Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu chế tạo sensor đo từ trường thấp dạng cầu wheatstone dựa trên màng mỏng từ nife cấu trúc nano luận văn ths vật liệu và linh kiện nano

-1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SENSOR ĐO TỪ TRƯỜNG THẤP DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN MÀNG MỎNG TỪ NiFe CẤU TRÚC NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Hà Nội - 2012 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -2- ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SENSOR ĐO TỪ TRƯỜNG THẤP DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN MÀNG MỎNG TỪ NiFe CẤU TRÚC NANO Chuyên ngành: Vật liêụ và linh kiêṇ Nano Mã sớ: Chun ngành đào tạo thí điểm ḶN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Mậu Danh Hà Nội - 2012 Section 1.01 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -5- MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục đồ thị, hình vẽ Mở đầu 10 Chương Tổng quan 12 1.1 Hiệu ứng từ điện trở 12 1.1.1 Hiệu ứng từ trở dị hướng AMR 12 1.1.2 Hiệu ứng Hall phẳng 13 1.2 Nhiễu sensor 16 1.2.1 Nhiễu nhiệt 17 1.2.2 Dải tần nhiễu tương đương 17 1.2.3 Nhiễu lượng tử 18 1.2.4 Nhiễu 1/f 18 1.2.5 Nhiễu Barkhausen 18 1.3 Mạch cầu điện trở Wheatstone 19 1.4 Kết luận chương 21 Chương Các phương pháp thực nghiệm 22 2.1 Các thiết bị sử dụng luận văn 22 2.1.1 Thiết bị quay phủ 22 2.1.2 Hệ quang khắc 23 2.1.3 Kính hiển vi quang học 24 2.1.4 Buồng xử lý mẫu 24 2.1.5 Thiết bị phún xạ 25 2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất sensor 26 2.2.1 Khảo sát tính chất điện sensor 26 2.2.2 Khảo sát tính chất từ sensor 26 2.3 Kết luận chương 27 Chương Thực nghiệm kết 28 3.1 Quy trình chế tạo sensor 28 3.1.1 Chế tạo điện trở dạng cầu Wheatstone 29 3.1.2 Chế tạo điện cực 32 3.2 Kết thảo luận 34 3.2.1 Kết khảo sát tính chất điện sensor 34 3.2.2 Sự phụ thuộc sensor vào dòng điện chiều 40 3.2.3 So sánh sensor có chiều dày màng điện trở khác 43 3.2.4 So sánh sensor có kích thước điện trở khác 45 3.2.5 So sánh tính chất điện sensor màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) 47 3.2.6 Khảo sát đáp ứng sensor với từ trường trái đất 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -6- 3.2.7 Kết khảo sát tính chất từ màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) 51 3.3 Kết luận chương 52 Kết luận 53 Tài liệu tham khảo 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -7- Danh mục bảng Bảng 3.1 Các thơng số q trình phủ chất cản quang AZ5214-E 26 Bảng 3.2 Thông số phún xạ tạo điện trở cấu trúc cầu 28 Bảng 3.3 Các thông số phún xạ điện cực 29 Bảng 3.4 Một số thơng số sensor dịng cấp thay đổi 38 Bảng 3.5 Một số thông số sensor chiều dày màng NiFe thay đổi 40 Bảng 3.6 Một số thông số sensor có kích thước điện trở khác 42 Bảng 3.7 Một số thông số màng NiFe với chiều dày khác 44 Bảng 3.8 Một số thơng số khảo sát đường cong từ hóa màng mỏng NiFe với chiều dày thay đổi 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -8- Danh mục đồ thị, hình vẽ Hình 1.1 Sự thay đổi điện trở tác động từ trường ngồi…………… Hình 1.2 Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc góc dịng điện chạy qua hướng vector từ hố…………………………………………………………… Hình 1.3 Mơ hình hiệu ứng Hall phẳng 10 Hình 1.4 Mơ hình cảm biến Hall phẳng cấu trúc Spin valve 11 Hình 1.5 Sơ đồ minh họa khác hiệu ứng Hall thường Hall phẳng 11 Hình 1.6 Mơ hình đo Hall phẳng ARM……………………………….12 Hình 1.7 Mạch điện trở dạng cầu Wheatstone………………………………… 12 Hình 2.1 Máy quay phủ Suss MicroTec bảng điều khiển………………….18 Hình 2.2 Máy quang khắc MJB4……………………………………………… 19 Hình 2.3 Buồng xử lý mẫu…………………………………………………… 21 Hình 2.4 Máy phún xạ catot ATC-2000FC………………………………………21 Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở sensor………… 23 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung 23 Hình 3.1 Sơ đồ chung quy trình chế tạo sensor .25 Hình 3.2 Điện trở mạch cầu sau tráng rửa………………… .