Luận án Chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp từ - điện với lớp từ giảo có cấu trúc nano và vô định hình dùng cho cảm biến từ trường Micro - Tesla

m biến tương tự. Hình 5.3:Sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của cảm biến vào cường độ từ trường một chiều Ngoài khả năng xác định cường độ từ trường một chiều, cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng còn cho thấy khả năng xác định góc định hướng của từ trường một chiều so với trục của cảm biến. Thực nghiệm khảo sát cảm biến từ trường về khả năng đo góc định hướng của từ trường được thực hiện với hệ đo như hình 5.2. Từ trường một chiều được đặt giá trị cố định Hdc = 2500 Oe (đây là giá trị từ trường cho tín hiệu lối ra trên cảm biến là lớn nhất). Cuộn solenoid được nuôi bằng nguồn xoay chiều có tần số f = 81,9 kHz (tần số cộng hưởng của vật liệu tổ hợp từ-điện) và hiệu điện thế 5V (giá trị lớn nhất mà lock-in có thể cung cấp). Cảm biến được được đặt trên một giá quay có thể quay quanh trục thẳng đứng và kim hiển thị góc quay. Góc ban đầu (φ = 0) được quy ước là vị trí trục cảm biến vuông góc với từ trường một chiều. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trên hình 5.4. Nhìn vào đồ thị thấy rằng quy luật biến đổi của tín hiệu lối ra tuần hoàn theo chu kỳ 2π (3600). Không những vậy, quy luật biến đổi của tín hiệu lối ra còn 116 tuân theo định luật hàm sine với độ chính xác cao. Sử dụng các giá trị thu được từ thực nghiệm, luận án tiến hành fit số liệu theo hàm sine và thu được hàm fit có dạng: ΔVout = 0,71.sin(φ) (mV). Tổng hợp các kết quả khảo sát khả năng làm việc của cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng mỏng với lớp từ giảo Terfecohan có cấu trúc nano cho thấy: i) Cảm biến có khả năng xác định độ lớn cường độ từ trường một chiều với độ nhạy k = 0,49 μV/Oe. ii) Dải làm việc của cảm biến nằm trong khoảng từ -1 kOe đến 1 kOe. iii) Cảm biến còn có khả năng xác định góc định hướng của từ trường một chiều so với trục của cảm biến. Hình 5.4: Sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của cảm biến vào góc định hướng giữa cảm biến với từ trường một chiều 5.2. Cảm biến từ trường dựa trên băng từ Metglas có cấu trúc vô định hình 5.2.1. Thiết kế và chế tạo hệ thống cảm biến đo từ trường 117 Cảm biến từ trường 1D được thiết kế (hình 5.5) và chế tạo theo quy trình sau: Hình 5.5: Cấu tạo của cảm biến từ trường 1D i) Chuẩn bị vật liệu: 01 tấm PZT và 02 tấm Metglas có kích thước 15x1 mm. ii) Chế tạo vật liệu tổ hợp: làm sạch bề mặt các tấm vật liệu và kết dính chúng lại theo cấu hình sandwich. iii) Gắn điện cực: hai điện cực được gắn lên bề mặt của tấm PZT theo phương phân cực. iv) Chế tạo cuộn solenoid: cuộn solenoid được chế tạo bằng cách quấn dây đồng (Cu) đường kính 80 μm bọc cách điện quanh ống nhựa có đường kính 1,8 mm và chiều dài 17 mm với mật độ dài là 10500 vòng/m. v) Hoàn thiện cảm biến: vật liệu tổ hợp được đặt hoàn toàn trong lõi cuộn solenoid và tạo thành nguyên mẫu cảm biến từ trường 1D vi) Lớp vỏ bảo vệ: được chế tạo từ mika (không từ tính) có tác dụng bảo vệ toàn bộ cảm biến khỏi tác dụng bên ngoài nhằm tăng tuổi thọ và hiệu quả của cảm biến Quá trình chế tạo cảm biến có thể được mô tả thông qua ảnh chụp trên hình 5.6a và hoàn thiện trong hình 5.6b. 118 Hình 5.6: Thành phần cấu tạo (a) và đầu đo của cảm biến từ trường 1D hoàn thiện (b) Vật liệu tổ hợp từ-điện sau khi được chế tạo bằng phương pháp kết dính cơ học được gắn điện cực và đưa vào trong lòng cuộn dây solenoid. Toàn bộ cảm biến được bảo vệ bằng lớp vỏ mika không từ tính. Cảm biến từ trường 2D và cảm biến từ trường 3D cũng được chế tạo theo phương pháp tương tự cảm biến từ trường 1D. Hai và ba cảm biến từ trường 1D được chế tạo và đặt vuông góc nhau tạo thành cảm biến từ trường 2D và 3D tương ứng được đưa ra trên hình 5.7a và hình 5.7b tương ứng. Toàn bộ hệ được bảo vệ trong lớp vỏ làm bằng vật liệu mika không từ tính như trong Hình 5.7: Đầu đo của cảm biến từ trường 2D (a) và 3D (b) hoàn thiện 119 5.2.2. Khảo sát các thông số làm việc của cảm biến 5.2.2.a. Tần số cộng hưởng Tần số cộng hưởng là một thông số làm việc vô cùng quan trọng của cảm biến từ trường. Tần số cộng hưởng chính là tần số dao động riêng của vật liệu. Trong phép đo khảo sát tần số cộng hưởng, từ trường một chiều được đặt cố định một giá trị không đổi (Hdc = 2 Oe) còn từ trường xoay chiều được thay đổi tần số liên tục từ 0 đến 250 kHz. Từ trường xoay chiều này được cung cấp bởi cuộn solenoid. Cuộn solenoid này được nuôi bằng nguồn phát chức năng (7265 DSP lock-in Amplifier). Nguồn phát chức năng này cũng đồng thời là thiết bị đo thế lối ra với chế độ lọc tần số (chỉ đo thế lối ra với cùng tần số phát). Tần số cộng hưởng được xác định bằng thực nghiệm thông qua phép đo sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào tần số của từ trường xoay chiều. Tần số cộng hưởng chính là giá trị tần số cho thế lối ra lớn nhất. Kết quả cho thấy cả 3 cảm biến 1D đều thu được tần số cộng hưởng có giá trị xung quanh giá trị 100 kHz. Sự sai khác nhau rất nhỏ của tần số cộng hưởng là do sự sai khác nhau về kích thước của vật liệu tổ hợp từ-điện (sai số của thiết bị đo đạc). Một điều đặc biệt nữa là các đỉnh cộng hưởng của cả 3 cảm biến đều rất hẹp. Điều này tương đương với các cảm biến này có hệ số phẩm chất tương đối lớn. Hệ số phẩm chất của các cảm biến được xác định theo công thức: 𝑄 = 𝑓𝑟 ∆𝑓 (5.1) với Δf là độ rộng nửa đỉnh cộng hưởng và fr là tần số cộng hưởng. Các kết quả về tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất tính toán áp dụng cho ba cảm biến khác nhau được đưa ra trong bảng 5.1. Từ kết quả thực nghiệm thấy rằng hệ số phẩm chất của các cảm biến là khá lớn có giá trị từ 63 đến 67. Điều này cho phép thiết kế các mạch lọc với độ chính xác cao. Tần số cộng hưởng của cả 3 cảm biến là tương đương nhau với sai số < 0,6 %. Giá trị tần số cộng hưởng xác định từ thực nghiệm được so sánh với 120 tần số cộng hưởng được tính toán từ lý thuyết (chương 4) cho thấy một sự phù hợp rất tốt. Theo lý thuyết, tần số cộng hưởng của cảm biến được xác định bằng biểu thức: 𝑓𝑛𝑚 = 𝑣 2 √ 𝑛2 𝐿2 + 𝑚2 𝑊2 (5.2) Trong đó, v