Ứng dụng hiệu ứng van spin để đo lường hay chuyển mạch điện tử bằng áp lực áp suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU (ITIMS)

ĐẶNG VĂN KHANH

ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG VAN SPIN ĐỂ ĐO LƯỜNG HAY
CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ BẰNG ÁP LỰC/ÁP SUẤT
Chuyên ngành : Khoa học và kỹ thuật vật liệu điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Nguyễn Anh Tuấn

Hà Nội – Năm 2011


MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Các thuật ngữ viết tắt
Mục lục hình vẽ
Mở đầu ………………………………………………………………

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ………………………………………....

4

1.1. Giới thiệu một số phương pháp đo áp suất ………………………..…

4

1.1.1. Khái niệm ………………………………………………..……..

4

1.1.2. Nguyên tắc đo áp suất …………………………………………

5

1.1.3. Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu cơ học………………………………

5

1.1.4. Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu cơ điện…………………………..…

7

1.1.5. Một Một số dụng cụ đo áp suất dùng trong công nghiệp ………...…

9

1.2. Cơ sở lý thuyết về từ điện trở GMR …………………………….……

11

1.2.1. Hiện tượng từ - điện trở (MR) ……………………………..……

11

1.2.2. Hiện tượng từ - điện trở khổng lồ (GMR) ………………………

14

1.2.3. Các mô hình giải thích hiện tượng ………………………………

16

1.3. Hiệu ứng van spin …………………………………………….………

20

1.3.1. Cấu trúc van spin ……………………………………….……….

20

1.3.2. Cơ chế hoạt động của van spin …………………………………

26

1.3.3. Một số cảm biến van spin đã được sử dụng ……………………

28

1.4. Một số ứng dụng của hiệu ứng van spin ………………………..……

31

1.4.1. Đo cường độ dòng điện ……………………………….…………

31

1.4.2. Chế tạo la bàn điện tử …………………………………...………

31

1.4.3. Bộ chuyển đổi từ - điện sử dụng cảm biến van spin ….………

32

1.4.4. Đầu đọc sử dụng hiệu ứng van spin ……………………..……

32

1.4.5. Spin Transistor …………………………………………………

33


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
AC
ADC
AF

AMR
FM
GMR
IBM
ITIMS
LCD
MR
MRAM
NM
TMR
USP
Từ viết tắt
AC
ADC
AF
AMR
FM
GMR
IBM
ITIMS
LCD
MR
MRAM
NM
TMR
USP

Chữ cái tiếng Anh đầy đủ
Alternating Current
Analog to digital converter

Antiferromagnetic
Anisotropic Magnetoresistance
Ferromagnetic
Giant Magnetoresistance
Internationnal Business Machines
International Training Institute For Materials Science
Liquid crystal display
Magnetoresistance
Magnetoresistive Random Access Memory
Non Magnetic
Tunneling magneto resistance
Universal Serial Bus
Nghĩa của từ viết tắt
Dòng điện xoay chiều
Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
Phản sắt từ
Từ điện trở dị hướng
Sắt từ
Từ điện trở khổng lồ
Tập đoàn thương mại máy tính đa quốc gia
Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu
Màn hình tinh thể lỏng
Từ điện trở
Bộ nhớ từ truy cập ngẫu nhiên
Phi từ tính
Từ điện trở xuyên ngầm
Chuẩn kết nối tuần tự trong máy tính


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - BẢNG SỐ LIỆU

Số hình vẽ

Nội dung hình vẽ

Trang

Hình 1.1.1 : Áp kế “Buốc đông”.

5

Hình 1.1.2 : Áp kế chữ U.

5

Hình 1.1.3 : Khí áp kế thủy ngân.

6

Hình 1.1.4 : Một số áp kế cơ học truyền thống.

6

Hình 1.1.5 : Nguyên lý bồ biến đổi kiểu vi sai.

7

Hình 1.1.6 : Cơ cấu đo áp suất kiểu áp điện(nhóm1).

8

Hình 1.1.7 : Cơ cấu đo áp suất kiểu áp điện(nhóm2).

9

Hình 1.1.8 : Áp kế điện tử EJA440A.

9

Hình 1.1.9 : Một số thiết bị đo áp suất dùng trong công nghiệp.

10

Hình 1.2.1 : Mô hình thí nghiệm về hiệu ứng MR trên tấm InSb.

12

Hình 1.2.2 : Từ điện trở của 3 siêu mạng từ Fe/Cr đo được ở 4,2K.

13

Hình 1.2.3 : Mô hình một số cấu trúc GMR.

15

Hình 1.2.4 : Mô hình đường cong mô tả hiệu ứng GMR.

16

Hình 1.2.5 : Cơ chế tán xạ điện tử với các Spin khác nhau.

18

Hình 1.2.6 : Sơ đồ mật độ trạng thái điện tử và quá trình vận chuyển spin

19

Hình 1.3.1 : Mô tả cấu trúc van spin không ghim.

21

Hình 1.3.2 : Đường cong từ hóa của van spin không ghim.

22

Hình 1.3.3 : Đường cong từ hóa và đường R(H) của van spin Co/Au/Co.

23

Hình 1.3.4 : Cấu trúc của màng mỏng đa lớp.

24

Hình 1.3.5 : Một số cấu trúc van spin có ghim.

25

Hình 1.3.6 Đường cong từ hóa mẫu có tương tác NiFe/FeMn và NiFe/NiO

25

Hình 1.3.7 :Đường cong từ hóa, đường quan hệ MR của van spin có ghim

26

Hình 1.3.8 : Đặc tuyến mô tả mối quan hệ giữa R(φ) của cấu trúc van spin

27

Hình 1.4.1 : Cấu hình bố trí cảm biến và cuộn dây để đo dòng điện.