………… 28 Hình 3.3 Điện trở mạch cầu sau phún xạ lift- off……………………… 29 Hình 3.4 Ảnh chụp mask điện cực .30 Hình 3.5 Sensor sau tráng rửa…………………………………………… 31 Hình 3.6 Sensor sau phún xạ lift –off……………………………… .32 Hình 3.7 Sơ đồ khảo sát tính chất điện sensor…………………………… 32 Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor vào từ trường ngoài…… 34 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -9- Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor vào từ trường góc phương từ hóa sensor dịng điện thay đổi………………………… 34 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor vào từ trường dải tuyến tính…………………………………………………………………………… 35 Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc điện trở thành phần sensor vào từ trường ngồi…………………………………………………………………… 36 Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor có chiều dày khác vào từ trường ngồi…………………………………………………………….37 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor có kích thước điện trở nhỏ vào từ trường ngồi………………………………………………………….38 Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor có kích thước điện trở khác vào từ trường ngồi………………………………………………… 38 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc màng NiFe có chiều dày khác vào từ trường ngồi…………………………………………………………….40 Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc định hướng trục sensor từ trường Trái đất……………… .…………… 41 Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc quay định hướng trục sensor từ trường Trái đất mặt phẳng………… …… 41 Hình 3.18 Trái đất Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor vào góc từ trường trục sensor hai mặt phẳng vng góc với .42 Hình 3.19 Đồ thị khảo sát tính chất từ màng NiFe với chiều dày khác theo hai phương song song vuông góc 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -10- Mở đầu Trên giới có nhiều loại sensor khác ứng dụng để đo phát từ trường, chủ yếu sensor dựa hiệu ứng quang từ cảm biến SQUID (giao thoa lượng tử siêu dẫn), sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa từ điện trở dị hướng, Flux-Gate…được liệt kê bảng 1[12] Bảng Các loại sensor đo từ trường dải đo chúng Ưu điểm sensor quang đáp ứng nhanh, độ xác cao công nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng bị ảnh hưởng môi trường thời tiết [8] Sensor từ có nhiều ưu điểm độ nhạy độ xác cao, điều kiện làm việc bị ảnh hưởng mơi trường bên ngồi Do đó, sensor từ ứng dụng nhiều lĩnh vực sống Một ứng dụng thỏa sơ khai dị tìm phương hướng cho tàu ngành hàng hải Ngày nay, với kích thước nhỏ, độ nhạy cao, dễ tương thích với mạch điện tử, sensor từ ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực y sinh, quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng không vũ trụ, cảm biến đo dòng, cảm biến đo từ trường nhỏ… Phổ biến sensor từ sensor dựa hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng cảm ứng điện từ hiệu ứng từ điện trở, sensor dựa hiệu ứng Hall phẳng hiệu ứng từ điện trở hai hướng triển khai nghiên cứu chế tạo phịng thí nghiệm micro - nano trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Các sensor Hall phẳng (cấu trúc spin-valve Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta Ta/NiFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta) chế tạo nhằm ứng dụng công nghệ sinh học Các sensor Hall phẳng dựa hiệu ứng