DSpace at VNU: Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường trái đất 2D, 3D dựa trên vật liệu từ - điện cấu trúc micro – nano

Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường trái
đất 2D, 3D dựa trên vật liệu từ - điện cấu trúc
micro – nano
Nguyễn Thị Ngọc
Trường Đại học Công nghệ
Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thị Hương Giang
Năm bảo vệ: 2012
Abstract: Chế tạo vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT và
nghiên cứu các tính chất từ, điện và tính chất tổ hợp từ-điện của vật liệu. Chế tạo
sensor đo từ trường trái đất dạng 1D sử dụng vật liệu tổ hợp chế tạo được và khảo sát
các thông số hoạt động đặc trưng của sensor và đánh giá khả năng hoạt động của
sensor trong việc đo đạc từ trường trái đất. Phát triển sensor 1D thành các sensor 2D,
3D bằng cách tích hợp gồm nhiều sensor đơn theo cấu hình trực giao cho phép xác
định đồng thời cả độ lớn và góc định hướng của từ trường trái đất tại một vị trí bất kỳ
trong không gian. Đề xuất một số khả năng ứng dụng của sensor trong lĩnh vực vệ
tinh, vũ trụ...
Keywords: Vật liệu điện; Chế tạo sensor; Công nghệ Nano; Cấu trúc Micro nano
Content
MỞ ĐẦU
Cường độ và hướng của từ trường trái đất là khác nhau phụ thuộc vào vị trí địa lý. Đây
là một trong các đặc điểm quan trọng được sử dụng để định vị toàn cầu. Tuy nhiên, do cường
độ của từ trường trái đất rất yếu (~10-4 tesla) nên cần phải có các thiết bị có độ nhạy rất cao để
có phát hiện và xác định được.
Với xu thế phát triển hiện nay là tìm ra các vật liệu mới, hiệu ứng mới thay thế các vật
liệu truyền thống với tiêu chí là kết hợp được càng nhiều thế mạnh của các vật liệu và hiệu
ứng truyền thống đồng thời khắc phục các yếu điểm của chúng. Trong hoàn cảnh đó, vật liệu
multiferroics được coi là cứu cánh của công nghệ thông tin thế kỉ 21. Multiferroics là vật liệu
lưỡng pha sắt từ - sắt điện với sự tồn tại đồng thời của cả tính chất từ và tính chất điện được
gọi là hiệu ứng từ-điện. Đây là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dưới tác dụng của từ
trường ngoài (H) hay ngược lại, vật liệu bị từ hóa (M) dưới tác dụng của điện trường (E).

Theo định hướng nghiên cứu gắn với xu thế phát triển trên, trong luận văn này, chúng
tôi đã tiến hành chế tạo và nghiên cứu sensor đo từ trường trái sử dụng vật liệu multiferroics
tổ hợp của vật liệu từ giảo siêu mềm 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 điện-cơ lớn. Kết quả nghiên cứu
của luận văn được trông đợi sẽ chế tạo thành công sensor đo từ trường với độ nhạy cao và độ
phân giải lớn trong vùng nanô-tesla (nT) cho phép hướng đến các ứng dụng để đo đạc và tính
toán được từ trường trái đất.
Với hướng nghiên cứu này, các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận văn
này bao gồm cụ thể như sau:
-

Chế tạo vật liệu multiferrroics tổ hợp băng từ metglas/áp điện PZT và nghiên cứu
các tính chất từ, điện và tính chất tổ hợp từ-điện của vật liệu.

-

Chế tạo sensor đo từ trường trái đất dạng 1D sử dụng vật liệu tổ hợp chế tạo được
và khảo sát các thông số hoạt động đặc trưng của sensor và đánh giá khả năng hoạt
động của sensor trong việc đo đạc từ trường trái đất.

-

Phát triển sensor 1D thành các sensor 2D, 3D bằng cách tích hợp gồm nhiều sensor
đơn theo cấu hình trực giao cho phép xác định đồng thời cả độ lớn và góc định
hướng của từ trường trái đất tại một vị trí bất kỳ trong không gian.

-

Đề xuất một số khả năng ứng dụng của sensor trong lĩnh vực vệ tinh, vũ trụ...

