-2012


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất 4
Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất 5
Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên 6
Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh 6
Hình 1.5: Cách xác định vector từ trường trái đất 7

Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo của sensor flux-gate 9
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của sensor Hall [17] 10
Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiệu ứng AMR 12
Hình 1.9: Hiệu ứng GMR: a) khi không có từ trường ngoài và b) khi có từ
trường ngoài 13
Hình 1.10: Minh họa la bàn điện tử số 13
Hình 1.11: Minh họa sự liên lạc giữa vệ tinh và trạm thu mặt đất 15
Hình 1.12: Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu
multiferoics kiểu từ giảo/áp điện 16
Hình 1.13: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực
điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi
điện trường ngoài 17
Hình 1.14: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và ε-σ đặc trưng cho hiệu ứng
từ-điện trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện [17]. 17
Hình 1.15: Mô tả nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận 19
Hình 2.1: Hình minh họa cấu hình (a) và ảnh chụp SEM (b,c) vật liệu tổ hợp
Metglas/PZT chế tạo bằng phương pháp kết dính 21
Hình 2.2: Ảnh chụp SEM cuộn dây solenoid (a), ảnh chụp vật liệu tổ hợp và
sensor 1D được đóng gói hoàn thiện (b) 22
Hình 2.3: Ảnh chụp vật liệu và sensor 2D tổ hợp 2 sensor đơn trực giao sau
khi chế tạo và đóng gói hoàn thiện 22
Hình 2.4: Ảnh chụp sensor 3D tổ hợp 3 sensor đơn trực giao tạo thành một
tam diện được chế tạo và đóng gói hoàn thiện 23
Hình 2.5: Minh họa sơ đồ hệ đo tần số cộng hưởng của sensor 24
Hình 2.6: Minh họa sơ đồ hệ đo từ - điện 25

Hình 2.7: Ảnh chụp hệ mâm quay được sử dụng cho thí nghiệm khảo sát tín
hiệu của sensor phụ thuộc vào góc định hướng của từ trường trái
đất 26
Hình 3.1: Đường cong từ hóa (a) và độ cảm từ (dM/dH) và (b) được đo trên

các mẫu băng từ có tỉ số kích thước r = L/W khác nhau. Ở đây các
mẫu có chiều dài không đổi L = 15 mm và chiều rộng thay đổi từ
W = 0.1 đến 15 mm. 28
Hình 3.2: Đường cong từ trễ của băng từ có kích thước 15×1 mm đo theo ba
phương: song song và vuông góc với chiều dài băng từ và vuông
góc với mặt phẳng băng từ. 29
Hình 3.3: Đồ thị sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của sensor vào tần số kích
thích cuộn solenoid 30
Hình 3.4: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một
chiều H
DC
trong dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe 32
Hình 3.5: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một
chiều H
DC
trong dải từ trường từ -0.6 Oe đến 0.6 Oe 32
Hình 3.6: Đồ thị đánh giá độ phân giải của sensor 33
Hình 3.7: Đồ thị đánh giá độ phân giải của sensor Hall thương phẩm 33
Hình 3.8: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục
sensor với từ trường trái đất 34
Hình 3.9: Đồ thị đánh giá độ nhạy theo góc của sensor 35
Hình 3.10: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục
sensor với từ trường trái đất 36
Hình 3.11: Sự phụ thuộc của tín hiệu thế ra có offset vào góc phương vị khi
được kích thích bởi hai từ trường xoay chiều ngược pha nhau (h
ac

và -h
ac
) được biểu diễn trong hệ tọa độ Decac(a) và hệ tọa độ

Polar (b) 37
Hình 3.12: Đường đặc trưng từ-điện của từng sensor đơn S
1
và S
2
trong sensor
2D 38
Hình 3.13: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một
chiều H
DC
trong dải từ trường từ -0.6 Oe đến 0.6 Oe 39

Hình 3.14: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm
trái đất (North-East-Center) và góc phương vị φ được định nghĩa
là góc tạo bởi cực Bắc từ của trái đất với trục sensor S
1
khi cho
sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm ngang 40
Hình 3.15: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 2 sensor đơn vào
góc phương vị biểu diễn trong hệ tọa độ Decac (b) và hệ tọa độ
cực (c) 40
Hình 3.16: Kết quả đo góc phương vị φ tạo bởi cực Bắc từ của trái đất với trục
sensor S
1
tính toán được từ các thành phần từ trường H
1
và H
2
khi
cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm

ngang 42
Hình 3.17: Đồ thị khảo sát đặc trưng từ-điện của 3 sensor trong vùng từ
trường thấp. 44
Hình 3.18: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm
trái đất (North-East-Center). Góc phương vị φ được định nghĩa là
góc tạo bởi cực Bắc từ của trái đất với trục sensor S
1
khi cho
sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm ngang. 45
Hình 3.19: Hệ tọa độ tham chiếu (a), đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu
điện thế lối ra của 3 sensor vào góc phương vị trong hệ tọa độ
Decac (b) và hệ tọa độ Polar (c) 46
Hình 3.20: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm
trái đất (North-East-Center). Góc lệch của trục sensor so với
phương thẳng đứng (pitch) được định nghĩa là góc từ trục Z
E
đến
trụ sensor S
3
khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong
mặt phẳng thẳng đứng. 47
Hình 3.21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 3 sensor
vào góc phương vị trong hệ tọa độ Decac (a) và hệ tọa độ Polar
(b) 47
Hình 3.22: Kết quả đo góc phương vị φ và góc từ khuynh tính toán được từ
các thành phần từ trường H1, H2 và H3 khi cho sensor quay theo
chiều kim đồng hồ trong mặt phẳng nằm ngang 49