từ điện trở, hoạt động dải đo LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -11- từ 10-6 ÷ 102 Gauss (xem bảng 1) Tuy nhiên, nay, sensor chế tạo phịng thí nghiệm đạt mức phát hạt từ có kích thước micromét mà chưa tiếp cận với vùng từ trường nhỏ cỡ từ trường trái đất mức từ trường trái đất Vì vậy, việc phát triển sensor làm việc vùng từ trường đề tài gây nhiều thu hút, ý Do đó, mục tiêu luận văn chế tạo sensor đo từ trường thấp, đặc biệt từ trường trái đất phịng thí nghiệm mirco - nano trường Đại học Công nghệ với cấu hình đơn giản tỉ số tín hiệu/nhiễu độ nhạy S cao Để đạt mục tiêu này, chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor mạch cầu mạch ổn định nhiệt tốt, giảm tối đa ảnh hưởng nhiễu nhiệt nên tín hiệu độ nhạy sensor lớn Chúng chọn Ni80Fe20 - vật liệu từ mềm có HC < 10 Oe - làm vật liệu chế tạo sensor Ni80Fe20 thích hợp để chế tạo sensor có độ nhạy cao ổn định vùng từ trường nhỏ Vì vậy, khả đo từ trường trái đất, chúng tơi hi vọng sensor chế tạo có độ nhạy siêu cao S = 500 m/Oe (độ nhạy lớn nhiều so với độ nhạy cảm biến chế tạo thành công S = 16 m/Oe) Đây hướng nghiên cứu khoa học có sản phẩm công nghệ cụ thể, bao gồm quy trình khép kín từ cơng nghệ chế tạo vật liệu nanơ từ tính đến việc chế tạo linh kiện Tính khả thi việc ứng dụng sản phẩm nghiên cứu ứng dụng phát triển nghiên cứu khác lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân sự, phương tiện giao thông… xu hướng ưu tiên khoa học cơng nghệ nanơ vịng 20 năm kỷ 21 Ngoài phần mở đầu kết luận, bố cục luận văn gồm có phần sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm Chương 3: Thực nghiệm kết LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -12- Chương Tổng quan 1.1 Hiệu ứng từ điện trở Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance - MR) thay đổi điện trở vật dẫn tác động từ trường, xác định công thức: MR =  /ρ = [ρ(0)- ρ(H)]/ρ(0) = [R(0)-R(H)]/R(0) (1.1) đó: ρ(0), ρ(H), R(0), R(H) điện trở suất, điện trở vật dẫn từ trường ngồi có từ trường ngồi đặt vào 1.1.1 Hiệu ứng từ trở dị hướng AMR Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR - Anisotropic magnetoresistance) xảy kim loại từ tính, tượng thay đổi điện trở tác dụng từ trường lực Lorentz tác dụng lên hạt tải điện, thay đổi điện trở phụ thuộc vào góc vecto từ độ chiều dịng điện [1] Bản chất vật lý hiệu ứng AMR tương tác spin-quỹ đạo dẫn tới tán xạ phụ thuộc spin điện tử dẫn Trong thực tế, sensor từ trở dị hướng thường chế tạo dạng màng mỏng cho màng tồn hai phương từ hóa: phương dễ phương khó Phương dễ từ hố phương mà từ hố đạt đến trạng thái bão dàng (bão hồ từ trường thấp) Phương khó từ hóa phương mà từ hóa khó đạt đến trạng thái bão hoà (bão hoà từ trường cao) [2] Hình 1.1 Sự thay đổi điện trở suất tác động từ trường Lý thuyết hiệu ứng từ trở dị hướng AMR màng mỏng vật liệu sắt từ phức tạp Để đơn giản, ta giả định rằng, vector từ hoá LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -41- Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor vào từ trường ngồi dịng điện thay đổi Từ kết khảo sát thực nghiệm, vẽ lại hàm phụ thuộc lối vào dịng điện chiều (xem hình 3.16) Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor vào dòng chiều Từ đồ thị hình 3.16, ta thấy lối sensor hàm tuyến tính vào dịng điện phạm vi khảo sát Khi dòng cấp thay đổi từ mA đến mA, lối biến đổi tương ứng từ 4,46 mV đến 25,43 mV Sự phụ thuộc tuyến tính thực hồn tồn suy luận từ lý thuyết Theo cơng thức (3.2), tín hiệu lối sensor phụ thuộc vào dịng điện theo cơng thức: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -42V V V 2  cos(2 ) = ΔV cos (θ) = I R cos (θ) 2 (3.5) Như