31


Hình 1.4.2 : Ứng dụng cảm biến van spin để đóng /ngắt mạch điện.

32

Hình 1.4.3 : Ứng dụng cảm biến van spin trong đấu đọc ổ đĩa cứng.

32

Hình 1.4.4 : Cấu trúc bộ nhớ M-RAM công nghệ mới.

33

Hình 2.1.1 : Thiết bị đo đặc trưng từ trường theo khoảng cách.

34

Hình 2.1.2 Dụng cụ đo, khảo sát đặc trưng điện áp ra của cảm biến V(...)

34

Hình 2.2.1 : Cấu hình khảo sát đặc trưng từ trường theo khoảng cách/góc

36

Hình 2.2.2 : Hệ đo và khảo tín hiệu ra của cảm biến van spin.

38

Hình 2.3.1 : Sơ đồ khối thiết bị đo áp suất/chuyển mạch điện tử.

39

Hình 2.3.2 : Mạch khuếch đại tín hiệu cho cảm biến.

41

Hình 2.3.3 : Mạch vi xử lý giao tiếp máy tính và hiển thị kết quả trên LCD

42

Hình 2.3.4 : Sơ đồ nguyên lý mạch điện cho thiết bị đo áp suất.

43

Hình 2.3.5 : Sơ đồ boar mạch in của thiết bị đo áp suất.

43

Hình 2.3.6 : Sơ đồ bố trí linh kiện của thiết bị đo áp suất.

44

Hình 2.3.7 : Thiết bị đo và điều khiển bằng áp suất đã được chế tạo.

44

Hình 2.4.1 : Bình khí nén (JUN-AIR) dùng để chuẩn hóa thiết bị đo.

47

Hình 2.4.2 : Giao diện hiển thị kết quả đo trên máy tính.

49

Hình 3.1.1 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(a).

50

Hình 3.1.2 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(b).

52

Hình 3.1.3 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(c).

52

Hình 3.1.4 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(d).

53

Hình 3.1.5 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(f).

54

Hình 3.1.6 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(g).

55

Hình 3.2.1 : Cách xác định thông số đặc trưng của cảm biến van spin.

57

Hình 3.2.2 : Đường đặc trưng V(H) của cảm biến van spin.

58

Hình 3.2.3 : Đường đặc trưng V(d) của cảm biến van spin (dx = 4,7mm).

59

Hình 3.2.4 : Đường đặc trưng V(d/2) của cảm biến van spin (dx = 2,5mm)

61

Hình 3.2.5 : Đường đặc trưng theo góc quay V(φ) của cảm biến.

61

Hình 3.2.6 : Đường đặc trưng V(φ) với hai nguồn từ trường khác nhau.

62

Hình 3.2.7 : Đặc trưng điện áp ra của cảm biến theo áp suất V(P).

63

Hình 3.3.1 : Hình ảnh của thiết bị đo áp suất Pr-MR.01 nhìn theo ba chiều.

65

Hình 3.3.2 : Đặc trưng V(H) của thiết bị đo áp suất.

66

Hình 3.3.3 : Đặc trưng V(d) của thiết bị đo áp suất.

67

Hình 3.3.4 : Đặc trưng V(P) của thiết bị đo áp suất.

68

Hình 3.5.1 : Cấu tạo của đầu đo hay van chuyển mạch chân không.

71

Số bảng

Nội dung bảng số liệu

Trang

Bảng 2.4.1 : Thực nghiệm đánh giá sai số của thiết bị đo áp suất Pr-MR.01

48

Bảng 3.4.1 : Thông số kỹ thuật chính của thiết bị đo Pr-MR.01

69


CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ……………………………….……

34

2.1. Một số thiết bị đã được sử dụng ………………………………………

34

2.2. Thiết lập các phép đo ……………………………………………….....

35

2.2.1. Cấu hình đo, khảo sát từ trường theo khoảng cách, theo góc .....

35

2.2.2. Cấu hình đo đặc trưng của cảm biến……………………….........

37

2.3. Thiết kế mạch cho thiết bị đo áp suất ……………………….…….…

38

2.3.1. Thiết kế sơ đồ khối. …………………………………….…..….…

38

2.3.2. Thiết kế mạch nguyên lý/ mạch in và bố trí linh kiện …….……

40

2.3.3. Xây dựng phần mềm và thử nghiệm ……………………….……

45

2.4. Hiệu chuẩn thiết bị đo ……………………………………………….…

47

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ………………………….

50

3.1. Các đặc trưng của từ trường theo khoảng cách H(d)...........................

50

3.2. Các đặc trưng của cảm biến van spin ……………………………..…

56

3.2.1. Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo từ trường V(H) ….……

58

3.2.2. Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo khoảng cách V(d) ..…..