Hình 3.23: Kết quả đo góc pitch θ tính toán được từ các thành phần từ trường
H2 và H3 khi cho sensor quay theo chiều kim đồng hồ trong mặt

phẳng thẳng đứng vuông góc với cực Bắc từ của trái đất 50

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1 TỔNG QUAN 3
1.1. Từ trƣờng trái đất 3
1.1.1. Nguồn gốc của từ trường 3
1.1.2. Vai trò của từ trường trái đất 4
1.1.3. Các đặc trưng của từ trường trái đất 5
1.1.3.a. Cường độ của từ trường trái đất 5
1.1.3.b. Hướng của từ trường trái đất 5
1.1.3.c. Cách xác định từ trường trái đất 7
1.2. Các loại sensor đo từ trƣờng phổ biến 8
1.2.1. Sensor flux-gate 8
1.2.2. Sensor dựa trên hiệu ứng Hall 9
1.2.3. Sensor dựa trên hiệu ứng từ – điện trở 11
1.3. Ứng dụng của sensor đo từ trƣờng trái đất 13
1.4. Sensor đo từ trƣờng trái đất thế hệ mới dựa trên hiệu ứng từ-điện 15
1.4.1. Hiệu ứng từ-điện 16
1.4.2. Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận 18
1.4.3. Sensor đo từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT 19
Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 21
2.1. Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT 21
2.2. Chế tạo sensor 1D, 2D và 3D 21
2.3. Khảo sát các thông số làm việc của sensor 23
2.4. Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cƣờng độ từ

trƣờng 24
2.5. Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào góc định hƣớng 25
2.6. Một số phép đo khảo sát tính chất của băng từ Metglas 26
Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28
3.1. Tính chất từ của băng từ Metglas 28

3.2. Sensor đo từ trƣờng trái đất một chiều (1D) dựa trên hiệu ứng từ-
điện 30
3.2.1. Khảo sát tần số làm việc của sensor 30
3.2.2. Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào cường độ từ trường 31
3.2.3. Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào định hướng của từ trường trái
đất 34
3.2.4. Khảo sát tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục 35
3.3. Sensor đo từ trƣờng trái đất 2D dựa trên hiệu ứng từ-điện 37
3.3.1. Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 2D 38
3.3.2. Khảo sát khả năng đo từ cường độ trường trái đất và góc định
hướng trong mặt phẳng của sensor 2D 39
3.4. Sensor đo từ trƣờng trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện 42
3.4.1. Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 3D 43
3.4.2. Đo cường độ từ trường trái đất trong không gian 45
3.4.3. Đo góc trong không gian 48
3.4.3.a. Xác định góc phương vị và góc từ khuynh 48
3.4.3.b. Xác định góc pitch 49
KẾT LUẬN 51
1


MỞ ĐẦU
Cường độ và hướng của từ trường trái đất là khác nhau phụ thuộc vào vị trí địa
lý. Đây là một trong các đặc điểm quan trọng được sử dụng để định vị toàn cầu. Tuy

nhiên, do cường độ của từ trường trái đất rất yếu (~10
-4
tesla) nên cần phải có các thiết
bị có độ nhạy rất cao để có phát hiện và xác định được.
Trên thế giới, cảm biến từ trường đã và đang được sử dụng rộng rãi và đa dạng,
trong đó, có thể kể đến 3 loại sensor từ phổ biến là cảm biến dựa trên hiện tượng cảm
ứng điện-từ (flux-gate), sensor dựa trên hiệu ứng từ-điện trở và cảm biến dựa trên hiệu
ứng Hall. Mặc dù hoạt động dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhưng hầu hết các sensor
này đều dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích tín hiệu điện thế lối ra từ sensor phụ
thuộc vào cường độ của từ trường tác dụng [10]. Mỗi loại sensor đều có các đặc thù
riêng và có các thế mạnh và hạn chế riêng của mình tùy thuộc vào mục đích ứng dụng
khác nhau.
Với xu thế phát triển hiện nay là tìm ra các vật liệu mới, hiệu ứng mới thay thế
các vật liệu truyền thống với tiêu chí là kết hợp được càng nhiều thế mạnh của các vật
liệu và hiệu ứng truyền thống đồng thời khắc phục các yếu điểm của chúng. Trong
hoàn cảnh đó, vật liệu multiferroics được coi là cứu cánh của công nghệ thông tin thế
kỉ 21. Multiferroics là vật liệu lưỡng pha sắt từ - sắt điện với sự tồn tại đồng thời của
cả tính chất từ và tính chất điện được gọi là hiệu ứng từ-điện. Đây là hiệu ứng vật liệu
bị phân cực điện (P
E
) dưới tác dụng của từ trường ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị
từ hóa (M) dưới tác dụng của điện trường (E).
Theo định hướng nghiên cứu gắn với xu thế phát triển trên, trong luận văn này,
chúng tôi đã tiến hành chế tạo và nghiên cứu sensor đo từ trường trái sử dụng vật liệu
multiferroics tổ hợp của vật liệu từ giảo siêu mềm Fe
76,8
Ni
1,2
B
13,2

Si
8,8
dạng băng từ
(Ni-based Metglas) với vật liệu gốm áp điện dạng tấm Pb(Zr,Ti)O
3
(PZT) có hệ số
điện-cơ lớn. Kết quả nghiên cứu của luận văn được trông đợi sẽ chế tạo thành công
sensor đo từ trường với độ nhạy cao và độ phân giải lớn trong vùng nanô-tesla (nT)
cho phép hướng đến các ứng dụng để đo đạc và tính toán được từ trường trái đất.
Với hướng nghiên cứu này, các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận
văn này bao gồm cụ thể như sau:
- Chế tạo vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT và
nghiên cứu các tính chất từ, điện và tính chất tổ hợp từ-điện của vật liệu.
2


