Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị từ kế vector độ nhạy nanotesla dựa trên vật liệu sắt từ sắt điện dạng dãy cấu trúc micro nano phục vụ đo vẽ bản đồ từ trường trái đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VIỆT HÙNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA
DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN
DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO
PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI – 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VIỆT HÙNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
THIẾT BỊ TỪ KẾ VECTOR ĐỘ NHẠY NANOTESLA
DỰA TRÊN VẬT LIỆU SẮT TỪ-SẮT ĐIỆN
DẠNG DÃY CẤU TRÚC MICRO-NANO
PHỤC VỤ ĐO VẼ BẢN ĐỒ TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nano
Mã số: 8440126.01QTD

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

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

HÀ NỘI – 2020


LỜI CẢM ƠN
Những nội dung nghiên cứu trong luận văn này được tôi hoàn thiện dưới sự
hướng dẫn đến từ cán bộ hướng dẫn và sự giúp đỡ từ các anh chị cùng công tác trong
nhóm nghiên cứu.
Đầu tiên, tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Đỗ Thị Hương Giang,
cô đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong toàn bộ luận văn này. Bên cạnh những kiến thức
chuyên môn và kỹ năng trong nghiên cứu thì cô còn là người đã truyền cho tôi rất
nhiều động lực bằng chính lòng nhiệt huyết và sự nghiêm túc trong công việc của cô.
Bên cạnh đó, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới các anh chị trong nhóm nghiên cứu
tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro – Nano và các thầy cô trong Khoa
Vật lý kỹ thuật đã giảng dạy và giúp đỡ cho tôi trong thời gian học tập và làm việc.
Cuối cùng tôi xin được cảm ơn Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro –
Nano và trường Đại học Công Nghệ đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thiện tốt luận văn
này.
Luận văn này được hoàn thành với sự hỗ trợ một phần của Đề tài “Nghiên cứu
chế tạo và thử nghiệm ứng dụng hệ thống đo và định vị từ trường Trái đất dựa trên
hiệu ứng từ giảo – áp điện và kỹ thuật GPS”. Mã số ĐTĐL.CN-02/17.

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi và trong đó hoàn
toàn không có sự sao chép các tài liệu hay công trình nghiên cứu của người khác mà
không chú thích rõ ràng trong mục tài liệu tham khảo. Những kết quả và các số liệu

trong luận văn chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tôi xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm, trước nhà trường về những điều tôi cam đoan trên.
Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2020
Tác giả

Nguyễn Việt Hùng

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ...................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU

.....................................................................................................................1

Chương 1: TỔNG QUAN .............................................................................................4
1.1. Tổng quan về từ trường Trái đất ..........................................................................4
1.1.1. Nguồn gốc của từ trường Trái đất.................................................................4
1.1.2. Cường độ từ trường Trái đất .........................................................................5
1.1.3. Thành phần của từ trường Trái đất ...............................................................6
1.2. Ứng dụng của từ trường Trái đất .........................................................................7
1.3. Một số loại cảm biến đo từ trường Trái đất .......................................................10
1.4. Cảm biến đo từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ-điện ............................12
1.4.1. Tổng quan về cảm biến từ-điện ..................................................................12
1.4.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện ................................................13

1.4.3. Đặc điểm của cảm biến từ-điện ..................................................................14
1.5. Vật liệu từ-điện và hiệu ứng từ-điện ...................................................................16
1.5.1. Vật liệu đa pha sắt (Multiferroics) ..............................................................16
1.5.2. Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric) .............................................................17
1.5.3. Vật liệu sắt từ, vật liệu sắt điện...................................................................17
1.6. Từ kế vector ..........................................................................................................20
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................................................21
2.1. Mô phỏng tính chất từ của FeSiC .......................................................................21
2.2. Khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC.................................................................22
2.2.1. Khảo sát tính chất từ ...................................................................................22
2.2.2. Khảo sát bề mặt và độ dày ..........................................................................23
iii


2.2.3. Khảo sát thành phần vật liệu .......................................................................23
2.3. Chế tạo cảm biến từ-điện FeSiC/PZT. ................................................................23
2.4. Khảo sát tín hiệu và thông số của các cảm biến ................................................25
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................................27
3.1. Kết quả mô phỏng ................................................................................................27
3.2. Kết quả khảo sát tính chất của vật liệu FeSiC ...................................................31
3.2.1. Khảo sát tính chất từ ...................................................................................31
3.2.2. Khảo sát thành phần vật liệu .......................................................................33
3.2.3. Khảo sát cấu trúc bề mặt và độ dày ............................................................33
3.3. Kết quả khảo sát các cấu hình cảm biến ............................................................35
3.3.1. Khảo sát cảm biến với cấu hình nối liền .....................................................35
3.3.2. Khảo sát cảm biến với cấu hình nhiều thanh ..............................................37
3.4. Kết quả khảo sát tín hiệu cảm biến dạng dãy ....................................................41
3.5. Kết quả khảo sát độ nhạy và độ phân giải của cảm biến ..................................42
3.6. Tối đa hóa tín hiệu của cảm biến ........................................................................44
KẾT LUẬN ..................................................................................................................47

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN VĂN .........................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................49

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
AC

Xoay chiều

Beff

Cảm ứng từ hiệu dụng

c

Chiều dài phần nối liền giữa các thanh vật liệu

D

Độ từ thiên

DC

Một chiều

djk

Hệ số áp điện theo phương tác dụng lực

ĐTNL

Cấu hình đa thanh nối liền

ĐTTR

Cấu hình đa thanh tách rời

e

Phần kéo dài của các thanh vật liệu

EDX

Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray
spectroscopy)

F

Cường độ từ trường tại điểm đo

fch

Tần số cộng hưởng của cảm biến

FeSiC

Vật liệu băng từ Fe96Si2C2

g

Khoảng cách giữa hai thanh vật liệu trong cấu hình đa thanh

H

Cường độ từ trường ngoài

h0

Biên độ từ trường xoay chiều

hac

Cường từ trường xoay chiều

Hc

Lực kháng từ

Hd

Từ trường khử từ

Hdc

Từ trường một chiều

Heff

Từ trường hiệu dụng

Hs

Từ trường bão hòa

Hx , Hy , Hz

Các vector thành phần trong hệ tọa độ

I

Góc nghiêng từ

kH

Hệ số chuyển đổi của cuộn Helmholtz

Kp

Hệ số máy đo từ trường proton

L

Chiều dài mẫu vật liệu trong chế tạo

L_tg

Chiều dài mẫu vật liệu mô phỏng

v


Ls

Vùng khả dụng của vật liệu (vùng cảm nhận)

m

Số cảm biến đơn vị trong cảm biến dãy

M

Từ độ của vật liệu

ME

Từ-điện (Magnetoelectric)