TỔNG QUAN
Từ trƣờng trái đất
Nguồn gốc của từ trƣờng
Năm 1940, một số nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn gốc từ
trường của trái đất. Theo thuyết này thì từ trường Trái đất chủ yếu được hình thành từ các
dòng chất lỏng đối lưu trong lòng của trái đất ở độ sâu trên 3000 km. Từ trường xuất hiện
trong lòng trái đất.
Hình dạng của từ trường cũng giống như từ trường của một thỏi nam châm. Từ trường
đi ra từ bán cầu nam và đi vào phía bán cầu bắc của trái đất. Hai nơi này được gọi là cực từ.

2


Nó không trùng với cực nam và cực bắc địa lý mà cách nhau vài trăm cây số. Từ trường mà
trái đất sinh ra gần giống mô hình của một lưỡng cực từ nghiêng một góc 11.5° so với trục
quay (xem Error! Reference source not found.).
Vai trò của từ trƣờng trái đất
Từ trường trái đất tuy khá nhỏ nhưng lại không thể thiếu. Nó đóng vai trò như một tấm
màn chắn trái đất khỏi các hạt tích điện – gió mặt trời và bảo vệ mọi sự sống trên hành tinh
trước các hiệu ứng có hại của bức xạ vũ trụ. Từ trường cản gió mặt trời và dẫn nó đi vòng qua
trái đất. Nếu không có từ trường, chúng ta sẽ không ngừng bị các vật chất độc hại tấn công và
cuộc sống không thể duy trì trên Trái đất.
Các đặc trƣng của từ trƣờng trái đất
Cƣờng độ của từ trƣờng trái đất
Từ trường trái đất có độ lớn và hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau. Cường độ
của từ trường lớn nhất tại các cực từ và yếu hơn ở gần đường xích đạo. Độ lớn của nó vào
khoảng nanoteslas (nT) hoặc gauss, với 1 gauss = 100.000 nT. Nó dao động trong khoảng từ
25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25 đến 0,65 Gauss) [12].

Hƣớng của từ trƣờng 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).
Cách xác định từ trƣờng trái đất
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 Error! Reference source not found.
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).

3


Các loại sensor đo từ trƣờng phổ biến
Sensor flux-gate
Sensor dựa trên hiệu ứng Hall
Sensor dựa trên hiệu ứng từ – điện trở
Ứng dụng của sensor đo từ trƣờng trái đất
Sensor đo từ trƣờng trái đất thế hệ mới dựa trên hiệu ứng từ-điện
Hiệu ứng từ-điện
Hiệu ứng từ - điện là hiệu ứng tổ hợp của hai hiệu ứng từ giảo và áp điện. Hiệu ứng
từ-điện được chia thành hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từ
điện nghịch (converse magnetoelectric effect) (Error! Reference source not found.), trong
đó hiệu ứng thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (P) khi đặt trong từ
trường ngoài (H), và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi

(M) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E) [17]. Hiệu ứng này thường được quan sát
thấy trên các vật liệu có tồn tại đồng thời cả 2 pha sắt từ và sắt điện. Trên Error! Reference
source not found. là hình biểu diễn đơn giản đặc trưng cho mối liên hệ giữa từ và điện của cả
hai hiệu ứng từ-điện thuận và nghịch.
Cơ chế của hiệu ứng từ-điện thuận được giải thích là do khi vật liệu chịu tác dụng của
một từ trường ngoài H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh ra ứng suất tác
dụng lên pha áp điện. Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật liệu này sẽ bị thay
đổi và do đó trên hai mặt đối diện của vật liệu sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu nhau như
quan sát thây trên Error! Reference source not found.a. Hiệu ứng từ điện thuận được đặc
trưng bởi hệ số từ điện:E = dE/dH.
Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận
Như đã trình bày trong phần về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận, đối
với vật liệu tổ hợp dạng tấm gồm hai lớp, khi có mặt từ trường ngoài không đổi (HDC) chỉ có
lớp có từ giảo (sắt từ) bị biến dạng còn lớp áp điện (sắt điện) thì không chịu ảnh hưởng bởi từ
trường này. Do có sự liên kết cơ học giữa hai lớp nên biến dạng trên vật liệu tổ hợp sẽ được
quan sát là biến dạng uốn cong (xem Error! Reference source not found.) và ứng suất được
sinh ra cũng là một ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh) (σDC). Sự có mặt của ứng suất này sẽ