- Chế tạo sensor đo từ trường trái đất dạng 1D sử dụng vật liệu tổ hợp chế tạo
được và khảo sát các thông số hoạt động đặc trưng của sensor và đánh giá
khả năng hoạt động của sensor trong việc đo đạc từ trường trái đất.
- Phát triển sensor 1D thành các sensor 2D, 3D bằng cách tích hợp gồm nhiều
sensor đơn theo cấu hình trực giao cho phép xác định đồng thời cả độ lớn và
góc định hướng của từ trường trái đất tại một vị trí bất kỳ trong không gian.
- Đề xuất một số khả năng ứng dụng của sensor trong lĩnh vực vệ tinh, vũ
trụ

3


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Từ trƣờng trái đất

Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W. Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái Đất là
một nam châm khổng lồ. Ông đã làm một quả cầu lớn bằng sắt nhiễm từ, gọi nó là
"Trái Đất tí hon" và đặt các từ cực của nó ở các địa cực. Đưa la bàn lại gần trái đất tí
hon ông thấy trừ ở hai cực, còn ở mọi điểm trên quả cầu, kim la bàn đều chỉ hướng
Nam Bắc. Hiện nay vẫn chưa có sự giải thích chi tiết và thỏa đáng về nguồn gốc từ
tính của Trái Đất.
1.1.1. Nguồn gốc của từ trƣờng
Năm 1940, một số nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn
gốc từ trường của trái đất. Theo thuyết này thì từ trường Trái đất chủ yếu được hình
thành từ các dòng chất lỏng đối lưu trong lòng của trái đất ở độ sâu trên 3000 km. Từ
trường xuất hiện trong lòng trái đất. Nơi đó có nhân trái đất được cấu tạo chủ yếu là
sắt. Nhân rắn bên trong được bao bọc bởi cái vỏ bằng sắt dạng lỏng. Do sức nóng từ
trong nhân, kim loại sẽ chảy tràn lên bề mặt nhân, nguội đi và lại chìm xuống phía
dưới. Đồng thời nó chảy theo đường xoắn ốc do trái đất quay. Sự chuyển động của sắt
có khả năng dẫn điện sẽ làm xuất hiện một nguồn điện, tương tự như một máy phát
điện khổng lồ. Và khi có dòng điện chảy thì sẽ xuất hiện từ trường.
Hình dạng của từ trường cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm. Từ
trường đi ra từ bán cầu nam và đi vào phía bán cầu bắc của trái đất. Hai nơi này được
gọi là cực từ. Nó không trùng với cực nam và cực bắc địa lý mà cách nhau vài trăm
cây số. Từ trường mà trái đất sinh ra gần giống mô hình của một lưỡng cực từ nghiêng
một góc 11.5°

so với trục quay (xem hình 1.1). Cực bắc từ không cố định mà thay đổi
liên tục nhưng đủ chậm để la bàn có thể điều hướng. Khoảng thời gian ngẫu nhiên
(trung bình vài trăm ngàn năm) từ trường của Trái Đất lại đảo cực (phía bắc và phía
nam thay đổi địa từ với nhau). Sự đảo cực này để lại dấu tích trong các loại đá cho
phép các nhà từ học tính toán sự dịch chuyển của các lục địa và đáy biển.
Từ trường vươn ra ngoài vũ trụ hơn 60.000 km, được gọi là từ quyển. Nó tạo
thành một cái vỏ bảo vệ chung quanh trái đất. Sự bảo vệ này là cần thiết vì mặt trời
không ngừng phát ra các hạt tích điện, còn được gọi là gió mặt trời. Từ trường cản gió

mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất. Từ trường bị biến dạng bởi gió mặt trời, hướng
4


phía mặt trời bị nén lại, còn hướng kia thì xuất hiện một cái đuôi dài, có thể vươn vào
vũ trụ đến 250.000 km.

Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất
Do sự thay đổi liên tục và bất thường, từ trường trái đất cần được xác định liên
tục (sử dụng vệ tinh và các trạm quan trắc trên toàn thế giới) để vẽ được một bức tranh
chính xác về sự phân bố và thay đổi của nó theo thời gian. Dựa trên các kết quả quan
trắc, mô hình tham khảo trường địa từ được phát triển để mô tả từ trường và những
thay đổi của nó trong tương lai. Hiện nay, có hai mô hình chính được sử dụng là mô
hình trường địa từ quốc tế (International Geomagnetic Reference Field - IGRF) và mô
hình từ thế giới (The World Magnetic Model - WMM).
1.1.2. Vai trò của từ trƣờng trái đất
Từ trường trái đất tuy khá nhỏ nhưng lại không thể thiếu. Nó đóng vai trò như
một tấm màn chắn trái đất khỏi các hạt tích điện – gió mặt trời và bảo vệ mọi sự sống
trên hành tinh trước các hiệu ứng có hại của bức xạ vũ trụ. Từ trường cản gió mặt trời
và dẫn nó đi vòng qua trái đất. Nếu không có từ trường, chúng ta sẽ không ngừng bị
các vật chất độc hại tấn công và cuộc sống không thể duy trì trên Trái đất.
Ngoài ra, từ trường trái đất còn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định
phương hướng. Một số loài vật như kiến, chim, rùa, cá mập… cũng định hướng dựa
nhờ cảm nhận từ trường do nhân trái đất phát ra bằng hệ thống các giác quan của
mình. Con người cũng đã biết tận dụng nguồn từ trường trái đất để xác định phương
hướng từ thế kỷ 4 trước công nguyên, khi la bàn ra đời. Cho đến nay, cùng với sự phát
triển của khoa học công nghệ, con người đã nghiên cứu và tìm hiểu nguồn gốc và qui
luật của từ trường trái đất và đã tận dụng được nguồn năng lượng tự nhiên này để tạo
ra các thiết bị định vị toàn cầu dựa trên nguyên lý cơ bản thông qua việc đo đạc và
phân tích từ trường trái đất.