Mr

Độ từ dư

Ms

Từ độ bão hòa

n

Số thanh vật liệu từ giảo trong cấu hình

Pj

Độ lớn vector phân cực điện

PZT

Vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3

qac

Điện lượng biến thiên

Qdc

Điện tích cảm ứng trong vật liệu áp điện

r

Độ đồng nhất của mật độ từ thông

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope)

t

Độ dày của vật liệu

Vac

Điện áp xoay chiều kích thích

VME

Thế từ điện

VSM

Từ kế mẫu rung (vibrating sample magnetometer)

W

Chiều rộng mẫu vật liệu trong chế tạo

W_tg

Chiều rộng mẫu vật liệu mô phỏng

Wm

Kích thước của thanh vật liệu từ giảo

αE

Hệ số từ-điện

δ-, δ+

Điện tích ở hai mặt của vật liệu áp điện

λ(µ0.H)

Từ giảo khi có tác dụng của từ trường H

σ

Độ lệch chuẩn

σac

Ứng suất dao động

σk

Ứng suất tác dụng

τ

Thời gian duy trì điện tích của áp điện

χM

Độ cảm từ

χλ

Độ cảm từ giảo
vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Số lượng công bố đưa ra có từ khóa magnetoelectric và multiferroic [33] .......2
Hình 1.1. Từ trường Trái đất dưới tác động của Mặt trời (nguồn: NASA) .....................4
Hình 1.2. Mô phỏng hoạt động của các vật chất bên trong của Trái đất (XSHELLS) ...5
Hình 1.3. Hệ tọa độ tham chiếu quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center) ....6
Hình 1.4. Từ trường gây ra bởi mỏ quặng sắt từ và bản đồ từ tại vùng khảo sát ............8
Hình 1.5. Dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng khi có mỏ dầu..................................8
Hình 1.6. Hình minh họa đường sức từ trường không gian trong vùng có tầu ngầm .....9
Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp thiết bị đo từ trường flux-gate ............................10
Hình 1.8. Ảnh thiết bị, sơ đồ khối và phổ tín hiệu đo của máy đo từ trường proton ....11
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo từ lượng tử .....................................12
Hình 1.10. Biểu đồ giao động của từng vật liệu của cảm biến từ-điện [3]....................14
Hình 1.11: Liên kết từ-điện trong vật liệu từ-điện thay đổi phân cực điện bởi từ trường
ngoài (a); thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài (b) ................................................15
Hình 1.12. Sơ đồ phân loại các loại vật liệu đa pha sắt (Multiferroic) [32] ..................17
Hình 1.13. Đường cong từ hóa của các vật liệu sắt từ ..................................................18
Hình 1.14. Ảnh chụp ba cảm biến từ trường đơn trục và mô hình của từ kế vector với
ba cảm biến đơn trục .....................................................................................................20
Hình 2.1. Thiết bị từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 ......................................................22
Hình 2.2. Vật liệu PZT dạng tấm (a); vật liệu FeSiC dạng màng mỏng (b) .................24
Hình 2.3. Hệ máy cắt phiến Sherline 5410 và máy tính điều khiển ..............................24
Hình 2.4. Sơ đồ lắp đặt hệ đo khảo sát tín hiệu cảm biến. ............................................26
Hình 3.1. Kết quả mô phỏng phân bố từ thông (a); Cảm ứng từ hiệu dụng Beff trên toàn
bộ thể tích của vật liệu (b) .............................................................................................28

vii


Hình 3.2. Phân bố từ thông trên bề mặt của tấm vật liệu từ giảo với các cấu hình (a);

Độ đồng nhất về phân bố từ thông trong vùng khả dụng của các cấu hình (b) .............30
Hình 3.3. Đường cong từ hóa của vật liệu FeSiC 0.8x50 mm ......................................32
Hình 3.4. Kết quả đo phân tích thành phần vật liệu FeSiC ...........................................33
Hình 3.5. Ảnh chụp SEM độ dày của vật liệu FeSiC ....................................................34
Hình 3.6. Ảnh chụp SEM bề mặt của vật liệu FeSiC ....................................................34
Hình 3.7. Mô tả các cấu hình cảm biến được chế tạo ...................................................35
Hình 3.8. Tín hiệu của cảm biến theo tần số (a); Tín hiệu của cảm biến theo từ trường
ngoài (b) .........................................................................................................................36
Hình 3.9. Kích thước thanh và khoảng rỗng giữa hai thanh vật liệu ............................38
Hình 3.10. Tỷ số hiệu ứng “shear lag” theo số thanh (màu đỏ); Tỷ số tỷ phần thể tính
giữa hai pha vật liệu (màu đen) .....................................................................................38
Hình 3.11. Cảm biến với cấu hình đa thanh nối liền chế tạo được ...............................39
Hình 3.12. Kết quả tín hiệu cảm biến (a) và Hệ số từ-điện và độ nhạy với số thanh
khác nhau (b) .................................................................................................................39
Hình 3.13. Cấu hình tối ưu của vật liệu từ giảo trong cảm biến từ-điện (a); Cấu tạo
cảm biến từ-điện với cấu hình tối ưu (b) .......................................................................41
Hình 3.14. Kết quả tín hiệu cảm biến của các cảm biến dãy có số đơn vị cảm biến khác
nhau (a); Hệ số từ-điện với cảm biến dãy có số đơn vị khác nhau (b) ..........................42
Hình 3.15. Tín hiệu của cảm biến dãy trong dải từ trường thấp (a); Tín hiệu cảm biến
theo bước nhảy cố định (b) ............................................................................................43
Hình 3.16. Tín hiệu thả trôi của cảm biến trong từ trường (a); Đồ thị phân bố kết quả
thả trôi của hai cảm biến dãy với m = 1 và m=4 (b),(c) ................................................43
Hình 3.17. Tín hiệu cực đại của cảm biến khi tăng từ trường kích thích ......................45
Hình 3.18. Độ nhạy tín hiệu cảm biến khảo sát trong một vùng từ trường rất nhỏ ......45

viii


MỞ ĐẦU
Trong vài thập kỷ trở lại đây, các nghiên cứu liên quan tới từ trường Trái đất