trình bày trên, chúng tơi khảo sát phụ thuộc ngồi thay đổi cường độ dòng cấp, điều kiện khác góc phương dễ từ hóa dịng điện (góc θ), cấu hình đo giữ ngun Từ cơng thức (3.5), giả thiết điện trở (R) không thay đổi khoảng dịng khảo sát, rõ ràng, lối (V) sensor hàm bậc cường độ dòng cấp Ý nghĩa thực nghiệm cho nhìn trực quan, giá trị thực nghiệm có thực, khảo sát sensor cụ thể dải cường độ dòng cấp Điều tạo sở thực tế để lựa chọn chế độ cấp dòng sensor ứng dụng Vấn đề cần thảo luận là, thành phần nhiễu nhiệt ảnh hưởng đến tín hiệu lối sensor dịng cấp tăng lên? Trong mạch thơng thường, dòng cấp tăng lên, nhiệt lượng sinh mạch tăng lên (tỷ lệ với I2R), điều làm tăng nhiệt độ toàn mạch Khi nhiệt độ tăng, điện trở tăng lên tác động nhiễu nhiệt lên tín hiệu lối sensor tăng Ý nghĩa thực nghiệm cho nhìn có thực, giá trị thực nghiệm có thực, khảo sát sensor cụ thể dải cường độ dòng cấp Điều tạo cho sở thực tế để lựa chọn dòng cấp sensor ứng dụng I tăng lên, tín hiệu sensor tăng dần tuyến tính theo I (hình 3.16) Nhưng thân dòng điện sinh nhiệt, cường độ dịng điện lớn nhiệt sinh nhiều Trong trường hợp cấp dòng điện 5mA, nhiệt sinh lớn gấp 25 lần so với sử dụng dòng điện 1mA nhiệt tỏa tỷ lệ với I2R Tín hiệu lối bị ảnh hưởng nhiễu nhiệt Tuy nhiên mạch cầu mạch ổn định nhiệt, nên nhiễu nhiệt ảnh hưởng nhỏ tới tín hiệu sensor, cấp dịng tới mA để tín hiệu sensor lớn Trong khuôn khổ luận văn, thường cấp dịng điện 5mA cho sensor, với giá trị dịng điện tín hiệu lối sensor đủ lớn để khảo sát tính chất sensor Từ kết khảo sát này, thấy sensor làm việc ổn định dải cường độ dòng điện mA ≤ I ≤ mA Tuy nhiên, kết thực nghiệm (được đưa đồ thị hình 3.16) cho thấy, dải cường độ dòng khảo sát (từ mA đến mA), tín hiệu lối sensor tuyến tính với dịng cấp Điều có nghĩa là, nhiễu nhiệt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -43- khơng ảnh hưởng đến tín hiệu sensor Có hai khả lý giải cho tượng này: (i)- Trong khoảng dòng cấp (từ mA đến mA) tố độ phát nhiệt mạch thấp cân với tốc độ thoát nhiệt bề mặt sensor, nhiệt độ mạch khơng tăng tăng dòng cấp (ii)- Khi dòng cấp tăng, nhiệt độ tăng, điện trở điện trở thành phần tăng lên, nhờ khả tự bù trừ điện trở mạch cầu Wheatstone, nên độ tăng điện trở (R) tồn mạch ổn định, nhờ loại bỏ nhiễu nhiệt Các thảo luận thiên khả thứ hai Trên thực tế, khó để đưa chứng thực nghiệm tốc độ phát nhiệt thoát nhiệt bề mặt sensor giới hạn thực nghiệm Để đánh giá ảnh hưởng nhiễu nhiệu lên tín hiệu lối sensor dịng điện thay đổi, cần có thực nghiệm khác nữa, ảnh hưởng thời gian đo yếu tố bỏ qua Bảng 3.4 liệt kê số giá trị tín hiệu lối sensor dịng điện thay đổi từ 1mA đến 7mA Bảng 3.4 Một số thơng số sensor dịng cấp thay đổi Dòng điện I (mA) ΔV (mV) 4.46 8.24 13.13 16.72 29.5 22.3 25.43 3.2.3 So sánh sensor có chiều dày màng điện trở khác Hình 3.17 3.18 đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu sensor có chiều dày màng NiFe khác nhau: 5nm, 10nm, 15nm, 20nm, 25nm Kết khảo sát cho thấy chiều dày màng NiFe sensor t = 5nm tín hiệu lớn 36mV, chiều dày màng NiFe sensor lớn t = 25nm tín hiệu sensor nhỏ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -44- 15.9 mV (hình 3.17) Điều chứng tỏ chiều dày màng NiFe tăng lên tín hiệu giảm ngược lại Thật theo lý thuyết, tín hiệu sensor hàm phụ thuộc vào chiều dày màng NiFe theo công thức sau [3]: V = I R cos2(θ) = I cos2(θ) (// - )/t (3.6) với //,  điện trở suất mẫu đo theo phương song song vng góc với từ độ, t chiều dày tổng cộng màng Các sensor khảo sát điều kiện: dòng cấp 5mA, phương dịng điện vng góc với phương từ hóa dễ sensor, tín hiệu lối đo vị trí phương dịng điện song