Bên cạnh việc đóng vai trò như một công cụ hữu ích, nó cũng tiềm ẩn nhiều
mối hiểm họa trong thế giới hiện đại. Ví dụ như dòng cảm ứng địa từ trường sinh ra
5


khi có bão từ, chúng tác động nghiêm trọng nên các hệ thống công nghệ (trong quá
khứ, hệ thống truyền tải điện ở Quebec, Canada đã phải đóng cửa hơn chín giờ đồng
hồ) [12].
1.1.3. Các đặc trƣng của từ trƣờng trái đất
1.1.3.a. Cường độ của từ trường trái đất
Từ trường trái đất có độ lớn và hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau. Cường
độ của từ trường lớn nhất tại các cực từ và yếu hơn ở gần đường xích đạo. Độ lớn của
nó vào khoảng nanoteslas (nT) hoặc gauss, với 1 gauss = 100.000 nT. Nó dao động
trong khoảng từ 25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25 đến 0,65 Gauss) [12].
Biểu đồ các đường tại đó có cùng giá trị cường độ từ trường gọi là biểu đồ
đường đẳng từ. Trong hình 1.2 là biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất
được ghi nhận năm 2010. Cường độ từ trường nhỏ nhất ở khu vực Nam Mỹ trong khi
có cực đại ở phía Bắc Canada, Siberia, và bờ biển của Nam Cực phía nam của Úc.

Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất
1.1.3.b. Hướng của từ trường trái đất
Từ trường của trái đất có các đường sức từ của trái đất vẽ ra trong không gian đi
ra từ cực Nam địa lý và đi vào cực Bắc địa lý. Ở đây, Trái Đất có 2 cực địa từ, không
trùng với 2 cực địa lý. Cực Bắc từ có toạ độ 70° Vĩ Bắc Và 96° Kinh Tây, trên lãnh
thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km. Cực Nam từ có toạ độ 73° Vĩ Nam và 156°
Kinh Đông ở vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000 km. Trục từ trường tạo với
trục trái đất một góc 11°. Các từ cực thường có vị trí không ổn định và có thể đảo
ngược theo chu kỳ. Do đó bản đồ địa từ cũng phải thường xuyên điều chỉnh (5 năm
một lần).
6

Do từ trường trái đất có hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau nên để đặc
trưng cho định hướng của từ trường trái đất tại một vị trí địa lý bất kỳ, người ta đưa ra
khái niệm độ từ khuynh (góc nghiêng từ) và độ từ thiên.
Độ từ thiên: là góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý. Kinh tuyến từ
là các đường sức từ của trái đất vẽ trên mặt đất. Kí hiệu là D. Ở Việt Nam, độ từ thiên
biến đổi từ -1° ở Cao Bằng đến 0° ở Đà Lạt và đạt +1° tại Cà Mau. Các đường đồng
giá trị từ thiên trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường đẳng thiên" (xem hình 1.3)

Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên
Độ từ khuynh: là góc hợp bởi vector từ trường trái đất với mặt phẳng ngang tại
vị trí quan sát. Thông thường, độ từ khuynh được xác định thông qua việc sử dụng kim
nam châm hướng theo đường sức từ do tác động của lực từ. Do lực của các đường sức
trên Trái Đất không song song với bề mặt đất nên đầu bắc của kim la bàn sẽ chúi
xuống ở bắc bán cầu (giá trị dương) và hướng lên ở nam bán cầu (giá trị âm). Các
đường đồng giá trị từ khuynh trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường đẳng khuynh"
(xem hình 1.4). Tập hợp các điểm có giá trị từ khuynh bằng 0 thì được gọi là xích đạo
từ.

Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh [20]
7


Việt Nam là một nước nằm gần đường xích đạo về phía Bắc bán cầu nên đường
sức từ trường trái đất sẽ đi vào tâm và và do đó góc nghiêng từ sẽ nhận giá trị dương
nhỏ thay đổi từ 0°12’ tại Cà Mau đến 33°26’ tại Cao Bằng.
1.1.3.c. Cách xác định từ trường trái đất
Ngay cả trong thời đại công nghệ phát triển cao với sự ra đời của các hệ thống
định vị toàn cầu (GPS) hiện đại như hiện nay, khi mà việc dò tìm và xác định vị trí của

một đối tượng trên bề mặt trái đất chỉ với một cú nhấp chuột thì mô hình trường địa từ
vẫn đóng một vai trò quan trọng, nó được xây dựng thành một hệ thống định vị GPS
như là một phương án dự phòng. Mô hình trường địa từ cũng rất quan trọng trong
thăm dò khoáng sản và lập bản đồ của các đứt gãy động đất nguy hiểm [12].
Tại bất kỳ vị trí nào, từ trường trái đất cũng có thể được biểu diễn bởi một
vector 3 thành phần trong không gian 3 chiều (H
x
, H
y
, H
z
). Trên hình 1.5 là tọa độ
tham chiếu cho phép xác định hướng của từ trường trái đất. Trong đó, trục X hướng về
phía Bắc từ, trục Y hướng về phía Đông và trục Z hướng vào tâm trái đất. Đây là hệ
tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-East-Center).

Hình 1.5: Cách xác định vector từ trường trái đất
Trong đó H
x
, H
y
nằm trong mặt phẳng nằm ngang và H
z
theo phương thẳng
đứng hướng xuống. Góc giữa hướng bắc thực (bắc địa lý) và hướng bắc từ (là hướng
chỉ phương bắc của kim la bàn) hay góc tạo thành giữa kinh tuyến địa lí (phương bắc
nam) và kinh tuyến từ tại điểm đã cho trên mặt đất chính là Độ từ thiên D trong trường
hợp này. Giá trị này sẽ dương khi bắc từ nằm về phía đông của bắc địa lý và ngược lại.
Độ từ khuynh I là góc nghiêng tạo thành bởi vector từ trường Trái Đất với mặt
phẳng nằm ngang tại điểm khảo sát. Tại cực Bắc và Nam, độ từ khuynh có giá trị

tương ứng là +90
o
và -90
o

Độ từ thiên, độ từ khuynh và cường độ từ trường F được tính dựa trên các thành
phần từ trường vuông góc sử dụng các công thức tính sau:
8



Y
D arctg
X

(1.1)

Z
I arctg
H

(1.2)

22
F H Z
(1.3)
với

22
H X Y

(1.4)
Theo hệ đơn vị quốc tế SI đơn vị từ trường thường sử dụng là Tesla (T). Một số
đơn vị từ trường khác như: 1 Gauss = 100.000 nT, 1 gamma = 1 nT, 1 Oerted =
(10
3
/4π) Am
-1
.
Để có thể đo đạc và xác định được từ trường trái đất, các sensor đo từ trường
đòi hỏi phải có độ nhạy và độ phân giải cao, đặc biệt tuyến tính trong vùng từ trường
trái đất.
1.2. Các loại sensor đo từ trƣờng phổ biến
Trên thế giới, sensor đo từ trường đã và đang được sử dụng rộng rãi và đa dạng.
Trong đó, có thể kể đến 3 loại sensor đo từ trường đang được sử dụng phổ biến hiện
nay là sensor dựa trên hiện tượng cảm ứng điện-từ (flux-gate), sensor dựa trên hiệu
ứng từ-điện trở và sensor dựa trên hiệu ứng Hall. Hầu hết các sensor này đều hoạt
động dựa trên việc đo đạc và phân tích tín hiệu thu được từ sensor theo cường độ và
hướng của từ trường. Mỗi loại sensor đều có những thế mạnh và hạn chế riêng của tùy
thuộc vào mục đích sử dụng.
1.2.1. Sensor flux-gate
Sensor flux-gate (hình 1.6) có cấu tạo gồm một lõi sắt từ mềm có hình xuyễn có
độ cảm từ lớn được cuốn quanh bởi một cuộn dây solenoid đóng vai trò là cuộn dây
kích thích có dòng điện xoay chiều AC chạy qua. Cuộn dây này sẽ tạo ra từ trường
xoay chiều khép kín chạy vòng quanh lõi sắt từ hình xuyến. Cuộn dây tín hiệu được
cuốn xung quanh lõi sắt từ mềm và cuộn dây kích thích như minh họa trong hình vẽ.
9

Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo của sensor flux-gate
Nguyên lý hoạt động của sensor loại này được mô tả đơn giản như sau: từ
trường xoay chiều do cuộn dây kích thích sinh ra sẽ làm xuất hiện từ thông biến thiên
và do đó sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng sinh ra trong lòng cuộn dây tín hiệu.
Khi không có từ trường ngoài, từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu bằng
không do từ trường khép kín chạy trong lòng lõi sắt từ, làm cho điện áp của cuộn dây
tín hiệu bằng không. Khi có sự xuất hiện của từ trường ngoài, một trong hai nửa của
vòng dây kích thích sẽ sinh ra từ trường cảm cùng chiều với từ trường ngoài. Với nửa
vòng dây kích thích còn lại hiện tượng xảy ra ngược lại. Sự chênh lệch từ thông trong
hai nửa vòng dây kích thích này sẽ tạo ra một suất điện động cảm ứng và do đó tạo ra
điện áp trong cuộn dây tín hiệu. Điện áp này sẽ tỉ lệ với cường độ của từ trường ngoài
tác dụng. Thông qua việc đo điện áp lối ra của cuộn dây tín hiệu, ta có thể xác định
được cường độ từ trường ngoài tác dụng. Ưu điểm của sensor loại này là công nghệ
chế tạo đơn giản, giá thành rẻ. Tuy nhiên, hạn chế của nó là khá cồng kềnh, không bền
và có thời gian đáp ứng chậm khoảng 2-3 giây. Đây chính là các mặt hạn chế của cảm
biến loại này trong một số ứng dụng cụ thể đặc biệt cho việc định vị các đối tượng tốc
độ cao và máy bay không người lái [6].
1.2.2. Sensor dựa trên hiệu ứng Hall
Sensor Hall là sensor từ trường phổ biến nhất trên thị trường hiện nay dùng để
đo từ trường lớn hơn 1 mT và hoạt động tốt trong dải nhiệt độ từ -100 đến 100°C.
Sensor loại này có thể đo được cả từ trường một chiều DC và từ trường xoay chiều AC
10


trong dải tần số lên đến 30 kHz. Cùng với việc đo từ trường, sensor loại này còn được
phát triển thành các cảm biến đo vị trí, đo góc, đo vận tốc và đo tốc độ quay [3].
Sensor Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall trên các vật liệu bán dẫn. Hiệu
ứng này được phát hiện bởi Edwin Hall năm 1879. Khi cho một dòng điện chạy qua
một vật dẫn (chất bán dẫn) được đặt trong từ trường ngoài, ở hai mặt đối diện vuông
góc với chiều dòng diện sẽ xuất hiện chênh lệch điện áp khi vật này (xem hình 1.7).