đang ngày một phổ biến và cho thấy những lợi ích trong nhiều lĩnh vực khác nhau của
cuộc sống. Từ trường Trái đất cũng đóng một vai trò quan trọng, khi xem xét một cách
vĩ mô nó là lớp khiên chắn, bảo vệ chúng ta khỏi những bức xạ tiêu cực từ ngoài vũ
trụ, còn ở góc độ vi mô thì chúng giúp ta đang dự đoán những hiểm họa thiên nhiên,
thăm dò, khảo sát và tìm kiếm những nguồn năng lượng hóa thạch. Tuy từ trường
không thể quan sát thấy bằng mắt thường, nhưng nếu vận dụng đúng cách thì bằng từ
trường chúng ta có thể “thấy” được những thứ chúng ta không thể nhìn thấy. Để làm
được điều này chúng ta cần phải ghi nhận được những tín hiệu rất nhỏ (cỡ 10-4 Tesla)
của từ trường Trái đất. Việc này buộc chúng ta phải thực hiện thông qua những thiết bị
có độ nhạy rất cao đủ để có thể khảo sát được vùng từ trường thấp này.
Đến nay, các nhà khoa học vẫn đang tiến hành nghiên cứu nguyên lý, tính chất và
hiệu ứng của nhiều loại vật liệu để tạo ra những cảm biến từ trường có độ nhạy cao
cho phép ghi nhận tín hiệu từ trường Trái đất. Trong đo có thể kể đến một số loại cảm
biến nổi bật hiện nay như cảm biến từ flux-gate, cảm biến proton hay cảm biến từ
lượng tử,…Mỗi loại cảm biến này lại sở hữu những ưu điểm và nhược điểm riêng nên
chúng sẽ có những mục đích ứng dụng thích hợp.
Gần đây, có một loại vật liệu đang nổi lên và rất được quan tâm bởi tiềm năng
của vật liệu này có thể sẽ thay thế các vật liệu truyền thống đã giảm dần đi sức hút. Đó
chính là vật liệu từ-điện ở dạng phổ biến hiện nay là dạng tổ hợp đa pha từ vật liệu sát
từ và sắt điện. Ưu điểm vượt trội của vật liệu này là dễ dàng trong thiết kế, công nghệ
chế tạo đơn giản và điện kiện làm việc ở nhiệt độ phòng. Chính những ưu điểm này đã
tạo ra tiềm năng lớn để khai thác vật liệu này vào các ứng dụng trong đời sống. Cụ thể
đã có một số ứng dụng đã có được đưa vào sử dụng như thiết bị chuyển đổi tín hiệu
[26], thiết bị lưu trữ thông tin [21] và nổi bật nhất là ứng dụng trong chế tạo cảm biến
từ trường với độ nhạy cao [1,3,23].
Vật liệu từ-điện (Magnetoelectric) hay còn được gọi là vật liệu đa pha sắt từ-sắt
điện thuộc trong nhóm các vật liệu đa pha sắt (Multiferroics) với hiệu ứng từ-điện cho
phép chuyển đổi trực tiếp từ năng lượng từ sang năng lượng điện. Cảm biến chế tạo từ
vật liệu này có thể ứng dụng được trong các khảo sát và đo đạc từ trường Trái đất,
thăm dò khoáng sản, nhiên liệu, cảnh bảo sớm thiên tai và các ứng dụng trong quân sự

khác. Sức hút này được thể hiện rõ nhất qua số lượng các bài báo và công bố với nội
dung liên quan đến vật liệu này đang có xu hướng tăng lên. Sự phổ biến của các
nghiên cứu liên quan về nội dung này với từ khóa là Magnetoelectric và Multiferroic
được thể hiện trong hình 1.

1


Hình 1. Số lượng công bố đưa ra có từ khóa magnetoelectric và multiferroic [33]
Ban đầu, các nghiên cứu về vật liệu này tập trung vào dạng vật liệu đơn pha [19],
sau đó phát triển sang vật liệu dạng khối đa pha [34] và gần đây các nghiên cứu vật
liệu từ-điện chuyển hướng mạnh sang nghiên cứu vật liệu dạng tổ hợp đa pha. Xu
hướng phát triển này diễn ra bởi trong một vài nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng độ
nhạy của cảm biến này có thể cải thiện đáng kể bằng cách tối ưu hóa cấu hình thiết kế
của cảm biến chế tạo [1,29].
Từ những cơ sở trên, luận văn đặt mục tiêu chế tạo ra cảm biến đo từ trường có
độ nhạy nanoTesla dựa trên nền tảng của các nghiên cứu về hướng ứng dụng này đã
được công bố trước đây. Với hướng tiếp cận chính để đạt được mục tiêu trên là cải
thiện và tối ưu hóa cấu hình của cảm biến, thông qua hai cách là cải thiện cấu hình dưa
trên các yếu tố ảnh hướng tới tín hiệu cảm biến và cải thiện độ phân cực điện cảm biến
bằng phương pháp ghép dãy.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tín hiệu của cảm biến dựa trên vật liệu sắt từsắt điện tuy nhiên trong luận văn này một số yếu tố sẽ tác động trực tiếp sẽ được tập
trung. Việc tối ưu cấu hình cho cảm biến cũng sẽ bám sát theo những yếu tố là tính
đơn trục của cảm biến, hiệu ứng “shear-lag”, tỉ phần thể tích và sự tiểu hình hóa cho
cảm biến. Theo hướng nghiên cứu như trên luận văn sẽ lựa chọn nghiên cứu trên hai
loại vật liệu sắt từ và sắt điện phổ biến và sẵn có trên thị trường hiện nay là băng từ
FeSiC và áp điện PZT. Bên cạnh đó luận văn cũng kế thừa những kết quả nghiên cứu
đã được công bố để tối ưu thời gian nghiên cứu cho luận văn.
Trong khoảng thời gian thực hiện, theo mục tiêu và hướng nghiên cứu đặt ra, các
nội dung cụ thể sau sẽ được tiến hành nghiên cứu:

2


* Khảo sát và phân tính chất của vật liệu sắt từ FeSiC
* Thiết lập thông số vật liệu, dự đoán cấu hình và tiến hành mô phỏng mật độ tập
trung từ thông độ, đồng đều của từ thông trên bề mặt của vật liệu sắt từ FeSiC
với các cấu hình khác nhau nhằm so sánh hiệu quả của cấu hình
* Chế tạo các cảm biến theo những cấu hình đã mô phỏng để đánh giá hiệu quả
cải thiện tín hiệu của cảm biến theo cấu hình trong thực tế đo đạc
* Đánh giá kết quả tín hiệu của cảm biến thu được với các cấu hình khác nhau, từ
kết quả đưa ra kết luận về cấu hình tối ưu nhất
* Chế tạo các cảm biến với cùng cấu hình tối ưu nhất và tiến hành ghép nối các
đơn cảm biến này thành một cảm biến có cấu trục dạng dãy. Khảo sát tín hiệu lối
ra của các cảm biến dạng dãy với số đơn cảm biến khác nhau và đánh giá hiệu
quả
* Sử dụng cảm biến có kết quả tín hiệu lớn nhất đã chế tạo được để khảo sát,
đánh giá và tính toán độ nhạy và độ phân của cảm biến.

3


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về từ trường Trái đất
Theo các phép đo đạc niên đại phóng xạ và những bằng chứng khoa học khác,
các nhà khoa học nhận định rằng Trái đất được hình thành từ hơn 4,5 tỷ năm trước và
là vật thể thiên văn duy nhất được biết đến có tồn tại sự sống. Nhiều nhà khoa học đã
chứng minh rằng hành tinh của chúng ta đang được bảo vệ khỏi những “cơn giận dữ”
của Mặt trời bởi một “bong bóng” từ tính khổng lồ gọi là từ quyển hay từ trường Trái
đất. Nó làm lệch đi hầu hết các nguyên tử mang năng lượng cao từ Mặt trời quét về

hướng chúng ta. Điều này cho thấy rằng, rõ ràng là từ trường Trái đất đã bảo vệ Trái
đất và giúp nơi đây trở thành một hành tinh có sự sống.

Hình 1.1. Từ trường Trái đất dưới tác động của Mặt trời (nguồn: NASA)
Bên cạnh lợi ích mang tính vĩ mô như vật thì xuyên suốt lịch sử loài người đến
này từ trường Trái đất đã trở thành một lĩnh vực khoa học riêng, được nghiên cứu và
ứng dụng rất nhiều vào cuộc sống. Lần đầu tiên vào năm 1600, nhà vật lý William
Gilbert đã là người đầu tiên giải thích về sự tồn tại từ trường trên Trái đất, ông đã ví
Trái đất như một thanh nam châm khổng lồ. Tuy nhiên, điều mà đến nay vẫn còn đang
gây ra tranh luận giữa những nhà khoa học lại là nguồn gốc thực sự của từ trường Trái
đất là gì?
1.1.1. Nguồn gốc của từ trường Trái đất
Trong hệ mặt trời của chúng ta, Trái đất và sao Thủy là hai hành tinh đặc biệt,
với mỗi hành tinh được bảo vệ bởi một lớp từ trường riêng biệt có nguồn gốc xuất phát
từ chính bản thân của hai hành tinh. Vào năm 1940, giả thuyết “geodynamo” đã được
đưa ra bởi một số nhà vật lý để giải thích cho nguồn gốc của lớp từ trường này trên
4


Trái đất. Giả thuyết này cho rằng nguồn gốc tạo ra từ trường của Trái đất được bắt đầu
từ lớp lõi ngoài của hành tinh cách bề mặt Trái đất khoảng 2900 km và được cấu tạo
chủ yếu từ sắt là các vật liệu dẫn điện khác. Nhiệt độ tại lõi ngoài của Trái đất nơi
được cho là đã tạo ra từ trường có thể lên đến 6000oC [10].
Ban đầu, do sức nóng tạo ra từ lõi trong của Trái đất, các vật chất ở lõi ngoài sẽ
bị nóng chảy. Dòng vật chất này sẽ chuyển động cùng với chuyển động tự quay và
quay quanh Mặt trời của Trái đất đã tạo thành các dòng xoáy, từ đó tạo ra từ trường
tán xạ bao bạo lấy Trái đất [24]. Từ trường này sẽ liên tục được tạo ra trong một vòng
lặp tuần hoàn của vật chất bên trong lõi Trái đất. Các dòng vật chất trong lõi này đủ
mạnh mẽ để có thể tạo ra những đường sức khuếch tán ra xa bên ngoài không gian và
bảo vệ lấy toàn bộ Trái đất. Đường sức từ này có hình dạng như đường sức từ của một

thỏi nam châm, kéo dài từ cực Bắc xuống cực Nam của Trái đất. Lý thuyết này còn
được gọi là lý thuyết “máy phát điện” và đây cũng là lý thuyết khả thi nhất đến nay để
lý giải cho nguồn gốc về từ trường Trái đất [17].

Hình 1.2. Mô phỏng hoạt động của các vật chất bên trong của Trái đất (XSHELLS)
1.1.2. Cường độ từ trường Trái đất
Cường độ từ trường của Trái đất lần đầu được đo bởi Johann Carl Friedrich
Gauss vào năm 1835 và được đo lại nhiều lần kể từ đó [30]. Cường độ từ trường
thường được đo bằng đơn vị Gauss (G), tuy nhiên trong nhiều báo cáo khoa học được
công bố gần đây, đơn vị cường độ từ trường được sử dụng nhiều hơn là nanoTesla
(nT) với 1 Gauss = 100.000 nT. Cường độ từ trường đo được trên bề mặt Trái đất dao
động trong khoảng 23.000 nT đến 62.000 nT, tại Việt Nam giá trị này vào khoảng
40.000 nT [15].
5


Nếu so với từ trường của một thỏi nam châm thông thường có cường độ từ vài
chục đến vài trăm Gauss thì từ trường của Trái đất là nhỏ hơn rất rất nhiều. Từ trường
trên bề mặt của Trái đất tại những vị trí khác nhau là khác nhau, với cường độ mạnh
nhất tại hai cực và yếu dần về xích đạo. Tuy nhiên, các thay đổi của cường độ từ
trường không phải là tuyến tính giữa hai cực mà là thay đổi theo cả không gian và thời
gian. Ở hai cực từ, từ trường gồm nhiều các thành phần thẳng đứng với về bặt Trái đất
hơn còn ở xích đạo các đường sức nằm ngang lại xuất hiện nhiều hơn. Hai vị trí có từ
trường thẳng đứng gọi là Bắc cực từ và Nam cực từ. Hai cực từ của từ trường Trái đất
tạo với trục của Trái đất một góc nghiêng 11,3 độ và có cực Bắc Nam ngược với cực
địa lý của Trái đất.
Bằng cách đo và lập biểu đồ thể hiện các đường đẳng từ là đường nối những vị
trí có cùng cường độ từ trường trên bề mặt chúng ta có thể khảo sát được đặc điểm từ
trường ở một khu vực nhất định. Điều này mang lại nhiều ý nghĩa bởi có nhiều yếu tố
tác động đến từ trường tại một khu vực như các nguồn từ trường ẩn dưới lớp vỏ Trái

