Nghiên cứu chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE) cho độ nhạy cao

Hệ các cảm biến đo từ trường dạng chữ thập dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE), cấu trúc màng mỏng đơn lớp Ni80Fe20 đã được chúng tôi nghiên cứu và chế tạo dựa trên thiết bị phún xạ sputtering ATC-2000FC.

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG (PHE) CHO ĐỘ NHẠY CAO Trần Tiến Dũng*, Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Văn Diễn, Nguyễn Huy Hoàng Trường Đại học Sư phạm Hà Nội *Tác giả liên lạc: trantiendung97@gmail.com TÓM TẮT Hệ cảm biến đo từ trường dạng chữ thập dựa hiệu ứng Hall phẳng (PHE), cấu trúc màng mỏng đơn lớp Ni80Fe20 nghiên cứu chế tạo dựa thiết bị phún xạ sputtering ATC-2000FC Các nghiên cứu theo hướng tối ưu hóa cấu trúc, hình dạng cảm biến với mục đích tăng cường độ nhạy theo từ trường, bao gồm cảm biến có kích thước: 1×5 mm2 , 1×7 mm2, 1×10 mm2 có độ dày lớp màng mỏng từ tính khác 5, 10, 15 nm Kết nghiên cứu cho thấy, độ nhạy cảm biến phụ thuộc mạnh vào tính dị hướng hình dạng bề dày lớp NiFe Tính dị hướng hình dạng lớn, bề dày lớp màng NiFe mỏng độ nhạy cảm biến cao Độ nhạy lớn đạt cảm biến chữ thập có kích thước 1×10 mm2, có bề dày nm cho giá trị S(H)max = 0,1 mV/Oe, dòng cấp mA, tương đương với độ nhạy 20 mΩ/Oe Với qui trình cơng nghệ chế tạo đơn giản, cấu trúc màng đơn lớp độ nhạy cảm biến so sánh với cảm biến có loại, chức chế tạo từ màng đa lớp phức tạp cảm biến cấu trúc van-spin (VS), cảm biến từ điện trở xuyên hầm (TMR), từ điện trở dị hướng (AMR) cơng bố Từ khóa: Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), hiệu ứng Hall phẳng (PHE) RESEARCH, MANUFACTURING HIGH SENSITIVITY SENSOR BASED ON PLANAR HALL EFFECT (PHE) Tran Tien Dung*, Nguyen Van Ha, Nguyen Van Dien, Nguyen Huy Hoang Hanoi Pedagogical University *Corresponding Author: trantiendung97@gmail.com ABSTRACT Cross-shape sensors measure magnetic field based on planar Hall effect, single layer Ni80Fe20 thin film has been designed and fabricated by sputtering ATC2000FC Optimizing the structure and shape of the sensor for the purpose of enhancing the sensitivity of sensor, sensors: × mm2, × mm2, × 10 mm2 and thickness of 5, 10, 15 nm The results showed that the sensitivity of the sensor is depended on the shape magnetic anisotropy and thickness of permalloy film The greater the shape anisotropy, the thinner the permalloy film, the higher the sensitivity of the sensor The highest sensitivity achieved on a × 10 mm2 sensor cross-shaped geometry, with nm-thickness, gives a value of S(H)max = 0.1 mV/Oe, at a supplied currents of mA, equivalent to sensitivity 20 mΩ/Oe Simple fabrication process, the sensitivity of the sensor still can be compared to others sensor has the same type, and the same functions are made of complex multilayer membranes such as: sensors spin valve structure (VS), Tunnelling magnetoresistance (TMR), AMR announced Keywords: Anisotropic magnetoresistance effect (AMR), Planar Hall effect (PHE) 478 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 TỔNG QUAN Hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall effect - PHE), thay đổi điện trở vật liệu tác dụng từ trường ngồi phụ thuộc vào góc vector từ độ M chiều dịng điện I Có nhiều loại cảm biến đo từ trường hoạt động dựa hiệu ứng từđiện trở khác nhau, đó, cảm biến có hiệu ứng lớn thường sử dụng với cấu trúc dạng màng