Luận án Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ DUY PHÚ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM BỀ MẶT CÓ KẾT HỢP VỚI VẬT LIỆU TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ DUY PHÚ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM BỀ MẶT CÓ KẾT HỢP VỚI VẬT LIỆU TỪ Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. HOÀNG SĨ HỒNG 2. PGS.TS. LÊ VĂN VINH Hà Nội - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và PGS.TS Lê Văn Vinh. Luận án được thực hiện hoàn toàn trong thời gian tôi là nghiên cứu sinh tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Các kết quả, số liệu trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo từ các công trình đã được công bố đều được trích dẫn một cách rõ ràng và theo đúng quy định. Tất cả những tham khảo trong luận án được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Hà Nội, ngày . tháng . năm 2024 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Hoàng Sĩ Hồng PGS.TS. Lê Văn Vinh Đỗ Duy Phú ii LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu cải thiện độ nhạy của cảm biến từ trường dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt có kết hợp với vật liệu từ”, nghiên cứu sinh (NCS) đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, tập thể lãnh đạo, ban đào tạo, các phòng ban chức năng, các cán bộ, chuyên viên Đại học Bách khoa Hà Nội. NCS xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành về sự quan tâm giúp đỡ đầy quý báu đó. NCS cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường Điện – Điện tử, Viện ITIMS, nay là trường Vật liệu – Đại học Bách khoa Ha Nội, các nhà khoa học nơi tôi nghiên cứu đã tạo điều kiện, giúp đỡ và luôn động viên trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn những người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, theo sát và luôn động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án này. NCS xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo cơ quan nơi tôi công tác cùng các đồng nghiệp, bạn bè đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. NCS xin chân thành cảm ơn gia đình của tôi đã luôn động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án Đỗ Duy Phú iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ ................................................................... v DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................. xi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1. Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt ............................... 4 1.1. Tổng quan về cảm biến từ ................................................................................ 4 1.2. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 9 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .......................................................... 11 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................ 18 1.2.3. Thách thức của luận án ............................................................................ 19 1.3. Cơ sở lý thuyết sự hình thành sóng âm trong chất rắn ................................... 21 1.4. Các hiệu ứng và lựa chọn loại vật liệu ........................................................... 36 1.4.1. Hiệu ứng áp điện và lựa chọn vật liệu ..................................................... 36 1.4.2. Hiệu ứng từ giảo và lựa chọn vật liệu ...................................................... 38 1.4.3. Nguyên lý hình thành sóng âm bề mặt .................................................... 40 1.5. Các phương pháp mô phỏng .......................................................................... 42 1.5.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................. 42 1.5.2. Phương pháp động lực học phân tử ......................................................... 43 1.5.3. Phương pháp mô phỏng mô hình mạch tương đương ............................. 44 Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 45 Chương 2. Lựa chọn cấu trúc và mô phỏng cải thiện độ nhạy cho cảm biến từ SAW-MO ................................................................................................................. 47 2.1. Lựa chọn cấu trúc cảm biến SAW-MO ......................................................... 47 2.1.1. Lựa trọn cấu truc cơ sở ............................................................................ 47 2.1.2. Cấu trúc cảm biến SAW-MO .................................................................. 48 2.2. Mô hình mô phỏng FEM ................................................................................ 50 2.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng .................................................................. 