4


làm xuất hiện trên 2 mặt đối diện của tấm áp điện lượng điện tích cảm ứng không đổi (QDC).
Lúc này tấm áp điện đóng vai trò như một tụ điện với lượng điện tích không được duy trì mãi
mà sẽ bị suy giảm rất nhanh sau một hằng số thời gian (τ) do xảy ra hiện tượng phóng điện
khi kết nối với các thiết bị đo đạc. Để duy trì được lượng điện tích này, trong đo đạc thực
nghiệm, một từ trường xoay chiều (hac) kích thích được sử dụng để tạo ra các ứng suất dạng
dao động (σac) tác dụng lên pha áp điện. Sự có mặt của ứng suất này sẽ tạo ra điện lượng biến
thiên (qac) trên tấm áp điện và việc đo đạc có thể dễ dàng được thực hiện thông qua việc đo
điện áp xoay chiều lối ra trên tấm vật liệu áp điện [17].
Sensor đo từ trƣờng dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT

Các nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết
hợp các băng từ siêu mềm metglas có pha tạp Ni với thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Metglas
pha Ni) với pha sắt điện là gốm áp điện dạng tấm Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) có hệ số điện-cơ lớn có
thể cho hiệu ứng từ-điện lớn 22000 mV/cmOe trong từ trường rất nhỏ (~5 Oe) [17]. Hiệu ứng
thu được này có thể so sánh được với các kết quả tốt nhất hiện nay được công bố trên thế giới
trên các vật liệu tổ hợp dạng này. Chính vì vậy, trong luận văn này, chúng tôi tiếp tục các
nghiên cứu trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT triển khai cho ứng dụng chế tạo sensor đo được
từ trường trái đất với mong đợi sẽ chế tạo thành công sensor mang thương hiệu Việt Nam có
độ nhạy và độ phân giải cao đáp ứng yêu cầu ứng dụng đo từ trường trái đất có thể so sánh
được với các cảm biến thương phẩm đang được sử dụng hiện nay.

PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT
Vật liệu multiferroics tổ hợp sử dụng trong luận văn được chế tạo bằng phương pháp
kết dính với cấu hình gồm hai tấm băng từ Metglas 2650SC được gắn trên hai mặt của tấm áp
điện dày 0,5 mm hình chữ nhật 15  1 mm. Mẫu sau khi chế tạo được gắn điện cực lên hai mặt
của tấm áp điện đã được phân cực theo phương vuông góc với mặt phẳng tấm.

5


Chế tạo sensor 1D, 2D và 3D
Khảo sát các thông số làm việc của sensor
Cường độ từ trường xoay chiều và tần số cộng hưởng của sensor là hai thông số quan
trọng của sensor. Ở đây, để tạo ra từ trường xoay chiều hac = h sin(2ft), chúng tôi sử dụng
bộ khếch đại lock-in (7265 DSP Lock-in Amplifier) đóng vai trò như một nguồn nuôi xoay
chiều cấp dòng cho cuộn dây solenoid của sensor.
Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng
Quy luật thay đổi của điện áp lối ra của sensor vào từ trường một chiều được khảo sát
dựa trên nguyên lý đo hiệu ứng từ-điện. Error! Reference source not found. là sơ đồ minh

họa hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào cường độ từ trường.
.
Hệ đo khảo sát tín hiệu của sensor phụ thuộc vào góc định hƣớng
Để khảo sát khả năng sử dụng sensor đo góc định hướng của từ trường trong luận văn
này, chúng tôi chế tạo hệ thống mâm quay trong không gian 3 chiều kết hợp hai mặt phẳng
quay cho phép quay đồng thời trong hai mặt phẳng nằm ngang và vuông góc. Trên Error!
Reference source not found. là ảnh chụp hệ thống mâm quay kết hợp được chế tạo bằng vật
liệu Mika không từ có vạch chia góc trong cả hai mặt phẳng với góc quay thay đổi từ 0 đến
360° với độ chia nhỏ nhất 0.25°.
Một số phép đo khảo sát tính chất của băng từ Metglas
Ngoài các phương pháp thực nghiệm bao gồm chế tạo và đo đạc khảo sát tính chất,
đặc trưng của sensor được trình bày ở trên, trong luận văn này, một số các phép đo khác được
thực hiện để nghiên cứu tính chất từ, điện và tính chất bề mặt của vật liệu cũng đã khảo sát sử
dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM và kính hiển vi điển tử quét SEM