là vận tốc pha của PZT, n và m là các số nguyên nhận các giá trị (1,2,3 ...), L và W tương ứng là kích thước chiều dài và chiều rộng của mẫu. Bảng 5.1: Tổng hợp tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất của các cảm biến 1D Cảm biến 1 (S1) Cảm biến 2 (S2) Cảm biến 3 (S3) Tần số cộng hưởng(kHz) 99.95 100.13 100.18 Hệ số phẩm chất 63 67 66 5.2.2.b. Tín hiệu của cảm biến phụ thuộc vào cường độ từ trường Để tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra của cảm biến vào cường độ từ trường một chiều, hệ đo đã được thiết kế để sử dụng từ các thiết bị khác nhau. Theo hệ đo này, từ trường xoay chiều được cung cấp bởi cuộn solenoid và được nuôi bằng nguồn phát của lock-in. Tần số của từ trường xoay chiều được đặt tại giá trị tần số cộng hưởng của cảm biến. Từ trường một chiều được cung cấp bởi cuộn Hemlholtz (Lake Shore Model MH-2.5 Helmholtz) và được nuôi bằng nguồn dòng Keithley 2400-LV. Đối với từ trường một chiều, cường độ từ trường được xác định thông qua cường độ dòng điện theo công thức: Hdc= kH.I (5.3) trong đó, hệ số chuyển đổi kH = 29,97 Oe/A cung cấp bởi nhà sản xuất. Nguồn dòng Keithley 2400-LV cho phép tạo ra dòng điện với cường độ cực đại lên tới 1,05 A và độ phân giải là 1 μA. Các giá trị này tương đương với cường độ từ 121 trường một chiều do cuộn Hemlholtz cung cấp có giá trị cực đại là 31,4685 Oe với độ chính xác của từ trường là 30 μOe. Phép đo này cho phép xác định vùng làm việc, xác định độ nhạy và độ phân giải, xác định hệ số chuyển đổi của cảm biến (là hệ số cho phép tính toán cường độ từ trường thông qua tín hiệu lối ra). Kết quả khảo sát với các khoảng từ trường một chiều khác nhau được hiện trong hình 5.8. Hình 5.8: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào từ trường một chiều Hdc trong các dải từ trường khác nhau Đồ thị cho thấy tín hiệu lối ra tăng tuyến tính cùng với cường độ từ trường và đạt giá trị cực đại là 3,1 V tại từ trường 7,5 Oe. Khi từ trường ngoài tiếp tục tăng thì tín hiệu lối ra bắt đầu giảm và có xu hướng tiến đến giá trị 0 khi từ trường ngoài đủ lớn. Nguyên nhân của hiện tượng này được giải thích là do xu hướng bão hòa từ giảo của băng từ. Chính điều này dẫn đến việc suy giảm ứng suất và làm giảm tín hiệu lối ra (tại vùng từ trường > 7,5 Oe). Khi băng từ đạt trạng thái bão hòa từ giảo, ứng suất do lớp băng từ gây ra bằng 0 và dẫn đến hiện tượng tín hiệu lối ra bị triệt tiêu. Đối với vùng từ trường thấp cỡ từ trường trái đất (< 0,6 Oe) cho thấy sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào cường độ từ trường là hoàn toàn tuyến tính với hệ số góc là 653,215 mV/Oe. Như vậy là cảm biến 1D cho phép xác định chính xác cường độ từ trường trái đất với độ nhạy k = 653,215 mV/Oe. 122 Để đánh giá độ phân giải của cảm biến từ trường 1D từ các phép đo thực nghiệm, khảo sát độ ổn định của tín hiệu theo thời gian đã được thực hiện. Kết quả thực nghiệm được tiến hành trên cảm biến từ trường 1D đặt theo phương Bắc – Nam trong thời gian 60 phút (hình 5.9). Hình 5.9: Đồ thị đánh giá độ phân giải Kết quả cho thấy giá trị từ trường trái đất thu được từ cảm biến có giá trị nằm trong khoảng từ 389,35 đến 389,65 mOe. Điều này tương đương với độ phân giải của cảm biến từ trường trái đất 1D đã được chế tạo có giá trị là 3.10-4 Oe. Độ phân giải này có thể so sánh được với độ phân giải của các cảm biến siêu nhạy đo từ trường Trái đất đã được công bố và cảm biến từ trường thương mại đang được sử dụng hiện nay [75]. 5.2.2.c. Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào góc định hướng Để khảo sát khả năng xác định góc định hướng từ trường trái đất của cảm biến từ trường 1D, luận án đã tiến hành chế tạo hệ thống quay góc trong không gian. Hệ thống quay góc này được chế tạo từ các vật liệu không từ tính nhằm loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng đến kết quả phép đo. Hệ thống này cho phép quay cảm biến trong không gian theo mọi phương với bất kỳ góc quay nào với độ chính xác góc là 0,25 độ. 123 Góc phương vị là một khái niệm và thông số vô cùng quan trọng trong quá trình định vị. Góc phương vị φ được định nghĩa là góc trong mặt phẳng nằm ngang được tạo bởi phương Bắc của từ trường Trái đất với trục của cảm biến. Chiều dương là chiều kim đồng hồ. Theo định nghĩa trên, góc phương vị có gốc tọa độ (φ = 00) là vị trí khi cảm biến nằm trong mặt phẳng nằm ngang và song song với phương Bắc của từ trường Trái đất. Khái niệm thứ hai cũng cần được quan tâm đó là góc từ khuynh. Theo định nghĩa thì góc từ khuynh của từ trường Trái đất là góc tạo bởi vec tơ từ trường trái đất với mặt phẳng nằm ngang. Góc từ khuynh là khác nhau tại các vị trí địa lý khác nhau. Theo các số liệu được công bố, góc từ khuynh tại Hà Nội (Việt Nam) có giá trị là D = -30015’. Khảo sát khả năng đo góc định hướng của cảm biến 1D được thực hiện với phép quay góc trong mặt phẳng nằm ngang. Góc quay được định nghĩa chính là góc phương vị φ. Kết quả khảo sát được thể hiện trong hình 5.10. Đồ thị cho thấy tín hiệu lối ra phụ thuộc vào góc phương vị theo quy luật hàm số cosine. Do đó luận án đã tiến hành fit số liệu thực nghiệm theo hàm số cosine và thu được kết quả sự phụ thuộc tín hiệu lối ra theo góc phương vị là V(φ) = 260,9.cos(φ) mV. Trong phép đo này, phương Bắc của từ trường trái đất được chuẩn hóa thông qua một là bàn quân sự thương mại (ứng với góc φ = 00). Giá trị cực đại của thế lối ra ứng với cường độ từ trường trái đất theo phương mặt phẳng ngang. Sử dụng hệ số chuyển đổi (k = 653,215 mV/Oe) cho phép xác định được 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) có giá trị là 0,3994 Oe. Để khảo sát độ nhạy góc của cảm biến 1D đã được chế tạo, luận án tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra theo góc phương vị nhưng với bước quay góc rất nhỏ (hình 5.11). Để thực hiện điều này, luận án đã chế tạo hệ thống quay góc không từ tính có bán kính lớn (1,2 m) và độ chia góc rất nhỏ ( 0,05 độ). Phép quay góc được thực hiện với góc phương vị có giá trị xung quanh góc 90 độ. Đây là vùng giá trị 124 góc phương vị cho phép cảm biến có được độ nhạy góc lớn nhất. Kết quả thực nghiệm cho thấy, trong dải đo này cảm biến từ trường 