đất, từ trường của môi trường xung quanh và từ trường nền. Hiện tại trên Trái đất,
những biến động từ trường đang được đo đạc và ghi nhận bởi 170 đài quan sát địa từ
trên khắp thế giới [10]. Việc này giúp chúng ta dự đoán sớm được các sự biến đổi bất
thường của thời tiết hoặc thiên tai trên Trái đất.
1.1.3. Thành phần của từ trường Trái đất
Từ trường Trái đất luôn luôn có hướng và độ lớn tại mọi điểm trong không gian.
Ba thông số đặc trưng để mô tả cho một vector từ trường là cường độ từ trường F tại
điểm đo; góc từ trường tạo ra với phương ngang hay còn được gọi là góc nghiêng từ I
và độ suy giảm hay độ từ thiên D là góc giữa kinh tuyến và vector thành phần trên mặt
phẳng ngang [28]. 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).

Hình 1.3. Hệ tọa độ tham chiếu quốc tế hướng về tâm Trái đất (North-East-Center)
6


Thông thường, véc tơ từ trường được phân tích thành ba thành phần trong hệ tọa
độ được sử dụng phổ biến là X (hướng Bắc), Y (hướng Đông) và Z (hướng xuống). Hệ
tọa độ này được gọi là hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm Trái đất
(North-East-Center). Từ hệ tọa độ này ta có thể phân tích ra độ nghiêng từ I của từ
trường là góc tạo bởi vector từ trường Trái đất với mặt phẳng nằm ngang tại điểm quan
sát. Giá trị này tại hai cực từ của Trái đất tương ứng là +90o và -90o. Độ từ thiên D
trong trường hợp này được xác định là góc giữa hướng Bắc địa lý và hướng Bắc từ hay
chính là góc lệch giữa kinh tuyến địa lý và kinh tuyến từ của Trái đất. Khi xét về độ
lớn các giá trị này được xác định bằng cách sử dụng các công thức sau :

D = arctg
I = arctg

Với:

Y
X

Z
H

(1.1)

(1.2)

F = H2 + Z2

(1.3)

H = X 2 +Y2

(1.4)

Theo hệ đơn vị quốc tế SI đơn vị từ trường thường sử dụng là Tesla (T). Các
thành phần của hệ tọa độ Descartes cũng được tính theo đơn vị nanoTeslas và được
xác định như sau:
X = HcosD, Y = HsinD, Z = FsinI

(1.5)

1.2. Ứng dụng của từ trường Trái đất
Những ghi nhận về sự tồn tại từ trường Trái đất đã xuất hiện từ rất lâu và đến nay
nó vẫn tiếp tục thể hiện tầm quan trọng của mình trong vai trò là một lĩnh vực khoa
học. Dấu ấn sơ khai nhất về khảo sát từ trường có thế kể đến là thiết bị la bàn của

người Trung Quốc vào giai đoạn thế kỷ 11 [25]. Đến năm 1701, bản đồ từ trường đâu
tiên đã được tạo ra bởi nhà vật lý Halley, bản đồ này bao trùm toàn bộ Đại Tây Dương
[31]. Đến nay, một số ứng dụng nổi bật trong lĩnh vực này có thể kể đến là:
* Thăm dò khoáng sản
Khảo sát từ trường là phương pháp cho phép đánh giá các vật chất có từ tính ở
bên dưới lòng đất mà không phải thực hiện các phương pháp xử lý trực tiếp. Từ trường
tại những vị trí có mặt của nguồn từ tính mạnh như quặng sắt, hay các khối sắt thép
nhân tạo sẽ có thay đổi so với từ trường địa phương. Nếu tiến hành đo đạc và trừ đi
phần của từ trường xung quanh có thể giúp đánh giá được đặc tính từ của khối vật liệu,
điều này tùy thuộc vào bản chất từ tính của vật liệu mà các phần từ dị thường này là
khác nhau.
7


Hình 1.4. Từ trường gây ra bởi mỏ quặng sắt từ và bản đồ từ tại vùng khảo sát
Các khảo sát thăm dò khoáng sản thường sử dụng phương pháp lập bản đồ từ
trường tại những vùng có từ trường đặc biệt. Bản đồ từ trường với các đường đẳng từ
sẽ giúp đánh giá được vị trí cũng như các tính chất của nguồn từ này. Theo quy luật, từ
trường dị thường khoảng 1 nT được tạo ra bởi 1 tấn sắt ở khoảng cách vài chục mét
(100 feet) [10].
* Thăm dò nhiên liệu hóa thạch
Dựa vào đặc tính từ trường của lớp trầm tích ở bên trên các nguồn dâu thô hay
than đá để ứng dụng tìm kiếm và phát hiện nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tàu thăm dò sẽ
có nhiệm vụ tìm kiếm những vùng có từ trường bất thường, định vị và ghi chép những
số liệu giúp phát hiện ra những nguồn dầu nằm bên dưới biển. Độ nhạy và độ phân
giải của các thiết bị thăm dò càng cao thì bức tranh tổng thể về từ trường của lớp địa
tầng đất đá ở khu vực thăm dò càng được biểu diễn một cách rõ ràng giúp việc khảo
sát và đánh giá nhanh chóng và tiết kiệm hơn.

Hình 1.5. Dữ liệu dị thường từ trường thẳng đứng khi có mỏ dầu.

