Nghiên cứu chế tạo thiết bị la bàn điện tử dựa trên vật liệu multiferroics cấu trúc micro nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐĂNG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ LA BÀN
ĐIỆN TỬ DỰA TRÊN VẬT LIỆU MULTIFERROICS
CẤU TRÚC MICRO-NANO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐĂNG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ LA BÀN
ĐIỆN TỬ DỰA TRÊN VẬT LIỆU MULTIFERROICS
CẤU TRÚC MICRO-NANO

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Thị Hương Giang

HÀ NỘI - 2017

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. TS. Đỗ Thị Hương Giang
Trường đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, người đã trực tiếp hướng dẫn em
thực hiện luận văn, đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền đạt
nhiều kiến thức và kinh nghiệm giúp em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp.
Em xin cảm ơn tới tập thể các cán bộ, các thầy cô giáo trong bộ môn Vật liệu và Linh
kiện nano đã dạy dỗ truyền đạt cho em những kiến thức quý báu mà em có thể áp dụng vào
làm đề tài này và những kiến thức đó sẽ là hành trang cho em học tập và làm việc mai sau.
Và em cũng xin cảm ơn các bạn, các anh, chị trong Phòng thí nghiệm, Đại học Công
nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian học tập,
nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Bộ môn. Cùng với các anh NCS. Phạm Anh Đức,
NCS. Nguyễn Xuân Toàn, NCS. Lê Khắc Quynh, bạn Nguyễn Văn Tuấn, Đặng Xuân Đăng
là những người đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thu thập tài liệu, thực nghiệm và
xử lý kết quả đo đạc.
Luận văn này được thực hiện với sự tài trợ kinh phí từ Đề tài Nghiên cứu của Đại học
Quốc gia Hà Nội mang Mã số QG.15.28.
Cuối cùng em xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè đã chia sẻ khó
khăn trong thời gian vừa qua.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả

Nguyễn Đăng Phương

.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này của tôi là công trình nghiên cứu thực
sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu khảo sát
tình hình thực tiễn và dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Đỗ Thị Hương Giang.
Các số liệu, mô hình tính toán và những kết quả trong khóa luận là trung thực. Trong luận
văn của tôi có sự tham khảo, trích dẫn một số sách, bài báo, tạp chí đã được ghi chú đầy
đủ.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả

Nguyễn Đăng Phương


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. iii
MỞ ĐẦU........................................................................................................................... 1
Chương 1 TỔNG QUAN.................................................................................................. 2

1.1. Tổng quan về la bàn ...................................................................................... 2
1.2. Nhu cầu sử dụng la bàn điện tử hiện nay ..................................................... 5

1.3. Yêu cầu kỹ thuật ........................................................................................... 6
1.4. Các loại la bàn thông dụng ........................................................................... 6
1.4.1. La bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall bán dẫn ................................. 7
1.4.2. La bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng cảm ứng từ ................................... 7
1.4.3. La bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR ............ 8
1.4.4. La bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR ............ 9
1.4.5. La bàn hoạt động dựa trên cảm biến sợi quang ................................... 10
1.5. La bàn điện tử dựa trên vật liệu multiferroic có hiệu ứng từ giảo-áp
điện ...................................................................................................................... 11
1.5.1. Tổng quan hiệu ứng từ-điện ................................................................ 11
1.5.2. Nguyên lý hoạt động đo từ trường của hiệu ứng từ giảo-áp điện ......... 11
Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................................. 13

2.1. Lựa chọn nguyên vật liệu ............................................................................ 13
2.2. Chế tạo đầu đo cảm biến ............................................................................. 14
2.2.1. Cắt vật liệu theo kích thước với độ chính xác cao ............................... 14
2.2.2. Chế tạo vật liệu ................................................................................... 15
2.2.3. Chế tạo đầu đo cảm biến ..................................................................... 16
2.3. Đo đạc khảo sát đầu đo cảm biến và mạch điện tử trong phòng thí
nghiệm .................................................................................................................. 17
2.3.1. Đo tín hiệu điện áp và kích thích từ trường xoay chiều cho cuộn dây.. 17
2.3.2. Nguồn từ trường một chiều độ chính xác cao...................................... 17
2.3.3. Các thông số khảo sát ......................................................................... 18


2.4. Hệ quay khảo sát sự phụ thuộc giữa tín hiệu sensor vào góc .................... 18
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................................... 20

3.1. Khảo sát các đặc trưng của đầu đo cảm biến............................................. 20
3.1.1. Tần số kích thích ................................................................................ 20

3.1.2. Hiệu điện thế cấp cho cuộn kích thích................................................. 20
3.1.3. Đáp ứng với từ trường của đầu đo cảm biến ....................................... 21
3.2. Đo kiểm độ ổn định từ trường và độ lặp lại của đầu đo cảm biến ............ 22
3.3. Đo kiểm độ phân giải của đầu đo cảm biến ............................................... 23
3.4. Đặc trưng đo góc từ trường trái đất của đầu đo cảm biến làm cơ sở xây
dựng nguyên lý mạch điện tử .............................................................................. 24
3.4.1. Đáp ứng với góc quay của các đơn cảm biến ...................................... 24
3.4.2. Tín hiệu Voffset và cách khắc phục .................................................... 24
3.4.3. Xây dựng thuật toán tính góc cho đầu đo ............................................ 25
3.5. Đánh giá sai số và chuẩn hóa ghép trực giao 2 thanh cảm biến ................ 27
3.6. Nghiên cứu, thiết kế và đo đạc thử nghiệm mạch điện tử cho la bàn ....... 29
3.6.1. Nghiên cứu, thiết kế mạch điện tử ...................................................... 29
3.6.1.a. Khối phát xung tạo tín hiệu cao tần đầu vào ........................ 29
3.6.1.b. Khối đo lường tín hiệu của cảm biến ................................... 31
3.6.1.c. Khối so pha ......................................................................... 33
3.6.1.d. Khối bù trừ nền ................................................................... 34
3.6.1.e. Thuật toán tính góc và chạy thử nghiệm thiết bị................... 35
3.6.2. Đóng gói hoàn thiện thiết bị theo mẫu mã kiểu dáng công nghiệp....... 36
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 39

ii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Từ trường bao quanh Trái Đất ................................................................ 3
Hình 1.2. La bàn từ đơn giản .................................................................................. 4
Hình 1.3. Số liệu minh họa cho số lượng tiêu thụ sensor đo từ trường ứng dụng
chế tạo la bàn điện tử tăng nhảy vọt từ năm 2009 thời điểm đánh dấu
cho sự ra đời của điện thoại thông minh [13] .......................................... 5