1D có độ phân giải góc lên đến ~ 10-2 độ (tương đương độ chia góc của hệ thống quay góc). Tính toán độ phân giải từ trường từ các kết quả thực nghiệm trên và từ hệ số chuyển đổi (k) cho kết quả ~ 10-4 Oe. Kết quả này là phù hợp với nghiên cứu thực nghiệm về độ phân giải từ trường (xem 5.2.2.b). Hình 5.10: Sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra vào góc định hướng của trục đầu đo cảm biến với từ trường trái đất Hình 5.11: Đồ thị đánh giá độ phân giải góc của cảm biến 125 5.2.3. Tín hiệu nền (zero offset) và cách khắc phục Trong quá trình đo đạc thực nghiệm, một hiện tượng thực tế đã xuất hiện đó là sự biến đổi của tín hiệu lối ra theo góc phương vị mặc dù tuân theo quy luật hàm số cosine nhưng không đối xứng qua trục hoành (hình 5.12). Sử dụng các phương pháp ngoại suy, luận án thấy rằng toàn bộ đồ thị bị ”dâng” lên một khoảng 100 mV. Hay nói cách khác là đồ thị đối xứng qua đường thẳng Voffset = 100 mV. Hình 5.12: Hiện tượng dâng nền (zero offset) của tín hiệu lối ra của cảm biến từ trường 1D Đây chính là phần đóng góp nền vào cảm biến. Điều này có nghĩa là tín hiệu lối ra của cảm biến vẫn có giá trị bằng Voffset ngay cả khi không có từ trường ngoài tác dụng. Bây giờ sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào góc phương vị được mô tả bởi công thức: 𝑉 = 𝑉0𝑐𝑜𝑠𝜑 + 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 (5.4) Giá trị Voffset được xác định là khoảng cách từ trục hoành đến trục đối xứng của đường cong tín hiệu (hoặc trung bình cộng của tín hiệu lối ra cực đại và cực tiểu). Hiện tượng dâng nền (hay zero offset) được giải thích là do ngay cả khi không có từ trường ngoài tác dụng (từ trường một chiều) thì vẫn còn đóng góp 126 của từ trường xoay chiều kích thích do cuộn solenoid tác dụng. Do tác dụng của từ trường xoay chiều nên cảm biến vẫn xuất hiện tín hiệu lối ra ngay cả khi không có từ trường ngoài. Một cách khắc phục hiện tượng dâng nền đó là giảm cường độ từ trường xoay chiều kích thích. Tuy nhiên cách này lại đồng thời làm giảm đáng kể độ lớn của tín hiệu lối ra và dẫn đến sự suy giảm độ nhạy của cảm biến mà vẫn không thể triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng dâng nền. Hình 5.13: Sự phụ thuộc của tín hiệu thế lối ra có offset vào góc phương vị khi được kích thích bởi hai từ trường xoay chiều ngược pha nhau (hAC và –hAC) Do đó, luận án đã đưa ra phương án thứ hai để có thể khắc phục hiện tượng dâng nền mà không ảnh hưởng đến độ lớn tín hiệu hay độ nhạy của cảm biến. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc là khi đảo pha từ trường xoay chiều kích thích thì hiện tượng dâng nền giữ nguyên còn tín hiệu lối ra do tác dụng của từ trường một chiều thì đảo pha (giá trị đảo dấu từ giá trị dương sang âm và ngược lại) (hình 5.13). Theo phương pháp này, đường cong tín hiệu cho ta hàm dao động tuần hoàn theo công thức: 𝑉(ℎ𝑎𝑐) = 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 + 𝑉0𝑐𝑜𝑠𝜑 (5.5) 𝑉(−ℎ𝑎𝑐) = 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 − 𝑉0𝑐𝑜𝑠𝜑 (5.6) 127 Do vậy, tín hiệu nền có thể được xác định chính xác bằng thực nghiệm theo công thức: 𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 𝑉(ℎ𝑎𝑐) + 𝑉(−ℎ𝑎𝑐) 2 (5.7) Phương pháp trừ nền này hoàn toàn có thể được giải quyết thông qua các mạch điện tử tích hợp. Các mạch điện tử cho phép cung cấp nguồn nuôi solenoid, đảo cực nguồn nuôi, ghi nhận tín hiệu lối ra, tính toán giá trị dâng nền và trừ nền tín hiệu, chuyển đổi giá trị tín hiệu lối ra thành góc phương vị. Các nghiên cứu tính chất của cảm biến từ trường 1D cho thấy đây là thiết bị cho phép xác định chính xác cường độ từ trường trái đất theo một mặt phẳng bất kỳ và góc định hướng của cảm biến so với phương hình chiếu của từ trường trái đất trong mặt phẳng đó. Cảm biến này có độ nhạy từ trường là 653,215 mV/Oe, độ phân giải từ trường là 3.10-4 Oe và độ phân giải góc là ~ 10-2 độ. Cảm biến này có các thông số kỹ thuật hoàn toàn có thể so sánh được với các cảm biến từ trường thương phẩm trong khi giá thành được đánh giá là rẻ hơn rất nhiều bởi công nghệ chế tạo vô cùng đơn giản. Tuy nhiên cảm biến từ trường 1D vẫn còn tồn tại một số nhược điểm là không thể xác định đồng thời cường độ từ trường trái đất và góc định hướng chỉ thông qua một phép đo và độ nhạy góc không đồng nhất. Vì các lý do trên, luận án đã tiến hành nghiên cứu và cải tiến cảm biến 1D thành cảm biến 2D. Cảm biến 2D cho phép khắc phục tốt các nhược điểm tồn tại của cảm biến 1D. 5.2.4. Cảm biến đo góc dựa trên cảm biến đo từ trường 2D Như đã trình bày ở trên, luận án đã tiến hành cải tiến cảm biến 1D thành cảm biến 2D. Thực chất cảm biến 2D là tổ hợp của hai cảm biến 1D được đặt vuông góc nhau (hình 5.7a). Chỉ với phương pháp tích hợp cảm biến 1D đơn giản như trên, cảm biến 2D cho thấy đã khắc phục tốt các nhược điểm của cảm biến 1D như là có thể xác định đồng thời cả cường độ từ trường và góc định hướng tại cùng một thời điểm (phép đo theo thời gian thực) và cho độ phân giải góc ổn định trên toàn dải đo. 128 Do cảm biến 2D là tổ hợp của hai cảm biến 1D nên có hai tín hiệu lối ra. Tuy nhiên, do có hai cuộn solenoid đặt rất gần nhau nên chúng sẽ ảnh hưởng đến nhau và dẫn đến ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra. Do đó các cảm biến đơn trong cảm biến 2D đã được giảm từ trường xoay chiều kích thích 2 lần so với cảm biến 1D. Cảm biến 2D sau khi được chế tạo đã được khảo sát khả năng xác định cường độ từ trường trái đất và khả năng đo góc. Kết quả thực nghiệm của khảo sát khả năng xác định cường độ từ trường của cảm biến từ trường 2D được thể hiện trên hình 5.14. So sánh với kết quả tương tự của cảm biến 1D cho thấy một sự tương đồng tốt. Chỉ có một điểm khác biệt là độ lớn tín hiệu lối ra của cảm biến 2D giảm đi 2 lần. Điều này đã được đề cập đến ở phần trên. Hình 5.14: Sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào cường độ từ trường của cảm biến 2D trong dải từ trường lớn (a) và trong dải từ trường trái đất (b) Phân tích số liệu thực nghiệm, luận án tính toán được độ nhạy từ trường của hai cảm biến đơn trong cảm biến 2D có giá trị lần lượt là k1 = 310,7 mV/Oe và k2 = 308,2 mV/Oe và độ phân giải từ trường là 3.10-4 Oe. Sự sai khác rất nhỏ về giá trị độ nhạy từ trường của cảm biến đơn (< 0,8 %) chứng tỏ quy trình chế tạo cảm biến có độ chính xác và độ ổn định cao. Đối với quá trình khảo sát khả năng xác định góc định hướng của cảm biến từ trường 2D, phép đo được thực hiện khi quay cảm biến trong mặt phẳng nằm ngang và được mô tả như trên hình 5.15. 