8


* Cảnh báo thiên tai động đất, sóng thần, sạt lở,…
Trong lĩnh vực khí tượng thủy văn, đo đạc và theo dõi biến động của từ trường
Trái đất theo thời gian có thể giúp cảnh bảo sớm các hiện tượng thiên nhiên cực đoan
như động đất, sóng thần hay một số thiên tai khác. Đặc biệt đối với các nước nằm
trong khu vực thường xuyên xảy ra thiên tai như các quốc đảo hay các nước có đường
bờ biển dài như Việt Nam. Các phương pháp cảnh bảo động đất không sử dụng từ
trường gặp hạn chế vì việc phát hiện thường chậm trễ, tuy nhiên với phương pháp từ
trường có thể giúp cảnh bảo sớm thiên tai để đưa ra các ứng phó kịp thời hơn.
* Dò tìm phát hiện tàu ngầm, thủy lôi và các vật thể sắt từ dưới đáy biển
Những cuộc chiến tranh đã kết thúc từ rất lâu nhưng nước ta cũng như một số
quốc gia khác vẫn đang ngày ngày phải khắc phục hậu quả do bom mìn để lại từ
những cuộc chiến này. Với sự tham gia của các thiết bị dò tìm băng phương pháp khảo
sát từ trường đã giúp khắc phục được phần nào những hậu quả trên. Ngoài ra, trong
quân sự cũng đang tập trung khai thác từ trường Trái đất để phát triển các ứng dụng
liên quan như phát hiện tàu ngầm, thủy lôi,...[11]. Bằng phương pháp khảo sát từ
trường gắn trên máy bay đã giúp cho lực lượng tuần tra hải quân triển khai các biện
pháp bảo vệ vùng biển hiện nay.

Hình 1.6. Hình minh họa đường sức từ trường không gian trong vùng có tầu ngầm
* Hàng không vũ trụ
Như được nhắc tới trong phần đầu, Trái đất đang được bảo vệ bởi các tác động
tiêu cực từ Mặt trời bởi một lớp từ khuyển. Hoạt động của vệ tinh hay các tàu thăm dò
không gian bị tác động rất nhiều khi hoạt động ở bền ngoài không gian nơi cường độ
từ trường Trái đất khá thấp. Các bức xạ có tác động tiêu cực này có thể gây nhiễu cho
các trạm không gian hay máy tính trên máy bay. Do đó, dự đoán về hoạt động từ tính,
như một máy cảnh báo giúp giảm thiểu các hậu quả không mong muốn. Đây cũng là

một ví dụ khác về từ trường của Trái đất và là mối nguy hiểm mới trong thế giới hiện
đại hiện nay.
* Lĩnh vực xây dựng, khảo cổ
9


Lĩnh vực xây dựng và khảo cổ cũng là những lĩnh vực có khai thác các yếu tố
của từ trường Trái đất. Một số ứng dụng đáng chú ý như định vị đường ống, cáp điện
trong xây dựng hay thăm dò phát hiện các cổ vật, công trình di tích khảo cổ,…
1.3. Một số loại cảm biến đo từ trường Trái đất
Ứng với mỗi dải từ trường cần khảo sẽ có những loại cảm biến hoạt động tốt
trong khoảng từ trường đó. Đối với cảm biến sử dụng để do từ trường của Trái đất thì
độ nhạy là yêu cầu đầu tiên cần phải đáp ứng được. Do cường độ từ trường của Trái
đất là rất nhỏ nên chỉ có một vài loại cảm biến đáp ứng được với dải từ trường này.
* Cảm biến từ trường Flux-gate
Cảm biến từ Flux-gate là thiết bị hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của độ cảm từ
của vật liệu sắt từ theo từ trường ngoài H. Thiết bị này sử dụng đầu thu là hai thanh
kim loại sắt từ, thường là permalloy và hai cuộn dây quấn quanh dọc lõi sắt từ kích
thích nhằm tạo từ trường để từ hóa thanh sắt từ. Một cuộn thứ cấp được sử dụng để thu
tín hiệu cảm ứng sẽ được cuốn dọc theo hệ này theo hướng ngược lại với cuộn dây
kích thích. Thiết bị này chỉ đo được thành phần của vector từ trường dọc theo trục
cuộn dây. Ngay nay, bằng việc tổ hợp hệ thống ba cảm biến trực giao với nhau cho
phép cảm biến này đo từng thành phần của từ trường từ đó xác định được hướng của
từ trường Trái đất. Thiết bị dựa trên hiệu ứng này cho độ nhạy của từ trường tốt nhất
hiện nay trong khoảng 0.1 nT và độ phân giải đạt tới 0.01 nT [11].

Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp thiết bị đo từ trường flux-gate
Cảm biến này có ưu điểm là công nghệ chế tạo đơn giản, chi phí thấp, kích thước
nhỏ, độ bền cao, làm việc ổn định và chịu được điều kiện nhiệt độ cao. Tuy vậy, cảm
biến loại này lại gặp phải những giới hạn do độ phân giải của dòng điện nên ở dải từ

trường 40.000 nT thiết bị có độ nhạy thấp. Hiệu ứng cảm ứng điện từ trong vật liệu
cũng tạo ra nhiều nhiễu nền nên thiết bị này gặp hạn chế trong ứng dụng. Cũng chính
bởi cấu tạo gồm nhiều cuộn dây nên cảm biến này gặp khó khăn trong việc nâng cao
chất lượng.
10


* Máy đo từ trường proton
Máy đo từ trường proton (Proton precession magnetometer) hoạt động dựa trên
đo tần số tín hiệu tuế sai của proton, hạt nhân của Hydro 1H1 khi trục quay của proton
định hướng lại theo từ trường ngoài. Một dung dịch chất lỏng, thường ở dạng dung
dịch hoặc dầu chứa nhiều Proton có thể tích từ 0,5 đến 4 lít sẽ được quấn xung quanh
bởi một cuộn dây solenoid chứa ligroin (xăng máy bay) để sử dụng làm bộ phận cảm
biến. Số lần tuế sai của proton chuyển động với hệ số Kp = 0,042576 Hz/nT từ đó xác
định được cường độ từ trường bằng cách đếm số lần này.
Thiết bị này có thời gian lấy mẫu dài (~ 1 giây) và có độ phân giải 1 nT trong dải
từ trường của Trái đất khoảng 23.000 đến 62.000 nT và 2 nT trong dải từ trường ngoài
62.000 nT. Khi tăng thời gian lấy mẫu lên khoảng 3 lần thì thiết bị này có thể đo
đường từ trường với độ nhạy lên tới 0.1 nT [22]. Có thể thấy thiết bị này rất nhạy với
vùng từ trường thấp tuy nhiên cũng có một số hạn chế khi làm việc trong dải từ trường
Trái đất như: kích thước lớn, độ chính xác của cảm biến phụ thuộc nhiều vào người
thực hiện phép đo, thời gian đọc tín hiệu dài, cần nguồn nuôi lớn,…