Hình 1.4. Sơ đồ hiệu ứng Hall ................................................................................ 7
Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux–gate [4] ................................................ 8
Hình 1.6. Sơ đồ minh họa hiệu ứng ARM [5] ......................................................... 9
Hình 1.7. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của microsensor từ trường dựa trên phát
hiện quang học thiết kế bởi Zanetti (1998 ) [20].................................... 10
Hình 1.8. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu................................. 11
Hình 1.9. Hình minh hoạt hoạt động của hiệu ứng từ giảo – áp điện dưới tác
dụng của từ trường một chiều DC và từ trường xoay chiều kích thích
AC ........................................................................................................ 12
Hình 2.1. Quy trình chế tạo la bàn điện tử ............................................................ 13
Hình 2.2. Hình thực tế tấm áp điện PZT ............................................................... 14
Hình 2.3. Hình thực tế băng từ metglas ................................................................ 14
Hình 2.4. Hình thực tế máy cắt tự động SHERLINE model 5410 ......................... 14
Hình 2.5. Hình minh họa qui trình chế tạo cảm biến đơn trục dựa trên hiệu ứng
từ giảo-áp điện ...................................................................................... 15
Hình 2.6. Vật liệu từ giảo-điện sau khi được chế tạo và hàn điện cực hoàn thiện
............................................................................................................. 15
Hình 2.7. Ảnh hiển vi điện tử quét của cấu trúc vật liệu từ điện dạng bánh kẹp:
lớp vật liệu từ giảo (độ dày 18 μm), lớp epoxy (adheshive layer, độ
dày 7 μm), véc tơ hac và P chỉ hướng của từ trường xoay chiều và độ
phân cực điện........................................................................................ 16
Hình 2.8. Hình thiết kế 3D (trái) và ảnh chụp đầu đo cảm biến (phải) được đóng
gói hoàn thiện trong vỏ bảo vệ .............................................................. 17
Hình 2.9. Hình thực tế bộ khuếch đại Lock-In Amplifier 7265 ............................. 17

iii


Hình 2.10. Hình thực tế cuộn Helmholtz model MH-2.5 và thiết bị Keithely 2400
............................................................................................................. 18

Hình 2.11. Hệ đo sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của sensor theo góc định hướng
............................................................................................................. 19
Hıǹ h 3.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra với tần số của tín
hiệu kích thích sensor 1 và sensor 2 ..................................................... 20
Hıǹ h 3.2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra với tín hiệu điện áp
kích thích .............................................................................................. 21
Hıǹ h 3.3. Sự phụ thuộc tín hiệu điện thế của đầu đo cảm biến vào từ trường
ngoài đo trên sensor đơn trục 1 (hình trái) và 2 (hình phải) ................... 22
Hıǹ h 3.4. Đồ thị số liệu đo trên cảm biến vào thời gian đo khác nhau................... 22
Hıǹ h 3.5. Tín hiệu đo trên cảm biến khi không và có từ trường ngoài tác dụng
vào với các cường độ khác nhau: (a) 1,5 nT và (b) 3 nT tương ứng
với dòng điện cấp 0,5 và 1,0 A vào cuộn Helmholtz ........................... 24
Hıǹ h 3.6. Khảo sát đáp ứng của đầu đo cảm biến theo góc định hướng giữa trục
sensor 1 (hình trên) và sensor 2 (hình dưới) với cực Bắc của từ trường
trái đất .................................................................................................. 25
Hình 3.7. Nguyên lý tính toán cường độ từ trường của cảm biến .......................... 26
Hıǹ h 3.8. Qui luật bù các điểm dị thường các các giá trị góc theo các dải đo ........ 26
Hıǹ h 3.9. Đồ thị tính toán góc cảm đo từ cảm biến sau các bước đo: Bước 3
(hình trên cùng), Bước 4 (hình giữa) và Bước 5 (hình dưới cùng) ......... 27
Hıǹ h 3.10. Tín hiệu cường độ từ trường thu được khi chưa (a) và sau khi đã qua
chuẩn hóa trực giao............................................................................... 28
Hıǹ h 3.11. Sơ đồ khối mô tả cấu trúc của la bàn điện tử ......................................... 29
Hıǹ h 3.12. Module AD9850 ................................................................................... 30
Hıǹ h 3.13. Ảnh chụp màn hình dao động ký kết quả đo sóng kích thích tại tần số
97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin .......................................... 30
Hıǹ h 3.14. Kết quả phân tích phổ sử dụng dao động ký được vẽ sử dụng phần
mềm origin với sóng kích thích tại tần số 97,69 kHz sử dụng khối
phát xung sóng sin ................................................................................ 31

iv

Hình 3.15. Ảnh chụp màn hình dao động ký tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến
không qua mạch thu, lọc và khuếch đại tín hiệu với kích thích tại tần
số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin ..................................... 32
Hình 3.16. Kết quả phân tích phổ sử dụng dao động ký được vẽ sử dụng phần
mềm origin với tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến không qua mạch
thu, lọc và khuếch đại tín hiệu với kích thích tại tần số 97,69 kHz sử
dụng khối phát xung sóng sin................................................................ 32
Hình 3.17. Ảnh chụp màn hình dao động ký tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến
sau khi qua mạch thu, lọc và khuếch đại tín hiệu với kích thích tại tần
số 97,69 kHz sử dụng khối phát xung sóng sin ..................................... 33
Hình 3.18. Kết quả phân tích phổ sử dụng dao động ký được vẽ sử dụng phần
mềm origin với tín hiệu điện áp lối ra của cảm biến sau khi qua mạch
thu, lọc và khuếch đại tín hiệu với kích thích tại tần số 97,69 kHz sử
dụng khối phát xung sóng sin................................................................ 33
Hình 3.19. Tín hiệu đo trực tiếp từ khối đo lường và lọc nhiễu (đường xung dạng
sin) và tín hiệu pha thu được từ khối TL084 (xung vuông) đo đồng
thời trên 2 thanh cảm biến đơn Sensor 1 và Sensor 2 trên cùng một
đầu đo cảm biến .................................................................................... 34
Hıǹ h 3.20. Đo kiểm hoạt động của thiết bị la bàn điện tử sau khi đóng gói hoàn
thiện: (a) vẽ trong toàn dải đo 0-360 độ, (b) vẽ trong dải góc nhỏ 010 độ..................................................................................................... 35
Hıǹ h 3.21. Hình minh họa main của la bàn ............................................................. 36
Hıǹ h 3.22. Mạch điện tử được lắp ráp hoàn thiện của la bàn .................................. 37
Hıǹ h 3.23. La bàn sau khi được đóng gói hoàn thiện .............................................. 37
Hıǹ h 3.24. Giao diện hiển thị màn hình LCD được thiết kế cho la bàn ................... 37