129 Hình 5.15: Hình minh họa hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-East-Center), góc phương vị φ trong phép đo khảo sát góc của đầu đo cảm biến từ trường 2D Để có thể ứng dụng cảm biến trong định vị không gian, luận án đã sử dụng hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North – East – Centre). Hệ tọa độ này bao gồm 3 trục cơ sở là XE, YE và ZE tương ứng với các trục hướng theo cực Bắc, hướng về phía Đông và hướng tâm về Trái đất. Theo hệ tọa độ này, góc phương vị φ là góc giữa trục XE với S1. Chiều dương là chiều kim đồng hồ. Sử dụng hệ tọa độ này cùng với phép quay cảm biến trong mặt phẳng ngang theo góc phương vị, số liệu thực nghiệm được thể hiện trên hình 5.16. Đồ thị biểu diễn trong hệ tọa độ vuông góc (hình 5.16) cho thấy tín hiệu lối ra của hai cảm biến lệch pha nhau một góc 900. Kết quả này là phù hợp với thiết kế của hai cảm biến đơn đặt vuông góc nhau. Số liệu thực nghiệm được fit với hàm số cosine cho kết quả sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào góc phương vị là V1 = 123,1.cosφ mV và V2 = 124,1.sinφ mV tương ứng với tín hiệu thu được từ hai cảm biến. Cường độ từ trường trái đất trong mặt phẳng ngang được xác định thông qua tín hiệu lối ra và hệ số chuyển hóa bởi phương trình: 𝐻𝑥𝑦 = √𝐻1 2 + 𝐻2 2 = √( 𝑉1 𝑘1 ) 2 + ( 𝑉2 𝑘2 ) 2 (5.8) với 𝐻1 = 𝑉1 𝑘1 , 𝐻2 = 𝑉2 𝑘2 130 Sử dụng các số liệu thực nghiệm kết hợp với công thức (5.8), cường độ từ trường trái đất trong mặt phẳng ngang được xác định tại vị trí đo đạc (Hà Nội, Việt Nam) có giá trị là Hxy = 0,3994 Oe. So sánh kết quả này với kết quả thu được khi sử dụng cảm biến 1D được đưa ra trong phần trên và các kết quả của các nghiên cứu trước đây [90,93,105] cho thấy một sự phù hợp rất tốt. Hình 5.16: Đồ thị sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 2 cảm biến đơn vào góc phương vị Đối với góc phương vị, giá trị này cũng được xác định thông qua các thành phần cường độ từ trường trái đất trong mặt phẳng nằm ngang H1 và H2 theo công thức: 𝑡𝑎𝑛𝜑 = 𝐻2 𝐻1 (5.9) Cụ thể hơn, giá trị chính xác của góc phương vị được xác định thông qua giá trị và dấu của H1 và H2 thông qua bảng 5.2: Bảng 5.2: Liệt kê các công thức xác định góc phương vị trong toàn bộ dải đo Cường độ từ trường thành phần H1 = 0 H2 < 0 H1 = 0 H2 > 0 H1 > 0 H2 < 0 H1 0 H2 > 0 Giá trị góc phương vị 900 2700 -arctan(H2/H1) arctan(H2/H1) 2π - arctan(H2/H1) 131 So sánh các kết quả góc phương vị thu từ thực nghiệm (kết hợp với bảng 5.2) với các kết quả thu được từ la bàn quân sự thương mại được cho thấy sự trùng khớp với nhau. Điều này khẳng định rằng cảm biến từ trường 2D hoàn toàn có khả năng xác định chính xác góc phương vị với độ chính xác và độ nhạy cao. Các kết quả nghiên cứu trên cảm biến từ trường trái đất 2D cho thấy đây là một thiết bị có cấu tạo đơn giản (dẫn đến giá thành rẻ), phù hợp với công nghệ chế tạo tại Việt Nam. Nhưng trên hết, đây là một thiết bị cho phép xác định chính xác cường độ từ trường trái đất trong một phẳng bất kỳ và góc phương vị thông qua duy nhất một phép đo (đo trong thời gian thực) và có độ nhạy, độ phân giải ổn định trên toàn bộ dải đo. Tuy rằng thiết bị này có cấu tạo đơn giản nhưng độ nhạy và độ phân giải của thiết bị là hoàn toàn có thể so sánh được với các thiết bị cùng chức năng thương phẩm có công nghệ chế tạo phức tạp và giá thành cao hơn của nước ngoài. Các kết quả nghiên cứu này cho thấy cảm biến này có thể được ứng dụng trên các thiết bị định vị thay thế cho la bàn truyền thống. 5.2.5. Cảm biến đo từ trường trái đất 3D dựa trên hiệu ứng từ-điện Mặc dù cảm biến 2D được phát triển từ cảm biến 1D cho thấy khả năng hoạt động và tiềm năng ứng dụng rất cao. Tuy nhiên thiết bị này vẫn còn có nhược điểm cần khắc phục. Nhược điểm của thiết bị này là chỉ có thể xác định được cường độ từ trường trái đất và góc định hướng trong một mặt phẳng xác định. Trong khi các ứng dụng trong không gian liên quan đến vệ tinh, vũ trụ, viễn thám lại đòi hỏi khả năng xác định được cường độ từ trường trái đất tổng cộng và 3 góc định hướng trong không gian. Do đó việc nghiên cứu phát triển cảm biến từ trường 2D thành cảm biến từ trường 3D là cần thiết. Cảm biến từ trường 3D cho phép xác định đồng thời cả ba thành phần H1, H2 và H3 trong một hệ tọa độ không gian để từ đó có thể xác định được chính xác độ lớn từ trường tổng cộng và 3 góc định hướng của từ trường Trái đất tại một vị trí bất kì trong không gian. Cảm biến từ trường trái đất 3D được chế tạo bằng cách tổ hợp 3 cảm biến từ trường trái đất 1D đặt theo 3 phương vuông góc nhau đôi một. Theo các thiết kế này, 3 cảm biến từ trường đơn sẽ xác định đồng thời 3 thành phần H1, H2, H3 132 của từ trường trái đất theo 3 phương vuông góc nhau. Cảm biến từ trường trái đất 3D đã được luận án chế tạo thành công theo ý tưởng thiết kế trên (hình 5.7b). Từ các thành phần cường độ từ trường trái đất theo 3 phương khác nhau (H1, H2, H3), cường độ từ trường Trái đất trong mặt phẳng nằm ngang (Hxy) có thể được xác định thông qua công thức: 𝐻𝑥𝑦 = √𝐻1 2 + 𝐻2 2 (5.10) và cường độ từ trường Trái đất tổng cộng được xác định thông qua công thức: 𝐻𝑡𝑜𝑡 = √𝐻1 2 + 𝐻2 2 + 𝐻3 2 (5.11) Cũng với lý do tương tự như cảm biến 2D, các cảm biến đơn trên cảm biến 3D sẽ được giảm cường độ từ trường xoay chiều kích thích 3 lần so với cảm biến từ trường trái đất 1D. Việc làm này cho phép hạn chế ảnh hưởng nhiễu lẫn nhau của các cảm biến đơn mà không làm suy giảm nhiều tín hiệu lối ra. Các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tương tự trên cảm biến từ trường 2D. Kết quả cho thấy độ nhạy của các cảm biến đơn tương ứng có giá trị là k1 = 192,6 mV/Oe, k2 = 200,8 mV/Oe và k3 = 205,5 mV/Oe. Các giá trị độ nhạy này nhỏ hơn 3 lần so với độ nhạy của biến 1D (653,2 mV/Oe) là phù hợp với việc giảm từ trường xoay chiều kích thích 3 