50 2.2.2. Hiệu ứng delta-E, trường khử từ và phạm vi mô phỏng .......................... 52 2.3. Ảnh hưởng đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến SAW-MO ........................ 55 2.3.1. Quá trình mô phỏng FEM ........................................................................ 55 2.3.2. Đáp ứng làm việc của cảm biến ............................................................... 60 iv 2.3.3. Ảnh hưởng của vận tốc sóng âm đến đáp ứng của cảm biến .................. 65 2.4. Ảnh hưởng của độ dày lớp nhạy từ và đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến67 2.4.1. Ảnh hưởng độ dày lớp nhạy từ đến độ nhạy của cảm biến ..................... 68 2.4.2. Ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến độ nhạy của cảm biến ....................... 79 2.5. Mô phỏng động lực học phân tử lớp vật liệu nhạy từ Nickel ........................ 84 2.5.1. Mô hình mô phỏng vật liệu nhạy từ Nickel ............................................. 84 2.5.2. Kết quả mô phỏng vật liệu nhạy từ Nickel .............................................. 87 Kết luận chương 2 ................................................................................................. 91 Chương 3. Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ SAW-MO trên cơ sở vật liệu nhạy từ FeNiPVA .................................................................................................................. 93 3.1. Mô phỏng FEM cảm cho biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz ............................. 94 3.1.1. Yêu cầu khi mô phỏng cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz .................. 95 3.1.2. Mô hình mô phỏng ................................................................................... 95 3.1.3. Mô phỏng mô hình tương đương cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz .. 96 3.2. Mô phỏng cảm biến SAW-MO bằng phương pháp ma trận truyền TM...... 102 3.2.1. Yêu cầu của mô phỏng ma trận truyền .................................................. 102 3.2.2. Mô hình ma trận truyền cho cảm biến SAW-MO ................................. 103 3.2.3. Kết quả mô phỏng bằng phương pháp TM ............................................ 107 3.3. Chế tạo thực nghiệm cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz .......................... 110 3.3.1. Các yêu cầu khi chế tạo thực nghiệm cảm biến SAW-MO ................... 110 3.3.2. Chế tạo thiết bị SAW trống ................................................................... 110 3.3.3. Chế tạo cảm biến SAW-MO .................................................................. 113 3.3.4 Thiết lập hệ thống đo .............................................................................. 117 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 122 Kết luận và hướng phát triển .............................................................................. 123 Danh mục các công trình đã công bố của luận án ............................................. 125 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 126 Phụ lục ....................................................................................................................... 1 Phụ lục A: Giao diện chính của phần mềm ANSYS-APDL ................................... 1 Phụ lục B: Mã lệnh mô phỏng FEM ....................................................................... 2 Phụ lục C: Mã lệnh mô phỏng phương pháp TM ................................................... 7 Phụ lục D: Một số module phần mềm của mô phỏng MD ................................... 11 Phụ lục E: Một số hình ảnh quá trình làm thực nghiệm tại viện ITIMS ............... 33 v DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1.1. Các nguyên lý cảm biến từ. ........................................................................ 4 Hình 1.2. Dải đo các loại cảm biến từ ........................................................................ 5 Hình 1.3. Nguyên lý cảm biến Hall ............................................................................ 5 Hình 1.4. Cấu trúc và nguyên lý cảm biến kích từ dọc .............................................. 7 Hình 1.5. Ứng dụng cảm biến SAW trong các lĩnh vực .......................................... 10 Hình 1.6. Số công trình công bố với từ khóa “Magnetic sensor” theo năm trên mendeley.com/search ............................................................................................... 18 Hình 1.7. Số công trình công bố với từ khóa “SAW magnetic sensor” theo năm trên mendeley.com/search ............................................................................................... 