Nghiên cứu hiệu ứng từ điện trong việc chế tạo sensor đo từ trường trái đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HOC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

ĐẶNG THỊ THANH LOAN

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN
TRONG VIỆC CHẾ TẠO SENSOR ĐO TỪ
TRƯỜNG TRÁI ĐẤT
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
ThS. Lê Khắc Quynh

Hà Nội - 2013


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép em được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy – thạc
sỹ LÊ KHẮC QUYNH đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và truyền đạt kinh
nghiệm giúp em nghiên cứu và hoàn thành khóa luận.
Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong
khoa, các thầy cô giáo trong tổ vật lý chất rắn, khoa vật lý trường Đại học Sư
phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện giúp em hoàn thiện đề tài nghiên cứu của
mình.
Cuối cùng em muốn được gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ, các bạn
sinh viên đã nhiệt tình giúp đỡ em để luận văn được hoàn thành tốt.

Hà Nội, tháng 5 năm 2013
Tác giả

Đặng Thị Thanh Loan


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận
là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác.

Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2013
Tác giả

Đặng Thị Thanh Loan


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
Chương 1. TỔNG QUAN ...................................................................... 3
1.1.

Hiệu ứng từ-điện....................................................................... 3

1.1.1. Hiệu ứng từ giảo.................................................................... 3
1.1.2. Hiệu ứng áp điện ................................................................... 6
1.1.3. Hiệu ứng tổ hợp từ-điện ........................................................ 11
1.2. Từ trường trái đất ...................................................................... 13
1.2.1. Vai trò của từ trường trái đất ................................................. 14
1.2.2. Các đặc trưng của từ trường trái đất ...................................... 14
1.3. Các loại sensor đo từ trường phổ biến ...................................... 19
1.3.1. Sensor flux-gate .................................................................... 19
1.3.2. Sensor dựa trên hiệu ứng Hall ............................................... 20

1.3.3. Sensor dựa trên hiệu ứng từ-điện trở ..................................... 22
1.3.4. Sensor đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ-điện........... 25
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ................................... 27
2.1.

Chế tạo vật liệu tổ hợp ............................................................. 27

2.1.1. Chế tạo băng từ ..................................................................... 27
2.1.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ-điện .............................................. 28
2.2. Chế tạo sensor 1D đo từ trường trái đất ................................... 29
2.3. Đo từ độ bằng từ kế mẫu dung VSM ........................................ 29
2.4. Hệ đo hiệu ứng từ-điện và hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor
vào từ trường trái đất ................................................................ 31
2.4.1. Hệ đo hiệu ứng từ-điện .......................................................... 31
2.4.2. Hệ đo khảo sát các thông số làm việc của sensor ................... 32
2.4.3. Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cường
độ từ trường .......................................................................... 33


2.4.4. Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào góc
định hướng ............................................................................ 35
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................. 36
3.1. Tính chất của băng từ Metglas .................................................. 36
3.2. Sensor đo từ trường trái đất một chiều (1D) dựa trên hiệu
ứng từ-điện ................................................................................. 38
3.2.1. Khảo sát tần số làm việc của sensor....................................... 38
3.2.2. Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào cường độ từ trường ...... 39
3.2.3. Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào định hướng của từ
trường trái đất ........................................................................ 42
KẾT LUẬN .............................................................................................. 45

Tài liệu tham khảo................................................................................... 46


MỞ ĐẦU

Hiệu ứng từ - điện là hiện tượng 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. 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. 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 sensor đo dòng điện, sensor đo từ
trường, máy phát điện,….
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.
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
= 0,4Oe) nên cần phải có các thiết bị có độ nhạy rất cao để có phát hiện và
xác định. Với mục đích này, hiệu ứng từ-điện dựa trên vật liệu tổ hợp có pha