song với phương từ trường ngoài, vùng từ trường khảo sát -100 Oe đến 100 Oe tín hiệu lối sensor V hàm tỉ lệ nghịch với chiều dày t Điều có nghĩa chiều dày màng t tăng lên tín hiệu lối sensor V giảm xuống ngược lại Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor có chiều dày khác vào từ trường ngồi Trong dải từ trường nhỏ -1.8 Oe < H < -1 Oe, tín hiệu sensor hàm phụ thuộc tuyến tính theo từ trường ngồi (hình 3.18), độ nhạy sensor tính theo cơng thức: S = ∆V / ∆H (3.7) Như vậy, chiều dày màng NiFe tăng lên, tín hiệu ∆V giảm đi, độ nhạy S giảm xuống Bảng 3.5 liệt kê số giá trị tín hiệu độ nhạy sensor chiều dày sensor thay đổi Từ đó, thấy chiều dày màng NiFe tăng lên tín hiệu độ nhạy giảm đi, sensor có chiều dày màng NiFe t = 5nm có LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -45- tín hiệu độ nhạy lớn Điều có ý nghĩa lớn tối ưu hóa cấu hình để chế tạo sensor có độ nhạy cao tín hiệu lớn Bảng 3.5 Một số thơng số sensor có chiều dày màng NiFe khác Chiều dày t (nm) Tín hiệu V (mV) Độ nhạy S (mV/Oe) 36 4.40 10 31.7 3.34 15 25.3 2.46 20 18.3 3.31 25 15.9 2.53 Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc sensor có chiều dày khác vào từ trường ngồi dải tuyến tính 3.2.4 So sánh sensor có kích thước điện trở khác Chúng tơi chế tạo hai loại sensor có kích thước điện trở khác đế silic Loại sensor mà điện trở mạch cầu gồm 18 điện trở có kích thước (10 μm  250 m), quy ước sensor loại nhỏ Loại sensor mà điện trở có điện trở có kích thước (50 μm  250 m), quy ước sensor loại lớn Hình 3.19 3.20 đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu sensor loại nhỏ lớn vào từ trường Điện trở hai sensor có cấu trúc màng Ta(3nm)/NiFe(5nm) Khảo sát tín hiệu lối hai sensor vị trí phương dòng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -46- điện song song với phương từ trường dải từ trường từ -200 Oe đến 200 Oe Khi cấp dịng mA, tín hiệu sensor nhỏ khoảng 30 mV, tương đương điện trở thay đổi 10 Ω, dạng đường tín hiệu sensor loại nhỏ tương tự dạng đường tín hiệu lối sensor loại lớn Tín hiệu sensor loại nhỏ từ trường H = lớn sensor loại lớn mạch cầu sensor loại nhỏ có nhiều điện trở mạch cầu sensor loại lớn nên sai khác kích thước bốn điện trở mạch cầu lớn Khi cấp dịng điện I =1 mA, tín hiệu lối cực đại sensor lớn 7.2 mV (tương ứng điện trở thay đổi 7.2 Ω), cịn tín hiệu lối cực đại sensor loại nhỏ 10 mV (tương ứng điện trở thay đổi 10 Ω) (hình 3.20) Độ nhạy thực nghiệm hai loại sensor xác định vùng từ trường mà đáp ứng đường tuyến tính Với cách xác định vậy, xác định độ nhạy sensor loại nhỏ S = 870 mΩ/Oe, độ nhạy sensor loại lớn S = 880 mΩ/Oe Như vậy, sensor loại lớn có tín hiệu nhỏ tín hiệu sensor loại nhỏ độ nhạy hai loại sensor tương đương Nguyên nhân tượng giải thích sau: tín hiệu lối sensor tổ hợp tín hiệu lối nhiều điện trở hai điện trở liền kề nhánh mạch cầu điện trở Nếu nhánh mạch cầu điện trở có nhiều điện trở tín hiệu lớn, sensor loại nhỏ có tín hiệu lối lớn sensor loại lớn nhánh mạch cầu điện trở sensor loại nhỏ có 36 điện trở, nhiều nhánh mạch cầu sensor loại lớn (12 điện trở) a -200Oe ≤ H ≤ 200Oe b.