59

3.2.3. Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo góc quay V(φ) ……..…

61

3.2.4. Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo áp suất V(p) ……….…

63

3.2.5. Nhận xét chung về cảm biến van spin ………………………….

64

3.3. Thiết bị đo/chuyển mạch bằng áp suất Pr-MR.01và các đặc trưng của thiết bị

64

3.3.1. Thiết bị đo /chuyển mạch áp suất Pr-MR.01

64

3.3.2. Đặc trưng tín hiệu ra của thiết bị theo cường độ từ trường V(H)

66

3.3.3. Đặc trưng tín hiệu ra của thiết bị theo khoảng cách V(d) ……

67

3.3.4. Đặc trưng tín hiệu ra của thiết bị theo áp suất V(p) ……………

68

3.4. Các thông số kỹ thuật của thiết bị đo áp suất……………………….…

69

3.5. Một số đề xuất nhằm hoàn thiện thiết bị đo ………………………….

71

KẾT LUẬN CHUNG…………………………………………….……

73

TÀI LIỆU THAM KHẢO

75


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

LỜI MỞ ĐẦU
Hiệu ứng GMR là một hiện tượng vật lý mới xảy ra ở một số màng mỏng từ có
cấu trúc đa lớp gồm các lớp sắt từ xen kẽ bới các lớp kim loại phi từ, trong đó có sự
thay đổi lớn về giá trị điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần
đầu tiên được phát hiện vào các năm 1986 và 1988 bởi 2 nhóm nghiên cứu, là nhóm của
Peter Grünberg thuộc trung tâm nghiên cứu Jülich(Đức) trên màng mỏng Fe/Cr/Fe; và
bởi nhóm của Albert Fert ở Đại học Paris-Sub trên các màng đa lớp Fe/Cr. Bản chất của
hiện tượng vật lý này là do sự tán xạ phụ thuộc spin của điện tử gây ra, đã mở đầu cho
việc hình thành nên một hướng nghiên cứu mới của lĩnh vực điện tử học trong đó spin
là đối tượng được sử dụng trong các linh kiện điện tử thế hệ mới: Các linh kiện
spintronics.
Khái niệm về hiệu ứng van spin xuất phát từ hiệu ứng GMR trong các màng
mỏng từ có cấu trúc đa lớp như đã trình bày ở trên. Có thể thấy rằng trạng thái điện trở
của hệ phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của véc tơ từ độ trong các lớp sắt từ,
nghĩa là trạng thái véc tơ từ độ giữa các lớp sắt từ mà song song nhau thì chỉ cho phép
dòng của một kênh spin đi qua và ngược lại nếu phản song thì không cho phép dòng
của bất kỳ kênh spin nào đi qua, nói cách khác, từ độ của các lớp sắt từ hoạt động như
một chiếc van đóng mở cho các kênh spin [6].
Trên thế giới hiệu ứng Van spin đã được biết đến ngay sau năm 1988 – 1989 và
đã được đưa vào ứng dụng trong các linh kiện điện tử mới như các cảm biến từ trường
ứng dụng trong các ổ đĩa cứng của máy vi tính, trong các bộ nhớ MRAM, trong la bàn
điện tử, máy dò kim loại và các thiết bị giám sát an ninh tại các khu vực sân bay, khách

sạn v.v… Các cảm biến này thường rất nhạy với từ trường yếu và có ưu điểm là tiêu thụ
năng lượng ít, làm việc ổn định tốt theo nhiệt độ.
Hiện nay việc nghiên cứu thử nghiệm chế tạo cảm biến van spin và tiếp cận ứng
dụng công nghệ spintronics ở nước ta đã được tiến hành tại viện ITIMS thông qua hoạt
động của nhóm Vật lý spin và Công nghệ spintronics. Tuy nhiên trong đời sống thực tế

Đặng Văn Khanh

-1-


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

việc ứng dụng cảm biến van spin vào chế tạo các thiết bị đo lường, điều khiển hay
chuyển mạch điện tử vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Do vậy nhiệm vụ được giao
cho đề tài của luận văn là nghiên cứu, ứng dụng hiệu ứng van spin để chế tạo thiết bị đo
lường hay chuyển mạch điện tử bằng áp suất, nhằm bước đầu thử nghiệm công nghệ
điện tử mới, công nghệ spintronics, một lĩnh vực của công nghệ cao ứng dụng vào đời
sống. Trong ứng dụng này, van spin đóng vai trò là phần tử chuyển đổi tín hiệu từ
trường thành dạng tín hiệu điện, sau đó được khuếch đại và xử lý thông qua việc lập
trình để vừa hiển thị số liệu trên màn hình LCD, vừa ghép nối để hiển thị trên máy tính
và có thể điều khiển chuyển mạch điện tử cho các thiết bị khác ở bên ngoài.Vì vậy đề
tài của luận văn có tên là:
“Ứng dụng hiệu ứng van spin để đo lường hay chuyển mạch điện tử bằng áp
lực/áp suất”
Vấn đề đo áp suất hay chuyển mạch điện tử dựa vào nguyên lý hoạt động của
cảm biến van spin, chính là dựa vào nguyên lý đo cường độ từ trường khi khoảng cách
thay đổi bằng độ lớn của hiệu ứng GMR, từ đó chuyển đối thành dạng tín hiệu điện. Vì

vậy nghiên cứu đề tài này trước hết là tìm hiểu về bản chất vật lý của hiệu ứng GMR,
nguyên lý đo cường độ từ trường bằng hiệu ứng GMR, cấu trúc của một van spin và
cấu tạo của một cảm biến điện tử dựa trên van spin cũng như nguyên lý hoạt động của
nó. Tiếp theo là khảo sát các đặc tuyến tín hiệu của cảm biến van spin sử dụng trong
luận văn với cường độ từ trường tác dụng lên cảm biến được thay đổi theo khoảng cách,
từ đó thiết kế mạch điện khuếch đại thích hợp với tín hiệu ra của cảm biến van spin,
thường có giá trị thay đổi nằm trong vùng từ 0V đến 5V, ứng với một khoảng cường độ
từ trường xác định; trên cơ sở đó tiến hành thử nghiệm, thiết kế và chế tạo hoàn thiện
một thiết bị có thể đo được giá trị áp suất trong đường ống dẫn khí hoặc áp suất trong
bình khí có phạm vi từ (0,4 ÷ 5) bar với độ phần giải 0,1 bar và sai số tuyệt đối ∆b =
0,095 bar hay sai số tương đối quy đổi δ ≈ 1,9 %.