6


KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Tính chất từ của băng từ Metglas
Tính chất từ của băng từ Metglas đã được nghiên cứu thông qua phép đo đường cong
từ hóa. Trên Error! Reference source not found. biểu diễn đường cong từ hóa (Error!
Reference source not found.a) và độ cảm từ (Error! Reference source not found.b) được
đo trên các mẫu băng từ có tỉ số kích thước r = L/W khác nhau.
Nhìn vào đường cong này ta thấy rất rõ tính chất từ mềm tăng mạnh với sự tăng lên
của tỉ số L/W. Tất cả các mẫu băng từ này đều cho độ cảm từ rất mạnh ở từ trường xung
quanh 0 Oe. Đây chính là thế mạnh của băng từ dạng này khi khai thác ứng dụng với dải đo
vùng từ trường trái đất (< 1 Oe).
Trên Error! Reference source not found. là đường cong từ hóa đo trên băng từ
Metglas có kích thước 15×1 mm theo ba phương khác nhau: nằm trong mặt phẳng băng, song

song và vuông góc với chiều dài mẫu và vuông góc với mặt phẳng băng từ.
Sensor đo từ trƣờng trái đất một chiều (1D) dựa trên hiệu ứng từ-điện
Khảo sát tần số làm việc của sensor
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra thu được phụ thuộc vào tần số từ trường
xoay kích thích được nuôi bởi cuộn solenoid đã được thực hiện trên các sensor 1D khác nhau.
Phép đo được thực hiện tại từ trường một chiều cố định HDC = 2 Oe trong suốt quá trình quét
tần số. Trên Error! Reference source not found. là đường cong sự thay đổi của hệ số từ-điện
αE (= VME/tPZT/hac) thay đổi theo tần số quét trong dải từ trường từ 0 đến 180 kHz.
Các kết quả tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất tính toán áp dụng cho từng sensor
được đưa ra trên Error! Not a valid bookmark self-reference.. Ta thấy, các sensor 1D có hệ
số phẩm chất khoảng 1.5%, tần số cộng hưởng là 99.55, 100.13 và 100.18 KHz tương ứng
cho sensor S1, S2 và S3.
Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào cƣờng độ từ trƣờng
Trên Error! Reference source not found. là đường cong sự phụ thuộc tín hiệu lối ra
của sensor 1D vào cường độ từ trường một chiều đo trong dải từ trường từ -30 Oe đến 30 Oe
tác dụng theo phương song song với trục sensor (song song với chiều dài của mẫu).

7


Phép đo trong vùng từ trường thấp xung quanh vùng từ trường trái đất (~ 0.6 Oe) được
thực hiện trên sensor (Error! Reference source not found.) cho thấy trong vùng này, tín hiệu
sensor thay đổi tuyến tính với từ trường với độ dốc k = 653,215 mV/Oe. Đây cũng chính là hệ
số chuyển đổi (hệ số chuẩn hóa) khi sử dụng sensor đo từ trường.
Để đánh giá độ phân giải của sensor từ phép đo thực nghiệm, chúng tôi tiến hành khảo
sát sự phụ thuộc của tín hiệu sensor trong dải từ trường nhỏ từ 0 đến 20 μOe.
Sự phụ thuộc tín hiệu sensor 1D vào định hƣớng của từ trƣờng trái đất
Sự phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc định hướng giữa trục sensor với từ trường trái
đất đã được khảo sát khi cho sensor quay trong mặt phẳng nằm ngang theo chiều kim đồng hồ
từ υ = 0° đến 360°. Phép đo được thực hiện tại nơi cách các nguồn phát từ trường và các vật