1


áp điện là PZT (PbTiO3) và pha từ giảo là băng từ mềm cho hiệu ứng từ - điện
cao trong vùng từ trường thấp hay nói cách khác là vật liệu tổ hợp PZT/băng
từ mềm rất nhạy với sự thay đổi nhỏ của từ trường ngoài sẽ đáp ứng tốt yêu
cầu.
Theo hướng nghiên cứu gắn với xu thế phát triển trên, dưới sự hướng
dẫn của Th.S Lê Khắc Quynh, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện
trong việc chế tạo sensor đo từ trường trái đất” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp
của mình.
Đối tượng được sử dụng trong đề tài là vật liệu multiferroics tổ hợp của
vật liệu từ giảo siêu mềm nổi tiếng Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 dạng băng từ (Ni-based
Metglas) với vật liệu gốm áp điện dạng tấm Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) có hệ số điệncơ lớn. Vật liêu này có thể hy vọng sẽ rất nhạy với vùng từ trường nanô-tesla
(nT) cho phép hướng đến các ứng dụng để đo đạc và tính toán được từ trường
trái đất.
Đề tài với mục đích nghiên cứu trên, các nội dung bao gồm:
1. Nghiên cứu tính chất từ, tính chất từ - điện trên vật liệu
multiferrroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT
2. Ứng dụng vật liệu tổ hợp chế tạo được trong việc chế tạo sensor đo
đạc từ trường trái đất dạng 1D.

Nội dung của khóa luận: 3 chương
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Các phương pháp thực nghiệm
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Kết luận

2

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về các hiệu ứng từ và điện
1.1.1. Hiện tượng từ giảo
Từ giảo là hiện tượng hình dạng và kích thước của vật liệu từ thay đổi
khi trạng thái từ của vật liệu thay đổi. Hiện tượng từ giảo đã được James
Prescott Joule (1818 - 1889) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842. Trạng thái
từ của vật liệu có thể bị thay đổi khi nhiệt độ thay đổi hoặc dưới tác dụng của
từ trường ngoài (hình 1.1). Hiện tượng thể tích của vật liệu từ thay đổi do sự
thay đổi trạng thái từ khi nhiệt độ thay đổi được gọi là hiện tượng từ giảo tự
phát hay từ giảo thể tích (hình 1.1a). Từ giảo xuất hiện khi đặt vật liệu từ
trong từ trường ngoài được gọi là từ giảo cưỡng bức hay từ giảo tuyến tính
Joule (hình 1.1b).

Hình 1.1 Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu:
(a) từ giảo thể tích và (b) từ giảo tuyến tính Joule.
Từ giảo tuyến tính Joule liên quan đến sự định hướng của mômen từ
dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiện tượng từ giảo tuyến tính của các vật
liệu từ được giải thích dựa trên mô hình tương tác tĩnh điện giữa đám mây
điện tử từ và điện tích môi trường xung quanh. Dưới tác dụng của từ trường

3


ngoài, sự phân bố của điện tử (tức là mômen quỹ đạo) sẽ bị biến đổi tuỳ theo
mức độ tương tác của chúng với mômen từ (mômen spin). Các vật liệu khác
nhau sẽ có từ giảo khác nhau tuỳ thuộc vào hình dạng đám mây điện tử từ của
chúng. Đối với trường hợp các nguyên tố có đám mây điện tử dạng đối xứng

cầu (L = 0 và hệ số Steven J = 0), tương tác tĩnh điện là đẳng hướng, do đó
khoảng cách giữa các nguyên tử vẫn được giữ nguyên khi mômen từ bị đảo
dưới tác dụng của từ trường ngoài. Trong trường hợp này, hầu như không
quan sát thấy có hiện tượng từ giảo (hình 1.2 a).

Hình 1.2. Hiện tượng từ giảo ứng với phân bố đám mây điện tử
dạng đối xứng cầu (J = 0).
Đối với các kim loại có đám mây điện tử từ dạng không đối xứng cầu
(L  0 và J  0), tương tác tĩnh điện không còn là đẳng hướng. Khi chưa có
từ trường, tương tác tĩnh điện giữa đám mây điện tử từ tích điện âm và các ion
dương lân cận (nguyên tử) luôn có xu hướng làm ngắn khoảng cách giữa
chúng theo hướng trục phân bố tại đó mật độ điện tích của đám mây điện tử
từ lớn nhất. Có hai trường hợp xảy ra:
- Trường hợp tương tác spin - quỹ đạo yếu (năng lượng tương tác LS ~
0,015 eV/nguyên tử), khi đặt trong từ trường ngoài chỉ có mômen spin dễ
dàng quay theo hướng từ trường ngoài, trong khi đó mômen quỹ đạo hầu như
không chịu ảnh hưởng gì của từ trường ngoài (hiện tượng đóng băng mômen
quỹ đạo). Trong trường hợp này, mặc dù đám mây điện tử từ có dạng không
đối xứng cầu nhưng năng lượng cần thiết để quay mômen spin theo từ trường

