Làm chủ công nghệ lõi: trong chế tạo la bàn điện tử độ chính xác cao

Công nghệ này có khả năng được triển khai, ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ đóng tầu của nước nhà.

Từ thời xa xưa, sự ra đời của la bàn từ hoạt động dựa trên việc xác định phương hướng so với từ trường trái đất đóng vai trò quan trọng đối với đời sống con người. Đặc biệt, la bàn từ là một thiết bị hàng hải có tác dụng dùng để chỉ hướng đi và xác định vị trí của tầu trên biển dựa trên nguyên lý cảm nhận hướng từ trường trái đất so với hướng của tầu. Hướng đi chính xác của tầu phụ thuộc vào độ chính xác của thiết bị, tức là phụ thuộc vào loại la bàn và nguyên lý hoạt động của la bàn. Do vậy, cùng với sự phát triển của ngành hàng hải, la bàn từ ngày càng được đầu tư nghiên cứu và phát triển không ngừng. Bên cạnh la bàn truyền thống kim nam châm, la bàn từ điện tử ra đời đã tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong ngành hàng hải với tác dụng truyền chỉ số hướng đi của la bàn tới máy lái tự động để tự động điều khiển tàu. Hiện nay, la bàn từ điện tử hiện đại với thời gian đáp ứng nhanh được bán rộng rãi trên thị trường hoạt động chủ yếu theo nguyên tắc tích hợp các cảm biến nhạy từ trường trái đất thông qua đó đánh giá độ lệch phương vị Bắc từ của hệ thống.

Trong các dòng la bàn điện tử đang được bán trên thị trường hiện nay, có thể kể đến 4 loại phổ biến là la bàn hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện-từ (flux-gate), la bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng từ-điện trở, la bàn hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall và la bàn hoạt động dựa trên cảm biến sợi quang. Mỗi loại đều có những thế mạnh và hạn chế riêng của mình và giá thành của sản phẩm phụ thuộc vào độ chính xác của thiết bị đo. Vì thế, các nhà khoa học đang theo đuổi việc tìm ra hiệu ứng mới, vật liệu mới để chế tạo ra những la bàn có thể khắc phục các yếu điểm và tăng cường ưu điểm của các la bàn điện tử hiện nay nhưng vẫn đảm bảo lợi thế cạnh tranh về giá thành.

Với số lượng tầu thuyền đặc biệt cỡ vừa và nhỏ hiện nay của Việt Nam, nhu cầu chế tạo những la bàn điện tử dựa trên vật liệu mới, hiệu ứng mới, có chức năng hiển thị số, đảm bảo dễ thao tác, sử dụng và có chức năng tự hiệu chỉnh sai số giá thành rẻ nhưng độ nhạy và độ chính xác cao, sai số nhỏ giá thành rẻ, có thể triển khai sản xuất ngay trong phòng thí nghiệm là rất lớn. Vì vậy, cách đây 2 năm, nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội (UET-VNU) đã nghiên cứu, chế tạo thành công cảm biến siêu nhạy từ trường hoạt động dựa theo hiệu ứng từ-điện sử dụng vật liệu từ siêu mềm dạng băng từ mềm vô định hình trên nền hợp kim FeNi và các tấm vật liệu áp điện dạng gốm, cảm biến đáp ứng tuyệt đối tuyến tính với từ trường đo trong dải từ trường Trái Đất (hình 6) với độ độ phân giải được kiểm chứng thông qua đo đạc thực nghiệm đạt cỡ nanoTesla (hình 7). Với độ phân giải này cảm biến hoạt động tương đương với các cảm biến tốt nhất đang được bán trên thị trường hiện nay sử dụng các công nghệ hiện đại đắt tiền. Ưu điểm cảm biến loại này là công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, có thể chủ động chế tạo trong điều kiện nghiên cứu sản xuất của nước nhà nhưng vẫn có các thông số về độ nhạy độ phân giải cao và có lợi thế cạnh tranh không thua kém gì các sản phẩm ngoại nhập đắt tiền. Với kết quả nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã đăng ký bảo hộ 1 sáng chế vào năm 2016 cho linh kiện cảm biến đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ-điện.

Sử dụng đầu đo cảm biến nhạy từ trường nghiên cứu chế tạo được, nhóm nghiên cứu đã tiếp tục phát triển để nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị la bàn điện tử tích hợp đầu đo nhạy từ trường trái đất với mạch điện tử được thiết kế hoạt động theo nguyên lý khuếch đại lock-in có các chức năng: phát, thu, khuếch đại, lọc nhiễu, xử lý tín hiệu. Thiết bị la bàn điện tử được đóng gói hoàn thiện bao gồm đầu đo la bàn, bo mạch điện tử, mà hình hiển thị và điều khiển cảm ứng LCD, nguồn nuôi pin và các tính năng điều khiển tự động, có giao diện thiết kế riêng, thuận tiện dễ sử dụng. Với sản phẩm nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã đăng ký bảo hộ cho 1 đăng ký sáng chế về thiết bị la bàn điện tử dùng cho hàng hải.

Đây là sản phẩm nghiên cứu được tài trợ thông qua đề tài dự án, bao gồm từ nghiên cứu cơ bản đến nghiên cứu ứng dụng ra thiết bị hoàn thiện dựa trên các kết quả nghiên cứu vật liệu thu được. Các nghiên cứu được thực hiện có cơ sở khoa học dựa trên các nghiên cứu tính toán lý thuyết để lựa chọn cấu hình tối ưu đến nghiên cứu chế tạo vật liệu và đo kiểm các thông số hoạt động của vật liệu chế tạo được. Từ các kết quả nghiên cứu trên vật liệu từ giảo – áp điện và hiệu ứng từ - điện thu được, với đặc trưng nhạy từ trường trong vùng từ trường thấp của từ trường trái đất và đặc trưng tuyến tính của tín hiệu điện áp thu được, nhờ lựa chọn cấu hình vật liệu tối ưu để tăng cường tính chất từ mềm đồng thời tạo ra dị hướng từ đơn trục của vật liệu tổ hợp, đầu đo cảm biến cho phép phát hiện đơn thành phần từ trường đã được nghiên cứu và chế tạo thành công với độ nhạy lên tới Volt/Tesla và độ phân giải cỡ nanoTesla. Nhờ đặc tính nhạy góc của đầu đo từ trường, tổ hợp trực giao 2 cảm biến đơn trong đầu đo la bàn đã được chế tạo thành công cho khả năng đo góc từ trường trái đất với độ chính xác đạt tới 10-1 độ. Dựa theo các nguyên lý hoạt động này, mạch điện tử đã được thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn thiện tích hợp với đầu đo cho mẫu thử được đóng gói theo kiểu dáng mẫu mã công nghiệp với màn hình hiển thị LCD được thiết kế tiện lợi, dễ thao tác và sử dụng.