-80Oe ≤ H ≤ 80Oe Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu sensor có kích thước điện trở nhỏ vào từ trường ngồi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -47- Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu sensor có kích thước điện trở khác vào từ trường ngồi Bảng 3.6 Một số thơng số sensor có kích thước điện trở khác Kích thước điện trở Sự thay đổi điện trở ΔR (Ω) Độ nhạy S (mΩ/Oe) 10μm  250m 10 870 50μm  250m 7.2 880 3.2.5 So sánh tính chất điện sensor màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) Mục đích việc giảm kích thước từ màng có kích thước lớn xuống linh kiện để giảm ảnh hưởng nhiễu mơi trường tính chất đặc trưng khơng thay đổi Để khẳng định điều này, phún xạ chúng tơi đặt đế silic có kích thước (1cm × 1cm) giá giữ mẫu với điện trở mạch cầu Wheatstone Chúng tiến hành khảo sát hiệu ứng từ điện trở MR mẫu Ni80Fe20 với chiều dày màng thay đổi từ t = nm đến t = 25 nm phương pháp bốn mũi dò Bốn mũi dò xếp thẳng hàng với nhau, mũi dị ngồi dùng để cấp dòng, mũi dò bên dùng để lấy Cấp dịng 5mA, đặt từ trường ngồi song song với phương dòng điện, khảo sát hiệu ứng từ điện trở MR mẫu màng Ni80Fe20 dải từ trường từ -220 Oe tới 220 Oe (hình 3.21) Kết cho thấy với màng Ni80Fe20 có chiều dày t = nm tín hiệu hiệu ứng MR lớn (ΔV = 0.24 mV, MR = 0.098), t = 25 nm tín hiệu hiệu ứng MR nhỏ (ΔV = 0.02 mV, MR = 0.024), điều có nghĩa màng Ni80Fe20 dày tín hiệu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -48- nhỏ (xem bảng 3.7) Kết phù hợp với kết khảo sát tín hiệu sensor theo chiều dày màng Ni80Fe20 Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc màng mỏng Ni80Fe20 có chiều dày khác vào từ trường Từ đồ thị hình 3.21 đồ thị hình 3.10 cho thấy, phụ thuộc tín hiệu sensor màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) vào từ trường ngồi dạng, tín hiệu sensor lớn nhiều lần so với màng Ni80Fe20, chiều dày t = 5nm, tín hiệu sensor lớn màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) khoảng 150 lần Tín hiệu lối màng mỏng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) bị nhiễu sensor Điều chứng tỏ mạch cầu Wheatstone có khả khử nhiễu môi trường tốt, đặc biệt nhiễu nhiệt Tín hiệu lối sensor lớn nhiều lần so với màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) giải thích hai yếu tố: thứ tín hiệu lối sensor tổng hợp tín hiệu lối nhiều điện trở điện trở; thứ hai cấu trúc đặc biệt mạch điện trở dạng cầu Wheatstone, lệch cầu sinh tín hiệu lối lớn khoảng lần tín hiệu điện trở riêng rẽ Đối với màng mỏng Ni80Fe20 (1cm × 1cm), tín hiệu lối tương tự tín hiệu thu điện trở nên tín hiệu nhỏ Thơng qua kết thực nghiệm khảo sát tín hiệu màng mỏng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) vào từ trường ngồi số kết tính tốn, chúng tơi liệt số giá trị màng mỏng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) bảng 3.7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -49- Bảng 3.7 Một số thông số màng Ni80Fe20 với chiều dày khác Chiều dày màng NiFe t (nm) Tín hiệu ∆V (mV) MR(%) 0.24 0.098 10 0.075 0.039 15 0.04 0.035 20 0.03 0.034 25 0.02 0.024 3.2.6 Khảo sát đáp ứng sensor với từ trường trái đất Ứng dụng quan trọng phổ biến sensor để đo phát từ trường Để khảo sát tính chất này, chúng tơi chọn sensor loại lớn (kích thước điện trở: 50 μm  250 m, chiều dày màng NiFe: 5nm) - sensor có độ nhạy tín hiệu lớn Mơ hình thực nghiệm khảo sát đáp ứng sensor vào từ trường trái đất minh họa hình 3.22 Sensor đặt tâm vịng trịn có chia 360 độ, vịng trịn thứ hai (nằm mặt phẳng vng góc với vịng tròn thứ tâm vòng tròn thứ nhất) dùng để thay đổi góc phương dịng điện phương bắc nam từ trường trái đất cách quay sensor 50 Phương bắc nam từ trường trái đất xác định la bàn Cấp dòng điện 5mA cho sensor Hệ khảo sát cách nguồn nam châm khoảng m để đảm bảo có từ trường trái đất tác dụng lên sensor Hình 3.23 đồ thị biểu diễn tín hiệu sensor theo góc khác phương dòng điện phương từ trường trái đất chu kì 3600 Kết cho thấy tín hiệu đường đường sensor trùng khít nhau, khơng bị trễ góc Điều đảm bảo đo góc, tính trùng lặp kết đo cao Đây yếu tố cần thiết để sensor ứng dụng đo góc Trên hình 3.24 đồ thị minh họa phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc phương dịng điện phương từ trường trái đất chu kì Tín hiệu sensor lớn khoảng 0.924mV Kết cho thấy tín hiệu sensor thay đổi tuần hồn theo hàm cos, chu kì 2 cho công thức: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -50- Vra = V0cos(α) (3.8) Với V0 giá trị tín hiệu lớn sensor V0 = 0.462mV, α = 2θ, θ góc phương dòng điện với phương bắc nam từ trường trái đất Hình 3.22 Mơ hình thực nghiệm khảo sát phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc dòng điện từ trường trái đất Khi dòng điện vng góc với phương bắc nam từ trường trái đất α = 1800 tương ứng θ = 900, tín hiệu sensor nhỏ nhất, dịng điện song song với phương bắc nam từ trường trái đất α = 00 tương ứng θ = 00, tín hiệu sensor lớn Từ kết này, ta thấy sensor đo cường độ từ trường trái đất Giá trị cường độ trái đất mà nhận từ kết thực nghiệm 0,41 Oe Kết có sai khác so với giá trị cường độ trái đất công bố Hà Nội 0,399 Oe sai số phép đo thực nghiệm Hình 3.23 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc dịng điện từ trường trái đất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -51- Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu sensor vào góc dịng điện từ trường trái đất 3.2.7 Kết khảo sát tính chất từ màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) Vì phần nhạy từ sensor nhỏ, nằm độ phân giải thiết bị đo VSM nên khơng thể khảo sát trực tiếp tính chất từ sensor Thay vào đó, chúng tơi khảo sát tính chất từ mẫu màng Ni80Fe20 kích thước (1cm × 1cm) với chiều dày khác Kết đo VSM cho thấy chiều dày màng tăng lên moment từ bão MS lực kháng từ HC tăng lên (hình 3.25) Hiện tượng tăng lực kháng từ mẫu loại vật liệu thường biết đến hình thành cấu trúc khác thay đổi điều kiện chế tạo Ở đây, chiều dày lớp NiFe tăng lên, có hình thành vi hạt, vi hạt nguyên nhân làm tăng lực kháng từ Các tượng tương tự quan sát q trình chế tạo vật liệu siêu thuận từ có cấu trúc nano phổ biến Hình 3.25 Đường cong từ hóa màng NiFe với chiều dày khác LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -52- Từ kết đo đường cong từ trễ, thu số thông số màng NiFe liệt kê bảng 3.8 Bảng 3.8 Một số thơng số khảo sát đường cong từ hóa màng mỏng Ni80Fe20 với chiều dày thay đổi 3.3 Chiều dày màng (nm) MS (emu) HC (Oe) 0.11* 10-3 3.12 10 0.6* 10-3 3.57 15 1.05* 10-3 3.82 20 1.5* 10-3 4.24 25 1.99* 10-3 8.17 Kết luận chương Trong chương 3, chúng tơi trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm chế tạo sensor Chúng tơi chế tạo thành cơng sensor dạng cầu Wheatstone có kích thước điện trở khác nhau: sensor loại lớn (là loại mà điện trở mạch cầu gồm điện trở có kích thước 50µm  250 µm) sensor loại nhỏ (là loại mà điện trở mạch cầu gồm 18 điện trở có kích thước 10µm  250 µm) Thơng qua q trình khảo sát tính chất điện sensor, chúng tơi thấy sensor nhỏ có tín hiệu lớn sensor lớn độ nhạy tương đương độ nhạy sensor loại lớn Trong dải từ trường nhỏ (H < 5Oe), sensor đường tuyến tính theo từ trường ngoài, độ nhạy sensor cao khoảng 880 mΩ/Oe Khi khảo sát đáp ứng sensor với từ trường trái đất, chúng tơi thấy sensor có khả đo cường độ từ trường trái đất, giá trị cường độ từ trường xác định 0,41Oe LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -53- Kết luận Trong q trình thực luận văn, chúng tơi đạt kết sau: Đã trình bày chi tiết tổng quan loại vật liệu hiệu ứng từ điện trở dị hướng hiệu ứng Hall phẳng nghiên cứu tính chất đặc trưng hiệu ứng từ điện trở mạch cầu Wheatstone Từ chúng tơi chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo điện trở mạch cầu Đã chế tạo thành công sensor cầu Wheatstone vật liệu