BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------

NGUYỄN THỊ THU HUYỀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ CẤU HÌNH DÂY NICOP/CU VÀ

MÀNG NICOP/ NHỰA ACRYLON NITRYL BUTADIEN (ABS) CÓ HIỆU

ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GAINT MAGNETOIMPEDANCE -

GMI) BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU PHI KIM

KHOÁ 2009 - 2011

Hà Nội - Năm 2011

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Điện hoá và Bảo vệ Kim

loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Để hoàn thành được luận văn này tôi đã

nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể.

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thầy của tôi, TS. Mai

Thanh Tùng, với kiến thức sâu rộng đã h

ướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của

mình.

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo, người đã

đem lại cho tôi những kiến thức bổ trợ, vô cùng có ích trong những năm học vừa

qua.

Chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Điện hoá và Bảo vệ

Kim loại và Viện Vật lý kỹ thuật đã có những giúp đỡ và hỗ trợ kịp thời giúp cho

việc hoàn thành luậ

n văn.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn

bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu

của mình.

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2011





Nguyễn Thị Thu Huyền

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Thị Thu Huyền, học viên cao học lớp Vật liệu phi kim,

chuyên ngành Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu phi kim, khoá 2009-2011. Tôi xin cam

đoan luận văn thạc sĩ ‘‘Nghiên cứu chế tạo vật liệu có cấu hình dây NiCoP/Cu và

màng NiCoP/Nhựa Acrylon Nitryl Butadien (ABS) có Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

(Gaint Magnetoimpedance-GMI) bằng phương pháp Mạ hóa học’’ là công trình

nghiên cứu của riêng tôi, số liệu nghiên cứu thu được từ thực nghiệm và không sao

chép.

Học viên

Nguyễn Thị Thu Huyền

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH 7

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 13

1.1 VẬT LIỆU CÓ HIỆU ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) .........................13

1.1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI....................................................................13

1.1.1.1. Khái niệm về hiệu ứng GMI.......................................................................13

1.1.1.2. Lý thuyết từ học về hiện tượng GMI..........................................................15

1.1.1.3. Các thông số ảnh hưởng đến hiệu ứng GMI...............................................19

1.1.1.4. Một số ứng dụng công nghệ .......................................................................23

1.1.2. Cấu trúc và đặc tính của vật liệu GMI...............................................................25

1.1.2.1. Cấu trúc và đặc tính của vật liệ

u GMI đơn lớp...........................................25

1.1.2.2. Cấu trúc và đặc tính của vật liệu GMI đa lớp.............................................30

1.2. MẠ HÓA HỌC HỢP KIM NICOP ..........................................................................33

1.2.1. Lý thuyết mạ hóa học.........................................................................................33

1.2.1.1. Phản ứng chung ..........................................................................................33

1.2.1.2. Mạ Niken hóa học (electroless nickel – EN) ..............................................35

1.2.2. Mạ hóa học hợp kim NiCoP ..............................................................................38

1.2.2.1. Giới thiệu chung về lớp mạ hợp kim NiCoP ..............................................38

1.2.2.2 Cơ chế mạ hóa học NiCoP...........................................................................39

1.2.2.3. Các tính chất của lớp mạ hợp kim NiCoP ..................................................40

1.2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng ..................................................................................42

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 50

2.1. CHUẨN BỊ MẪU VÀ DUNG DỊCH.......................................................................50

2.1.1. Thành phần dung dịch và chế độ mạ hoá học NiCoP........................................50

2.1.2. Quy trình chuẩn bị mẫu .....................................................................................51

2.1.2.1 Quy trình chuẩn bị mẫu nền đồng................................................................51

2.1.2.2. Quy trình chuẩn bị mẫu nhựa......................................................................52

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH.......................................................................52

2.2.1. Phương pháp phân tích bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)..............52

2.2.2. Phương pháp cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X (X - Ray Diffraction - XRD) ........55

2.2.3. Phương pháp thành phần hoá học bằng phổ kế tán sắc năng lượng (X – ray

energy dispersive spectroscope - EDX).......................................................................57