có tính chất sắt từ khoảng 1 m để đảm bảo tại vị trí đo chỉ có ảnh hưởng của từ trường trái đất.
Trên Error! Reference source not found. là đường cong sự phụ thuộc góc của sensor
thu được. Nhìn vào kết quả thu được ta thấy, tín hiệu lối ra phụ thuộc tuần hoàn theo quy luật
hàm V = V0.cosυ. Hiệu điện thế lối ra đạt giá trị lớn nhất V0 = 260.9 mV khi trục sensor song
song (tức là  = 0°) và biến mất khi trục sensor vuông góc (tức là  = 90°, 270°) với cực Bắc
từ của Trái đất. Giá trị cực đại của sensor tại hướng đo ỏ góc phương vị không ( = 0°), sử
dụng hệ số chuẩn hóa k = 653.215 mV/Oe xác định được ở trên, cường độ từ trường trái đất
nằm trong mặt phẳng nằm ngang tại phòng thí nghiệm nơi tiến hành phép đo (Cầu Giấy, Hà
Nội) cho ta giá trị 0,3994 Oe.
Theo nguyên lý hoạt động của sensor, do vật liệu băng từ sử dụng có dị hướng từ đơn
trục nên khi từ trường ngoài rất nhỏ, thì chỉ có thành phần từ trường nào tác dụng dọc theo
trục sensor (trục từ hóa dễ) mới có khả năng từ hóa băng từ và do đó có khả năng gây ra biến
dạng từ giảo. Nói khác đi, trong trường hợp này, tín hiện lối ra của sensor chỉ xuất hiện khi có
mặt thành phần từ trường hướng dọc theo trục sensor. Vì vậy, tại  = 90° và 270° (trục sensor
hướng dọc theo trục Đông-Tây của trái đất), tín hiệu sensor V = 0 mV và cực đại tại  = 0°
tương ứng với toàn bộ thành phần từ trường trái đất chiếu xuống mặt phẳng trái đất (Hhorizontal)
hướng theo trục sensor. Ở các vị trí khác, tín hiệu sensor thu được phụ thuộc vào thành phần
hình chiếu của từ trường này lên trục sensor (~ Hhorizontal cosυ). Chính vì vậy, đường cong
thực nghiệm cho sự phù hợp tốt với qui luật hàm cosine.
Để đánh giá độ nhạy theo góc của sensor, chúng tôi tiến hành đo tín hiệu lối ra khi
quay sensor trong mặt phẳng nằm ngang với bước thay đổi góc quay 0.05°. quả đo được đưa

8


ra trên Error! Reference source not found. cho thấy đạt độ phân giải góc của sensor khi đo
từ trường trái đất được xác định bằng thực nghiệm lên đến 10-2 độ với độ nhạy trong dải đo từ
80 đến 90° là kφ = 3,263 mV/độ.
Khảo sát tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục
Khi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc vào góc định hướng của từ trường trái đất, thực tế

trên đường cong tín hiệu của sensor ta thấy sự phụ thuộc theo qui luật hàm cosine nhưng
không đối xứng xung quanh trục hoành mà bị dịch đi một giá trị khoảng 100 mV (Error!
Reference source not found.). Đây chính là phần đóng góp nền (zero offset) vào sensor. Lúc
này đường cong được mô tả theo hàm dao động tuần hoàn theo góc bởi công thức:
V = Vo cosυ + Voffset

(0.1)

với giá trị Voffset được xác định là khoảng cách từ trục hoành đến trục đối xứng (trung bình
của đỉnh cực đại và cực tiểu) của đường cong tín hiệu.
Ở đây, đối với sensor này, thế nền offset có thể được bù trừ rất đơn giản bằng cách đảo
cực nguồn nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích. Trên Error! Reference source
not found.a là đường cong tín hiệu được thực hiện trong hai trường hợp trước và sau khi đảo
cực (đảo pha) của nguồn nuôi xoay chiều.
Sensor đo từ trƣờng trái đất 2D dựa trên hiệu ứng từ-điện
Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 2D
Trên Error! Reference source not found. là đường cong sự phụ thuộc tín hiệu lối ra
trên từng sensor đơn trong sensor 2D vào cường độ từ trường một chiều đo trong dải từ
trường từ -25 Oe đến 25 Oe tác dụng theo phương song song với trục của mỗi sensor (song
song với chiều dài của mẫu). Đường cong này có xu hướng thay đổi tương tự với đường cong
thu được trên sensor 1D như đã đưa ra trên Error! Reference source not found. với qui luật
phụ thuộc đã được giải thích chi tiết trong phần 0.

Trong vùng thay đổi tuyến tính ở từ trường thấp nằm trong dải đo của từ trường trái
đất (từ -0.6 đến 0.6 Oe) (Error! Reference source not found.), đường cong thực nghiệm cho
thấy các sensor đơn này tuyến tính với từ trường ngoài có độ dốc tương ứng với hệ số chuyển
đổi k1 = 308,2 và k2 = 310,7 mV/Oe với độ phân giải từ trường 3×10-4 Oe tương ứng cho các
sensor S1 và S2.