Đặng Văn Khanh

-2-


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

Kết cấu của luận văn gồm các chương sau :
Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày về một số phương pháp đo lường áp suất truyền thống, lấy
đó làm cơ sở cho việc so sánh với giải pháp đo lường áp suất ứng dụng cảm biến van
spin, trình bày nguyên lý cơ bản về hiệu ứng GMR và các mô hình giải thích hiệu ứng,
cơ sở lý thuyết về van spin và đồng thời nêu lên một số ứng dụng tiêu biểu của cảm
biến van spin đã có trong thực tế.
Chương 2: Phương pháp thực nghiệm
Chương này trình bày các phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm được sử dụng

trong nghiên cứu. Xây dựng các cấu hình khảo sát đặc trưng của từ trường theo khoảng
cách với loại cảm biến SV-01, khảo sát các đặc trưng của cảm biến này theo từ trường,
xây dựng cấu trúc và các chức năng của thiết bị, thiết kế lắp ráp các mạch điện tử và
các giải pháp hiệu chỉnh, thiết kế phần mềm giao diện cho thiết bị đo áp suất, chuẩn hóa
và xác định độ chính xác cho thiết bị.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu trên cảm biến và thiết bị chế tạo
được, phân tích, nhận xét các kết quả đo các đường đặc trưng đối với cảm biến theo từ
trường, theo khoảng cách và theo áp suất; nhận xét kết quả đối với các đường đặc trưng
của thiết bị, xác định các thông số kỹ thuật của thiết bị đo áp suất và một số giải pháp
đề suất nhằm phát triển tính năng sẵn có của thiết bị.
Kết luận chung
Tài liện tham khảo

Đặng Văn Khanh

-3-


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu một số phương pháp đo áp suất
1.1.1. Khái niệm
- Áp suất (P) là tỷ số của lực tác dụng (F) vuông góc lên bề mặt vật có diện tích
(S) nào đó. Áp suất này phụ thuộc vào bản chất của chất lưu, phụ thuộc thể tích mà nó
chiếm chỗ sau khi đưa vào bình chứa, phụ thuộc vào nhiệt độ vv…

- Khi nói đến áp suất thường người ta nói đến áp suất dư là chủ yến hơn là áp
suất khí quyển [3]. Vậy áp suất dư là gì? nó chính là hiệu của áp suất tuyệt đối cần đo
với áp suất khí quyển và đây cũng là đối tượng mà đề tài đang quan tâm.

- Một số giá trị tương quan giữa các đại lượng đo áp suất:

Đặng Văn Khanh

-4-


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

1.1.2. Nguyên tắc đo áp suất
- Đo áp suất chất lưu không chuyển động ( dùng áp kế kiểu lò xo)
- Đo áp suất chất lưu chuyển động ( dùng áp kế píttông)
- Đo áp suất lấy qua lỗ có tiết diện hình tròn được khoan trên thành bình.
- Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình hay màng ngăn do áp suất gây nên.
- Đo bằng một dạng cảm biến để chuyển đổi tính hiệu vào là áp suất ra là điện.
1.1.3. Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu cơ học
¾ Áp kế cơ học kiểu ống “buốc đông”
Nguyên tắc hoạt động của loại áp kế
này là: Khi có áp suất khí đưa vào làm cho
ống “buốc đông”dẫn khí bị giãn nở với
khoảng cách tùy theo áp lực khí. Sự giãn nở
của thanh “buốc đông”sẽ tác động đến cơ
cấu kim chỉ thị làm cho kim quay một góc
tương ứng với giá trị áp suất đưa vào áp kế.

¾ Áp kế cơ học kiểu chữ u : Là một loại áp kế có dạng chữ U, đo áp suất dựa
trên sự chênh lệch của cột chất lỏng được minh họa trên hình 1.1.2
Nguyên tắc hoạt động của loại áp kế
này là dựa vào độ chênh lệch áp suất của cột
chất lỏng, giá trị áp suất cần đo cân bằng
với độ chênh áp của cột chất lỏng.

Khi đo một đầu nối áp suất khí quyển, đầu
kia nối áp suất cần đo, ta đo được áp suất
dư, tuy nhiên cần đọc chính xác giá trị h1 và
h2 tại cùng một thời điểm.

Đặng Văn Khanh

-5-


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

¾ Áp kế thủy ngân: Là dụng cụ thường được dùng để đo áp suất khí quyển, đây
là dụng cụ do khí áp chính xác nhất.
Nguyên tắc hoạt động của loại áp kế
này là dựa trên sự chênh lệch độ cao cột
chất lỏng.
Đối với loại áp kế này thì nhiệt độ
môi trường xung quang rất quan trọng, do
vậy khi đo cần phải chú ý đến yếu tố nhiệt
độ môi trường để hiệu chỉnh khi cần thiết

¾ Áp kế kiểu màng mỏng, kiểu vi sai và kiểu màng xi phông:
Công nghệ ngày càng phát triển đòi hỏi cần phải có các thiết bị đo có độ chính
xác cao hơn, khi đó người ta lại sử dụng những thiết bị đo dựa trên cơ sở tự biến dạng
đàn hồi của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất. Các phần tử biến dạng thường
dùng là màng mỏng, lò xo hoặc ống xi phông như trên hình 1.1.4

¾ Áp kế kiểu màng mỏng , màng lò xo xi phông thường được dùng trong
trường hợp khi đo áp suất nhỏ, người ta thường dùng màng dẻo hình tròn phẳng hoặc
uốn nếp, chế tạo từ kim loại có tính đàn hồi cao hoặc vải cao su vv…Nguyên tắc đo và