2.2.4. Các phương pháp phân tích từ tính....................................................................58

2.2.4.1. Từ kế mẫu rung-VSM (Vibrating Sample Magnetometer).........................58

2.2.4.2. Hệ đo từ tổng trở khổng lồ (Giant Magneto Impedance-GMI) .................60

2.2.5. Phép đo đường cong phân cực...........................................................................61

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65

3.1. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỆ NICOP/CU.........................................65

3.1.1. Xác định chiều dày lớp mạ phương pháp hiển vi quang học.............................65

3.1.2. Xác định khả năng chống ăn mòn bằng phương pháp đường cong phân cực ...68

3.1.3. Phân tích bề mặt mẫu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..............72

3.1.4. Phân tích thành phần hóa học các mẫu mạ bằng phổ kết tán sắc năng lượng

(EDX)...........................................................................................................................73

3.1.5. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phổ nhiễu xạ tia X ..........................................76

3.1.6. Phân tích tính chất t

ừ bằng phép đo từ kế mẫu rung VSM................................78

3.1.7. Phân tích các đặc trưng GMI .............................................................................78

3.2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỆ NICOP/NHỰA ACRYLON NITRYL

BUTADIEN (ABS)..........................................................................................................82

3.2.1. Xác định chiều dày lớp mạ phương pháp hiển vi quang học.............................82

3.2.2. Xác định khả năng chống ăn mòn bằng phương pháp đường cong phân cực ...85

3.2.3. Phân tích bề mặt mẫu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..............87

3.2.4. Kết quả phân tích thành phần hóa học các mẫu mạ trên nền nhựa ABS bằng ph

ổ

kết tán sắc năng lượng (EDX) .....................................................................................89

3.2.5. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phổ nhiễu xạ tia X ..........................................89

3.2.6. Phân tích tính chất từ bằng phép đo từ kế mẫu rung VSM................................93

3.2.7. Phân tích các đặc trưng GMI .............................................................................94

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GMI (Giant Magnetoimpedence) - Từ tổng trở khổng lồ

MI (Magnetoimpedence) - Từ tổng trở

MF (Inner core - Shell region) - Lõi – vỏ

SEM (Scanning Electron Microscope) – Kính hiển vi điện tử quét

EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) - Phổ tán sắc năng lượng hay phổ tán

sắc năng lượng tia X.

XRD (X -Ray Diffraction Spectrum) - Phổ nhiễu xạ tia Rơnghen (tia X)

VSM (Vibrating Sample Magnetometer) - Từ kế mẫu rung

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1. Khối lượng mất mát của lớp phủ Co,Ni và hợp kim Co-Ni trong

thời gian mài mòn

Bảng 2.1. Các bước chuẩn bị mẫu đồng

Bảng 2.2. Các bước chuẩn bị mẫu nhựa

Bảng 3.1. Kết quả chiều dày và khối lượng riêng của lớp mạ

Bảng 3.2. Kết quả dòng, thế ăn mòn và điệ

n trở phân cực theo phương

pháp tafel của các mẫu mạ trên nền đồng

Bảng 3.3. Thành phần % của các nguyên tố trong lớp mạ NiCoP trên nền

đồng với nồng độ Co

trong dung dịch khác nhau

Bảng 3.4. Kết quả lực kháng từ và đặc trưng GMI của hệ vật liệu dây

micro từ cấu trúc hai lớp NiCoP/Cu

Bảng 3.5. Kết quả chiều dày và khối lượng riêng của lớp mạ

Bảng 3.6. Kết quả tính dòng, thế ăn mòn và điện trở phân cực theo

phương pháp tafel của các mẫu mạ trên nền nhựa

Bảng 3.7. Thành ph

ần % của các nguyên tố trong lớp mạ NiCoP trên nền

nhựa ABS với nồng độ Co

trong dung dịch khác nhau

Bảng 3.8. Kết quả lực kháng từ và đặc trưng GMI của hệ màng NiCoP từ

tính

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1. Đồ thị tỷ số

∆

Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài một chiều H

công thức tính toán tỷ số GMI [

∆

Z/Z(%)] và độ nhạy từ trường (

)