v

MỞ ĐẦU
Từ trường trái đất đã được ứng dụng từ thời cổ đại và có nhiều thiết bị ngày nay hoạt
động dựa trên nó. Trong định vị hướng và vị trí, người ta thường sử dụng la bàn để đo định
hướng so với hướng từ trường do trái đất sinh ra.
Nghiên cứu từ trường trái đất là một lĩnh vực của địa vật lý. Kết quả của nghiên cứu
cũng áp dụng để miêu tả từ trường tại các hành tinh, các thiên thể khác. Cường độ và hướng
của từ trường trái đất là khác nhau phụ thuộc vào vị trí địa lý. Tuy nhiên do cường độ từ
trường của trái đất rất yếu (cỡ ~ 10-4 Tesla) nên cần phải có các thiết bị độ nhạy rất cao
mới có thể đo xác định được.
Các nghiên cứu gần đây được phát triển trong nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học
Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội trên hiệu ứng từ-điện của một số vật liệu tổ hợp từ
giảo/áp điện sử dụng các băng từ mềm cho thấy khả năng nhạy từ trường thấp đã mở ra
một số khả năng ứng dụng trong đó đặc biệt phải kể đến cảm biến nhạy từ trường trái đất.
Trong luận văn này, kế thừa các kết quả nghiên cứu của nhóm dựa trên vật vật liệu
multiferroics tổ hợp từ vật liệu từ giảo siêu mềm Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 dạng băng từ (Ni-based
Metglas) với vật liệu gốm dạng tấm Pb(Zr,TiO)O3 (PZT) có hệ số điện cơ lớn, bằng tổ hợp
nhiều cảm biến đơn trục cho phép đo các thành phần từ trường trái đất qua đó đo góc định
hướng để phát triển thành đầu đo nhạy hướng từ trường trái đất cho thiết bị la bàn dùng
cho định vị đặc biệt cho ngành hàng hải.
Với hướng nghiên cứu này như vậy, chúng tôi đã tiến hành làm những công việc cụ
thể như sau:
- Chế tạo vật liệu multiferroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT và khảo sát các
thông số làm việc của vật liệu tổ hợp từ-điện.
- Chế tạo đơn sensor (1D) và sensor trực giao 2 trục (2D) để đo góc định hướng thông
qua đo các thành phần từ trường trái đất trong mặt phẳng nằm ngang sử dụng vật liệu tổ
hợp chế tạo được, khảo sát các thông số hoạt động đặc trưng của sensor và đánh giá khả
năng hoạt động của sensor trong đo góc.
- Tích hợp đầu đo cảm biến với mạch điện tử và đóng gói hoàn thiện thiết bị la bàn
điện tử và khảo sát đánh giá hoạt động của la bàn khi đo hướng (độ ổn định, độ phân giải,
…).

1


TỔNG QUAN
Cùng với cuộc cách mạng về Khoa học công nghệ và sự ra đời của các thiết bị thông
minh như điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, máy tính bảng, thiết bị theo dõi thể
thao, thiết bị định vị,… đã tạo ra một nhu cầu rất lớn đối với việc sử dụng la bàn điện tử
trong ngành công nghiệp.
Thiết bị điện tử tiêu dùng ứng dụng giữ thị phần lớn nhất vào năm 2015. Ứng dụng
thiết bị điện tử tiêu dùng dự kiến sẽ chiếm thị phần lớn nhất và chiếm lĩnh thị trường la bàn
điện tử giữa năm 2016 và 2022. Sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử di động
được sử dụng để điều hướng đang tạo ra một nhu cầu rất lớn đối với thị trường la bàn điện
tử trên toàn cầu hiện nay. Tốc độ tăng trưởng cao và thị trường lớn nhờ sự hiện diện của
các công ty, tập đoàn lớn như Apple, Samsung, Sony, LG, Huawei, Lenovo, … đã tạo ra
một bước nhảy vọt về lượng tiêu thụ sản phẩm la bàn [9]. Bên cạnh nhu cầu sử dụng thiết
bị la bàn điện tử trên các thiết bị di động, chúng còn được ứng dụng vào các lĩnh vực hiện
nay đang có thị trường phát triển rất nhanh như ô tô, hàng không vũ trụ và phòng thủ.
Các công ty chuyên sản xuất và cung cấp la bàn điện tử bao gồm các nhà thiết kế chip
như STMicroelectronics (Pháp), mCube (Mỹ), MEMSIC (Mỹ) và MagnaChip (Hàn Quốc);
các nhà sản xuất linh kiện như NXP Semiconductors NV (Hà Lan), Bosch Sensortec (Đức),
Asahi Kasei Microdevices (Nhật Bản), Honeywell (Mỹ); các nhà cung cấp công nghệ như
InvenSense, Inc (Mỹ), Honeywell (Mỹ), và Bosch Sensortec (Đức)… [17].
1.1. Tổng quan về la bàn
Từ thời xa xưa, sự ra đời của la bàn từ hoạt động dựa trên việc xác định phương
hướng so với từ trường trái đất đóng vai trò quan trọng đối với đời sống con người. La bàn
từ là một thiết bị hàng hải có tác dụng dùng để chỉ hướng đi và xác định vị trí của tầu trên
biển dựa trên nguyên lý cảm nhận hướng từ trường trái đất so với hướng của tầu. Hướng
đi chính xác của tầu phụ thuộc vào độ chính xác của thiết bị, tức là phụ thuộc vào loại la
bàn và nguyên lý hoạt động của la bàn.