Đặng Văn Khanh

-6-


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

hiển thị của những áp kế loại này là dựa vào sự biến dạng cơ học của màng, làm dịch
chuyển cơ cấu kim chỉ thị hoặc dựa vào sự chênh lệch về khoảng cách hay độ cao, từ đó
có thể xác định được giá trị của áp suất cần đo.
1.1.4. Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu cơ điện
Nhóm áp kế cơ điện được cấu tạo bằng sự kết hợp giữa cơ cấu cơ học và bộ phận
cảm nhận bằng tín hiệu điện, nhóm này về nguyên lý cấu tạo thì vậy nhưng cũng rất đa
dạng và hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi áp suất thành điện áp.
¾ Áp kế kiểu biến áp vi sai:
Nguyên lý hoạt động của bộ
biến đổi vi sai là dòng điện I1 chạy
trong cuộn sơ cấp sinh ra từ thông biến

thiên trong 2 nửa cuộn thứ cấp, làm
xuất hiện ở 2 nửa cuộn dây này các
suất điện động cảm ứng e1 và e2 . Khi
áp xuất thay đổi thì lò xo vòng sẽ dịch
chuyển lõi thép làm thay đổi điện áp
cảm ứng trên 2 cuộn thứ cấp kéo theo
sự thay đổi điện áp đầu ra Ura .
¾ Áp kế kiểu áp điện:
Hiện nay để đo áp suất chất lỏng hoặc khí, người ta còn sử dụng các bộ biến đổi
kiểu áp điện và chia thành 2 nhóm:
- Nhóm thứ nhất: biến đổi áp suất cần đo thành sự dịch chuyển, đo khoảng các
dịch chuyển sẽ suy ra áp suất cần đo. Loại này thường kết hợp với các bộ chuyển đổi:
Điện dung, điện cảm, điện trở lực căng …, phạm vi đo (100 – 400 ) Mpa.
Bộ biến đổi kiểu điện dung: Nguyên lý các áp suất p1 và p2 của 2 môi trường đo
tác động lên màng (1), làm màng dịch chuyển giữa 2 bản cực tĩnh(2;3) và tạo ra tín hiệu

Đặng Văn Khanh

-7-


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

ra tỉ lệ với áp suất giữa 2 môi trường. (4) là chất điện môi; (5) là dầu silicon. Bộ biến đổi
kiểu điện dung có thể đo được áp suất đến 120Mpa, sai số cỡ ± (0,2 – 5)%.
Bộ biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm: Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi này
là dưới tác dụng của áp suất đo, màng dịch chuyển làm thay đổi khe hở từ giữa tấm sắt
từ và lõi từ của nam châm điện, do đó thay đổi độ tự cảm của cuộn dây, tín hiệu điện

cảm ứng tỉ lệ với áp suất tác dụng được đưa ra bên ngoài để xử lý và hiển thị kết quả.

- Nhóm 2 Dựa trên sự thay đổi tính chất của một số vật liệu khi chịu tác dụng của
áp suất: như áp kế điện trở, áp kế điện, áp kế từ vv.
Bộ biến đổi kiểu áp trở : Làm việc trong dải nhiệt độ từ - 400C đến 1250C phụ
thuộc vào độ pha tạp. Người ta cũng có thể bù trừ ảnh hưởng của nhiêt độ bằng cách
đưa thêm vào bộ chuyển đổi 1 bộ phận hiệu chỉnh được điều khiển qua đầu đo nhiệt độ.
Bộ biến đổi kiểu áp điện : Bộ chuyển đổi này dùng phần tử biến đổi là phần tử áp
điện, cho phép biến đổi trực tiếp ứng lực dưới tác động của lực F do áp suất gây nên
thành tín hiệu điện, minh họa trên hình 1.1.7

Đặng Văn Khanh

-8-


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

Đối với những dụng cụ đo thuộc nhóm cơ điện thì khả năng xử lý kết quả đo
cũng như truyền tín hiệu đi xa dễ dàng hơn, có thể hiển thị dưới nhiều hình thức khác
nhau, linh hoạt hơn và phù hợp trong môi trường tự động hóa cao.
1.1.5. Một số dụng cụ đo áp suất dùng trong công nghiệp
¾ “Áp kế điện tử” đo áp suất tương đối: EJA440A
Thiết bị này được tích hợp một mạch
vi xử lý có chức năng hiển thị kết quả trên
màn hình LCD. Một vài thông số kỹ thuật
- Dải đo: 1 ÷ 32 MPa
- Sai số : ± 0,12%

- Nguồn cấp: 9 ÷ 24VDC
- Dòng điện ra: 4 ÷ 20 mA
- Áp suất cực đại : 48 Mpa
- …..
Hình 1.1.8 : Áp kế điện tử EJA440A

Đặng Văn Khanh

-9-


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

¾ “Áp kế điện tử”: MTK IS - 20-S
Đây là loại áp kế điện tử có khoảng đo
khá rộng từ 50 ÷ 15.000 psi. Dòng điện ra
tương ứng là 4-20mA, loại áp kế này hoạt động
dựa trên nguyên lý của phẩn tử áp điện.
Khi áp suất tác dụng trực tiếp sẽ làm
thay đổi điện trở của màng, kéo theo sự thay
đổi tính chất điện và tín hiệu nay được gửi ra
bên ngoài để xử lý điều khiển hoặc hiển thị.
¾ Một số đồng hồ đo áp suất tích hợp: Loại này vừa hiển thị mà vừa gửi tín
hiệu điện ra bên ngoài để điều khiển các thiết bị khác, những loại đồng hồ này thường
dùng trong công nghiệp hay trong dây chuyển tự động hóa:

Như vậy ta thấy từ xa xưa cho đến ngày nay, người ta đã sử dụng rất nhiều loại
dụng cụ cũng như phương pháp đo áp suất, về cơ bản nó được chia ra thành 2 dạng

Đặng Văn Khanh

- 10 -


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

chính đó là: Áp kế cơ học thuần túy và áp kế cơ điện. Với áp kế cơ học thuần túy thì
nguyên tắc là dựa vào sự biến dạng của vật liệu tỷ lệ với áp suất, những biến dạng về cơ
học sẽ kéo theo cơ cấu kim để chỉ thị kết quả. Đối với áp kế cơ điện thì thực chất cũng
xuất phát từ sự biến dạng cơ học tỷ lệ với áp suất, kéo theo các cơ cấu biến đổi từ - điện,
tín hiệu này được đưa đến mạch xử lý và hiển thị kết quả.
Từ nhận định trên cho thấy, chúng ta hoàn toàn có thể ứng dụng cảm biến từ
trường để chế tạo một đồng hồ đo áp suất hoặc hơn thế là một thiết bị đo tích hợp áp
suất/ chân không vv… Vì vậy mục tiêu trong đề tài này sẽ nghiên cứu và ứng dụng một
số tính chất mới của ngành khoa học vật liệu để chế tạo ra thiết bị đo áp suất tích hợp bộ
chuyển mạch điện tử, đồng thời nó cũng là cơ sở để thực hiện hàng loạt những ứng dụng
tiếp theo dựa trên nền tảng của khoa học vật liệu.
1.2. Cơ sở lý thuyết về từ điện trở GMR
1.2.1. Hiện tượng từ - điện trở (MR)
Hiện tượng “từ - điện trở”, hay còn gọi tắt là “từ trở”, là tính chất của một số vật
liệu, có thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần
đầu tiên được phát hiện bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với sự thay
đổi điện trở không vượt quá 5%[26]. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở
thường (Magnetoresistance). Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều loại hiệu
ứng từ điện trở trong nhiều loại vật liệu khác nhau đem lại khả năng ứng dụng hết sức
to lớn. Để đánh giá độ lớn của hiệu ứng MR, thể hiện mức độ thay đổi điện trở suất khi

có từ trường so với khi không có từ trường tác dụng, người ta thường dùng khái niệm tỉ
số phần trăm từ trở MR(%) và nó được tính bởi công thức:
(1.1)
Đôi khi, trong một số thiết bị, tỉ sổ này cũng được định nghĩa bởi:
(1.2)

Đặng Văn Khanh

- 11 -


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

Trong đó : ρ(H), ρ(0), R(H), R(0) lần lượt là điện trở suất và điện trở tại từ trường H và
từ trường H = 0. Tương tự ở công thức thứ hai Hmax là từ trường cực đại. Hai cách định
nghĩa này hoàn toàn tương đương nhau.
Quá trình nghiên cứu về hiệu ứng MR người ta đã làm thí nghiệm trên tấm InSb
bằng cách dùng một từ trường tác dụng theo hướng vuông góc với bề mặt tấm InSb, sau
đó tiến hành đo giá trị điện trở của tấm InSb bằng thực nghiệm.

Mặt khác để tính toán các hiệu ứng đo người ta cũng có thể xác định thông qua
biểu thức sau:
(1.3)

Dưới tác dụng của từ trường ngoài thì tùy theo dấu và trị số của từ trường mà sẽ
làm cho giá trị của điện trở thay đổi theo, hiện tường này gọi là hiệu ứng từ trở. Như
vậy chứng tỏ từ trường ngoài đã làm ảnh hưởng tới độ linh động của điện tử dẫn trong
vật liệu.

Để giải thích cho hiện tượng này thì ta thấy rằng khi không có từ trường ngoài,
dòng điện có thể đi qua tấm InSb dễ dàng hình 1.2.1(a), Tuy nhiên nếu đặt vào đó một
từ trường nào đó thì tại đây sẽ xuất hiện một lực Lorentz tỷ lệ thuận với mật độ thông

Đặng Văn Khanh

- 12 -


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

lượng từ tính sẽ làm cho dòng điện đi lệch hướng hình 1.2.1(b), dòng điện đi trong
trường hợp này sẽ dài hơn là trường hợp của hình 1.2.1.(a),tương ứng với giá trị điện
trở tăng lên
(1.4)

Năm 1988, nhóm Albert Fert của trường Đại học Tổng hợp Nam Paris
(Université Paris-Sud, France) đã nghiên cứu hệ siêu mạng từ (001)Fe/(001)Cr được
chế tạo theo phương pháp Epitaxy chùm phân tử (MBE). Nhóm đã nghiên cứu tính chất
dẫn điện phụ thuộc vào từ trường ngoài của hệ, khi đặt hệ ở từ trường khoảng 20 kG và
tại nhiệt độ 4,2K kết quả thu được gây một sự ngạc nhiên lớn, ti số từ điện trở (MR) của
mẫu rất lớn khoảng 50%, đây là một giá trị lớn nhất thu nhận được, giá trị này lớn hơn
rất nhiều so với các hiệu ứng từ điện trở trước đó. Hiệu ứng xuất hiện trong cấu trúc
siêu mạng từ Fe/Cr trên sau này được gọi là hiệu ứng từ điện trở lớn(Giant
Magnetoresistance) hay từ điện trở khổng lồ (GMR).