Hình 1.2. Cấu trúc domain của dây VDH bao gồm lớp vỏ và lõi

Hình 1.3. Đường cong GMI phụ thuộc vào tần số của mẫu băng từ vô định

hìnhvà nano tinh thể

Hình 1.4. Mối liên hệ giữa độ từ thẩm và độ thấm sâu bề mặt với từ

trường ngoài

Hình 1.5a. Quá trình từ hóa bởi sự quay từ độ bão hòa xung

quanh theo từ trường hướng trục có dạng đặc trưng m

ột pic

Hình 1.5b. Quá trình từ hóa bởi sự quay từ độ bão hòa xung quanh theo

từ trường hướng trục và uốn cong vách từ độ có dạng đặc trưng hai pic

Hình 1.6. Một số ứng dụng của vật liệu có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

(GMI)

Hình 1.7. Sơ đồ chế tạo băng vô định hình bằng phương pháp nguội

nhanh

Hình 1.8. Đường GMI của v

ật liệu băng Co

4.5

12.5

Hình 1.9. Công nghệ nguội nhanh chế tạo các dây từ vô định hình

Hình 1.10. (hình a) Sự thay đổi của điện trở suất theo nhiệt độ ủ đối với

mẫu hợp kim Finemet Fe-Si-B-Nb-Cu dạng dây (wire) và dạng băng

(ribbon); (hình b) sự phụ thuộc của tỷ số GMI (

Z/Z

∆

) vào từ trường

ngoài trong mẫu dây VĐH nền Co đo ở các chiều dài khác nhau

Hình 1.11. Đường cong từ trễ của dây VĐH nền Co: (hình a) dây VĐH có

hệ số từ giảo dương, (hình b) dây VĐH có hệ số từ giảo âm,(hình c) dây

VĐH có hệ số từ giảo rất nhỏ

Hình 1.12. Cấu trúc của vật liệu dây từ 2 lớp dạng MF; với F =NiCoP và

M= Cu

Hình 1.13. Sự ph

ụ thuộc của

Z/Z

∆

vào từ trường ngoài của (hình a) dây

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

CoP/Cu và (hình b) của dây FeNi/Cu

Hình 1.14. Đồ thị điện thế hỗn hợp (Trong đó i: dòng điện thực; i

: dòng

điện anot; i

: dòng điện catot; i

: dòng điện mạ hoá học tại thế hỗn hợp

)

Hình 1.15. (a) Giản đồ pha của hợp kim; (b) cấu trúc pha của lớp mạ

Hình 1.16. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) lớp mạ NiP

với các hàm lượng P khác nhau

Hình 1.17. Sự phụ thuộc của tốc độ mạ, hàm lượng Co và P trong hợp kim

NiCoP vào nồng độ Co

Hình 1.18. Sự phụ thuộc của độ cứng điểm lớp phủ vào hàm lượng Co

trong hợp kim NiCoP

Hình 1.19. Sự phụ thuộc của tốc độ mạ, hàm lượng Co và P trong hợp kim

NiCoP vào nồng độ Ni

Hình 1.20. Sự phụ thuộc của thành phần hóa học của lớp phủ hợp kim

NiCoP vào tỉ lệ kim loại (Co

/(Co

+Ni

))