9

Khảo sát khả năng đo từ cƣờng độ trƣờng trái đất và góc định hƣớng trong mặt phẳng
của sensor 2D
Hệ tham chiếu được chọn trong trường hợp này có trục XE hướng theo cực Bắc từ, trục
YE hướng về phía Đông và trục ZE hướng tâm trái đất. Ở đây, góc phương vị được định nghĩa
là góc trong mặt phẳng ngang quay theo chiều kim đồng hồ từ trục XE tới S1. Tín hiệu lối ra
trong trường hợp này đã được bù trừ nền offset. Trên Error! Reference source not found.
biểu diễn đường cong sự phụ thuộc của tín hiệu V1 và V2 tương ứng với S1 và S2 vào góc
phương vị được biểu diễn trong hệ tọa độ Decac và tọa độ cực.
Các từ trường thành phần H1 và H2 nhận được tương ứng từ S1 và S2 được biểu diễn
trong hệ tọa độ Polar (xem Error! Reference source not found.b). Trên hình vẽ ta thấy các
số liệu phân bố trên một đường tròn khá hoàn hảo. Theo bố trí cấu hình 2 sensor trực giao, ta
có thể tính được cường độ của từ trường trái đất trong mặt phẳng ngang theo phương trình:
2

V  V 
H xy  H  H   1    2 
 k1   k2 
2
1

với

2

2
2

V1


H

1

k1


 H  V2
 2 k2

(0.2)

(0.3)

Từ các số liệu thực nghiệm và kết quả tính toán sử dụng công thức 3.5 chỉ cho ta
cường độ của từ trường trái đất trong mặt phẳng ngang tại phòng thí nghiệm là 0.3994 Oe.
Kết quả này giống với kết quả thu được khi sử dụng sensor 1D được đưa ra trong phần 0.
Ở đây, lấy trục sensor S1 làm mốc, ta có thể tính toán góc phương vị sử dụng các thành
phần H1 và H2 thu được từ thực nghiệm sử dụng mối liên hệ:

tan 

10

H2
H1

(0.4)

Sensor đo từ trƣờng trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện
Xác định hệ số chuẩn hóa của sensor 3D
Trên Error! Reference source not found. là kết quả khảo sát đặc trưng từ-điện của 3
sensor trong vùng từ trường thấp cho độ dốc kx = 192.6, ky = 200.8 và kz = 205.5 mV/Oe
tương ứng với hệ số chuyển đổi của sensor S1, S2 và S3.
Đo cƣờng độ từ trƣờng trái đất trong không gian
Trong trường hợp này, chúng tôi vẫn lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu không thay đổi là
hệ tọa độ có trục XE hướng về phía Bắc từ, trục YE hướng về phía Đông và trục ZE hướng
thẳng đứng xuống dưới (hướng về tâm trái đất). Góc phương vị υ được định nghĩa là góc nằm
trong mặt phẳng nằm ngang tính theo chiều kim đồng hồ từ trục XE đến trục của sensor S1 khi
cho sensor 3D quay xung quanh trục ZE (sensor S3), tức là trong mặt phẳng nằm ngang
(Error! Reference source not found.). Mặt phẳng sensor chứa S1 và S2 được giữ song song
với mặt phẳng trái đất.
Đồ thị sự phụ thuộc vào góc υ của tín hiệu thế ra đã được trừ nền tương ứng của các
sensor S1, S2 và S3 được biểu diễn trên Error! Reference source not found.. Đường cong V1
và V2 cho sự thay đổi tuần hoàn theo quy luật hàm cosine vào góc quay υ với góc lệch pha
giữa chúng là 90o. Tín hiệu đạt giá trị cực đại khi sensor hướng về phía Bắc. Khi sensor
hướng dọc theo phương Đông – Tây, tín hiệu ra bằng không. Riêng đối với sensor S3 thì
đường cong V3 tương ứng của có độ lớn không thay đổi xung quanh 41 mV. Điều này phù
hợp vì trong quá trình quay sensor thì luôn luôn có thành phần hình chiếu của từ trường trái
đất lên phương thẳng đứng tác dụng dọc theo trục sensor và thành phần này là không thay đổi
trong quá trình thực hiện phép đo.
Trên Error! Reference source not found. biểu diễn các thành phần của từ trường trái
đất (H1, H2, H3) trong hệ tọa độ cực thu được thông qua hệ số chuyển đổi tương ứng của các
sensor như đã đề cập ở trên. Ta thấy rằng các số liệu được phân bố trên các đường tròn hoàn
hảo. Từ các số liệu này, cường độ của từ trường trái đất trong mặt phẳng nằm ngang (Hxy) có
thể được xác định thông qua công thức:
H xy  ( H12  H 22 )