Người ta xem Trái Đất là một nam châm khổng lồ được bao bọc bởi các đường sức
từ nối liền giữa hai cực, độ lớn của nó dao động trong khoảng 25.000-65.000 nT, trong đó:
+ Cực Bắc địa từ nằm gần cực Bắc địa lý lại là cực Nam (S) của từ trường Trái Đất
(hay thanh nam châm Trái Đất).
+ Cực Nam địa từ nằm gần cực Nam địa lý lại là cực Bắc (N) của từ trường Trái Đất
(hay thanh nam châm Trái Đất).
2


Nhìn vào mô hình từ trường Trái Đất (Hình 1.1), ta nhận thấy, địa từ trường là một
từ trường không đều. Tuy nhiên, vì kích thước của trái đất rất lớn, nên có thể xem tại các
một không gian nhỏ trên trái đất, từ trường là đồng nhất.
Từ trường luôn bao quanh bề mặt Trái Đất, trên không gian, trong lòng đất và cả dưới
nước biển đều phát hiện thấy có từ lực tác dụng. Từ trường của quả đất có ý nghĩa rất lớn
trong cuộc sống con người. Trong lĩnh vực định vị, Từ trường của Trái Đất cũng được sử
dụng để định hướng trên mặt đất thông qua la bàn, giúp con người xác định phương hướng
và đi lại trong rừng, trên sa mạc, và trên biển... Thêm vào đó, từ trường Trái Đất cũng giúp
cho một số loài động vật xác định được phương hướng.

Hình 1.1. Từ trường bao quanh Trái Đất
La bàn từ lần đầu tiên được phát minh như là một thiết bị để bói toán ở thời nhà Hán,
Trung Quốc (từ khoảng 206 trước Công nguyên) [14], [15], và sau đó được áp dụng cho
việc xác định phương hướng thời nhà Tống, Trung Quốc vào khoảng thế kỷ thứ 11 [16],
[18]. Từ khoảng cuối thế kỷ 12 đầu thế kỷ 13 chiếc la bàn quen thuộc với người thủy thủ
được phát minh ở Tây Âu và Ba Tư [16] và từ đây, la bàn đã trở thành một biểu tượng gắn
liền với những con tàu viễn dương, gắn liền với những người thuyền trưởng. Nó sử dụng
một kim nam châm có thể tự do quay theo từ trường của Trái Đất, từ đó giúp xác định các
hướng Đông, Tây, Nam, Bắc.
Tuy nhiên, những la bàn trong thời kỳ này có cấu tạo đơn giản bao gồm một bản sắt
từ ghép trên một chiếc phao đặt trong chậu nước. Cho đến đầu thế kỷ 14, cấu tạo của la

bàn mới được thay đổi, hoàn chỉnh hơn, và gọn nhẹ hơn. Thời bấy giờ người ta quan niệm
rằng kim nam châm của la bàn chỉ đúng hướng Bắc và Nam địa lý của Trái Đất. Và những
con thuyền buồm bằng gỗ được trang bị la bàn, với sự chỉ hướng của nó, đã rong ruổi khắp
các đại dương trên thế giới.
3


Hình 1.2. La bàn từ đơn giản
La bàn cơ phổ biến thường sử dụng một kim nam châm có thể quay bên trong một
viên nang chứa chất lỏng (dầu hỏa, dầu khoáng, rượu trắng, dầu tinh khiết …). Chất lỏng
bên trong viên nang cho phép chuyển động của kim được dễ dàng, giảm thời gian dao động
và tăng tính ổn định. Trên la bàn cực bắc của kim thường được đánh dấu bằng lân tinh,
photoluminescent, hoặc các vật liệu tự phát sáng cho phép có thể sử dụng được la bàn vào
ban đêm hoặc trong môi trường ánh sáng yếu. Nhiều la bàn hiện đại còn được kết hợp
thước đo cho phép hiển thị trực quan hơn.
Sự phát triển của ngành hàng hải cũng kéo theo hệ quả hiện nay la bàn từ ngày càng
được đầu tư nghiên cứu và phát triển không ngừng. Bên cạnh la bàn truyền thống kim nam
châm (Hình 1.2), la bàn từ điện tử ra đời đã tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong ngành
hàng hải với tác dụng truyền chỉ số hướng đi của la bàn tới máy lái tự động để tự động điều
khiển tàu. Hiện nay, la bàn từ điện tử hiện đại với thời gian đáp ứng nhanh được bán rộng
rãi trên thị trường hiện nay hoạt động chủ yếu theo nguyên tắc tích hợp các cảm biến nhạy
từ trường trái đất thông qua đó đánh giá độ lệch phương vị Bắc của hệ thống. Theo nguyên
tắc đo từ trường này, độ nhạy và độ chính xác của các thiết bị la bàn này phụ thuộc vào (i)
độ chính xác và độ phân giải của đầu đo từ trường được sử dụng và (ii) độ chính xác và ổn
định cũng như lọc nhiễu của của mạch điện tử thu phát, xử lý tín hiệu. Tùy thuộc vào yêu
cầu như độ chính xác góc, gia thành sản phẩm cũng như kích thước, trọng lượng của la
bàn, đầu đo cảm biến từ trường sẽ được lựa chọn phù hợp dựa trên các nguyên lý hoạt động
khác nhau.
Riêng với đầu đo cảm biến đáp ứng yêu cầu đủ nhạy với từ trường trái đất đã và đang
được nghiên cứu sử dụng hiện nay có thể kể đến 3 loại phổ biến là cảm biến dựa trên hiện

tượng cảm ứng điện-từ (flux-gate), cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện trở và cảm biến dựa
trên hiệu ứng Hall. Hầu hết các cảm biến này đều hoạt động dựa trên việc đo đạc và phân
tích tín hiệu cảm biến thu được phụ thuộc vào cường độ (mật độ từ thông) và định hướng
của từ trường tác dụng. Dựa vào nguyên lý này, mỗi loại đều có những thế mạnh và hạn
chế riêng của mình.
4


1.2. Nhu cầu sử dụng la bàn điện tử hiện nay
Số liệu báo cáo năm 2015 cho thấy nhu cầu sử dụng thiết bị la bàn điện tử trên thế
giới hiện nay rất lớn. Dự báo thị trường đã được đưa ra cho khoảng thời gian giữa năm
2016 và 2022 cho kết quả thị trường la bàn điện tử dự kiến sẽ tăng từ 808,6 triệu USD
trong 2015 lên 2.187,1 triệu USD vào năm 2022, tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm
(Compound Annual Growth Rate - CAGR) ước tính đạt 14,57% từ giữa năm 2016 đến năm
2022. Nhu cầu về các cảm biến điện tử la bàn được dự kiến sẽ tăng do nhu cầu của ngành
công nghiệp điện tử tiêu dùng, đặc biệt là trong thị trường thiết bị thông minh cầm tay.
Việc áp dụng các cảm biến điện tử la bàn điện tử tiêu dùng được kỳ vọng sẽ thúc đẩy và
tăng tốc độ tăng trưởng của thị trường sử dụng thiết bị thông minh cầm tay [7].