lần. Với các giá trị độ nhạy (hệ số chuyển đổi) trên, luận án đã tiến hành khảo sát khả năng xác định cường độ từ trường trái đất của cảm biến 3D. Phép đo được thực hiện khi cảm biến 3D đặt sao cho cảm biến đơn S3 có phương thẳng đứng (S1 và S2 nằm trong mặt phẳng nằm ngang) và quay cảm biến 3D xung quanh trục quay thẳng đứng. Số liệu thực nghiệm được mô tả trên hình 5.17. Đồ thị cho thấy tín hiệu lối ra trên cảm biến đơn S1 và S2 biến đổi theo quy luật hàm số cosine và lệch pha nhau 900. Các kết quả này tương tự như kết quả thu được với cảm biến từ trường 2D. Đối với cảm biến đơn S3, tín hiệu lối ra có 133 dạng đường thẳng (không đổi) là do quá trình quay xung quanh trục của S3 dẫn đến thành phần từ trường trái đất dọc theo phương S3 có giá trị không đổi. Từ kết quả thực nghiệm, cường độ từ trường trái đất theo phương nằm ngang được xác định có giá trị là Hxy = 0,3994 Oe và phù hợp với các kết quả khảo sát trên cảm biến 1D, 2D và trên các công bố quốc tế [90,105]. Hình 5.17 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế lối ra của 3 cảm biến vào góc phương vị trong hệ tọa độ vuông góc Đối với cường độ từ trường trái đất tổng cộng, kết quả thực nghiệm cho thấy có giá trị là Htot = 0,4465 Oe. Ngoài ra góc từ khuynh I của từ trường trái đất tại vị trí đo đạc (Hà Nội, Việt Nam) được xác định thông qua biểu thức: tan (𝐼) = 𝐻𝑧 𝐻𝑥𝑦 (5.12) và có giá trị là I = 26,50 ± 0,10. Sai số của góc từ khuynh có giá trị 0,10 là phù hợp với sai số của cường độ từ trường có giá trị 10-4 Oe. Các kết quả thực nghiệm xác định cường độ từ trường trái đất tổng cộng và giá trị góc từ khuynh tại nơi làm thí nghiệm được so sánh với các giá trị được công bố quốc tế [105] cho thấy một sự phù hợp rất tốt và khẳng định rằng cảm 134 biến từ trường trái đất 3D có khả năng rất tốt trong việc xác định từ trường trái đất và góc định hướng trong không gian. 5.3. Kết luận chương 5 Các khảo sát thông số và chế độ làm việc của cảm biến từ trường 1D, 2D, 3D cho thấy: - Cảm biến 1D cho phép xác định cả cường độ và góc định hướng của từ trường trái đất (theo một mặt phẳng xác định). Phép đo cường độ từ trường trái đất có độ nhạy là 653,215 mV/Oe và độ phân giải ~ 3.10-4 Oe. Phép đo góc định hướng có độ phân giải góc (sai số phép đo) ~ 10-2 độ. - Cảm biến 2D có ưu điểm so với cảm biến 1D là có thể thực hiện các phép đo cường độ và góc định hướng từ trường trái đất (theo một mặt phẳng xác định) chỉ thông qua một phép đo duy nhất. Cảm biến 2D có độ phân giải cường độ từ trường ~ 3.10-4 Oe và độ phân giải góc ~ 10-2 độ. - Cảm biến 3D được chế tạo với mục đích xác định cường độ tổng cộng và góc định hướng trong không gian của từ trường trái đất. 135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: 1. Chế tạo thành công vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng Terfecohan/PZT bằng phương pháp phún xạ và vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp dạng tấm Meglas/PZT bằng phương pháp kết dính cơ học. 2. Vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng Terfecohan/PZT đạt được hệ số thế từ-điện lớn nhất αE = 6,3 mV/cm.Oe tại từ trường một chiều Hdc = 1 kG. Vật liệu này không tăng cường được hệ số thế từ-điện (nhỏ hơn 27 lần) nhưng bù lại đã giảm được từ trường làm việc (giảm 5 lần) so với vật liệu tổ hợp từ-điện Terfecohan/Glass/PZT. Nguyên nhân được đề xuất là do khác biệt về hình thái bề mặt đế và một số phương án thay đổi hình thái bề mặt của vật liệu áp điện đã được đưa ra. 3. Màng Terfecohan ủ nhiệt trong chân không tại nhiệt độ 350 0C trong 1 giờ cho thấy đã xuất hiện cấu trúc nano tinh thể và do đó làm tăng cường tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp (hệ số thế từ-điện tăng 1,9 lần, từ trường một chiều tương ứng giảm 2 lần). Tuy nhiên vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng với lớp từ giảo có cấu trúc nano tinh thể vẫn cần được nghiên cứu thêm để tăng cường hơn nữa tính chất từ-điện cho việc ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường yếu có độ nhạy và độ phân giải cao. 4. Khảo sát các tính chất từ, tính chất từ giảo và tính chất từ-điện cho thấy cấu hình tối ưu của vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp dạng tấm Metglas/PZT để ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường trái đất là dạng sandwich (Metglas/PZT/Metglas) với kích thước 15x1 mm2. Với cấu hình tối ưu của vật liệu này thì hệ số thế từ-điện cực đại đạt được là αE = 131 V/cm.Oe tại từ trường Hdc = 7 Oe. Các kết quả thu cho thấy vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp dạng tấm Metglas/PZT với cấu hình tối ưu cho phép ứng dụng chế tạo các cảm biến từ trường trái đất với độ nhạy và độ phân giải cao. 136 5. Các nghiên cứu ứng dụng lý thuyết và mô phỏng về hiện tượng cộng hưởng tần số, hiệu ứng shear lag và hiệu ứng trường khử từ đã giúp giải thích các hiện tượng thực nghiệm, dự đoán trước các kết quả thực nghiệm tiếp theo và góp phần trong quá trình tối ưu hóa cấu hình vật liệu. Các kết quả tần số cộng hưởng thu được từ bài toán truyền sóng một chiều và hai chiều phù hợp với các kết quả thu được từ thực nghiệm cho thấy có thể thiết kế kích thước vật liệu tổ hợp từ- điện để thu được tần số cộng hưởng theo yêu cầu thực tiễn đặt ra. 6. Vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng Terfecohan/PZT và vật liệu tổ hợp từ- điện đa lớp dạng tấm Metglas/PZT với cấu hình tối ưu được ứng dụng để chế tạo cảm biến từ trường. Cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện dạng màng không chỉ có khả năng xác định cường độ từ trường (độ nhạy k = 0,49 μV/Oe, dải đo từ -1 kOe đến 1 kOe) mà còn có khả năng xác định góc định hướng của từ trường. 