(0.5)

Và cường độ từ trường tổng được cho bởi công thức:
Htot  ( H12  H 22  H32 )

11

(0.6)


Kết quả tính toán thu được từ công thức (3.9) và (3.10) cho các giá trị từ trường Hxy và
Htot được biểu diễn trên Error! Reference source not found.. Các kết quả tính toán được
tổng kết trong Error! Reference source not found.. Từ các số liệu thực nghiệm chỉ ra rằng
độ lớn của từ trường trong mặt phẳng ngang Hxy tại phòng thí nghiệm nơi thực hiện phép đo
là 0.3994 Oe và độ lớn của từ trường trái đất tổng Htot bằng 0.4465 Oe. Kết quả này khá phù
hợp với các giá trị từ trường trái đất đo đạc tại Việt Nam đã được công bố trong một số công
trình trong nước và quốc tế [13,18].
Phép đo tương tự cũng được thực hiện khi quay sensor trong mặt phẳng thẳng đứng.
Trong phép đo này, trục sensor S1 luôn được giữ song song với cực Bắc từ. Sensor S2 và S3
nằm trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với phương Bắc từ của trái đất. Góc Pitch là góc
giữa sensor S3 và trục ZE khi quay hệ sensor 3D theo chiều kim đồng hồ xung quanh trục XE,
tức là trong mặt phẳng thẳng đứng như được minh họa trên Error! Reference source not
found..
Trong Error! Reference source not found.a biểu diễn tín hiệu của S2 và S3 trong hệ
tọa độ Decac. Đồ thị này một lần nữa chỉ ra sự phụ thuộc theo quy luật hàm cosine của tín
hiệu ra vào góc pitch θ với sự khác pha /2 giữa 2 sensor khi quay tương ứng hai sensor S2 và
S3 từ góc θ = 0 đến 360  . Trong trường hợp này, đường cong V1 của sensor S1 có dạng đường
thẳng ở khoảng 77 mV. Giá trị cực đại 40 và 40.9 mV tương ứng của sensor S2 và S3 luôn đạt
được khi trục của chúng hướng thẳng đứng xuống dưới (tức là dọc theo trục ZE). Các từ
trường thành phần (H1, H2, H3) của từ trường trái đất được biểu diễn trong hệ tọa độ Polar như

Error! Reference source not found.b, một lần nữa, được fit trên các đường tròn khá hoàn
hảo.
Đo góc trong không gian
Xác định góc phƣơng vị và góc từ khuynh
Với các kết quả đo trong phần 0, đồng thời với việc đo đạc và tính toán được độ lớn
của từ trường trái đất trong không gian, ta có thể tính toán được góc phương vị sử dụng công
thức (3.8). Kết quả được đưa ra trên Error! Reference source not found. cho sự phụ thuộc
tuyến tính tuyệt đối với góc đo thực nghiệm có hệ số góc bằng 1.

12


Từ các thành phần từ trường trong mặt phẳng nằm ngang (Hxy) và thành phần từ
trường theo phương thẳng đứng (Hz = H3), góc từ khuynh I có thể được tính toán sử dụng mối

tan I 

liên hệ:

Hz
H xy

(0.7)

Kết quả tính toán góc từ khuynh cũng được chỉ ra trên Error! Reference source not
found.. Kết quả chỉ ra góc từ khuynh khoảng I = 26.5 0.1o. Biên độ dao động 0.1° phù hợp
với sự thay đổi về độ lớn của từ trường cỡ 10-4 Oe.
Xác định góc pitch
Góc Pitch θ được xác định bằng cách sử dụng mối liên hệ giữa hai thành phần từ
trường H2 và H3 khi cho sensor quay trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với phương Bắc

từ của trái đất. Mối liên hệ này được biểu diễn bằng công thức:

tan  

H2
H3

(0.8)

và kết hợp với các phương trình tính toán góc phụ thuộc vào dấu của các thành phần từ trường
giống như trong công thức (3.8), góc pitch θ có thể được xác định từ số liệu thực nghiệm. Kết
quả được minh họa trên Error! Reference source not found.c là giá trị góc pitch thực
nghiệm trong một chu trình quay hoàn chỉnh.