Hình 1.21. Sự phụ thuộc của tốc độ mạ vào tỉ lệ kim loại

(Co

/(Co

+Ni

)) trongdung dịch mạ

Hình 1.22. Sự phụ thuộc của tốc độ mạ, hàm lượng Co và P trong hợp kim

NiCoP vào nồng độ NaH

Hình 1.23. Sự phụ thuộc của tốc độ mạ, hàm lượng Co và P trong hợp kim

NiCoP vào nồng độ chất tạo phức (Na

. 2H

Hình 1.24. Sự phụ thuộc của tốc độ mạ, hàm lượng Co và P trong hợp kim

NiCoP vào nhiệt độ cuả bể mạ

Hình 1.25. Sự phụ thuộc của logv (tốc độ mạ) vào nhiệt độ của bể mạ

Hình 1.26. Ảnh hưởng của pH tới tốc độ mạ

Hình 1.27. Sự phụ thuộc của tốc độ mạ, hàm lượng Co,Ni và P trong lớ

mạ NiCoP vào pH cuả bể mạ

Hình 2.1. Dải làm việc của các kỹ thuật hiển vi điện tử và quang học

HREM: High resolution electron microscopy - Hiển vi điện tử dải tần

cao.TEM: Transmission electron microscopy - Hiển vi điện tử xuyên

qua.SEM: Scanning electron microscopy - Hiển vi điện tử quét

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

Hình 2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SEM

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy XRD

Hình 2.4.Cấu tạo phổ kế tán sắc năng lượng EDS

Hình 2.5. Sơ đồ khối thiết bị từ kế mẫu rung VSM

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý đo của hiệu ứng GMI

Hình 2.7. Sơ đồ mạch đo điện hoá-phân cực

Hình 2.8. Xác định điện trở phân cực R

Hình 2.9. a) Đồ thị E - i; b) Đồ thị E - Ln|i|

Hình 3.1. Ảnh hiển vi quang học của các mẫu mạ NiCoP/Cu ở các dung

dịch có nồng độ khác nhau

Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ Co

tới tốc độ mạ trên nền đồng

Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ Co trong dung dịch mạ tới khối lượng

riêng của lớp mạ NiCoP trên nền đồng

Hình 3.4. Kết quả đo đường cong phân cực các mẫu mạ CoNiP trên nền

đồng với nồng độ Co

khác nhau : Mẫu NiCoP/Cu-1:0 (mol/l); Mẫu

NiCoP/Cu-2:0,0075(mol/l); Mẫu NiCoP/Cu-3: 0,015(mol/l) ; Mẫu

NiCoP/Cu-4: 0,0225(mol/l) ; Mẫu NiCoP/Cu-5: 0,03(mol/l) ; Mẫu

NiCoP/Cu-6: 0.0375(mol/l) ; Mẫu NiCoP/Cu-7: 0.045(mol/l).

Hình 3.5. Kết quả phân tích SEM của các mẫu mạ trên nền đồng

Hình 3.6. Phổ EDX của các mẫu mạ trên nền đồng ứng với nồng độ Co

tương ứng khác nhau trong dung dịch: 0mol/l; 0,0075mol/l; 0,015mol/l;

0,0225mol/l và 0,03mol/l

Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ CoSO

tới thành phần các nguyên tố

trong lớp mạ NiCoP trên nền đồng

Hình 3.8. Phổ XRD của các mẫu mạ ứng với nồng độ Co

khác nhau

trong dung dịch: Mẫu NiCoP/Cu-1: 0mol/l; Mẫu NiCoP/Cu-2:

0,0075mol/l; Mẫu NiCoP/Cu-3: 0,015mol/l; Mẫu NiCoP/Cu-4:

0,0225mol/l; Mẫu NiCoP/Cu-5: 0,03mol/l

Hình 3.9. Đường cong từ hóa của các mẫu NiCoP/Cu mạ ở các

dung dịch khác nhau

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

Hình 3.10. Sự phụ thuộc H

vào nồng độ CoSO

trong dịch mạ

Hình 3.11. Đồ thị GMI phụ thuộc vào từ trường ngoài đo cùng tần số hệ

dây micro NiCoP/Cu khi mạ ở các dung dịch khác nhau

Hình 3.12. Ảnh hiển vi quang học của các mẫu mạ NiCoP/ABS ở các

dung dịch có nồng độ khác nhau

Hình 3.13. Ảnh hưởng của nồng độ Co

tới tốc độ mạ trên

nền nhựa ABS và nền đồng

Hình 3.14. Ảnh hưởng của nồng độ Co trong dung dịch mạ tới khối lượng

riêng của lớp m

Hình 3.15. Kết quả đo đường cong phân cực các mẫu mạ CoNiP trên nền

nhựa ABS với nồng độ Co

khác nhau : Mẫu NiCoP/ABS-1:0 (mol/l);

Mẫu NiCoP/ABS-2:0,0075(mol/l); Mẫu NiCoP/ABS-3:0,015(mol/l) ;

Mẫu NiCoP/ABS-4: 0,0225(mol/l) ; Mẫu NiCoP/ABS-5: 0,03(mol/l) ;

Mẫu NiCoP/ABS-6: 0,0375(mol/l) ; Mẫu NiCoP/ABS-7: 0,045(mol/l).