4


ngoài yếu và từ giảo nhỏ (hình 1.3.a). Đó là trường hợp của các kim loại
chuyển tiếp 3d (Fe, Co, Ni).
- Hiện tượng từ giảo chỉ xảy ra mạnh khi đám mây của các điện tử từ
không có dạng đối xứng cầu và tương tác spin - quỹ đạo (LS) mạnh, khi đó
sự quay của mômen spin gắn liền với sự quay của mômen quỹ đạo. Trong
trường hợp này từ giảo thường có giá trị lớn. Dưới tác dụng của từ trường
ngoài, ta sẽ quan sát được từ giảo âm nếu sự phân bố đám mây điện tử từ có

dạng hình chày (J > 0, hình 1.3b) và từ giảo dương nếu đám mây điện tử từ
có dạng đĩa dẹt (J < 0, hình 1.3c).

mạnh

mạnh

Hình 1.3. Hiện tượng từ giảo tương ứng với các trường hợp:
J >0 (a), J <0 (b), liên kết spin – quỹ đạo yếu (c).
Từ giảo của các vật liệu được đặc trưng bởi hệ số từ giảo  được xác
định theo công thức sau:   0 H  

l  0 H  l  0 H   l0

l0
l0

5


với lo là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trường ngoài và l(oH) là
chiều dài của mẫu khi có từ trường ngoài oH đặt vào. Từ giảo là một đại
lượng không có thứ nguyên. Trong các vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng
băng, hiện tượng từ giảo thể hiện bởi biến dạng tuyến tính (l/l) phương từ
trường ngoài (hình 1.4).

Hình 1.4. Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng khối
hoặc dạng băng mỏng.
1.1.2. Hiện tượng áp điện
Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi Jacques và Pierre

Curie là hiện tượng vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất kéo hoặc nén thì
trong lòng vật liệu sẽ xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng hoặc ngược lại, khi
vật liệu chịu tác dụng của điện trường thì vật liệu sẽ bị biến dạng dài ra hoặc
ngắn lại tùy thuộc vào điện trường ngoài cùng chiều hay ngược chiều với véc
tơ phân cực điện của vật liệu. Hình 1.5 mô tả hiệu ứng áp điện dưới tác dụng
của ứng suất bên ngoài. Nếu vật liệu chịu ứng suất nén (hình 1.5a) hoặc kéo
theo hướng phân cực (hình 1.5b) thì sẽ dẫn đến sự giảm hoặc tăng của độ
phân cực điện trong lòng vật liệu và kết quả sẽ làm xuất hiện trong lòng vật
liệu một điện trường cùng chiều hay ngược chiều với véc tơ phân cực điện.
Kết quả là trên hai mặt đối diện của vật liệu áp điện sẽ xuất hiện thế áp điện
có dấu và độ lớn phụ thuộc vào ứng suất tác dụng theo công thức : E   g  
với g là hệ số tỉ lệ đặc trưng cho từng vật liệu và  là độ lớn ứng suất tác
dụng (ứng suất nén   0 và ứng suất kéo   0).

6


Hiệu ứng áp điện xảy ở một số điện môi tinh thể như thạch anh,
tuamalin, ... hoăc dưới dạng vật liệu đa tinh thể. Cho đến nay, người ta tạo ra
vật liệu áp điện dưới 2 dạng: gốm áp điện(PZT) và Polyme áp điện

Hình 1.5. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng
của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c).
1.1.2.a. PZT áp điện
PZT là tên viết tắt của vật liệu áp điện có thành phần hóa học PbZnxTi1xO3,

được chế tạo bằng phương pháp nung thiêu kết. Trong thành phần cấu

tạo PZT, tỉ lệ Zn : Ti là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu ứng áp
điện. Vật liệu PZT ở trạng thái đơn tinh thể có thể tồn tại ở cấu trúc

perovskite bốn phương (tetragonal) hoặc thoi (rhombohedral) (hình 1.6).

Hình 1.6. Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite
lập phương (trái) và mặt thoi (phải).
Trong các trạng thái này, ô đơn vị là sắt điện chứa mômen lưỡng cực
được tạo ra do cấu trúc bất đối xứng của các ion O2- và Zn4+/Ti4+ so với trục
tinh thể.