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của sensor Hall [17]
Khi vật dẫn có dòng điện chạy qua, các điện tích chịu tác dụng của lực Lorent
hướng vuông góc với chiều dòng điện và từ trường ngoài:

  
H
F qE q v B

  

(1.5)
trong đó q, v là điện tích và véc tơ vận tốc của hạt tải điện, E và B là véc tơ điện trường
Hall và từ trường tương ứng.
Dưới tác dụng của lực này, các phần tử tích điện trái dấu nhau sẽ chuyển động
theo hai hướng ngược chiều nhau về hai mặt của vật dẫn, tạo ra ở hai mặt đối diện của
mẫu các điện tích trái dấu dẫn đến xuất hiện một điện trường Hall E
H
hướng vuông
góc với chiều dòng điện. Lực tĩnh điện do điện trường này gây ra sẽ ngược hướng với
lực Lorent. Trạng thái cân bằng nhanh chóng được hình thành cùng với sự tăng dần
của lực tĩnh điện cho đến khi bù trừ hoàn toàn với lực từ. Khi đạt đến trạng thái cân
bằng, lực gây ra do từ trường B sẽ cân bằng với lực điện trường E gây ra. Khi đó ta có
thế Hall V
H
được cho bởi công thức:

BI
t
R

V
H
H

.
(1.6)
trong đó, R
H
là 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.
11


Sensor Hall thường được làm từ các chất bán dẫn hơn là kim loại, vì nó có độ
dẫn điện nhỏ hơn, điện trở lớn hơn do đó điện áp lớn hơn. Sensor dựa trên hiệu ứng
Hall ít chịu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường (bụi, độ ẩm, độ rung) và có đặc
điểm là ổn định theo thời gian. Tuy nhiên, nhược điểm của các sensor Hall là bị giới
hạn theo khoảng cách. Với từ trường nhỏ, chúng chỉ hoạt động tốt với khoảng cách
nhỏ hơn 10 cm. Một hạn chế khác trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao là sự
có mặt của tín hiện nền (offset), tức là có điện áp lối ra ngay cả khi không có từ trường
ngoài. Thế nền có thể lên đến 100 mV với một nguồn 12 V. Để giải quyết vấn đề này,
một điện cực điều khiển cần được thiết kế thêm vào để trừ nền cho một thế ra bằng
không khi không có từ trường tác dụng.
1.2.3. Sensor dựa trên hiệu ứng từ – điện trở
Sensor loại này hoạt động dựa trên hiệu ứng từ-điện trở khác nhau như hiệu ứng
từ điện trở khổng lồ, từ-điện trở dị hướng, từ-điện trở xuyên ngầm Tùy theo mỗi hiệu
ứng từ-điện trở được sử dụng mà cấu tạo và thiết kế của mỗi loại sensor có đặc trưng
riêng. Gần đây, sensor từ - điện trở được sản xuất hàng loạt dưới dạng mạch tích hợp
với độ nhạy dưới 0.1 miliGass. Tuy nhiên, chúng làm việc trong vùng từ trường lớn

(thường chỉ làm việc trong khoảng 10
-3
đến 10
0
mT) và để có độ nhạy cao, các sensor
này cần phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp.
Hiệu ứng từ-điện trở là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường
ngoài và được xác định thông qua công thức:

( ) (0) ( ) (0)
(%)
(0) (0)
H R H R
MR
R




(1.7)
Hiệu ứng từ-điện trở có hai loại chính là từ-điện trở dị hướng (Anisotropic
Magnetoresistance – AMR) và từ-điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance –
GMR), tương ứng ta có sensor dựa trên hiệu ứng AMR và sensor dựa trên hiệu ứng
GMR.
Sensor dựa trên hiệu ứng AMR có nguyên tắc hoạt động dựa vào sự tán xạ của
điện tử theo hướng mômen từ của vật liệu làm sensor. Hiệu ứng này phụ thuộc vào góc
định hướng giữa vecto từ độ và dòng qua sensor [17]. Nguyên lý hoạt động cơ bản của
sensor từ điện trở dị hướng được minh họa trong Hình 1.8 Trong đó, màng mỏng sắt từ
có dị hướng từ đơn trục (trục dễ) - Ox được tạo ra nhờ dị hướng hình dạng hoặc nhờ
quá trình phún xạ trong từ trường H

Bias
(H
x
). Dưới tác dụng của từ trường ngoài giả sử
hướng dọc theo trục Oy (H
y
), các mômen từ của vật liệu sẽ có xu hướng quay ra khỏi
12


trục từ hóa dễ của màng tạo một góc θ với trục dễ Ox. Góc này một cách gần đúng xác
định bởi :

sin
y
x
H
H


với H
y
< H
x
(1.8)
Biểu thức này chỉ đúng khi màng mỏng lý tưởng mà sự từ hóa tự phát thay đổi
bởi sự quay đồng bộ. Góc quay được tính theo nguyên lý cực tiểu năng lượng. Sự phụ
thuộc vào từ trường của điện trở có thể nhận được từ công thức:

2

0
( ) cos
y
R H R R

  
(1.9)

Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiệu ứng AMR
Sensor loại này có độ nhạy cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, độ trôi ổn
định hơn sensor dựa trên hiệu ứng Hall, phạm vi hoạt động tần số rộng đạt được 10
MHz. Tuy nhiên nó có giá thành cao, kích thước lớn và công suất tiêu thụ cao. Các
nhược điểm này là hạn chế rất lớn của sensor khi mà nhu cầu tiểu hình hóa các thiết bị
đang ngày càng cấp thiết.[9]
Hiệu ứng AMR thu được thấp (< 6%) trong khi hiệu ứng GMR cỡ 10
1
-10
2
%.
Do đó, sensor dựa trên hiệu ứng GMR cho tín hiệu lớn hơn, trong khi công suất tiêu
thụ thấp, kích thước nhỏ và giá thành rẻ hơn [9]. Sensor loại này có cấu tạo gồm nhiều
lớp từ (màng mỏng từ NiFe), xen giữa là các lớp không từ (Cu) có điện trở thay đổi
dưới tác dụng của từ trường ngoài. Ở trạng thái ban đầu (khi chưa có từ trường ngoài)
momen từ của 2 lớp sắt từ định hướng phản song song với nhau. Ở trạng thái này, các
điện tử bị tán xạ nhiều khi đi qua các lớp vật liệu do đó điện trở lớn nên tín hiệu điện ở
mạch ngoài là nhỏ (hình 1.9a). Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ
có xu hướng định hướng lại song song với nhau theo phương của từ trường (hình
1.9b). Đồng thời với quá trình quay đó của vector từ độ, điện trở của mẫu giảm mạnh
(điện tử khi chạy qua các lớp vật liệu sẽ ít bị tán xạ ) nên tạo ra được tín hiệu điện lớn
ở mạch ngoài.

