Hiệu ứng từ-điện là hiệu ứng tổ hợp của hai hiệu ứng từ giảo và áp điện [8]. Hiệu ứng từ điện thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng từ-điện nghịch(converse magnetoelectric effect), trong đó hiệu ứng thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (ΔP) khi đặt trong từ trường ngoài (H), và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (ΔM) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E). Hiệu ứng này thường được quan sát thấy trên các vật liệu có tồn tại đồng thời cả 2 pha sắt từ và sắt điện.
Trên hình 1.8 là hình biểu diễn đơn giản đặc trưng cho mối liên hệ giữa từ và điện của cả hai hiệu ứng từ-điện thuận và nghịch.
Cơ chế của hiệu ứng từ-điện thuận được giải thích là do khi vật liệu chịu tác dụng của một từ trường ngoài H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh ra ứng suất tác dụng lên pha áp điện.
Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ điện thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện
Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật liệu này sẽ bị thay đổi và do đó trên hai mặt đối diện của vật liệu sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu nhau như quan sát thấy trên hình 1.9.a. Hiệu ứng từ điện thuận được đặc trưng bởi hệ số từ điện:E = dE/dH
Cơ chế của hiệu ứng từ-điện nghịch được biểu diễn bởi sự thay đổi từ độ vật liệu (M) khi chịu tác dụng của điện trường E (hay điện áp V) (hình 1.9.b).
Ngược với hiệu ứng từ-điện thuận, trong hiệu ứng này, dưới tác dụng của điện trường, do hiện tượng điện giảo, pha áp điện sẽ bị biến dạng cưỡng bức sinh ra ứng suất cơ học truyền cho pha sắt từ (từ giảo). Do hiệu ứng Villary, mô men từ của pha này sẽ bị thay đổi để cực tiểu hóa năng lượng từ đàn hồi sinh ra do ứng suất. Hiệu ứng từ-điện nghịch được đặc trưng bởi hệ số từ-điện: M
= dM/dE.
Hình 1.9: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài
Hiệu ứng từ-điện có sự chuyển hóa trực tiếp từ năng lượng điện thành năng lượng từ và ngược lại. Chính nhờ tính chất này, hiệu ứng này và đang được nghiên cứu và khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại đây.
Hình 1.10: Đường cong từ trễ của M-H, P-E, và ε-σ đặc trưng cho hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp sắt từ/sắt điện[5]
Để hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo cảm biến đo dòng điện, hiệu ứng từ-điện thuận tỏ ra có nhiều ưu thế do khả năng chuyển đổi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lối ra mà không nguồn dòng nuôi như các cảm biến Hall và cảm biến từ-điện trở truyền thống.
Cho đến nay, rất nhiều loại vật liệu có hiệu ứng từ-điện thuận đã được nghiên cứu và khai thác. Trong đó, vật liệu có hiệu ứng từ-điện thuận có thể được chia thành hai loại chính là vật liệu đơn pha và vật liệu tổ hợp. Trong đó, vật liệu dạng đơn pha bộc lộ nhiều hạn chế như hệ số từ-điện thấp αE 1 – 10 (mV/cmOe) [3]. Nguyên nhân là do các vật liệu đơn pha này được chế tạo đều dựa trên phản ứng pha rắn bằng cách nung thiêu kết ở nhiệt độ cao dẫn đến sự hình thành một số pha phụ làm giảm tính chất từ-điện của vật liệu. Cho đến nay, hiệu ứng từ-điện lớn nhất được công bố trên các vật liệu tổ hợp hai pha dạng tấm và dạng màng mỏng. Trong số đó, vật liệu tổ hợp dạng tấm có nhiều ưu thế hơn do đặc điểm công nghệ chế tạo đơn giản, dễ chế tạo giá thành thấp, có thể sản xuất và ứng dụng hàng loạt với qui mô lớn. Hơn thế nữa, đối với vật liệu tổ hợp dạng này ta có thể chủ động tối ưu các tham số và cấu hình vật liệu phù hợp với các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Đối với các ứng dụng trong vùng từ trường nhỏ cỡ từ trường trái đất thì yêu cầu đặt ra với các vật liệu tổ hợp 2 pha có hiệu ứng từ-điện thuận là pha sắt từ có tính chất từ giảo mềm siêu nhạy với từ trường thấp và pha sắt điện có tính chất áp điện phải siêu nhạy với ứng suất.