Ni80Fe20 với chiều dày lớp Ni80Fe20 khác (t = nm, 10 nm, 15 nm, 20 nm, 25 nm), hai loại kích thước 50 µm  250 µm 10 µm  250 µm Đã khảo sát tính từ, điện sensor chế tạo Sự phụ thuộc lối vào cường độ dòng cấp, vào phương từ trường dòng điện ảnh hưởng nhiễu nhiệt vai trò mạch cầu Wheatstone việc loại bỏ tác động nhiễu nhiệt lên tín hiệu lối sensor nghiên cứu thảo luận Thành công đặc biệt luận văn chế tạo sensor có kích thước 50 µm  250 µm dựa cấu hình cầu Wheatstone cho tín hiệu lối cực đại ΔV = 36 mV dòng cấp mA độ nhạy S = 880 mΩ/Oe dải từ trường mà lối đường tuyến tính theo từ trường Giá trị cao nhiều tín hiệu thu từ sensor loại công bố Richard J Gambino cộng Chúng thử nghiệm dùng sensor để đo từ trường trái đất khu vực phịng thí nghiệm Kết cho thấy từ trường trái đất khu vực 0,41 Oe có độ ổn định tương đối tốt Với đạt trình bày 50 trang, luận văn hoàn thành tốt mục tiêu đề LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -54- Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano điện tử học spin, NXB DHQG Hà Nội Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý tượng từ, NXB DHQG Hà Nội Tiếng Anh Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGiKim, Optimization of spin-valve structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for planar Hall effect based biochips Http://en.wikipedia.org/wiki/Bridge_circuit// Http://groups.mrl.uiuc.edu/dvh/pdf/AZ5214E.pdf// Http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/do-luc-va-ung-suat-chuong-2.375058.html// Http://www.play-hookey.com/dc_theory/wheatstone_bridge.html// Kawamura et al United States Petent, No 598217, (1999), Geomagnetic Direction Sensor, Nov.9 K.M Chui, A.O Adeyeye, Mo- Huang Li (2009), Detection of a single magnetic dot using a Planar Hall sensor 10 K.T.Y Kung, L.K Louie (1991), J Appl Phys 69, 5634 11 L Ejsing, M F Hansen, A K Menon, H A Ferreira, D L Graham, and P P Freitas (2005), Appl.Phys Lett 293, 677 12 Michael J Caruso, Tamara Bratland, A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Honeywell, SSEC, 12001 State Highway 55, Plymouth, MN 55441 13 Michael J Haji-Sheikh (2005), Accurate model of saturated AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ring – magnet,1st Interational conference on sensing technology, November 21-23 Palmerston North, New Zealand 14 Richard J Gambino, Muthuvel Manivel Raja, Sanjay Sampath, and Robert Greenlaw (2004), plasma-sprayed thick-film anisotropic magnetoresistive (AMR) sensors, IEEE sensors journal, vol 4, no 15 Second Editon, D Jiles (1998), Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Ames Laboratory, US Department of Energy, Great Britain by St Edumundsbury Press, Suffolk UK LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -55- 16 U Gradmann, J Magn Magn (1986), Mater 54, 733 17 W O Henry (1998), Noise reduction techniques in electronic systems, Second edition, John Wiley & Sons, New York, Inc 18 Y W Lee, C G Kim, C O Kim, Y.T.Park (2002), 242,1175 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SENSOR ĐO TỪ TRƯỜNG THẤP DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN MÀNG MỎNG TỪ NiFe CẤU TRÚC NANO Chuyên ngành: Vật liêụ và linh kiêṇ Nano. .. chọn Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo điện trở Ni80Fe20 vật liệu từ mềm (HC ˂ 10 Oe), thích hợp để chế tạo sensor có độ nhạy cao ổn định vùng từ trường nhỏ Sensor mạch cầu Wheatstone tạo cơng nghệ quang... nhạy sensor lớn Chúng chọn Ni80Fe20 - vật liệu từ mềm có HC < 10 Oe - làm vật liệu chế tạo sensor Ni80Fe20 thích hợp để chế tạo sensor có độ nhạy cao ổn định vùng từ trường nhỏ Vì vậy, ngồi khả đo