Hình 3.16. Kết quả phân tích SEM của các mẫu mạ trên nền nhựa ABS

Hình 3.17. Phổ EDX của các mẫu mạ trên nền nhựa ABS ứng với nồng

độ Co

khác nhau trong dung dịch

Hình 3.18. Ảnh hưởng của nồng độ CoSO

tới thành phần các nguyên tố

trong lớp mạ NiCoP trên nền nhựa ABS

Hình 3.19. Phổ XRD của các mẫu mạ trên nền nhựa ứng với nồng độ Co

khác nhau trong dung dịch

Hình 3.20. Đường cong từ hóa của các mẫu NiCoP/ABS mạ ở các

dung dịch khác nhau

Hình 3.21. Sự phụ thuộc H

vào nồng độ CoSO

trong dịch mạ

Hình 3.22. Đồ thị GMI phụ thuộc vào từ trường ngoài đo cùng tần số

màng NiCoP khi mạ ở các dung dịch khác nhau

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, cảm biến đang được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực như

quản lý môi trường, quản lý hàng hóa thông minh, y tế, hàng không,… Do vậy các

cảm biến từ, ðặc biệt là cảm biến MI/GMI với nhiều ýu ðiểm nổi bật ðang ðýợc

quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Một trong những công nghệ chế tạo mới loại vật liệu

này là sử dụng công nghệ m

ạ điện hoặc mạ hóa học để tạo ra vật liệu dạng tổ hợp

nhiều lớp gồm lớp vỏ và lớp lõi CoP/Cu, NiFe/Cu, NiCoP/Cu,…Mạ hóa học là

phương pháp tạo lớp mạ kim loại và hợp kim lên bề mặt các chi tiết nhờ phản ứng

hóa học. Mạ hóa học có thể tiến hành trên bề mặt dẫn và không dẫn, với chi tiết có

bề mặt quá phức tạp, nhiề

u rãnh sâu, kích thước hẹp. Từ những lý do trên, đề tài

được đưa ra nhằm chế tạo vật liệu có cấu hình dây NiCoP/Cu và màng NiCoP/ABS

có hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ bằng phương pháp mạ hóa học để có thể ứng dụng

vào các loại cảm biến từ.

2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Xây dựng quá trình chế tạo vật liệu có cấ

u hình dây NiCoP/Cu và màng

NiCoP/ABS. Khảo sát cấu trúc, thành phần, tính chất điện hóa và tính chất từ tổng

trở khổng lồ của vật liệu chế tạo được. So sánh để rút ra kết luận về đặc tính từ tổng

trở khổng lồ của lớp vật liệu từ NiCoP trên nền vật liệu dẫn và không dẫn

3. Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

- Chế tạo vậ

t liệu có cấu hình dây NiCoP/Cu.

- Chế tạo vật liệu có cấu hình màng NiCoP/ABS.

- Nghiên cứu cấu trúc, thành phần, tính chất điện hóa và tính chất từ tổng trở

khổng lồ của hai loại vật liệu có cấu hình dây NiCoP/Cu và màng NiCoP/ABS.

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

- So sánh hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ trong hai loại vật liệu dạng dây và

màng với thành phần cấu trúc lớp vật liệu từ giống nhau.

4. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp khoa học và chính xác để xác định

một số tính chất lớp vật liệu từ NiCoP tạo thành trên các nền vật liệu khác nhau, sử

dụng các phương tiện hiện đại như hiể

n vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng

lượng (EDX) phổ nhiễu xạ tia X để xác định thành phần, cấu trúc của lớp vật liệu

từ. Nghiên cứu cũng đã dùng phép đo từ kế mẫu rung VSM và từ tổng trở khổng lồ

GMI để khảo sát tính chất từ của các hệ vật liệu.

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1 VẬT LIỆU CÓ HIỆU ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI)

1.1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI

1.1.1.1. Khái niệm về hiệu ứng GMI

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (Giant magneto-impedance-GMI) được định

nghĩa là sự thay đổi rất lớn của tổng trở phức (Z) của một vật liệu từ mềm dưới tác

dụng củ

a từ trường ngoài một chiều đặt vào (H

ext

). Hiệu ứng này phụ thuộc mạnh

vào tần số của dòng điện xoay chiều đặt vào, kích thước, hình dáng, dị hướng từ và

cấu trúc của mẫu.