18 Hình 1.8. Ví trí cân bằng (hạt đen) và biến dạng (hạt trắng) các hạt ....................... 21 Hình 1.9. Chuyển vị của hạt khi biến dạng .............................................................. 22 Hình 1.10. Chuyển động quay cứng của vật liệu ..................................................... 24 Hình 1.11. Ứng suất tác động trên hạt vật liệu ......................................................... 28 Hình 1.12. Tinh thể cấu trúc dạng lập phương ......................................................... 31 Hình 1.13. Mô hình vật liệu áp điện ......................................................................... 33 Hình 1.14. Hiệu ứng áp điện .................................................................................... 36 Hình 1.15. Sự phân cực của phân tử áp điện khi bị lực tác động ............................. 36 Hình 1.16. Vật từ khi bị từ hóa ................................................................................. 39 Hình 1.17. Cấu trúc và nguyên lý của một thiết bị SAW delay-line ........................ 40 Hình 1.18. Các dạng cấu trúc bộ IDT ....................................................................... 40 Hình 2.1. Các cấu trúc của cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt ................................. 47 Hình 2.2. Cấu trúc và nguyên lý của cảm biến từ SAW-MO ................................... 48 Hình 2.3. Các thông số cấu trúc của cảm biến từ SAW-MO ................................... 49 Hình 2.4. Hiệu ứng delta-E của lớp nhạy từ FeNi .................................................... 51 Hình 2.5. Đáp ứng của hiệu ứng delta-E .................................................................. 53 Hình 2.6. Các đường sức từ bên trong mẫu khi bị từ hóa tạo nên trường khử từ .... 54 Hình 2.7. Hướng tác động từ trường lên mẫu vật dạng màng .................................. 54 Hình 2.8. Quá trình thực hiện mô phỏng cảm biến từ SAW-MO với đế áp điện AlN và LiNbO3 ................................................................................................................. 58 Hình 2.9. Nguyên lý hoạt động và quá trình mô phỏng cảm biến SAW-MO .......... 59 Hình 2.10. Hình ảnh thể hiện quá trình mô phỏng FEM .......................................... 59 Hình 2.11. Đáp ứng điện áp trên IDT-out của cảm biến dùng đế AlN .................... 60 Hình 2.12. Đáp ứng điện áp trên IDT-out của cảm biến dùng đế LiNbO3............... 60 Hình 2.13. Đáp ứng tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/AlN ................ 61 Hình 2.14. Đáp ứng tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/LiNbO3 ........... 61 Hình 2.15. Đáp ứng tần số tại các điểm làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/AlN . 62 vi Hình 2.16. Đáp ứng tần số tại các điểm làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/LiNbO3 .................................................................................................................................. 62 Hình 2.17. Đáp ứng làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/AlN ................................ 64 Hình 2.18. Đáp ứng làm việc của cảm biến từ FeNi/IDT/LiNbO3 ........................... 64 Hình 2.19. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến từ với cấu trúc FeNi/IDT/AlN và FeNi/IDT/LiNbO3 ..................................................................................................... 65 Hình 2.20. Quá trình mô phỏng tìm điểm (h3tu) có độ dày tối ưu ........................... 69 Hình 2.21. Quan hệ giữa tần số trung tâm và độ dày lớp nhạy từ FeNi, khi H = 0 . 70 Hình 2.22. Quan hệ giữa vận tốc sóng âm bề mặt và độ dày lớp nhạy từ FeNi, ...... 71 khi H = 0. .................................................................................................................. 71 Hình 2.23. Đáp ứng tần số quanh điểm làm việc tối ưu của cảm biến ..................... 72 Hình 2.24. Quá trình mô phỏng đáp ứng cảm biến quanh điểm tối ưu .................... 73 Hình 2.25. Đáp ứng làm việc của cảm biến FeNi/IDT/AlN quanh điểm tối ưu ...... 75 Hình 2.26. Quan hệ giữa độ nhạy của cảm biến với độ dày (h3) lớp nhạy từ FeNi. 76 Hình 2.27. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN, khi cùng dải đáp ứng .................................................................................................................................. 76 Hình 2.29. Đáp ứng tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1060 (nm) .......... 77 Hình 2.30. Đáp ứng tần số của cảm biến FeNi/IDT/AlN tại h3 = 1210 (nm) .......... 78 Hình 2.31. Đáp ứng tần số trung tâm khi thay đổi độ dày đế áp điện (h1) tại h3tu .. 