Hình 1.2.2: Từ điện trở của ba siêu mạng từ Fe/Cr đo ở nhiệt độ thấp 4,2K

Đặng Văn Khanh

- 13 -


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

Hình vẽ 1.2.2 thể hiện kết quả quan hệ từ trở (MR) của 3 mẫu siêu mạng từ
Fe/Cr [12], [23]. Tiếp theo đó hàng loạt các hệ từ đa lớp khác đã được chế tạo và
nghiên cứu cũng cho thấy sự xuất hiện hiệu ứng GMR, ngoài ra hiệu ứng GMR cũng
xuất hiện trong những hệ từ không phân lớp khác, điều này chứng tỏ hiệu ứng GMR là
hiện tượng khá phổ biến trong các hệ từ cấu trúc không liên tục ở thang na nô mét.
1.2.2. Hiện tượng từ - điện trở khổng lồ (GMR)
Từ những năm cuối của thập niên 80 trở lại đây, có nhiều hiện tượng hay tính
chất vật lý mới của vật liệu đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ, đặc biệt ở
các vật liệu từ có đặc trưng kích thước thu nhỏ. Một trong số những khám phá tiêu biểu
của thời kỳ này là:
- Hiệu ứng GMR trong các màng mỏng từ đa lớp hay trong các siêu mạng từ, gồm
các lớp sắt từ xen kẽ với các lớp kim loại phi từ.
- Hiệu ứng GMR trong các màng đơn lớp của các hợp kim dị thể hai pha, trong đó
một pha là kim loại sắt từ, còn một pha là kim loại phi từ đóng vai trò là chất nền.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, các màng mỏng nhiều lớp có hiệu ứng GMR
lớn nhưng phải làm việc trong môi trường có từ tính cao và nhiệt độ thấp [21], thường ở
nhiệt độ rất thấp 4,2 K. Trong điều kiện này rất khó ứng dụng, đối với các màng mỏng
từ dạng hạt thì hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng công nghệ chế tạo lại đơn giản, phù hợp
với điều kiện kỹ thuật hiện nay ở Việt nam.
Stuart Parkin là một trong những nhà khoa học nghiên cứu hiệu ứng GMR hàng
đầu của IBM cho rằng hệ từ đa lớp từ sự hiếu kỳ khoa học trở thành một vật liệu quan

trọng trong công nghệ chế tạo thiết bị lưu trữ gọi là "bộ nhớ racetrack".Hiệu ứng GMR
sẽ mở ra một kỳ vọng về tương lai trong lĩnh vực công nghiệp điện tử [28].
Hiệu ứng GMR xuất hiện trong một cấu trúc đa lớp không liên tục đồng nhất bao
gồm các lớp sắt từ được ngăn cách bởi các lớp phi từ, những cấu trúc như thế được gọi
là siêu mạng từ hình 1.2.3(a), các lớp phi từ là những màng rất mỏng ngăn cách các lớp
từ gọi là lớp cách. Hiệu ứng GMR còn xuất hiện trong các cấu trúc dạng hạt cách ly

Đặng Văn Khanh

- 14 -


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

gồm các hạt từ nằm trong một nền kim loại phi từ [25], một cấu hình như thế được gọi
là hệ granular hình 1.2.3(b). Cấu trúc GMR điển hình là cấu trúc ba lớp gồm có hai lớp
sắt từ được ngăn cách bởi một lớp phi từ được gọi là van-spin hình 1.2.3(c).

Hình 1.2.3: Mô hình một số cấu trúc GMR
Tương tự như các hiệu ứng từ điện trở khác hiệu ứng GMR là sự thay đổi điện trở
của mẫu khi có từ trường ngoài đặt vào, người ta thấy rằng khi đặt từ trường ngoài vào
hệ đa lớp Fe/Cr thì điện trở của hệ giảm rõ rệt, tuy nhiên sự thay đổi này lớn hơn rất
nhiều so với các hiệu ứng từ điện trở cổ điển đã biết.
Sự thay đổi điện trở của hệ đa lớp xuất hiện khi từ trường ngoài sắp xếp lại mô
men từ của các lớp sắt từ kế tiếp. Quá trình này được mô tả như trên hình 1.2.4 cho
thấy, khi không có từ trường ngoài từ độ của các lớp phản song ứng với giá trị điện trở
của mẫu lớn nhất. Khi có từ trường ngoài tác dụng từ độ trong các lớp sắt từ được sắp
xếp lại và song song với nhau, khi đó điện trở của mẫu giảm đột ngột [14].

Đặng Văn Khanh

- 15 -


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

Hình 1.2.4: Mô hình đường cong mô tả hiệu ứng GMR
Từ hình 1.2.4 ta thấy đường cong GMR của một màng mỏng đa lớp với các cấu
hình từ độ tương ứng. Khi trường ngoài H= 0, có sự liên kết phản sắt từ (AF) của các
lớp từ và hệ ở trạng thái điện trở suất cao. Khi H > HS, sự liên kết từ giữa các lớp trở
thành sắt từ (FM) hoàn toàn và hệ có trạng thái điện trở suất thấp nhất.
Năm 1992, nhóm của A. E. Berkowitz (Đại học California, San Diego, Mỹ) phát
hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim dị thể Co-Cu với cấu trúc là các hạt Co
siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ trở đạt tới hơn 20%. Các nghiên cứu về sau tiếp tục
phát triển và lý giải hiệu ứng này, tính từ "khổng lồ" không nên hiểu theo nghĩa độ lớn
của sự thay đổi điện trở theo từ trường nữa, mà hiểu theo nghĩa cơ chế tạo nên hiệu
ứng: đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử.
1.2.3. Các mô hình giải thích hiện tượng
Kể từ khi khám phá ra hiệu ứng GMR việc tìm kiếm một lý thuyết để có thể giải
thích hiệu ứng đã là một mối quan tâm lớn của các nhà vật lý. Cũng có nhiều lý thuyết
được đưa ra, tuy nhiên để hiểu rõ hơn về hiệu ứng GMR ta có thể sử dụng một số mô
hình giải thích sau:
1.2.3.1. Mô hình của Mott
Mô hình thường được sử dụng để giải thích GMR là mô hình hai dòng của Mott,
mô hình này ra đời từ rất sớm(1936) dùng để giải thích các tính chất bất thường của