7


+ Hiệu ứng áp điện nghịch: Tùy thuộc vào hướng của điện trường
ngoài đặt vào, vị trí của các ion này sẽ xác định tính chất áp điện của tinh thể.
Hiệu ứng áp điện có thể giải thích bằng sự dịch chuyển của các ion
trong ô đơn vị được minh họa trên hình. Dưới tác dụng của một điện trường
ngoài theo phương trục Oz, các ion O2- sẽ bị hút về điện cực dương, các ion
Zn4+/Ti4+ và Pb2+ sẽ bị hút về điện cực còn lại. Do có sự dịch chuyển này, liên
kết giữa các ion trong tinh thể và do đó khoảng cách giữa các ion này sẽ bị
thay đổi. Kết quả là tinh thể áp điện sẽ bị biến dạng.
+ Hiệu ứng áp điện thuận:
Ngược lại với hiệu ứng áp điện nghịch là hiệu ứng áp điện thuận, nghĩa
là năng lượng cơ biến thành năng lượng điện khi tinh thể bị biến dạng bởi một
tác động cơ học bên ngoài:
Khi không có lực tác dụng, ô mạng dạng lập phương, tâm của các ion
dương và iôn âm trùng nhau, không bị phân cực điện.
Khi có lực tác dụng, ô mạng bị biến dạng, co lại theo chiều này và giãn
ra theo chiều kia. Hình lập phương trở thành khối chữ nhật. Lúc đó tâm của
các iôn dương và iôn âm dịch chuyển đối với nhau. Ô mạng từ trung hòa điện
trở nên một lưỡng cực điện. Người ta đặc trưng tác dụng của một lưỡng cực




điện bằng véctơ phân cực điện P, trong đó p  q.r , điện tích q nhân với


khoảng cách giữa 2 điện tích, còn chiều của p là chiều của véctơ nối từ điện


tích âm đến điện tích dương. Có thể có nhiều lưỡng cực nhỏ như vậy, có p
song song cùng chiều với nhau ứng với một miền gồm nhiều ô mạng, người ta




gọi miền đó là một miền điện Weiss, có P   p ( hình vẽ 1.7)
Nhiều tính chất của vật liệu áp điện được giải thích theo các tính chất
của miền điện Weiss tương tự như giải thích tính chất từ của vật liệu từ nhờ
miền từ

8


Từ khi được phát hiện ra cho đến nay, các gốm áp điện PZT đã được
nghiên cứu và đưa vào ứng dụng rất mạnh trong nhiều lĩnh vực như màng
rung, máy phát điện, sensơ, bộ chuyển đổi, làm bộ phận đánh lửa ở bếp ga,
bật lửa ga, ứng dụng trong loa - mic áp điện .... Vật liệu PZT có nhiều tính
năng nổi trội như độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện
dung ký sinh, độ bền cơ học cao và dễ gia công. Vật liệu áp điện PZT có
thành phần và tính chất tối ưu tùy vào mục đích sử dụng đã được thương mại

hóa và sản xuất hàng loạt.

Pb
O2Ti,Zr

Hình 1.7. Mô hình giải thích hiệu ứng áp điện thuận

Hình 1.8. Cảm biến gia tốc áp điện

Hình 1.9. Cảm biến siêu âm

Trong những năm gần đây, các perovskite như BaSrO3, PbTiO3,
Pb(ZnxTi1-x)O3 (PZT) đặc biệt thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu (do có độ phân cực tự phát và hiệu ứng áp điện lớn). Trên thế giới,
đặc biệt là các nước tiên tiến như Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, các nước Châu
Âu… vật liệu PZT đã có nhiều ứng dụng triển khai trong thực tế dưới dạng
các sản phẩm thương mại. Nhờ hiệu ứng áp điện thuận (biến đổi năng lượng
cơ thành năng lượng điện) và nghịch (biến đổi năng lượng điện thành năng
lượng cơ), các nhà khoa học đã chế tạo thành công nhiều thiết bị cảm biến và

9


tích hợp chúng trên các vi mạch hoặc các mạch số. Một trong các ứng dụng
sử dụng vật liệu áp điện phải kể đến cảm biến gia tốc áp điện và cảm biến siêu
âm được minh họa trên hình 1.8 và 1.9 tương ứng mà trong khuôn khổ khóa
luận không đi sâu vào nghiên cứu.
1.1.2.b. Polyme áp điện
Các vật liệu áp điện như thạch anh, PZT có nhược điểm là cứng và
giòn, khó làm thành tấm to và mỏng, chịu được biến dạng lớn nên người ta

tìm cách chế tạo Polyme áp điện trong nhiều trường hợp dễ dùng hơn.