7. Vật liệu tổ hợp từ-điện đa lớp dạng tấm Metglas/PZT được ứng dụng chế tạo thành công các cảm biến 1D, 2D và 3D. Cảm biến 1D có độ nhạy từ trường đạt tới k = 653,215 mV/Oe và độ phân giải lên đến 3.10-4 Oe. Cảm biến 1D không chỉ cho phép xác định chính xác cường độ từ trường trái đất mà còn có thể xác định được các góc định hướng của nó với độ phân giải góc ~ 10-2 độ. Các cảm biến từ trường trái đất 2D và 3D đã được chế tạo thành công dựa vào việc kết hợp các cảm biến 1D. Các cảm biến từ trường trái đất 2D và 3D cho phép xác định cường độ từ trường trái đất và các góc định hướng của nó theo thời gian thực và có độ phân giải ổn định trong toàn dải đo. Các cảm biến 2D cho độ nhạy là 308,2 và 310,7 mV/Oe tương ứng với độ nhạy của hai cảm biến 1D, độ phân giải từ trường là 3.10-4 Oe và độ phân giải góc là 10-2 độ. Các cảm biến 3D cho độ nhạy là 192,6 mV/Oe, 200,8 mV/Oe và 205,5 mV/Oe tương ứng với độ nhạy của ba cảm biến đơn. 8. Các kết quả thu được từ thực nghiệm khảo sát khả năng làm việc của cảm biến từ trường trái đất 1D, 2D và 3D cho thấy chúng hoàn toàn có thể sử dụng như một la bàn điện tử thế hệ mới với độ chính xác và độ nhạy cao. 137 Kiến nghị: Ngoài các ứng dụng đã được thực hiện và triển khai trong luận án, một số ứng dụng khác có thể sử dụng cảm biến từ trường dựa vật liệu tổ hợp đa lớp dạng tấm Metglas/PZT nhờ các ưu điểm nổi bật của nó như: sử dụng trong các thiết bị định vị, thiết bị dò tìm vệ tinh và điều khiển trạm thu phát tín hiệu mặt đất di động hoặc cố định, cảm biến cường độ dòng điện dạng kìm, thiết bị đo nhịp tim, cảm biến phát hiện hạt nano từ trong lĩnh vực sinh học hay các cảm biến y – sinh khác. 138 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN [1] D.T.H. Giang, P.A. Duc, N.T. Ngoc, N.T. Hien, N.H. Duc (2012), “Enhancement of the Magnetic Flux in Metglas/PZT – Magnetoelectric Integrated 2D Geomagnetic Device”, Journal of Magnetics 17(4), pp. 308 – 315. [2] D.T.H. Giang, P.A. Duc, N.T. Ngoc, N.T. Hien, N.H. Duc (2012), “Spatial angular positioning device with three – dimensional magnetoelectric sensors”, Review of scientific instruments 83, p. 095006. [3] D.T.H. Giang, P.A. Duc, N.T. Ngoc, N.H. Duc (2012), “Geomagnetic sensors based on Metglas/PZT laminates”, Sensors and Actuators A, A179, pp. 78 – 82. [4] Phạm Anh Đức, Đỗ Thị Hương Giang, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu Đức (2013), Nghiên cứu, tối ưu cấu hình và mô phỏng lý thuyết hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp Metglas/PZT, Kỷ yếu hội nghị vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 8, trang 119-123. [5] Phạm Anh Đức, Nguyễn Thị Ngọc, Lê Khắc Quynh, Nguyễn Hữu Đức, Đỗ Thị Hương Giang (2015), Chế tạo và nghiên cứu màng mỏng từ - điện Terfercohan/PZT cấu trúc nano, Kỷ yếu hội nghị vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 9, trang 16-19 . Danh mục này gồm 05 công trình. 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Chính Cương (2013), Bài tập phương pháp toán lí, NXB Đại học Sư Phạm, Hà Nội. [2] Lê Văn Dương (2013), Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo dòng điện dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện Metglas/PZT, Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. [3] Đặng Xuân Đăng (2015), Ứng dụng cảm biến từ-điện đo nhịp tim, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội [4] Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. [5] Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ liên kim loại, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. [6] Nguyễn Phú Thùy (2004), Vật lý các hiện tượng từ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. [7] Hoàng Mạnh Hà (2007), Chế tạo, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu tổ hợp từ giảo- áp điện dạng tấm có cấu trúc nano, Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và linh kiện nano, Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. [8] Nguyễn Thị Ngọc (2012), Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường trái đất 1D, 2D, 3D dựa trên vật liệu từ-điện cấu trúc micro – nano, Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và linh kiện nano, Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. [9] Đỗ Đình Thanh (1996), Phương pháp toán lí, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. 140 [10] Phan Huy Thiện (2006), Phương trình toán lý, NXB Giáo dục, Hà Nội. [11] Nguyễn Xuân Toàn (2010), 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, Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. Tiếng Anh [12] A. E. Clark and H.S. Belson (1972), “Giant Room- Temperature Mangetostrictions in TbFe2 and DyFe2”, Phys. Rev. B, Vol. 5, pp. 3642. [13] A. E. Clark (1980), Handbook of Ferromagnetic Materials, E.P. Wohlfarth, Elsevier Science, North-Holland, Amsterdam, Vol. 1, pp. 513. [14] A. Manbachi and R.S.C. Cobbold (2011). "Development and Application of Piezoelectric Materials for Ultrasound Generation and Detection", Ultrasound, Vol. 19 (4), pp. 187–196. [15] A. Perrier and A.J. Staring (1922), Archives des Sciences Physiques et Naturelles, Imprimerie Albert Kundig, Geneve. [16] A. Perrier and A.J. Staring (1923), Archives des Sciences Physiques et Naturelles, Imprimerie Albert Kundig, Geneve. [17] A. S. Tatarenko, V. Gheevarughese and G. Srinivasan (2006), “Magnetoelectric microwave bandpass filter”, Electronics letters, Vol. 42, Iss 9, pp. 540 – 541. DOI: 10.1049/el:20060167. [18] A. C. Y. Tang (2012), Complementary Therapies for the Contemporary Healthcare, Chapter 4, INTECH. DOI: 10.5772/50442. [19] B. D. Mayo, D.W. Forester, S. Spooner (1970), “Hyperfine field distribution in disordered binary alloys”, J. Appl. Phys. 41, pp. 1319. 141 [20] B. I. Aishin and D.N. Astrov (1963), “Magnetoelectric effect in titanium oxide Ti203”, Soviet Physics, Journal of Experimental and Theoretical Physics. [21] B. Jae, W.R. Cook Jr. and H. Jae (1971), Piezoelectric ceramics, Academic Press Limited. [22] C. E. Johnson, M.S. Ridout and T.E. Cranshaw (1963), “The Mossbauer effect in iron alloys”, Proc. Phys. Soc, Vol. 81, Iss 6, pp. 1079. [23] C. E. Land (1989), “Longitudinal electrooptic effects and photosensitivies of lead zirconate titanete thin films”, J. Am. Ceram Soc., Vol. 72, pp. 2059. [24] C. W Nan, M.I. Bichurin, S.X. Dong, D. Viehland and G. Srinivasan (2008), “Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions”, J. Appl. Phys., Vol. 103, pp. 031101. [25] C. W Nan (1994), “Magnetoelectric effect in composites of piezoelectric and piezomagnetic phases”, Phys. Rev. B, Vol. 50, pp. 6082. [26] C. T. Phua (2012), Développement d’une nouvelle méthode de mesure du rythme cardiaque et du débit sanguin fondée sur les perturbations localisées d’un champ magnétique, pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Paris-Est, pp. 2-8. [27] C. M. Chang and G.P. Carman (2007), “Modeling shear lag and demagnetization effects in magneto – electric laminate composites”, Physical review B, Vol.76, 134116. [28] C. H. Chuang, T.W. Sung, C.L. Huang and Y.L. Lo (2012), ”Relative two- dimensional nanoparticle concentration measurement based on scanned laser pico-projection”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 173, pp. 281-287. 