1.4.2. Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ-điện thuận
Như đã trình bày trong phần về nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ- điện thuận, đối với vật liệu tổ hợp dạng tấm gồm hai lớp, khi có mặt từ trường ngoài không đổi (HDC) chỉ có lớp có từ giảo (sắt từ) bị biến dạng còn lớp áp điện (sắt điện) thì không chịu ảnh hưởng bởi từ trường này.
Hình 1.11: Mô tả nguyên lý hoạt dộng của hiệu ứng từ-điện thuận
Do có sự liên kết cơ học giữa hai lớp nên biến dạng trên vật liệu tổ hợp sẽ được quan sát là biến dạng uốn cong (hình 1.11) và ứng suất được sinh ra cũng là một ứng suất không đổi (ứng suất tĩnh) (σDC). Sự có mặt của ứng suất này sẽ làm xuất hiện trên 2 mặt đối diện của tấm áp điện lượng điện tích cảm ứng không đổi (QDC). Lúc này tấm áp điện đóng vai trò như một tụ điện với lượng điện tích không được duy trì mãi mà sẽ bị suy giảm rất nhanh sau một hằng số thời gian (τ) do xảy ra hiện tượng phóng điện khi kết nối với các thiết bị đo đạc. Để duy trì được lượng điện tích này, trong đo đạc thực nghiệm, một từ trường xoay chiều (hac) kích thích được sử dụng để tạo ra các ứng suất dạng
dao động (σac) tác dụng lên pha áp điện. Sự có mặt của ứng suất này sẽ tạo ra điện lượng biến thiên (qac) trên tấm áp điện và việc đo đạc có thể dễ dàng được thực hiện thông qua việc đo điện áp xoay chiều lối ra trên tấm vật liệu áp điện [5].
1.4.3. Cảm biến đo dòng dựa trên vật liệu tổ hợp Metglas/PZT
Các nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp các băng từ siêu mềm metglas có pha tạp Ni với thành phần Fe76.8Ni1.2B13.2Si8.8 (Metglas pha Ni) với pha sắt điện là gốm áp điện dạng tấm Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) có hệ số điện-cơ lớn có thể cho hiệu ứng từ-điện lớn 22000 mV/cmOe trong từ trường rất nhỏ (~5 Oe) [15]. Hiệu ứng thu được này có thể so sánh được với các kết quả tốt nhất hiện nay được công bố trên thế giới trên các vật liệu tổ hợp dạng này. Đồng thời, trong nghiên cứu ứng dụng, nhóm cũng đã chế tạo thành công cảm biến đo từ trường trái đất sử dụng vật liệu tổ hợp Metglas/PZT với độ chính xác và độ phân giải cao hướng đến ứng dụng trong công nghệ vệ tinh, định vị GPS [1].
Khai thác thế mạnh đo từ trường siêu nhạy trong vùng từ trường thấp của vật liệu tổ hợp Metglas/PZT, các nghiên cứu tiếp tục được thực hiện với mục tiêu mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu để chế tạo các cảm biến đo dòng điện dựa trên một hiệu ứng vật lý hoàn toàn mới khác xa với các cảm biến truyền thống có cùng chức năng nhưng cho độ nhạy và độ chính xác cao sử dụng công nghệ chế tạo đơn giản qua đó hạ giá thành sản phẩm. Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu được đặt ra trong luận văn với mong đợi sẽ chế tạo thành công cảm biến có các thông số có thể so sánh được với các cảm biến thương phẩm đang được sử dụng hiện nay.
Chương 2