(b)

Hình 1.10. Cấu tạo nguyên tử Polyme áp điện
a) Khi định hướng lộn xộn

b) khi định hướng có trật tự

Vật liệu Polyme áp điện điển hình ngày nay có tên gọi tắt là PVDF
(Polyvinylidene Fluoride). Cấu tạo phân tử của Polyme này có dạng chuỗi dài
như hình vẽ. Chuỗi phân tử như vậy gồm nhiều lưỡng cực điện, bình thường
chúng nằm lộn xộn (hình 1.10a) nhưng khi có điện trường đủ mạnh tác dụng,
các lưỡng cực điện định hướng theo điện trường làm cho các mặt bên xuất
hiện các điện tích trái dấu tức là có hiệu điện thế. Cách sắp xếp có trật tự của
các lưỡng cực này cũng làm cho tấm Polyme bị co giãn (hình 1.10b). Ngược
lại nếu tác dụng lực làm cho tấm Polyme bị co giãn, xu hướng sắp xếp có trật

10


tự của các lưỡng cực dưới tác dụng của lực cơ cũng làm cho hai bề mặt của
Polyme áp điện xuất hiện các điện tích trái dấu, tức là sinh ra hiệu điện thế.
Đây là vật liệu Polyme nên dễ sản xuất ra thành tấm mỏng, to nhỏ dày
mỏng tuỳ ý. Để tăng hiệu suất người ta lại có thể dán các lá mỏng Polyme lại
với nhau và ghép các cực theo kiểu song song hay nối tiếp để có lợi về mặt
điện tích hoặc điện thế.
Ra đời năm 1969, polyme áp điện đã được sử dụng ở nhiều lĩnh vực
như: làm cảm biến, làm micro và loa, đặc biệt làm bộ phận biến cơ năng
thành điện năng một cách rất gọn nhẹ. Người ta lót Polyme áp điện dưới các

tấm thảm ở vườn trẻ, khi trẻ con chạy chơi trên thảm các tấm áp điện bị lõm
xuống, phồng lên sinh ra điện qua chỉnh lưu rồi tích và acquy, thừa công suất
để thắp sáng đèn LED. Tương tự như vậy, người ta dán Polyme áp điện vào
các cành của một cây, khi gió thổi cành lá rung, đủ sinh ra điện dùng để thắp
sáng, sạc pin điện thoại. Ứng dụng này đặc biệt quan trọng ở những nơi
không có điện lưới. Ngày nay hiện tượng áp điện được ứng dụng rất rộng rãi
trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: cảm biến, máy siêu âm,
điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích
thước nhỏ, hiện nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu
như máy bay bay đập cánh như côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi
hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh, các máy in...
một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm
động cơ piezo.
1.1.3. Hiệu ứng từ - điện
1.1.3.a. Lý thuyết hiệu ứng
Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác
dụng của từ trường ngoài (H) gọi là hiệu ứng từ-điện hay ngược lại, vật liệu bị
từ hóa dưới tác dụng của điện trường. Đây là một hiệu ứng tích của hai hiệu

11


ứng: hiệu ứng từ giảo và hiệu ứng áp điện và được đặc trưng bởi hệ số từ điện E = dE/dH (hình 1.11)
Hiệu ứng từ điện thường được quan sát thấy trên các vật liệu
Multifrroic tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Trong số các vật
liệu từ - điện đang được nghiên cứu và ứng dụng phải kể đến vật liệu gồm hai
pha từ giảo và áp điện. Nếu đặt vật liệu trong từ trường, pha từ giảo sẽ bị biến
dạng cưỡng bức, tạo ra một ứng suất cơ học tác động chặt chẽ lên pha áp điện,
làm pha áp điện bị phân cực điện cảm ứng nghĩa là tạo ra trên hai bề mặt của
pha áp điện những điện tích trái dấu hay trong lòng vật liệu có một điện