Hình 1.3. Số liệu minh họa cho số lượng tiêu thụ sensor đo từ trường ứng dụng chế tạo
la bàn điện tử tăng nhảy vọt từ năm 2009 thời điểm đánh dấu cho sự ra đời của điện
thoại thông minh [13]
Cuộc cách mạng Khoa học công nghệ cao cùng với sự ra đời của điện thoại thông
minh vào khoảng năm 2009 cũng là mốc thời gian dẫn đến sự tăng trưởng nhảy vọt về nhu
cầu sử dụng la bàn điện tử từ 10% vào năm 2008 lên 33% vào năm 2013. Trong các loại
cảm biến được tích hợp trong các thiết bị thông minh thì cảm biến từ tính là một trong các
loại cảm biến được sử dụng nhiều cho đến hiện nay [22] (Hình 1.3).
Việc nghiên cứu hiệu ứng mới, vật liệu mới và triển khai ứng dụng là hướng nghiên
cứu phù hợp với xu thế hiện nay với nhu cầu và thị trường.

5


1.3. Yêu cầu kỹ thuật
Bên cạnh bài toán kinh tế khi đặt vấn đề nghiên cứu ứng dụng, một thông số quan
trọng bậc nhất đối với la bàn từ điện tử sử dụng là việc đánh gia sai số của la bàn và hiệu
chỉnh sai số này một cách tin cậy. Với la bàn, sai số có thể 1-2 độ, cũng có khi lên đến 3-5
độ hoặc hơn đối với la bàn điện khi có sự cố điện hay la bàn từ đã lâu không được khử độ
lệch. Vì sai số la bàn thay đổi phụ thuộc và thời gian và môi trường nên với hành trình đòi
hỏi độ chính xác cao thì thường xuyên phải có người kiểm tra sai số la bàn, nhất là sau mỗi
lần đổi hướng chạy.
Sai số của la bàn ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến độ chính xác của điểm đến đặc
biệt khi sử dụng chế độ lái tự động thiết bị đối với các hành trình dài, không có mục tiêu
để kiểm tra và điều chỉnh hướng đi, sai số của la bàn sẽ ảnh hưởng đến an toàn trong ngành
hàng hải. Các tính toán cho thấy nếu quãng đường tàu chạy là 100 hải lý với số la bàn 1 độ
thì độ lệch khoảng cách giữa điểm đến dự đoán và điểm đến thực tế là 1,74 hải lý (tương
đương 3,22 km). Giá trị này thậm chí lên đến 22,61 km nếu sai số của la bàn là 7 độ. Chính
vì lý do này, việc chế tạo la bàn phải đảm bảo yêu cầu độ chính xác và độ phân giải thiết
bị cao.
1.4. Các loại la bàn thông dụng
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều hãng chuyên sản xuất và cung cấp cho thị
trường các loại cảm biến đo từ trường và la bàn điện tử chuyên dùng cho ngành hàng hải
như Honeywell [2], PNI Sensor Corporation [3], KVH Industries INC [4], Sperry Marine
[15],... Giá thành của thiết bị la bàn điện tử chuyên dùng dao động từ vài trăm đến vài
nghìn thậm chí vài chục nghìn USD tùy thuộc vào độ phân giải và các tính năng của của
thiết bị. Các thông số của la bàn điện tử hiện đại đang được bán trên thị trường hiện nay
được cung cấp các hãng này thường liên quan đến độ chính xác từ trường của các cảm biến
từ trường sử dụng trong cảm biến như model 3-Axis Digital Compass IC HMC5843 [6],
HMC5843, Three-axis Compass with Algorithms HMC6343 [7], của hãng Honeywell
được công bố cỡ milli-gauss (10-3 Oe). Độ chính xác góc đo của các la bàn này tốt nhất

hiện nay vào cỡ 10-1 độ [8]. La bàn là dụng cụ/thiết bị được sử dụng để xác định định hướng
trong không gian so với trục từ trường trái đất.
Hiện nay thị trường la bàn rất rộng, gồm nhiều loại la bàn khác nhau hoạt động dựa
trên nhiều nguyên lý khác nhau, trong đó, phổ biến nhất hiện nay vẫn là la bàn hoạt động
dựa trên nguyên lý đo từ trường trái đất. Đây là la bàn sử dụng cảm biến nhạy từ trường
trong dải từ trường trái đất. Độ chính xác góc đo do độ chính xác từ trường đo của cảm
biến đo từ trường được sử dụng. Với các la bàn điện tử, thường được sử dụng tích hợp cảm
biến dạng 2 trục từ các cảm biến đo từ trường đơn trục. Bản chất của việc đo này là đo
6


đồng thời 2 thành phần từ trường trái đất trong mặt phẳng nằm ngang để từ đó cho ta biết
góc định hướng của các trục cảm biến này so với véc tơ từ trường trái đất trong mặt phẳng
nằm ngang.
Trong phần này sẽ tập trung trình bày các loại la bàn được sử dụng dựa trên các cảm
biến đo từ trường trái đất dựa trên các nguyên lý khác nhau để cùng làm rõ ưu điểm, nhược
điểm và phạm vi sử dụng của từng loại.
La bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall bán dẫn
Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall. Khi cho một dòng điện chạy qua
một vật dẫn là chất bán dẫn được đặt trong từ trường ngoài, ở hai mặt đối diện vuông góc
với chiều dòng điện sẽ xuất hiện chênh lệch điện áp [10].
Cảm biến Hall bán dẫn có ưu điểm là chi phí thấp, kích thước nhỏ và tiêu thụ điện
năng 100-200 mW. Cảm biến này được chế tạo dựa trên bán dẫn oxit kim loại
(Complementary Metal-Oxide Semiconductor CMOS) có thể đo từ trường không đổi hoặc
từ trường biến thiên với dải nhiệt độ đo từ -100 đến 100 C [21]. Tuy nhiên, cảm biến dựa
trên hiệu ứng Hall có độ phân giải thấp 1-100 mT. Hiện nay la bàn hoạt động dựa trên hiệu
ứng Hall được sử dụng khá phổ biến [17]