13



Hình 1.9:Hiệu ứng GMR: a) khi không có từ trường ngoài và b) khi có từ trường
ngoài
Gần đây, sensor dựa trên hiệu ứng GMR được sản xuất hàng loạt dưới dạng
mạch tích hợp với độ nhạy dưới 0.1 miliGass. Tuy nhiên, chúng làm việc trong vùng
từ trường lớn (thường chỉ làm việc trong khoảng 10
-3
đến 10
0
mT) và để có độ nhạy
cao, các sensor này cần phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp.
1.3. Ứng dụng của sensor đo từ trƣờng trái đất
Ứng dụng chủ yếu của hầu hết các sensor đo từ trường thấp là làm la bàn điện
tử sử dụng trong hệ thống định vị. Tùy thuộc vào yêu cầu về độ chính xác của từng
ứng dụng cụ thể mà ta có la bàn hiển thị số 8 đoạn có cấu trúc 2D hay các thiết kế 3D
phức tạp hơn với bộ vi điều khiển.

Hình 1.10: Minh họa la bàn điện tử số
Hiện nay, Sensor flux-gate có khả năng đo từ trường với độ phân giải nhỏ hơn
1miligauss, là loại thông dụng nhất được sử dụng trong lĩnh vực định vị. Tuy nhiên, nó
có thời gian đáp ứng chậm khoảng 2-3 giây. Điều này không phù hợp với các ứng
14


dụng đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh như định vị các phương tiện có tốc độ cao hay
máy bay không người lái [6].
Hãng Honeywell Inc đã cho ra đời la bàn hiển thị 8 đoạn và la bàn 1 độ (one-

degree compass) được sử dụng trong lĩnh vực định vị [6]. Trong đó, la bàn hiển thị 8
đoạn cho biết 8 hướng cơ bản: Bắc, Nam, Đông, Tây, Tây Bắc, Đông Bắc, Tây Nam,
Đông Nam. La bàn loại này được sử dụng cho các phương tiện mà người điều khiển
chỉ cần biết thông tin hướng di chuyển với độ chính xác không cần cao. Với các ứng
dụng loại này, chỉ cần xác định thành phần H
x
, H
y
của từ trường trái đất bằng cách sử
dụng sensor đo từ trường 2D. Tuy nhiên, có một số hạn chế khi sử dụng thiết kế này:
1) không có sensor xác định độ nghiêng (tilt sensor) do đó sensor đo từ trường phải
được đặt cố định trong trạng thái cân bằng, 2) không nên đặt gần vật liệu từ do có thể
làm biến dạng từ trường, 3) góc từ khuynh rất khó để thêm vào thiết kế dạng này. Tuy
nhiên với một số hệ thống định vị yêu cầu độ chính xác cao hơn là một la bàn 8 đoạn.
Ví dụ như hệ thống định vị toàn cầu GPS có thể theo dõi sự thay đổi nhỏ về vị trí của
các phương tiện trên bản đồ hình ảnh với độ chính xác hơn 10m. Với các hệ thống này,
yêu cầu về độ chính xác của la bàn là tốt hơn 1

. Điều này đòi hỏi sensor đo từ trường
có thể nhận biết được sự thay đổi của từ trường khi thay đổi góc 0.1

. Độ lớn của từ
trường trái đất trong mặt phẳng ngang vào khoảng 0.2

0.3 Oe.
Sensor đo từ trường cũng được ứng dụng để giải quyết các vấn đề đối với TV
và màn hình gây ra bởi trường địa từ. Từ trường trái đất ảnh hưởng đến quỹ đạo của
các electron trong ống phát CRT, gây ra lỗi hội tụ khi chúng đập lên màn hình huỳnh
quang, làm cho hình ảnh bị biến dạng. Hiện tượng này được khắc phục bằng cách sử
dụng một cuộn dây được nuôi bởi nguồn DC được quấn quanh cổ của CRT và tạo ra từ

trường chống lại từ trường của trái đất, giúp loại bỏ chuyển động dạng xoắn của các
electron và làm giảm số lượng các electron hội tụ lỗi. Mặc dù hiệu quả, nhưng phương
pháp này đòi hỏi phải hiệu chỉnh độ lớn dòng cấp cho cuộn dây, để phù hợp với sự
khác nhau về độ lớn từ trường trái đất trên khắp thế giới. Do đó, một sensor đo từ
trường trái đất được tích hợp vào hệ thống, có khả năng đo độ lớn của trường địa từ và
qua đó điều chỉnh từ trường bù tương ứng. Giải pháp này giúp cho việc hiệu chỉnh
được thực hiện một cách hoàn toàn tự động.
Hiện nay, trên thế giới kỹ thuật liên lạc, thông tin vũ trụ phát triển mạnh, kỹ
thuật điều khiển tên lửa đạn đạo, kỹ thuật đạo hàng dẫn đường đã phát triển rất đồng
bộ. Trong đó, người ta tích hợp thiết bị điện tử với sensor góc, thường dùng con quay
hồi chuyển hoặc encoder. Với việc tích hợp sensor đo góc với độ phân giải cao và
chính xác cao thành tổ hợp truyền động chấp hành trong hệ thống thu phát thông tin vệ
15


tinh cũng như các hệ thống điều khiển giám sát sử dụng các hệ thống tự động hóa cho
phép thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển đối tượng bám sát theo mục tiêu cơ động.
Vị trí của một vệ tinh được xác định từ hai góc gọi là góc phương vị và góc tà
(góc tầm). Góc phương vị là góc nằm trong mặt phẳng đường chân trời tính theo chiều
kim đồng hồ từ hướng Bắc tới mặt phẳng trực giao đi qua đối tượng. Góc tầm là góc
nâng của đối tượng phía trên mặt phẳng ngang tại vị trí quan sát.