trường. Nếu nối ra mạch ngoài ta sẽ được một thế hiệu một chiều.
H

Vật liệu từ giảo
Ứng suất

Vật liệu áp điện

VME = E.t

+

P
- E
Ứng suất

Vật liệu từ giảo

H

Hình 1.11. Mô tả hiệu ứng từ điện
1.1.3.b. Các dạng vật liệu có hiệu ứng từ - điện
Vật liệu có hiệu ứng từ - điện có thể được chia thành hai loại: (i) vật
liệu đơn pha và (ii) vật liệu tổ hợp.
+ Vật liệu dạng đơn pha bộc lộ nhiều hạn chế như hệ số từ - điện thấp

E  1 ÷ 10 (mV/cmOe) so với các yêu cầu ứng dụng vì hầu hết các vật liệu
đó chỉ làm việc ở nhiệt độ rất thấp do nhiệt độ Néel và nhiệt độ Curie thấp
hơn nhiệt độ phòng. Nguyên nhân là do các vật liệu đơn pha này được chế tạo
đều dựa trên phản ứng pha rắn bằng cách nung thiêu kết ở nhiệt độ cao dẫn

12


đến sự hình thành một số pha phụ làm giảm tính chất từ - điện của vật liệu
(hình 1.12).

ĐƠN PHA

TNéel, TC < Troom

(YMnO3 and BiMnO3)

 αE nhỏ

Hình 1.12. Vật liệu tổ hợp đơn pha
+ Vật liệu tổ hợp: Khắc phục những hạn chế của vật liệu đơn pha,
người ta đã thay đổi công nghệ chế tạo bằng cách tạo ra vật liệu tổ hợp từ hai
pha sắt từ và sắt điện độc lập dưới ba dạng chính sau (hình 1.13):
Hạt sắt từ

Pha sắt điện

(a)

Từ giả
giảo
Áp điệ
điện

T ừ giả
giảo

Từ giả
giảo
Áp điệ
điện

T ừ giả
giảo

(b)

PZT

(c)

Hình 1.13. Các dạng vật liệu tổ hợp
- Dạng hạt: các hạt sắt từ tồn tại trên pha sắt điện (hình a)
- Dạng màng đa lớp: các lớp sắt điện được lắng đọng xen kẽ nhau giữa
các lớp sắt từ (hình b)
- Dạng tấm: dán kết dính các tấm sắt điện (PZT) giữa các tấm sắt từ
(hình c). Vật liệu tổ hợp dạng tấm PZT và pha sắt từ là các băng từ mềm có
đặc điểm công nghệ đơn giản, cho hiệu ứng cao trong vùng từ trường nhỏ
1.2. Tổng quan về từ trường 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

13


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.
1.2.1. Vai trò của từ trường 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 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).
1.2.2. Các đặc trưng của từ trường trái đất
1.2.2.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

14


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).
Biểu đồ các đường tại đó có cùng giá trị cường độ từ trường gọi là biểu
đồ đường đẳng từ. Trong hình 1.14 là biểu đồ các đường đẳng từ của từ
trường trái đất được ghi nhận năm 2010.

Hình 1.14. Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất
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.
1.2.2.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).

15


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 1.15)

Hình 0.15. 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 1.16).

16


Tập hợp các điểm có giá trị từ khuynh bằng 0 thì được gọi là xích đạo từ.

Hình 0.16. Biểu đồ đường đẳng khuynh
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 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.
1.2.2.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.

Hình 1.17. Cách xác định vector từ trường trái đất

17


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 (Hx, Hy, Hz). Trên hình
1.17 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).
Trong đó Hx, Hy nằm trong mặt phẳng nằm ngang và Hz 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 +90o và -90o
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:
D  arctg

Y
X

I  arctg

Z
H

F  H2  Z2

với
H

X 2 Y2

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 = (103/4π) Am-1.

18


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.
1.3. Tổng quan về các loại sensor đo từ trường 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 (fluxgate), 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.
1.3.1. Sensor flux-gate
Sensor flux-gate có cấu tạo gồm một lõi sắt từ mềm có hình xuyến 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 1.18).
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 ứng 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

19


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.

Hình 1.18. Sơ đồ cấu tạo của sensor flux-gate
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.
1.3.2. 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 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.

20