Hình 1.4. Sơ đồ hiệu ứng Hall
La bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng cảm ứng từ

La bàn flux-gate là một la bàn điện tử trạng thái rắn để đo từ trường trực tiếp của trái
đất, dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. La bàn flux-gate có đầu dò là 3 cảm biến XYZ
lắp vuông góc với nhau, còn gọi là 3 thành phần. Máy có cơ cấu đo độ nghiêng
(inclinometer) dạng quả dọi. Cơ cấu đo độ nghiêng điều khiển xoay cho cảm biến Z trùng
hướng quả dọi, để cảm biến X, Y ở mặt nằm ngang. Nếu cảm biến Y được điều khiển xoay

7


đến khi trường thu được bằng 0 thì trục cảm biến X chỉ phương bắc nam từ. Nếu không có
cơ cấu xoay ngang, thì phải đo từ trường theo hướng XY rồi tính góc của vector tổng.
Cảm biến flux-gate có cấu tạo gồm một lõi sắt từ mềm hình xuyễn có độ tự cảm lớn
xung quanh được cuốn bởi hai cuộn dây: Cuộn kích thích và cuộn tín hiệu (Hình 1.5). Cuộn
kích thích có dòng xoay chiều AC chạy qua, cuộn dây này sẽ tạo ra từ trường xoay chiều
khép kín chạy vòng xung quanh lõi sắt từ hình xuyến. Cuộn tín hiệu được quấn xung quanh
lõi sắt từ mềm và cuộn kích thích để thu tín hiệu lối ra.

Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux–gate [4] và la bàn điện tử dựa trên hiệu ứng
cảm ứng điện từ
Cảm biến dựa trên hiệu ứng cảm ứng từ có thể đo từ trường một chiều hoặc xoay
chiều có tần số thấp, kích thước vào khoảng vài mm và điện năng tiêu thụ gần 100 mW.
Cảm biến loại này đòi hỏi chế tạo phức tạp của lõi từ và cuộn dây. Nhược điểm của cảm
biến loại này là khó thu nhỏ kích thước và khối lượng của cuộn dây cùng lõi sắt từ vì sẽ
làm giảm mạnh độ nhạy và độ ổn định của cảm biến [19]. Ưu điểm của cảm biến loại này
là công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ. Các mặt hạn chế của cảm biến loại này là cồng
kềnh, không bền và có thời gian đáp ứng chậm khoảng 2-3 giây nên khó có thể đáp ứng
được 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 [4].
La bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR
La bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở sử dụng các sensor 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 sesor có đặc trưng riêng. Gần đây, sensor từ-điện trở được sản xuất hàng loạt dưới
dạng mạch tích hợp với độ nhạy dưới 1 miliGass. Tuy nhiên, chúng làm việc trong vùng
từ trường lớn (thường chỉ làm việc trong khoảng từ 10-3 đến 100 mT) và để có được độ
nhạy cao, các sensor này cần phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp [2].
8


Sensor dực trên hiệu ứng AMR có nguyên tắc hoạt động dựa vào sự tán xạ của điện
tử theo hướng moment từ của vật liệu làm sensor. Hiệu ứng này phụ thuộc vào góc định
hướng giữa vector từ độ và dòng qua sensor. Nguyên lý hoạt động cơ bản của sensor từđiện trở dị hướng được minh họa trong Hình 1.6. Trong đó, màng mỏng sắt từ có dị hướng
từ đơn trục (trục dễ) –Ox được tạo ra nhờ dị hướng hướng hình dạng hoặc nhờ quá trình
phún xạ trong từ trường HBias (Hx). Dưới sự tác dụng của từ trường ngoài giả sử hướng dọc
theo trục Oy (Hy), các moment từ của vật liệu sẽ có xu hướng quay ra khỏi trục từ hóa dễ
của màng tạo ra một góc θ với trục dễ Ox. Góc này một cách gần đúng xác định bởi công
thức:
sin  

Hy
Hx

với Hy < Hx

(1.1)

Biểu thức này chỉ đúng khi màng mỏng lý tưởng mà sự từ hóa tự phát thay đổi bởi
sự quay đồng bộ. Sự phụ thuộc vào từ trường của điện trở có thể nhận được từ công thức:
R(H y )  R0  R cos 2 

Hình 1.6. Sơ đồ minh họa hiệu ứng ARM [1]
Sensor loại này có độ nhạy cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động tần số rộng đạ 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.
La bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR
Cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ của các màng đa lớp sắt
từ và không từ xen kẽ, có thế phát hiện từ trường trong dải đo từ 10 đến 108 nT [7]. Hiệu
ứng ARM thu được thấp (< 6%) trong khi hiệu ứng GMR cỡ 101-102 %. 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 thấp hơn. Cảm biến có kích thước nhỏ ~ 1 mm. Tuy nhiên cảm biến loại này
có thế bị phá hỏng khi chịu tác dụng của từ trường lớn gần 1 T và có nhược điểm là thông
số làm việc phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ nhiều hơn so với cảm biến AMR [22].
9