142 [29] C. Y. Liu, C.C. Wei and P.C. Lo (2007), ”Variation Analysis of Sphygmogram to Assess Cardiovascular System under Meditation”, Evidence-Based Complementary and Alternative Medecine, Vol. 6, Iss 1, pp. 107-112. doi:10.1093/ecam/nem065. [30] D. Drung, C. Assmann, J. Beyer, A. Kirste, M. Peters, F. Ruede, and T. Schurig (2007), “Highly sensitive and easy-to-use SQUID sensors”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 17, Iss 2, pp. 699 – 704. [31] D. Landau and E. Lifshitz (1960), Electrodynamics of Continuous Media, Perganon Press, Oxford, pp. 119. [32] D. N. Astrov (1961), “Magnetoelectric effect in chromium oxide”, Soviet Physics – JETP 13, pp. 729-733. [33] D. T. H. Giang, N. H. Duc (2009), “Magnetoelectric sensor for microtesla magnetic-fields based on (Fe80Co20)78Si12B10/PZT laminates”, Sensor and Actuator A: Physics, Vol. 149, pp. 229. [34] D. P. Chao, C. C. Tyan, J. J. Chen, C. L. Hsieh and L. Y. Sheen (2011), ”Effect of Hot-Attribute Aged Ginger Tea on Chinese Medical Pulse Condition of Healthy Young Humans”, Evidence-Based Complementary and Alternative Medecine, Vol. 1, Iss 1, pp. 69-75 DOI: 10.4077/CJP.2011.AMM045. [35] E.T. Keve, S.C. Abrahams and J.L. Berkstein (1969), “Crytals structure of pyroelectric paramagnetic barium manganese fluoride, BaMnF4”, J. Chem. Phys, 51, pp. 4928. [36] F. Jona and G. Shirane (1993), Ferroelectric crystals, Dover Publications, inc, New York. [37] F. Hochgraf (1998), Materials Handbook, Vol. 10, Ninth Edition. 143 [38] G. Song, P.Z. Qiao, W.K. Binienda and G.P. Zou (2002), “Active vibration damping of composite beam using smart sensors and actuators”. Journal of aerospace enginerring, Vol. 15(3), pp. 97–103. [39] G. Srinivasan, E.T. Rasmussen, J. Gallegos, R. Srinivasan, Y.I. Bokhan and V.M. Laletin (2001), “Magnetoelectric bilayer and multilayer structures of magnetostrictive and piezoelectric oxides”, Phys. Rev. B, Vol. 64, pp. 21440. [40] G. Srinivasan, S. Priya, N. Sun (2015), Composite Magnetoelectrics, Woodhead Publishing, UK. [41] G. T. Rado and V.J. Folen (1961), “Observation of the magnetically induced magnetoelectric effect and evidence for antiferromagnetic domains”, Physical Review Letters, Vol. 7, Iss 8, pp. 310. [42] G. T. Rado (1964), “Observation and possible mechanisms of magnetoelectric effects in a ferromagnet”, Physical Review Letters, Vol. 13, Iss 335, pp. 335. [43] H. P. J. Wijn. (1991), Magnetic Properties of Metals, Springer Berlin Heidelberg, Berlin. [44] H. Wilson (1905), “On the electric effect of rotating a dielectric in a magnetic field”, Proceedings of the Royal Society of London, Philosophical Transactions of the Royal Society. [45] H. Schmid (1994), “Multi – ferroic magnetoelectrics”, Ferroelectric, Vol. 162, pp. 317 – 338. [46] Honeywell Inc (2002), ”Hall Effect Sensing and Application”, Micro Switch Sensing and Control, Chapter 5, pp. 33–41. [47] I. E. Dzyaloshinskii (1960), “On the Magneto-Electrical Effect in Antiferromagnets”, JETP, Vol. 10, No 1, pp. 628. 144 [48] J. Gao, D. Gray, Y. Shen, J. Li and D. Viehland (2011), “Enhanced dc magnetic field sensitivity by improved flux concentration in magnetoelectric laminates”, Appl. Phys. Lett. 99, pp. 153502. [49] J. Ma, J. Hu, Z. Li, and C.W. Nan (2011), “Recent progress in multiferroic magnetoelectric composites: from bulk to thin films”, Advanced Materials, 23(9), pp. 1061. [50] J. F. Nye (1985), Physical Properties of crystals, Oxford university press Inc., New York. [51] J. P. Rivera (1994), “On denitions, units, measurements, tensor forms of the linear magnetoelectric effect and on a new dynamic method applied to Cr-Cl boracite”, Ferroelectrics, 161(1), pp. 165-180. [52] J. Ryu, S. Priya, K. Uchino, H. Kim and D. Viehland (2002), “Hight Magnetoelectric Properties in 0,68 Pb (Mg1/3NB2/3)O3- 0,32 PbTiO3 Single Crytal and Terfenol-D Laminate Composites” , Korean Ceramic Society 9, pp. 813. [53] J. Ryu, S. Priya, K. Uchino, H.E. Kim. (2002), “Magnetoelectric effect in composites of magnetostrictive and piezoelectric materials”, J. Electroceramics 8, pp. 107. [54] J. Valasek (1921), “Piezo-electric and allied phenomena in rochelle salt”, Physical Review B, Vol. 17, pp. 475. [55] J. V. Suchtelen (1972), “Product properties: A new application of composites materials”, Philips Res. Rep. 27, pp. 28-37. [56] J. Vrba (1996), SQUID Sensors: Fundamentals, Fabrication and Applications, H. Wein stock Kluwer, Dordrecht. [57] J. Y. Zhai, S.X. Dong, J.F. Li and D. Viehland (2006), “Near-ideal magnetoelectricity in hight-permeability magnetostrictive/piezofiber laminate with a (2-1) connectivity”, Appl. Phys. Lett. Vol. 88, pp. 062510. 145 [58] J. Zhai (2007), “Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect”, Appl. Phys. Lett. Vol. 91, pp. 123513. [59] J. Curie and P. Curie (1880) "Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées", Bulletin de la Société minérologique de France, Vol. 3, pp. 90 – 93. [60] J. P. Joule (1847). "On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars", Philosophical Magazine Series 3, Vol. 30, Iss 199, pp. 76-87. [61] K. Uchino (2000), Comprehensive Composite Materials, Elsevier, Amsterdam. [62] Kawamura et al (1999), Geomagnetic Direction Sensor, United State Petent, No 5982176. [63] L. D. Landau and E.M. Lifshitz (1960), Electrodynamics of continuous Media, volume 8. Pergamon Press. [64] M. Avellaneda and G. Harshe (1994), “Magnetoelectric effect in piezoelectric/magnetostrictive multilayer composites”, J. Intell. Mater. Syst. Struct., Vol. 5, pp. 501-513. [65] M. Eibschütz and H.J. Guggenheim (1968), “Antiferromagnetic- piezoelectric crytals: BaMe 4 (M= Mn, Fe, Co and Ni)”, Solid State Commun., Vol. 6, pp. 737. [66] M. E. Lines and A.M. Glass (1977), “in Principles of ferroelectrics”, Clarendon Press, Oxford Eng. [67] M. Fiebig (2005), “ Applied Physics”, Journal of Physics D, Vol. 38, pp. 123-152. [68] M. I. Bichurin, V.M. Petrov, R.V. Petrov, Y.V. Kiliba, F.I. Bukashev, A.Y.Smirnov and D.N. Eliseev (2002), “Magnetoelectric sensor of magnetic field”, Ferroelectric, Vol. 280, pp. 199. 