Để đặc trưng cho hiệu ứng người ta đưa ra một đại lượng đặc trưng đó là tỷ

số tổng trở khổng lồ GMI được xác định theo công thức sau:

GMI (%) =

∆ Z/Z (%) =100.

max)(

max)()(

HZHZ

−

(1.1)

Công thức tính toán phần trăm thay đổi của trở kháng (

∆

Z/Z), và hình dáng cơ bản

của đồ thị tỷ số

∆

Z/Z phụ thuộc vào từ trường [9,34] được miêu tả ở hình 1.1.

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

Hình 1.1. Đồ thị tỷ số ∆ Z/Z phụ thuộc vào từ trường ngoài một chiều H

, công

thức tính toán tỷ số GMI [

∆

Z/Z(%)] và độ nhạy từ trường (

) [34]

trong đó: - Z(H) là giá trị tổng trở đo được ở từ trường H

- Z(H

max

) là giá trị tổng trở đo được ở từ trường lớn nhất (của hệ đo)

là độ nhạy từ trường (%/Oe).

Theo lý thuyết, tổng trở Z của một mẫu vật liệu dây dẫn từ tính hình trụ có

dòng điện xoay chiều với tần số là ƒ chạy dọc theo mẫu được xác định theo công

thức sau [15]:

Z =

(

)

iXR

(

)

()

kaJ

(1.2)

Trong đó: k = (1+i)/

, J

và J

là các hàm Bessel, a là bán kính

của dây, tại tần số cao (

1>>ka

) biểu thức hàm Bessel được tính gần đúng:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

≈≈

RXR

(1.3)

là độ thấm sâu được tính bằng công thức:

21/2

(4 )

δπσµ

−

µω

(1.4)

Trong đó:

là độ dẫn điện của dây dẫn, f là tần số của dòng xoay chiều (i

)

chạy dọc theo mẫu,

là độ từ thẩm (độ thấm từ vòng).

Từ biểu thức (1.2), (1.3) và (1.4) ta có:

()

µω

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

RiZ

(1.5)

Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Huyền

Trong công thức (1.5) thì tổng trở được tính là tổng trở phức, nó phụ thuộc

vào cường độ điện trường đặt vào mẫu E

Z,0

và từ trường xoay chiều

. Hay chính

là phụ thuộc vào µ và ω.

Độ nhạy từ trường : ξ = 2.

Mã

∆

)/(

(1.6)

1.1.1.2. Lý thuyết từ học về hiện tượng GMI

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (GMI) là một dạng khác của hiệu ứng cảm

ứng từ và được biết đến như là sự thay đổi mạch tổng trở Z của vật dẫn có từ tính

dưới tác dụng của từ trường ngoài H và dòng điện tần số cao. Cơ chế hiệu ứng GMI

mang bản ch

ất điện từ và có thể được giải thích bằng lý thuyết điện động lực học cổ

điển. Theo L.V. Panina bản chất điện từ của hiệu ứng MI là sự kết hợp giữa hiệu

ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ thẩm từ hiệu dụng (

eff

) của dây dẫn và từ

trường tương ứng với sự chuyển động vòng của các momen từ trong cấu trúc

domain đặc biệt [33].

Tổng trở cao tần Z của dây dẫn từ tính dưới tác động của từ trường ngoài (H)

được xác định bởi hai thông số đặc trưng cơ bản là độ thẩm từ hiệu dụng

eff

và tần

số của dòng điện (f), được tính theo biểu thức sau:

Z = A.

),(. Hff

eff

(1.7)

với A là hệ số tỷ lệ, Z=

RX +

và: X là phần ảo; R là phần thực

Như vậy khi làm việc ở một tần số nhất định thì Z tỷ lệ với

2/1

eff

. Còn khi

làm việc ở một từ trường nhất định, do

eff

thường giảm theo tần số nhanh hơn so

với của tần số f nên nói chung Z giảm khi tần số tăng. Tuy nhiên cần chú ý là tuy Z

giảm theo tần số nhưng R lại tăng theo tần số do hiệu ứng bề mặt.

Như chúng ta đã biết đối với vật liệu từ,

eff

là hàm của từ trường và tần số,

và giảm đáng kể khi từ trường và tần số tăng. Vì vậy tổng trở Z của dây dẫn từ tính

thay đổi khi nó đặt trong từ trường. Tuy nhiên tổng trở Z không chỉ cơ bản phụ