Hình 1.11: Minh họa sự liên lạc giữa vệ tinh và trạm thu mặt đất
Các tín hiệu phát ra từ vệ tinh được thu nhận bởi một anten định hướng. Chất
lượng tín hiệu thu nhận được của vệ tinh phụ thuộc rất nhiều vào độ nhạy và độ chính
xác của sensor xác định góc và cơ cấu chấp hành của nó. Trong quá trình xác định quỹ
đạo thực tế, người ta có thể sử dụng theo hai cách:
- Xác định vị trí và quỹ đạo chuyển động bằng các sensor gắn trên vệ tinh.
- Xác định vị trí và quỹ đạo chuyển động bằng các sensor gắn trên trạm thu ở
dưới mặt đất cố định hoặc di động.

Trong đó cách thứ hai thì đơn giản hơn nhưng yêu cầu sensor phải có độ nhạy
và độ phân giải cao để xác định chính xác các tham số góc của vệ tinh.
1.4. Sensor đo từ trƣờng trái đất thế hệ mới dựa trên hiệu ứng từ-điện
Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp [5, 11] đã công bố kết quả nghiên
cứu một loại sensor đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu
Metglas/PZT dạng tấm. Những sensor này có thể xác định chính xác cả độ lớn và góc
định hướng của từ trường. Chúng hoạt động không cần từ trường làm việc (bias) và
được kích thích bởi một dòng xoay chiều nhỏ 10 mA, có độ phân giải từ trường cao
16


10
-9
Tesla và độ phân giải góc 10
-5
độ. Đây là một loại cảm biến hoạt động dựa trên
một hiệu ứng hoàn toàn mới, mở ra khả năng cung cấp một thiết bị định vị toàn cầu
kích thước nhỏ và độ chính xác cao. Hơn thế nữa, sensor loại này còn có nhiều thế
mạnh không thể tìm thấy trên các loại sensor thông thường như có thể phát hiện cả
từ trường một chiều và xoay chiều với dải tần số lên đến MHz, công nghệ chế tạo
đơn giản, giá
thành thấp, có thể làm việc trong các điều kiện khác nhau.
Đây cũng là
hướng nghiên cứu được nhóm nghiên cứu trường Đại học Công nghệ khai thác nghiên
cứu và triển khai ứng dụng cho ra đời một số sản phẩm khoa học và công nghệ được
biết đến cả trong nước và quốc tế [4]. Đây cũng là nội dung nghiên cứu được lựa chọn
trong luận văn này. Để có thể hiểu rõ hơn về sensor này, cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của vật liệu và cảm biến sẽ được trình bày cụ thể ở dưới đây.
1.4.1. Hiệu ứng từ-điện
Hiệu ứng từ - điện là hiệu ứng tổ hợp của hai hiệu ứng từ giảo và áp điện. Hiệu

ứng từ-điện được chia thành hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric effect) và
hiệu ứng từ điện nghịch (converse magnetoelectric effect) (hình 1.12), trong đó hiệu
ứng thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (P) khi đặt trong từ
trường ngoài (H), và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị
thay đổi (M) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E) [17]. Hiệu ứng này thường
được quan sát thấy trên các vật liệu có tồn tại đồng thời cả 2 pha sắt từ và sắt điện.
Trên hình 1.14 là hình biểu diễn đơn giản đặc trưng cho mối liên hệ giữa từ và điện
của cả hai hiệu ứng từ-điện thuận và nghịch.

Hình 1.12: Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu
multiferoics kiểu từ giảo/áp điện
Cơ chế của hiệu ứng từ-điện thuận được giải thích là do khi vật liệu chịu tác
dụng của một từ trường ngoài H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh
ra ứng suất tác dụng lên pha áp điện. Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong
vật liệu này sẽ bị thay đổi và do đó trên hai mặt đối diện của vật liệu sẽ xuất hiện các
17


điện tích trái dấu nhau như quan sát thây trên hình 1.13a. Hiệu ứng từ điện thuận được
đặc trưng bởi hệ số từ điện:

E
= dE/dH.
Cơ chế của hiệu ứng từ-điện nghịch được biểu diễn bởi sự thay đổi từ độ vật
liệu (M) khi chịu tác dụng của điện trường E (hay điện áp V) (xem hình 1.13b). Ngược
với hiệu ứng từ-điện thuận, trong hiệu ứng này, dưới tác dụng của điện trường, do hiện
tượng điện giảo, pha áp điện sẽ bị biến dạng cưỡng bức sinh ra ứng suất cơ học truyền
cho pha sắt từ (từ giảo). Do hiệu ứng Villary, mô men từ của pha này sẽ bị thay đổi để
cực tiểu hóa năng lượng từ đàn hồi sinh ra do ứng suất. Hiệu ứng từ điện nghịch được
đặc trưng bởi hệ số từ điện:


M
= dM/dE.

Hình 1.13: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được
gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài

Hình 1.14: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và ε-σ đặc trưng cho hiệu ứng từ-điện
trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện [17].
Hiệu ứng từ-điện có sự chuyển hóa trực tiếp từ năng lượng điện thành năng
lượng từ và ngược lại. Chính nhờ tính chất này, hiệu ứng này và đang được nghiên cứu
và khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại đây. Để hướng tới
mục tiêu ứng dụng chế tạo sensor đo từ trường, hiệu ứng từ-điện thuận tỏ ra có nhiều
ưu thế do khả năng chuyển đổi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lối ra mà
không nguồn dòng nuôi như các cảm biến Hall và cảm biến từ-điện trở truyền thống.
a
b