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 để có độ nhạy cao, các sensor này cần
phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp [1].
La bàn hoạt động dựa trên cảm biến sợi quang
La bàn loại này sử dụng đầu đo là các cảm biến từ trường, hoạt động dựa trên nguyên
lý đo quang. Những cảm biến này khai thác các hiệu ứng cộng hưởng để phát hiện từ trường
thông qua lực Lorentz và kỹ thuật cảm biến quang học. Cảm biến sử dụng phát hiện quang
học để đo độ võng của thanh xylophone dưới tác dụng của từ trường ngoài (Hình 1.7).
Thanh xylophone được cấp dòng điện Iac, dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài sẽ sinh ra
lực Lorentz tác dụng lên thanh xylophone. Nếu Iac kích thích có tần số bằng với tần số dao
động cộng hưởng của thanh micro thì độ võng của nó được tăng lên. Độ lệch phụ thuộc
vào độ lớn của từ trường bên ngoài, được đo bằng máy đo sử dụng laser. Do đó, các tín
hiệu từ tính là tỷ lệ thuận với độ võng của thanh micro xylophone. Cảm biến có kích thước
dài, rộng, dày 5000 500 250 µm, có độ phân giải khoảng 1 nT và điện năng tiêu thụ chỉ vài

milliwatt [23].
Cảm biến sợi quang có kích thước nhỏ gọn, công suất tiêu thụ thấp, có thể phát hiện
từ trường từ 10-2 đến 106 nT [8], phạm vi hoạt động rộng, chi phí thấp, nó hoạt động như
một giao thoa kế, đo sức căng của sợi quang trong từ trường ngoài. Bên cạnh đó cảm biến
sợi quang dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất thay đổi. Do kích thước nhỏ nên chúng
gặp khó khăn trong quá trình chế tạo, các mạch tín hiệu phức tạp.

Hình 1.7. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của microsensor từ trường dựa trên phát hiện
quang học thiết kế bởi Zanetti (1998 ) [23]

10


1.5. La bàn điện tử dựa trên vật liệu multiferroic có hiệu ứng từ giảo-áp điện
Tổng quan hiệu ứng từ-điện
Để làm phong phú thêm thị trường la bàn điện tử, việc tìm ra hiệu ứng mới, vật liệu
mới khắc phục các yếu điểm và tăng cường ưu điểm thay thế các vật liệu và hiệu ứng truyền
thống là cần thiết. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, cảm biến đo từ trường dựa trên
hiệu ứng ứng từ giảo-áp điện thể hiện nhiều ưu điểm so với các cảm biến đo từ trường
truyền thống nói trên như phản ứng tuyến tính với từ trường đo, nhạy với định hướng và
cường độ từ trường, không có hiện tượng trễ từ khi sử dụng vật liệu từ siêu mềm, có khả
năng tự động chuẩn hóa và tự động trừ nền offset nhờ đặc tính đảo pha và có thể làm việc
trong các điều kiện thời tiết khác nhau của môi trường cho các ứng dụng thực tiễn.
Hiệu ứng từ-điện là sự kết hợp đồng thời của cả hai hiệu ứng từ giảo và áp điện và
thường được quan sát thấy trên các vật liệu Multiferroics - vật liệu lưỡng pha sắt từ-sắt
điện - với sự tồn tại đồng thời của cả tính chất từ, tính chất từ đàn hồi và tính chất áp điện.
Nhờ có liên kết cơ học giữa hai pha này, dưới tác dụng của từ trường ngoài, pha từ sẽ bị
biến dạng (dài ra hoặc co ngắn lại) do hiệu ứng từ giảo, biến dạng này sẽ truyền ứng suất
lên tấm áp điện và làm xuất hiện điện tích trên hai mặt đối diện của tấm áp điện do hiệu
ứng áp điện (Hình 1.8). Bằng các thiết bị đo (máy khuếch đại điện tích) ta có thể xác định

được lượng điện tích được tạo ra này. Điện lượng này thay đổi phụ thuộc vào ứng suất hay
phụ thuộc vào từ trường tác dụng. Thông qua việc đo điện lượng (điện trường hay hiệu
điện thế) được tạo ra này ta có thể xác định được từ trường cần đo.

Hình 1.8. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu
Nguyên lý hoạt động đo từ trường của hiệu ứng từ giảo-áp điện
Để đo từ trường dựa trên hiệu ứng này, cảm biến cần có từ trường xoay chiều kích
thích với biên độ nhỏ, tần số kích thích cùng với tần số dao động cơ học riêng của tấm áp
điện. Hình 1.9 minh họa nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ giảo-áp điện khi có mặt của
11


từ trường tác dụng. Từ trường một chiều DC gây ra biến dạng tĩnh của pha từ giảo và do
đó gây ra ứng suất tĩnh lên tấm áp điện làm xuất hiện điện tích trên 2 mặt của tấm áp điện.
Khi có thêm từ trường xoay chiều AC, vật liệu từ sẽ biến dạng kiểu dao động sinh ra ứng
suất động trên tấm áp điện và do vậy làm xuất hiện điện tích/điện áp xoay chiều lối ra dao
động cùng tần số với tần số từ trường xoay chiều kích thích. Chính nhờ nguyên lý hoạt
động này mà cảm biến này có ưu điểm thế điện áp lối ra có dạng tuyến tính với từ trường
một chiều ( V ~ H DC ) trong dải từ trường thấp do đặc trưng biến dạng từ giảo tĩnh thay đổi
2
theo qui luật phụ thuộc dạng parabol với từ trường một chiều (  DC ~ H DC
) do đó điện áp

xoay chiều lối ra do ứng suất động qui định sẽ có dạng tuyến tính theo từ trường một chiều
tác dụng.
Sau các nghiên cứu trên các vật liệu từ giảo và áp điện đã được thực hiện nghiên
cứu nhiều năm bởi nhóm nghiên cứu tại Khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano theo
hướng tối ưu các điều kiện công nghệ và thiết kế chế tạo để hoàn thiện chế tạo vật liệu từ
giảo/áp điện chế tạo cảm biến nhạy từ trường với độ nhạy và phân giải cao lên tới 10-4 Oe
(10 nanoTetsla), việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển cảm biến loại này cho ứng dụng

định vị đo định hướng so với từ trường trái đất trong mặt phẳng ngang làm cơ sở để chế
tạo la bàn sẽ được triển khai nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn này.