KẾT LUẬN
Bằng công nghệ chế tạo đơn giản, luận văn đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo sensor
đo từ trường trái đất loại 1D, 2D và 3D dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện. Trong luận văn,
chúng tôi đã thực hiện một số công việc như sau:
Chế tạo và nghiên cứu thành công các vật liệu tổ hợp từ điện cấu trúc micro-nano có
dị hướng từ đơn trục có hiệu ứng từ-điện cao đặc biệt nhạy với từ trường thấp trong vùng từ
trường trái đất.
Chế tạo sensor đo từ trường trái đất 1D, 2D và 3D bằng cách tổ hợp các sensor đơn
trực giao cho phép xác định đồng thời các thành phần của từ trường trái đất trong không gian
và góc định hướng phương vị và góc từ khuynh của từ trường trái đất. trong đó:
Độ lớn của từ trường trái đất trong mặt phẳng nằm ngang: Hxy = 0.3994 Oe
Độ lớn của từ trường trái: Htot = 0.4465 Oe.

13

Góc từ khuynh khoảng : I = 26.5 0.1 
Các kết quả trên hoàn toàn phù hợp với mục1.1.3b vì Việt nam là một nước nằm gần
đường xích đạo ở nửa bán cầu Bắc nên đường sức từ trường trái đất sẽ đi vào tâm và và do đó
góc nghiêng từ sẽ nhận giá trị dương.
Sensor có độ nhạy cao, độ phân giải từ trường 10-4 Oe và phân giải góc 10-1 độ. Với
công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ tiền, sensor chế tạo được có độ phân giải có thể so sánh được
với các thiết bị cảm biến góc và cảm biến từ trường độ phân giải cao dựa trên các công nghệ
đắt tiền đang được bán trên thị trường hiện nay [7,8].

References
Tiếng Anh
[1]. D. Landau and E. Lifshitz., (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon
Press, Oxford, p.119
[2]. D.T. Huong Giang, P.A.Duc, N.T.Ngoc, N.H. Duc, Geomagnetic sensors based on
Metglas/PZT laminates, Sensor and Actuators A: Physics, 2012,
[3]. Fred Hochgraf (October 1, 1998), Materials Handbook, Ninth Edition, Vol.10.
[4]. J.Alloy Comp. 2008, SNA 2009
[5]. Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, (2007),
Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters
123513.
[6]. Michael, J. Caruso, Applications of meagnetoresistive sensors in navigation systems,
Honey Well InC.
[7]. Michael J. Haji-Sheikh, in: Sensors, S.C. Mukhopadhyay, R.Y.M. Huang (eds.),
(2008), Springer-Verlag, Berlin - Heidelberg 23
[8]. M. Johnson,(2004), Magnetoelectronics, Elsevier, Amsterdam.
[9]. NVE Corporation, (2003), GMR Sensors data book, Minnesota – USA.
[10].Ripka, Pavel (ed),(2001), Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-London:
Artech.
[11].Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Vi1ehland, (2006)Appl. Phys. Lett.
89 252904.

14


[12].Susan Macmillan, Earth’s magnetic field, British Geological Survey, Edinburgh,
UK.
[13].Ton Tich Ai,(2005) Geomagnetism and Magnetic Prospecting, Vietnam National
University Publishers.

Tiếng Việt
[14]. Đỗ Thị Hương Giang, Phạm Anh Đức, Nguyễn Anh Phương, Nguyễn Thị Ngọc,
Nguyễn Xuân Toàn, Nguyễn Hữu Đức, (2010), Hệ thống sensơ đo từ trường trái
đất trực giao dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng trong hệ thống tự động kiểm soát
và bám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh, hội thảo công nghệ vũ
trụ và ứng dụng.
[15]. Đ.T,Hương Giang, P.A.Đức, N.A.Phương, N.T.Ngọc, N.X.Toàn, N.H.Đức, (SPMS
– 2011), Tối ưu hóa cấu hình của sensơ từ trường trái đất sử dụng vật liệu
Multiferroics Metglas/PZT, Hội nghị vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc
lần thứ 7.
[16]. Nguyễn Thị Ngọc, Nghiên cứu và chế tạo các tính chất của màng mỏng Fe-Pt, khóa
luận tốt nghiệp, trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN, t.22.
[17]. Nguyễn Xuân Toàn, Tăng cường hiệu ứng từ điện trong vùng từ trường thấp trên
các vật liệu multiferroics Metglas/PZT dạng lớp cấu trúc micro/nano, luận văn
thạc sĩ vật liệu và linh kiện nano, trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN.

15