Hình 1.8. Ảnh thiết bị, sơ đồ khối và phổ tín hiệu đo của máy đo từ trường proton
* Cảm biến đo từ lượng tử
Máy đo từ lượng tử, hay còn được biết đến với tên gọi là máy đo từ bơm quang
học (Optically Pumped Magnetometer), là thiết bị đo từ hoạt động dựa trên việc quan
sát hiện tượng phân tách mức năng lượng lượng tử của điện tử trong trường hạt nhân
khi có từ trường bên ngoài đặt vào. Máy đo từ lượng tử sử dụng hơi kim loại kiềm của
một số nguyên tố như Cesium, Rabidium hay Kalium, nên thường gọi theo tên nguyên

tố đó, ví dụ như máy đo từ Cesium. Những máy đo dạng này có độ nhạy rất cao với từ
trường ngoài lên tới 0,001 nT với một lần đo dài cỡ 0,3 giây [13]. Máy đo từ này được
sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng của ngành hàng không vũ trụ và vật lý địa cầu.
Cảm biến từ lượng tử yêu cầu công nghệ chế tạo rất phức tạp và tinh vi do đó giá
thành của thiết bị thường rất cao.
11


Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo từ lượng tử
* Cảm biến đo từ trường dựa trên các hiệu ứng khác
Ngoài các loại cảm biến điển hình được liệt kê ở trên thì vẫn còn những loại cảm
biến từ trường khác như cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall, cảm biến từ-điện trở, cảm
biến từ-điện,…Ưu điểm của những cảm biến này là dải đo từ trường rộng, kích thước
nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, thiết thực để ứng dụng và các thiết bị đo từ trường
Trái đất nhỏ gọn cầm tay. Công nghệ chế tạo của những cảm biến này cũng là ưu điểm
giúp chúng có cơ hội ứng dụng trong dân dụng nhiều hơn. Tuy nhiên tùy thuộc vào
hiệu ứng hoặc vật liệu mà độ nhạy của các cảm biến này là khác nhau, các công ty
thương mại hóa các loại cảm biến này đang nghiên cứu để cải thiện hơn nữa điểm yếu
về độ nhạy của chúng.
Hiện nay, các hướng nghiên cứu về vật liệu chức năng, vật liệu lai là một trong
những hướng nghiên cứu cấp thiết và được đánh giá như giải pháp cho các vấn đề trên.
Trong đó có một nhánh trong hướng nghiên cứu này đang rất được chú ý là cảm biến
từ dựa trên hiệu ứng từ-điện của các vật liệu tổ hợp đa pha từ giảo-áp điện. Vật liệu
này đang rất tiềm năng là bởi loại cảm biến dựa trên vật liệu này có rất nhiều cơ hội để
cải thiện độ nhạy và độ phân giải của cảm biến. Công thêm với đó là việc công nghệ
chế tạo đơn giản và chi phí nguyên liệu thấp đặt ra các cơ hội rất lớn trong thực tế.
Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện trong tương lai được dự đoán sẽ
là thế hệ cảm biến của thế kỷ mới và đang được đẩy mạnh nghiên cứu rộng khắp. Các
kết quả đã chỉ ra rằng thế hệ cảm biến này với độ nhạy cao hứa hẹn có thể sẽ là công
nghệ cảm biến thay thế nhiều kỹ thuật đo phức tạp và đắt tiền của thế kỷ trước.

1.4. Cảm biến đo từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ-điện
1.4.1. Tổng quan về cảm biến từ-điện
* Cảm biến từ-điện
Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện đang là một hướng nghiên cứu mới với triển
vọng phát triển ứng dụng rất cao. Hiệu ứng từ-điện (magnetoelectric effect) xuất hiện
12


trên các vật liệu tổ hợp đa pha từ giảo-áp điện (thuộc nhóm vật liệu lai đa pha) hiện
nay đang được khai thác ứng dụng trong đo lường từ trường độ nhạy cao [23,25]. Vật
liệu từ giảo và vật liệu áp điện cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội mà có thể khắc phục
được những nhược điểm của những loại cảm biến còn lại. Cảm biến từ-điện hiện nay
thường được chế tạo bằng phương pháp tổ hợp vật liệu đa pha từ-điện. Hai pha vật liệu
là sắt từ và sắt điện khi được tổ hợp thành vật liệu khối theo dạng đa lớp thì trong vật
liệu sẽ xuất hiện hiệu ứng kết hợp đặc biệt cho phép chuyển đổi trực tiếp năng lượng
từ thành năng lượng điện và ngược lại nhờ vào hiệu ứng từ-điện.
* Hiệu ứng từ-điện
Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng thể hiện sự tương tác bên trong vật liệu giữa hiệu
ứng của điện trường, từ trường và ứng suất liên kết. Hiệu ứng này được chia thành hai
loại hiệu ứng là hiệu ứng từ-điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từđiện nghịch (converse magnetoelectric effect). Khi vật liệu bị thay đổi độ phân cực
điện bởi từ trường ngoài thì hiệu ứng này là từ-điện thuận, ngược lại khi tính chất từ
của vật liệu bị thay đổi do điện trường ngoài thì hiệu ứng là từ-điện nghịch.
Vật liệu từ-điện với hiệu ứng từ-điện thuận đang có triển vọng rất lớn cho chế tạo
cảm biến từ trường Trái đất độ nhạy cao. Các nghiên cứu gần đây trên vật liệu từ-điện
sử dụng trong cảm biến từ trường cho thấy kết quả độ phân giải đạt được cỡ 10 nT với
độ phân giải này thì vẫn cần phải có những cải tiến trong công nghệ chế tạo của cảm
biến này để có thể so sánh với các cảm biến dạng khác.
1.4.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện
Trong nguyên lý hoạt động của cảm biến từ-điện, vật liệu pha sắt từ sẽ nhận tác
động của từ trường ngoài và bị biến dạng bởi hiệu ứng từ giảo. Biến dạng này tạo ra