Đặng Văn Khanh

- 16 -


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

điện trở trong các kim loại sắt từ khi chúng bị nung nóng lên quá nhiệt độ Curie. Theo
Mott có hai điểm chính:
- Thứ nhất là: Độ dẫn điện của kim loại có thể được mô tả bằng hai kênh dẫn
không phụ thuộc với nhau tương ứng với hai trạng thái spin-up, spin-down của điện tử
và được phân biệt bởi hình chiếu spin của điện tử dọc theo trục lượng tử. Xác suất tán
xạ lật spin trong kim loại thông thường nhỏ hơn so với quá trình tán xạ mà spin của
điện tử vẫn được bảo toàn. Điều này có nghĩa là các điện tử có spin-up và spin-down
không trộn lẫn với nhau ở một khoảng cách dài và do đó độ dẫn điện của hai trạng thái
spin điện tử là song song (hay được biểu diễn bằng hai kênh dẫn song song).
- Thứ hai là: Trong kim loại sắt từ tỉ số tán xạ của điện tử spin-up và spin-down
rất khác nhau bất kể tâm tán xạ là gì.
Cũng theo Mott dòng điện cơ bản được tạo ra bởi sự di chuyển của điện tử ở
vùng hoá trị sp do khối lượng hiệu dụng của chúng nhỏ và độ linh động cao. Vùng d
đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra trạng thái để "bắt giữ" các điện tử sp tán xạ.
Trong kim loại sắt từ vùng d bị tách vì vậy mật độ trạng thái không giống nhau đối với
hai loại điện tử có hai trạng thái spin khác nhau tại mức năng lượng Fermi. Xác suất
điện tử bị bắt giữ vào những trạng thái này tỉ lệ với mật độ trạng thái của chúng, do đó
tỉ lệ tán xạ phụ thuộc vào spin sẽ khác nhau với hai kênh dẫn [17]. Mặc dù mô hình này
đơn giản nhưng cũng giải thích được sự dẫn phụ thuộc spin trong kim loại chuyển tiếp.
Sử dụng mô hình hai dòng của Mott để giải thích ta thấy đối với cấu hình trên,
trường hợp 2 lớp sắt từ có Spin cùng chiều thì tổng trở sẽ nhỏ còn trường hợp 2 lớp có

Spin ngược chiều thì tổng trở sẽ lớn hơn. Trường hợp hệ gồm nhiều lớp từ ta cũng có
thể áp dụng mô hình của Mott để giải thích hiệu ứng GMR, ở đây chúng ta xem xét một
cấu hình như trên (hình 1.2.5) ta giả sử rằng điện tử với spin có hướng song song với
hướng từ độ của lớp sắt từ sẽ bị tán xạ yếu, điện tử có spin phản song với hướng từ độ
của lớp sắt từ bị tán xạ mạnh hơn, giả thiết này phù hợp với sự bất đối xứng trong mật
độ trạng thái tại mức Fermi, mặt khác theo quan điểm thứ hai của Mott đối với các lớp

Đặng Văn Khanh

- 17 -


Luận văn thạc sỹ

ITIMS - 2011

sắt từ sắp xếp song song điện tử có spin-up sẽ đi ngang qua cấu trúc mà không bị tán xạ
do spin của nó song song với từ độ của các lớp từ. Ngược lại các điện tử có spin-down
sẽ bị tán xạ mạnh hơn khi đi qua các lớp sắt từ bởi vì spin của nó có hướng phản song
với từ độ của lớp sắt từ. Độ tán xạ của điện tử dẫn ảnh hưởng tới quãng đường tự do
trung bình của chúng [17], [23], mặt khác quãng đường tự do trung bình của điện tử lại
quyết định độ dẫn điện của hai loại điện tử.

Hình 1.2.5: Cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau
Theo hình 1.2.5 ta nhận thấy rằng ở cấu hình liên kết phản sắt từ thì mỗi kênh
điện tử với spin-up và spin-down đều lần lượt bị tán xạ và không bị tán xạ (đúng ra là
đều lần lượt bị tán xạ nhiều và tán xạ ít) khi đi qua các lớp sắt từ. Kết quả là toàn bộ
điện tử dẫn đều bị tán xạ như nhau, hệ đa lớp lúc này giống như một cái van đối với các
spin, hạn chế dòng chảy của cả hai kênh spin và điện trở suất ứng với hai kênh là lớn
như nhau. Trong trường hợp cấu hình liên kết sắt từ thì chỉ có một kênh điện tử có spin

luôn ngược chiều với từ độ mới bị tán xạ mạnh, còn kênh spin kia luôn cùng chiều nên
tỷ lệ truyền qua cao, trong tình huống này hệ đa lớp giống như một cái van mở thông
cho một kênh spin truyền qua. Như vậy ở trường hợp sau thì điện trở suất của toàn hệ
nhỏ hơn trong trường hợp trước do có sự đoản mạch đối với một kênh spin.

Đặng Văn Khanh

- 18 -