Do từ trường trái đất có giá trị nhỏ, thường nằm trong dải từ 24.000 đến 60.000nT phụ thuộc vào vị trí địa lý của điểm đo trên bề mặt trái đất. Do dải đo nhỏ như vậy nên linh kiện đầu đo cảm biến được sử dụng cho mục đích đo từ trường trái đất có yêu cầu phải có độ nhạy và độ chính xác cao (~ nT) trong toàn dải từ trường trái đất. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ cùng với sự ra đời của nhiều vật liệu mới, hiệu ứng mới cho các ứng dụng chế tạo linh kiện đo lường từ trường ngày càng phong phú và đa dạng. Tuy nhiên, với yêu cầu cao của việc đo lường từ trường trái đất, số lượng các thiết bị và linh kiện phù hợp với mục đích này không nhiều và thường có kích thước lớn, giá thành cao, công suất tiêu thụ lớn gây khó khăn khi di chuyển và không phù hợp cho các mục đích thăm dò, khảo sát như đo và vẽ từ trường trái đất. Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị đo và vẽ bản đồ từ trường trái đất có sử dụng linh kiện cảm biến đo từ trường 3 trục độ nhạy và độ phân giải cao tích hợp với mạch điện tử đo lường và xử lý tín hiệu và một số tính năng khác bao gồm định vị và truyền phát dữ liệu không dây với kích thước nhỏ gọn, công suất tiêu thụ thấp đáp ứng đủ yêu cầu sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau là cần thiết hiện nay.

Sản phẩm nổi bật thiết bị đo từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng Từ giảo - Áp điện, tích hợp kỹ thuật định vị GPS

Trong bối cảnh đó, việc tìm ra các vật liệu mới, vật liệu chức năng, vật liệu lai mới là một trong những nhiệm vụ cấp thiết và được xem như một giải pháp cho các vấn đề nêu trên. Hiệu ứng từ-điện (magnetoelectric effect) trên các vật liệu tổ hợp kiểu từ giảo - áp điện (thuộc nhóm vật liệu lai đa pha multiferroics) đang được đặc biệt quan tâm nghiên cứu trên thế giới trong vài năm trở lại đây do tiềm năng ứng dụng của chúng trong rất nhiều lĩnh vực, trong đó mạnh nhất là kỹ thuật đo lường từ trường độ nhạy cao. Nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội là nhóm nghiên cứu có truyền thống nhiều năm trên các vật liệu tổ hợp dạng này.

Trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu cơ bản để phát triển theo định hướng ứng dụng trên nhóm vật liệu này và theo định hướng phát triển vật lý đến năm 2020 tại Quyết định số 380/QĐ-TTg ngày 24/3/2015 của Thủ tướng Chính phủ, đồng thời nằm trong các định hướng nghiên cứu ưu tiên của ngành Vật lý đến năm 2020 tầm nhìn 2030, được cụ thể hóa trong Quyết định số 677/QĐ-BKHCN ngày 08/4/2015 của Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ đã phê duyệt nhiệm vụ “Nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm ứng dụng hệ thống đo và định vị từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng Từ giảo - Áp điện và kỹ thuật GPS” do PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang làm chủ nhiệm; trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội là Cơ quan chủ trì thực hiện từ tháng 01/2017 đến tháng 6/2020. Mục tiêu chính của nhiệm vụ là chế tạo hoàn chỉnh hệ thống đo và định vị từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo - áp điện và kỹ thuật GPS phục vụ thăm dò, xây dựng bản đồ từ trường Trái đất và đặt các trạm cảnh báo dị thường trên biển, tự động truyền tín hiệu về đất liền. Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

+ Xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo cảm biến từ trường có độ nhạy cao, độ ồn nhiễu thấp dựa trên hiệu ứng từ giảo - áp điện.

+ Phát triển được hệ thống đo và định vị từ trường Trái đất trên cơ sở tích hợp cảm biến với kỹ thuật GPS.

+ Chế tạo hoàn chỉnh hệ thống đo và định vị từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo áp điện và kỹ thuật GPS phục vụ (i) thăm dò, xây dựng bản đồ từ trường Trái đất và (ii) đặt các trạm cảnh báo dị thường từ trên biển, tự động truyền tín hiệu về đất liền.

I. Kết quả đã đạt được của nhiệm vụ: 

1. Sản phẩm dạng I:

1.1. 05 Thiết bị đo từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng Từ giảo - áp điện, tích hợp kỹ thuật định vị GPS phục vụ thăm dò và xây dựng bản đồ từ trường trái đất ở biển Đông.

1.2. 15 Linh kiện đầu đo từ trường đơn trục dùng cho tích hợp mạch điện tử

2. Sản phẩm dạng II:

2.1. 01 Quy trình công nghệ chế tạo thiết bị cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ giảo - áp điện.

2.2. 01 Báo cáo đánh giá thử nghiệm thiết bị trên biển của đơn vị ứng dụng.

3. Sản phẩm dạng III:

3.1. 02 Bài báo quốc tế trong hệ thống tạp chí ISI (chỉ số IF > 3,2):

* Do Thi Huong Giang, Ho Anh Tam, Vu Thi Ngoc Khanh, Nguyen Trong Vinh, Phung Anh Tuan, Nguyen Van Tuan, Nguyen Thi Ngoc and Nguyen Huu Duc, Magnetoelectric Vortex Magnetic Field Sensor Based on the Metglas/PZT Laminates, Sensors 20(10) (2020), 2810 (https://doi.org/10.3390/s20102810).

* Trinh Dinh Cuong, Nguyen Viet Hung, Vu Le Ha, Phung Anh Tuan, Do Dinh Duong, Ho Anh Tam, Nguyen Huu Duc and Do Thi Huong Giang, Giant magnetoelectric effects in serial-parallel connected Metglas/PZT arrays with magnetostrictively homogeneous laminates, Journal of Science: Advanced Materials and Devices, https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2020.06.005.

3.2. 02 Sáng chế:

* Tên sáng chế: “Linh kiện cảm biến đo dòng điện và phương pháp chế tạo”. Nộp văn phòng Cục sở hữu trí tuệ, mã số đơn: 1-2019-03837. Quyết định chấp nhận đơn số: 93743/QĐ-SHTT ngày 13/04/2020.

* Tên sáng chế: “Linh kiện cảm biến đo từ trường trái đất và phương pháp chế tạo linh kiện này, thiết bị đo từ trường trái đất điện từ có linh kiện cảm biến này”. Nộp văn phòng Cục sở hữu trí tuệ, mã số đơn: 1-2020-02028. Quyết định chấp nhận đơn số: 7646w/QĐ-SHTT ngày 17 tháng 06 năm 2020.

NASATI