ứng suất lên pha sắt điện có hiệu ứng áp điện. Khi ứng suất truyền tới tấm áp điện
thông qua lớp liên kết giữa hai pha, tấm áp điện sẽ xuất hiện điện tích cảm ứng không
đổi (QDC). Có thể coi tấm áp điện lúc này như một tụ điện nhưng chúng không thể duy
trì được điện tích và bị mất trong khoảng thời gian rất ngắn (τ) do điện tích đi vào máy
đo thông qua các chân điện cực. Vậy nên, để duy trì được lượng điện tích này, một
cuộn dây solenoid cung cấp từ trường xoay chiều (hac) được sử dụng để tạo ra các ứng
suất dạng dao động (σac). Những ứng suất này tạo ra điện lượng biến thiên (qac) trên
tấm áp điện và thiết bị đo sẽ đo được tin hiệu bằng cách đo điện áp xoay chiều lối ra
trên tấm vật liệu áp điện [4]. Cuộn dây solenoid này được bố trí để đặt toàn bộ cảm
biến vào trong lòng cuộn dây để cho từ trường kích thích tạo bởi cuộn dây là đồng
nhất trên toàn bộ cảm biến. Tần số của điện trường xoay chiều cấp vào cuộn dây kích
thích là một thông số quan trọng trong cảm biến từ-điện bởi tại tần số này giao động
của cảm biến sẽ cộng hưởng với tần số của cuộn kích thích và tạo ra tín hiệu điện áp
lớn nhất.
13


Hình 1.10. Biểu đồ giao động của từng vật liệu của cảm biến từ-điện [3]
* Hệ số từ-điện
Hệ số từ-điện (magnetoelectric coefficient) ký hiệu là αE là tham số đặc trưng đại
diện cho hiệu quả ghép nối của hai pha vật liệu trong hiệu ứng từ-điện nói chung hay
cảm biến từ-điện nói riêng. Hệ số này phụ thuộc vào từ độ, từ trường ngoài và độ phân
cực điện nội tại bên trong của vật liệu [12]. Do hiệu ứng từ-điện được chia thành hai
chiều là hiệu ứng từ-điện thuận và nghịch nên hệ số từ-điện cũng sẽ tương ứng là hệ số
từ-điện thuận và hệ số từ-điện nghịch.
Trong cảm biến từ-điện thì hiệu ứng được khai thác là hiệu ứng từ-điện thuận
thực hiện chuyển tín hiệu dạng từ sang tín hiệu điện. Hệ số từ-điện thuận của hiệu ứng
từ-điện thuận được xác định bởi công thức sau: E = dE/dH (1.6). Với E là điện trường
tạo ra và H là từ trường đặt vào. Hệ số từ-điện của cảm biến sẽ phụ thuộc vào từ
trường AC kích thích và từ trường đặt vào DC do đó cảm biến từ-điện có thể phát hiện

được cả từ trường AC và DC.
1.4.3. Đặc điểm của cảm biến từ-điện
Mặc dù các kết quả đã được công bố trước đây về cảm biến loại này có tín hiệu
với độ nhạy và độ phân giải chưa cao khi so sánh với các dòng cảm biến khác. Tuy
nhiên, vật liệu này được dự đoán là còn nhiều cơ hội để cải thiện về độ nhạy. Bên cạnh
đó công nghệ chế tạo cảm biến từ-điện lại rất đơn giản và khai thác được những công
nghệ sẵn có hiện nay. Điều kiện làm việc của cảm biến từ-điện này cũng rất thuận lợi
vì nó hoạt động tốt nhất ở điều kiện nhiệt độ phòng. Trong luận văn này một số yếu tố
tác động tới tín hiệu của cảm biến từ-điện sẽ được nghiên cứu.
14


a

b

Hình 1.11: Liên kết từ-điện trong vật liệu từ-điện thay đổi phân cực điện bởi từ
trường ngoài (a); thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài (b)
* Hiệu ứng “shear lag”
Một hiệu ứng quan trọng được quan tâm khi nghiên cứu về các cảm biến từ-điện
đó là hiệu ứng “shear lag” hay còn được gọi là hiệu ứng cạnh. Là hiệu ứng thể hiện sự
khác biệt về phân bố biến dạng trên bề mặt của những mẫu có dạng màng mỏng [7].
Lý thuyết này chỉ ra rằng giữa phần lõi và phần biên của vật liệu áp điện sẽ có phân bố
khác nhau về sự biến dạng. Biến dạng này sẽ tăng dần từ biên của mẫu vào trong lõi
với cực đại biến dạng ở tâm của vật liệu. Sự phụ thuộc của thế từ-điện vào sự tăng của
kích thước mẫu theo lý thuyết “shear lag” là sự phụ thuộc một cách tuyến tính. Khi
kích thước mẫu tăng nhanh thì tỷ số thể hiện của hiệu ứng “shear lag” cũng tăng theo
dẫn tới các cảm biến có kích thước lớn hơn sẽ có hiệu ứng từ-điện tốt hơn so với cảm
biến có kích thước nhỏ. Do đó mà hiệu ứng này giúp đưa ra dự đoán về độ lớn tín hiệu
của cảm biến giữa các cấu hình khác nhau. Tỷ số hiệu ứng “shear lag” được xác định

là tỷ số của diện tích mẫu/chu vi mẫu. Tỷ số này sẽ là căn cứ để đưa ra những thiết kế
cấu hình thích hợp nhằm cải thiện tín hiệu cảm biến.
* Hiệu ứng dị hướng hình dạng
Dị hướng hình dạng là là hiệu ứng có liên quan chặt chẽ tới trường khử từ của vật
liệu sắt từ. Trường khử từ này có xu hướng chống lại sự từ hóa của từ trường ngoài.
Việc sử dụng vật liệu sắt từ có cấu trúc dạng thanh mảnh và dài (chiều dài lớn hơn
nhiều lần so với chiều rộng) là phương pháp để khai thác tính chất này của vật liệu sắt
từ [1]. Đối với cấu hình này vật liệu sẽ dễ từ hóa trong từ trường theo chiều dài của vật
liệu, chiều còn lại sẽ là chiều khó từ hóa do trường khử từ tạo ra là rất lớn. Cấu hình
này đảm bảo cho tính đơn trục của từng cảm biến trong từ kế vector khi chế tạo và cấu
hình của vật liệu sắt từ dạng thanh hình chữ nhật dài và mảnh cũng là cấu hình được sử
dụng cho các cảm biến từ-điện hiện nay. Bên cạnh đó cấu hình này cũng giúp cải thiện
hiệu ứng từ giảo của vật liệu sắt từ trong cảm biến.
15