79 Hình 2.32. Đặc tính tần số của cảm biến khi giảm h1 tại h3tu .................................. 79 Hình 2.33. Qua trình mô phỏng ảnh hưởng độ dày đế áp điện đến tần số trung tâm .................................................................................................................................. 80 Hinh 2.34. Tần số trung tâm của cảm biến với h1=35 (m) và =30 (m) tại h3tu . 81 Hình 2.35. Quá trình mô phỏng đáp ứng làm việc của cảm biến tại các điểm tối ưu .................................................................................................................................. 82 Hình 2.36. Đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3tu = 1060 (nm),  = 35 (m) .. 83 Hình 2.37. Cấu trúc cảm biến SAW-MO dạng delay-line: (a) không có lớp cách điện, (b) có lớp cách điện .................................................................................................. 85 Hình 2.38. Sự biến đổi của năng lượng thế năng trung bình trên mỗi nguyên tử theo nhiệt độ ..................................................................................................................... 87 Hình 2.39. Hàm PBXT của mẫu vật liệu Ni tại các nhiệt độ khác nhau .................. 87 Hình 2.40. Trực quan hóa các quả cầu nguyên tử mặt cắt mẫu M1 ......................... 88 Hình 2.41. Đường cong ứng suất – biến dạng dưới sự biến dạng đơn trục mẫu M1 tại 300K ......................................................................................................................... 89 Hình 2.42. Độ từ hóa (a) và độ cảm từ (b) phụ thuộc vào nhiệt độ của các mẫu Ni 90 Hình 2.43. Đường cong từ trễ của các mẫu vật liệu Ni ............................................ 90 Hình 3.1. Các bước nghiên cứu và chế tạo cảm biến SAW-MO ............................. 93 Hình 3.2. Cấu trúc cảm biến SAW-MO dùng đế Quartz ......................................... 95 Hình 3.3. Quá trình mô phỏng FEM cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz .............. 97 vii Hình 3.4. Tần số cộng hưởng khi không có lớp nhạy .............................................. 97 Hình 3.5. Tần số trung tâm với lớp nhạy có độ dày h3=190 (nm) khi H = 0 (Oe) .. 98 Hình 3.6. Tần số trung tâm với lớp nhạy có độ dày h3=200 (nm) khi H = 0 (Oe) .. 99 Hình 3.7. Các đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3=190 (nm) .......................... 99 Hình 3.8. Các đáp ứng dịch tần số của cảm biến tại h3=200 (nm) ........................ 100 Hình 3.9. Độ nhạy của cảm biến trên toàn dải đáp ứng làm việc ........................... 100 Hình 3.10. Độ nhạy của cảm biến trên cùng dải đáp ứng làm việc ........................ 101 Hình 3.11. Cấu trúc cảm biến SAW-MO dùng cho mô phỏng TM ....................... 102 Hình 3.12. Mô hình ma trận truyền của cảm biến SAW-MO ................................ 103 Hinh 3.13. Mô hình ECM cho mỗi ngón tay .......................................................... 104 Hình 3.14. Kết quả mô phỏng tần số trung tâm. .................................................... 107 Hình 3.15. Đáp ứng làm việc của cảm biến FeNi/IDT/ST-Quartz ......................... 108 Hình 3.16. Đáp ứng dịch tần của cảm biến FeNi/IDT/ST-Quartz ......................... 108 Hình 3.17. Đáp ứng tần số với đặc tính vm-H bậc hai ............................................ 109 Hình 3.18. Đáp ứng tần số với đặc tính vm-H bậc ba ............................................. 109 Hình 3.19. Kích thước của các bộ IDT (đơn vị: mm) ............................................ 110 Hình 3.20. Các nguyên công chế tạo thiết bị SAW ................................................ 111 Hình 3.21. Hình ảnh quá trình chế tạo thiết bị SAW ............................................. 111 Hinh 3.22. Sản phẩm chế tạo .................................................................................. 112 Hình 3.23. Đo phần tần số cộng hưởng thiết bị SAW ............................................ 112 Hinh 3.24. Tần số cộng hưởng của thiết bị SAW trống ......................................... 113 Hình 3.25. Mẫu phân tích XRD của hạt nano FeNi ............................................... 113 Hình 3.26. Hình ảnh FESEM của hạt nano từ FeNi ............................................... 114 Hình 3.27. Mẫu lớp nhạy từ.................................................................................... 114 Hình 3.28. Quá trình gia nhiệt sấy khô cảm biến ................................................... 115 Hình 3.29. Các mẫu cảm biến ................................................................................ 115 Hình 3.30. Các bước chế tạo thực nghiệm cảm biến FeNiPVA/IDT/ST-Quartz. .. 116 Hình 3.31. Hệ thống đo của cảm biế