Hình 1.9. Hình minh hoạt hoạt động của hiệu ứng từ giảo – áp điện dưới tác dụng của từ
trường một chiều DC và từ trường xoay chiều kích thích AC

12


PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Trên Hình 2.1 là sơ đồ minh họa qui trình chế tạo thiết bị la bàn điện tử được nghiên
cứu, chế tạo và lắp ráp được thực hiện trong luận văn. Qui trình rút gọn gồm các bước từ
chế tạo vật liệu, đầu đo đến đóng gói thiết bị hoàn thiện theo mẫu mã, kiểu dáng công
nghiệp. Trong đó có hai công đoạn là gia công mạch điện tử và điều chỉnh, cải thiện mạch
điện tử được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của Viện Điện trường đại học Bách khoa Hà
Nội cùng với sự tham gia của học viên trong các công tác đo thử nghiệm và xây dựng thuật
toán xử lý góc của mạch điện tử và vi xử lý.
Trong quá thiết kế mạch, mạch được chạy thử nghiệm và kiểm tra các khối chức năng
sử dụng dao động ký điện tử osciloscope (Techtronic DP) 4032 để quan sát trên màn hình
và lưu trữ số liệu, kết nối với USB để lấy số liệu.

Hình 2.1. Quy trình chế tạo la bàn điện tử
2.1. Lựa chọn nguyên vật liệu
Tấ m áp điê ̣n PZT mang mã số APCC-855 có độ dày 500 µm, được cung cấp bởi công
ty American Pezoceramics Inc., PA, USA) (Hình 2.2) [5]. Băng từ có thành phần
Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 được chế tạo tại PTN Đại học Busan, Hàn Quốc bằng phương pháp
nguội nhanh (melt-spinning) cho cấu trúc vô định hình ở dạng băng mỏng (Hình 2.3). Chiều
dày của băng từ được sử dụng là 18 µm. Thành phần hợp kim này đã được lựa chọn với
tính chất từ và từ giảo siêu mềm cho các ứng dụng nhạy từ trường thấp [3].
13

Hình 2.2. Hình thực tế tấm áp điện PZT

Hình 2.3. Hình thực tế băng từ metglas
2.2. Chế tạo đầu đo cảm biến
Cắt vật liệu theo kích thước với độ chính xác cao
Để cắt vật liệu tấm áp điện PZT và băng từ Metglas, máy cắt phiến tự động
SHERLINE model 5410 (SHERLINE, Hoa Kỳ) đã được sử dụng (Hình 2.4). Thiết bị có
khả năng điều khiển thủ công hoặc điều khiển tự động thông qua máy tính cho độ chính
xác của kích thước cắt đạt tới µm (thông số được cung cấp bởi nhà sản xuất). Trong luận
văn này, tôi lựa chọn tấm áp điện PZT có kích thước 16x1 mm2 và băng từ Metglas có kích
thước 15,5x1 mm2.

Hình 2.4. Hình thực tế máy cắt tự động SHERLINE model 5410

14


Chế tạo vật liệu
Kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có từ trước của nhóm nghiên cứu tại Trường Đại
học Công Nghệ, các bước chế tạo vật liệu được thực hiện theo qui trình 4 bước như mô tả
trên Hình 2.5.

Hình 2.5. Hình minh họa qui trình chế tạo cảm biến đơn trục dựa trên hiệu ứng từ giảoáp điện
-

Bước 1 + 2: Cắt tấm áp điện PZT và băng từ Metglas với kích thước lần lượt là 16x1
mm2 và 15,5x1 mm2 bằng máy cắt tự động SHERLINE. Phần kích thước của PZT
dài hơn của băng từ 0.5 mm dành cho vị trí gắn điện cực.

-

Bước 3: Gắn băng từ Metglas lên tấm áp điện PZT bằng keo epoxy 2 thành phần.

-

Bước 4: Hàn điện cực bằng đồng trên mặt của tấm áp điện đã được phủ sẵn lớp điện
cực bằng Bạc để thu tín hiện lối ra từ tấm áp điện này.

Trên Hình 2.6 là ảnh chụp vật liệu sau khi được được chế tạo và hàn điện cực hoàn
thiện. Trên Hình 2.7 là ảnh chụp SEM mặt cắt ngang của vật liệu được chế tạo với cùng
qui trình công nghệ.

Hình 2.6. Vật liệu từ giảo-điện sau khi được chế tạo và hàn điện cực hoàn thiện

15


Hình 2.7. Ảnh hiển vi điện tử quét của cấu trúc vật liệu từ điện dạng bánh kẹp: lớp vật
liệu từ giảo (độ dày 18 μm), lớp epoxy (adheshive layer, độ dày 7 μm), véc tơ hac và P
chỉ hướng của từ trường xoay chiều và độ phân cực điện
Chế tạo đầu đo cảm biến
Vật liệu tổ hợp sau khi chế tạo hoàn thiện theo qui trình ở phần 2.2.2 được sử dụng
để chế tạo cảm biến theo qui trình như trình bày dưới đây:
-

Bước 1 : Cuộn solenoid làm bằng một sợi dây đồng liền mạch đường kính 60 μm
có vỏ bọc cách điện và được cuốn thành hình trụ có chiều dài 17 mm, có đường kính
trong, ngoài lần lượt là 1,2 mm và 1.3 mm, mật độ vòng dây là 10.5 vòng/mm.

-

Bước 2: Lồng vật liệu tổ hợp Metglas/PZT ở bước 3 vào bên trong lõi của cuộn
cuộn dây solenoid ở bước 5.

-

Bước 3: Đưa vật liệu tổ hợp Metglas/PZT đã lồng vào cuộn dây solenoid vào lớp
vỏ bảo vệ làm nhựa mica không có ảnh hưởng từ, với kích thước 20x20 mm2.

-

Bước 4: Hoàn thiện cảm biến, gắn keo bảo vệ và hàn các điện cực cho cảm biến.
Cuộn solenoid có nhiệm vụ tạo từ trường xoay chiều (hac) kích thích. Với chiều dài

17 mm, dài hơn băng từ metglas 15,5 mm, đảm bảo tạo từ trường đồng đều và lên toàn bộ
băng từ metglas. Kích thước đường kính trong là 1,2 mm giúp không ảnh hưởng đến dao
động của vật liệu tổ hợp.
Cảm biến sau khi chế tạo gồm có 2 cảm biến đơn đặt trực giao vuông góc với nhau
(sensor 1 và sensor 2) trong mặt phẳng nằm ngang. Vỏ bảo vệ làm bằng nhựa mika để
không có ảnh hưởng từ lên cảm biến. Được gắn lên đế, có 18 chân điện cực, tạo thành một
mô đun riêng biệt. Có thể dễ dàng gắn cố định, và tháo lắp, thay thế lên mô đun xử lý tín
hiệu (Hình 2.8).

16