đa lớp phức tạp sử dụng công nghệ đại, thiết bị đắt tiền hiệu ứng từ điện trở khổng lồ cấu trúc spinvan, từ điện trở xuyên ngầm (TMR), từ điện trở dị hướng (AMR)… Khi nghiên cứu màng đa lớp NiFe/IrMn, NiFe/Cu/NiFe, NiFe/Cu/NiFe/IrMn, cảm biến Hall dạng chữ thập cho độ nhạy lớn đạt cỡ 19,86 µV/Oe, cảm biến dạng mạch cầu cho độ nhạy lớn cỡ 100 lần (150 μV/Oe) công bố A D Henriksen Việc đơn giản hóa qui trình cơng nghệ, giảm chi phí chế tạo mà đáp ứng yêu cầu ứng dụng đo từ trường thấp mục đích cảm biến hướng đến đích thương mại hóa sản phẩm Tiếp cận theo mục tiêu này, nhóm chúng tơi kết hợp với nhóm nghiên cứu Phịng thí nghiệm Micro-nano, Đại học Quốc gia Hà Nội khai thác thuộc tính từ mềm vật Kỷ yếu khoa học liệu permalloy để chế tạo cảm biến đo từ trường thấp với cấu trúc chữ thập, sử dụng màng đơn lớp Ni80Fe20 dựa hiệu ứng Hall phẳng Theo cách bố trí này, ta cấp dòng điện theo phương x Ix vào cảm biến hiệu điện lối cảm biến Vy theo phương vng góc với trục x xác định thông qua biểu thức: Vy = Ix∆Rsinθcosθ đó, ∆R = (ρ// - ρ┴)/t, với t chiều dày lớp màng từ tính, ρ// ρ┴ điện trở suất đo theo phương song song vng góc với phương từ hóa dễ mẫu, θ góc vector từ độ chiều dịng điện VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mỗi cảm biến gồm điện trở giống đặt vng góc dạng chữ thập Các loại cảm biến có kích thước khác nhau, bao gồm: 1×5; 1×7 1×10 mm2 với chiều dày lớp màng từ tính NiFe t = 5, 10 15 nm chế tạo thiết bị quang khắc MJB4 sử dụng mặt nạ polymer thiết bị phún xạ catốt ATC-2000FC Điện cực chế tạo vật liệu Cu Quy trình chế tạo cảm biến mơ hình Các phép khảo sát tính chất từ tín hiệu Hall cảm biến thực nhiệt độ phòng Hình (a) Quy trình chế tạo cảm biến sử dụng mặt nạ điện trở (a), mặt nạ điện cực (b), ảnh chụp cảm biến (c) 479 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Trong nghiên cứu mình, để tạo phương từ hóa dễ, màng từ tính tạo phương pháp phún xạ nuôi từ trường ghim (Hbias = 900 Oe) dọc theo phương y cảm biến suốt trình chế tạo Khi khảo sát tín hiệu, từ trường ngồi Happly đặt dọc theo trục x cảm biến Dưới tác dụng từ trường ngoài, thay đổi từ độ theo từ trường dẫn đến thay đổi điện trở hiệu ứng Hall tạo thay đổi điện áp lối Vy phụ thuộc vào từ trường Đây nguyên lý hoạt động cảm biến báo cáo Các nghiên cứu thực theo hướng chuẩn hóa quy trình cơng nghệ chế tạo, tối ưu chiều dày màng, kích thước điện trở để tăng cường dị hướng hình dạng cho sản phẩm cảm biến có độ nhạy cao vùng từ trường thấp KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến bề dày lớp màng NiFe Các cảm biến định hướng theo phương từ hóa dễ từ trường HBias = 900 Oe bề dày t = nm có tỉ số dài/rộng khác Các điện trở cảm biến có bề rộng W = mm chiều dài thay đổi L = 5, 10 mm Tính chất từ thể qua đường cong từ trễ mẫu, so sánh mẫu, với thiết kế 1×10 mm2 với tỉ số kích thước dài/rộng L/W = 10 cho tính chất từ mềm với lực kháng từ nhỏ Cảm biến có kích thước × 10 mm2, lựa chọn để khảo sát phụ thuộc vào bề dày lớp màng NiFe Ở lớp màng có bề dày khác t = 5, 10, 15 nm Kết cho thấy, cảm biến thể tính chất từ mềm tốt thể hiển đường cong từ trễ tỉ đối Kỷ yếu khoa học dốc, từ trường bão hòa nhỏ (HS ~ Oe), lực kháng từ nhỏ (Hc ˂ Oe) Tính chất từ mềm màng có bề dày khác khác Lớp màng NiFe có bề dày thấp t = nm cho tính chất từ tốt thể đường cong từ trễ tỉ đối dốc nhất, mơmen từ bão hịa nhỏ lực kháng từ thấp Tính chất dị hướng từ phụ thuộc vào hình dạng, kích thước chiều dày lớp màng NiFe phù hợp với nghiên cứu hệ vật liệu công bố trước Nhóm Kết sở cho việc tối ưu chiều dày lớp màng NiFe để chế tạo cảm biến cho độ nhạy cao vùng từ trường nhỏ Do đó, chế tạo cảm biến, cố định chiều dày lớp màng NiFe, t = nm nghiên cứu Độ nhạy cảm biến Hall phẳng phụ thuộc vào hình dạng cảm biến Từ việc nghiên cứu tính chất từ, chúng tơi khảo sát tín Hall phẳng theo từ trường chiều với cảm biến có kích thước khác 1×5, 1×7 1×10 mm2, bề dày lớp màng NiFe 15 nm Dòng điện cấp cho cảm biến mA theo phương vng góc với trục cảm biến song song với từ trường Kết đường cong (mV/Oe) với mẫu khác theo từ trường ngồi mơ tả hình Từ đường cong ta thấy, cảm biến có chiều dài L = 10 mm cho độ nhạy lớn (S(H)max = 0,07 mV/Oe) gấp 1,5 lần độ nhạy cảm biến có L = mm (S(H)max = 0,045 mV/Oe) Kết giống với quy luật nghiên cứu tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến phần Kết nghiên cứu phần thí nghiệm sở để thực khảo sát 480 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học Hình Đường cong độ nhạy cảm biến với kích thước khác nhau, bề dày 15 nm, dòng cấp mA Độ nhạy cảm biến Hall phẳng phụ (mm×mm×nm), cảm biến cho độ nhạy từ trường lớn S(H)max = 0,1 thuộc vào bề dày màng Từ kết nghiên cứu tín hiệu Hall mV/Oe Sử dụng cảm biến tối ưu để phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng khảo sát đáp ứng góc từ trường trái trên, ta chọn cảm biến loại 1×10 đất Kết cho thấy tín hiệu mm2 để khảo sát phụ thuộc vào bề cảm biến thay đổi tuần hoàn theo hàm dày lớp màng NiFe Các cảm biến cosin, chu kì 2, thể theo quy luật: chọn có bề dày t = 5, 10, 15 Vra = Voffset + V0cos(α); V0 giá trị tín nm Kết cho thấy vùng tuyến tính hiệu lớn cảm biến V0 = tín hiệu nằm dải từ trường 0.012 mV, Voffset = 0,641 mV nhỏ cỡ -10 Oe đến +10 Oe Cảm biến chế tạo so sánh với cảm biến có chức KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ sử dụng công nghệ cấu trúc vật Với quy trình cơng nghệ chế tạo đơn liệu phức tạp giản, cảm biến từ dạng chữ thập dựa Các kết nghiên cứu có tiềm hiệu ứng Hall phẳng, sử dụng để phát triển nghiên cứu hoàn màng đơn lớp NiFe chế tạo thiện cảm biến từ hướng tới ứng dụng thành công nhờ kết hợp tối ưu chiều đo từ trường thấp phát hạt từ dày kích thước cảm biến Với ứng dụng Y – Sinh học thiết kế điện trở 1×10×5 TÀI LIỆU THAM KHẢO BUI DINH TU, LE VIET CUONG, TRAN QUANG HUNG, DO THI HUONG GIANG, TRAN MAU DANH, NGUYEN HUU DUC, AND CHEOLGI KIM Optimization of Spin-Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based Biochips IEEE Transactions on Magnetics 45, pp 2378 – 2382 (2009) TRAN QUANG HUNG, JONG-RYUL JEONG, DONG-YOUNG KIM, NGUYEN HUU DUC AND CHEOL GI KIM Hybrid planar Hammmagnettoresistance sensor based on tilted cross-junction, J Appl Phys 42, p 055007, (2009) 481 ... nm, dòng cấp mA Độ nhạy cảm biến Hall phẳng phụ (mm×mm×nm), cảm biến cho độ nhạy từ trường lớn S(H)max = 0,1 thuộc vào bề dày màng Từ kết nghiên cứu tín hiệu Hall mV/Oe Sử dụng cảm biến tối ưu để... nghệ chế tạo đơn liệu phức tạp giản, cảm biến từ dạng chữ thập dựa Các kết nghiên cứu có tiềm hiệu ứng Hall phẳng, sử dụng để phát triển nghiên cứu hoàn màng đơn lớp NiFe chế tạo thiện cảm biến. .. NiFe, t = nm nghiên cứu Độ nhạy cảm biến Hall phẳng phụ thuộc vào hình dạng cảm biến Từ việc nghiên cứu tính chất từ, chúng tơi khảo sát tín Hall phẳng theo từ trường chiều với cảm biến có kích