146 [69] M. J. Haji-Sheikh (2008), in Sensors, Springer-Verlag, Berlin. [70] M. Li, D. Berry, J. Das, D. Gray, J. Li and D. Viehland (2011), “Enhanced sensitivity and reduced noise floor in magnetoelectric laminate sensors by an improved laminationprocess”, J. Am. Ceram. Soc. 94, pp. 3738. [71] M. Johnson (2004), Magnetoelectronics, Elsevier, Amsterdam. [72] M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F.N.V. Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich and J. Chazelas (1988), “Giant magnetoresistance of (001) Fe/ (001) Cr magnetic superlattices”, Phys. Rev. Lett. 21, pp. 2472. [73] M. Bibes and A. Barthelemy (2008), “Multiferroics: Towards a magnetoelectric memory”, Nature Materials, Vol. 7, pp. 425 – 426. [74] M. Vopsaroiul, J. Blackburn and M.G. Cain (2007), “A new magnetic recording read head technology based on the magneto-electric effect”, J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 40, pp. 5027. [75] M. J. Caruso (1995), Applications of meagnetoresistive sensors in navigation systems, Honey Well InC. [76] N. H. Duc (2001), “Handbook of Physics and Chemistry of the Rare Earths” Vol. 32, Elsevier Science, North-Holland, Amsterdam. [77] N. H. Duc (2002), “Development of giant low-field magnetostriction in a- TerfecoHan-based single layer, multilayer and sandwich films”, J. Magn. Magn. Mater, Vol. 1411, pp. 242-245. [78] N.H. Duc and D.T.H. Giang. (2007), “Magnetic sensors based on piezoelectric–magnetostrictive composites”, J. Alloys Compd., Vol. 449, pp. 214-218. [79] N. Nersessian et al. (2004), “Magnetoelectric behavior of Terfenol-D composite and lead zirconate titanate ceramic laminates”, IEEE Trans. Magn., Vol. 40, pp. 2646. 147 [80] N. A. Spaldin and M. Fiebig (2005), “Materials science: The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics”, Science, Vol. 15, pp. 391-392. [81] P. Curie (1894), “Sur la symetrie dans les phenomenes physiques, symetrie d'un champ electrique et d'un champ magnetique“, Journal of Theoretical Applied Physics, Vol. 3, pp. 393. [82] P. Debye (1926), “Bemerkung zu einigen neuen Versuchen uber einen magneto-elektrischen Richteffekt”, Z. Phys, Vol.36, pp. 300. [83] Philips (1973), “Piezoelectric ceramic, Permanent magnet materials”, Componets and materials, Part 4b. [84] P. Guzdek, M. Wzorek (2015), “Magnetoelectric properties in bulk and layered composites”, Microelectronics International, Vol. 32, Iss 3, pp. 110–114. [85] R. Corcolle, L. Daniel, F. Bouillault (2009), “Modeling of magnetoelectric composites using homogenization techniques”, Sens. Lett., Vol. 7 pp. 446– 450. [86] R. G. Ballas (2007), Piezoelectric Multilayer Beam Bending Actuators, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg. [87] R. V. Petrov, A.N. Soloviev, K.V. Lavrentyeva, I.N. Solovyev, V.M. Petrov and M.I. Bichurin (2013), “Magnetoelectric Transducers”, Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Stockholm, Sweden. pp. 1271. [88] R. S. K’doah (2004), “Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes”, Gravity Probe B. NASA. pp. 26. [89] Ripka, Pavel (ed) (2001), Magnetic sensors and Magnetometers, Boston- London: Artech. [90] S. Macmillan (2010), Earth’s magnetic field, British Geological Survey, Edinburgh, UK. 148 [91] T. H. O’Dell (1965), “Magnetoelectrics – a new class of materials”, Electron Power, Vol. 11, pp. 266. [92] T. Kimura, T. Goto, H. Shintani, K. Ishizaka, T. Arima and Y. Tokura (2003), “Magnetic control of ferroelectric polarization”, Nature, Vol. 426, pp. 55-58. [93] T.T. Ai (2005), Geomagnetism and Magnetic Prospecting, Vietnam National University, Ha noi. [94] T. T. Nguyen, F. Bouillault, L. Daniel, X. Mininger (2011), “Finite element modeling of magnetic field sensors based on nonlinear magnetoelectric effect”, J. Appl. Phys., Vol. 109, pp. 084904. [95] V. J. Folen, G.T. Rado, and E.W. Stalder (1961), “Anisotropy of the magnetoelectric effect in Cr2O3”, Physical Review Letters, Vol. 6, Iss 11, pp. 607-608. [96] W. C. Elmore, M.A. Heald (1985), Physics of Waves, Dover Publications, New York. [97] W. C. Rontgen (1888), “Ueber die durch Bewegung eines im homogenen electrischen Felde befindlichen Dielectricums hervorgerufene electrodynamische Kraft”, Annalen der Physik, Vol. 271, pp. 264–270. [98] W. Eerenstein, N.D. Mathur, and J.F. Scott (2006), “Multiferroic and magnetoelectric materials”, Nature, Vol. 442, pp. 759-765. [99] W. F. Brown, R.M. Hornreich, S. Shtrikman (1968), “Upper Bound on the Magnetoelectric Susceptibility” Phys. Rev., Vol. 168, pp. 574. [100] X. X. Cui, S.X. Dong (2011), “Theoretical analyses on effective magnetoelectric coupling coefficients in piezoelectric/piezomagnetic laminates”, J. Appl. Phys., Vol. 109, pp. 083903. [101] Y. Fetisov, A. Bush, K. Kamentsev, A. Ostashchenko, G. Srinivasan (2004), “Sensors”, Proceedings of IEEE, Vol.3, pp. 1106. 149 [102] Y. Wang, G.J. Weng (2015), “Magnetoelectric coupling and overall properties of multiferroic composites with 0-0 and 1-1 connectivity”, J. Appl.Phys, Vol. 118, Iss 17, pp. 174102. [103] Y. Yan, S. Priya (2015), Multiferroic magnetoelectric composites/ hybrids, Springer International Publishing, Switzerland. [104] APC International, Ltd. (2013), Physical and Piezoelectric Properties of APC Materials. (https://www.americanpiezo.com/apc-materials/physical-piezoelectric- properties.html) [105] Magnetic-declination.com (2016), Find the magnetic declination at your location ( [106] W. Scholz (2010), Calculator for magnetostatic energy and demagnetizing factor (