Khóa luận ứng dụng cảm biến từ điện trở đo từ trường trái đất

MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Từ trường trái đất 1.1.1 Nguồn gốc từ trường 1.1.2 Vai trò từ trường trái đất 1.1.3 Các đặc trưng từ trường 1.2 Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến 1.2.1 Cảm biến flux-gate 1.2.2 Cảm biến dựa hiệu ứng Hall 11 1.2.3 Cảm biến dựa hiệu ứng từ - điện .12 1.3 Cảm biến dựa hiệu ứng từ – điện trở 13 1.3.1 Cảm biến từ trở khổng lồ 13 1.3.2 Cảm biến dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng 15 1.4 Kết luận chương 19 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 20 2.1 Chế tạo màng mỏng phương pháp phún xạ ca-tốt 20 2.1.1 Thiết bị phún xạ ATC-2000FC 20 2.1.2 Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng 21 2.2 Phương pháp thực nghiệm chế tạo linh kiện 22 2.2.1 Quy trình chế tạo linh kiện 22 2.2.2 Thiết bị quang khắc MJB4 23 2.3 Khảo sát tính chất từ điện trở linh kiện 24 2.4 Kết luận chương 25 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Kết khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến 26 3.2 Sự phụ thuộc cảm biến vào dòng điện chiều 28 3.3 Khảo sát đáp ứng góc cảm biến với từ trường trái đất 30 3.4 Kết luận chương 32 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất Hình 1.2: Biểu đồ đường đẳng từ từ trường trái đất Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh Hình 1.5: Cách xác định vecto từ trường trái đất Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo cảm biến flux-gate 10 Hình 1.7: (a) Sơ đồ nghiên cứu hoạt động cảm biến Hall (b) Cảm biến Hall đo dòng điện 11 Hình 1.8: Sơ đồ minh họa vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện nguyên lý hiệu ứng điện từ thuận 13 Hình 1.9: (a) Trạng thái điện trở cao (b) Trạng thái điện trở thấp linh kiện GMR 14 Hình 1.10: Nguồn gốc vật lý AMR 15 Hình 1.11: (a) Minh họa hiệu ứng AMR phụ thuộc vào thông số màng (b) Mô tả điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc dịng điện chạy qua hướng vector từ hóa 16 Hình 1.12: (a) Sơ đồ đơn giản mạch cầu Wheatstone (b) Mạch Wheatstone tác dụng hiệu ứng từ điện trở dị hướng 17 Hình 2.1: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC 20 Hình 2.2: Sơ đồ mô tả bước quy trình chế tạo linh kiện 23 Hình 2.3: (a) Sơ đồ hệ quang khắc (b) Thiết bị quang khắc MJB4 23 Hình 2.4: Mặt nạ cảm biến AMR cảm biến sau hoàn thiện 24 Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo AMR thang đo từ trường lớn PTN MicroNano, Trường Đại học Công nghệ 25 Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cảm biến vào từ trường 26 Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cảm biến vào từ trường dải tuyến tính 27 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cảm biến vào dòng chiều 28 Hình 3.4: Mơ hình thực nghiệm khảo sát phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào góc dịng điện từ trường trái đất 31 Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào góc dịng điện từ trường trái đất 32 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trên giới có nhiều loại cảm biến dựa hiệu ứng khác sử dụng để đo từ trường thấp cỡ từ trường Trái đất công bố Tuy vậy, cảm biến thường có kích thước cồng kềnh gặp phải loại nhiễu ảnh hưởng tới tín hiệu Ngồi ra, số cảm biến hoạt động tốt lại có cấu trúc dạng màng đa lớp phức tạp cảm biến dựa hiệu ứng Spin-van, TMR Với mục tiêu nghiên cứu ứng dụng cảm biến đo từ trường thấp giảm thiểu ảnh hưởng loại nhiễu đặc biệt nhiễu nhiệt, tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa qui trình cơng nghệ, giảm chi phí sản xuất, tơi lựa chọn nghiên cứu cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone hoạt động dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng(AMR) Với thiết kế dạng mạch cầu Wheatstone này, ảnh hưởng nhiễu nhiệt lên tín hiệu cảm biến giảm tối đa tăng cường độ nhạy cảm biến Trong khóa luận này, vật liệu lựa chọn để chế tạo cho điện trở cảm biến Ni80Fe20 – vật liệu từ mềm có lực kháng từ Hc nhỏ, độ từ thẩm cao phù hợp cho việc chế tạo cảm biến có độ nhạy cao ổn định vùng từ trường thấp Vì ngồi khả đo từ trường trái đất, cảm biến kỳ vọng phát triển ứng dụng lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân sự, phương tiện giao thông, Đề tài nghiên cứu khóa luận “Ứng dụng cảm biến từ điện trở đo từ trường trái đất” Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu từ trường trái đất - Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến - Khảo sát ứng dụng cảm biến đo góc từ trường trái đất Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Cảm biến dạng mạch cầu dựa hiệu ứng AMR Nhiệm vụ nghiên cứu - Ứng dụng cảm biến để đo góc từ trường trái đất dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu - Phương pháp thực nghiệm Cấu trúc khóa luận - Phần 1: Mở đầu - Phần 2: Nội dung Chương 1: Tổng quan Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm Chương 3: Kết thảo luận - Phần 3: Kết luận CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Từ trường trái đất Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W Gilbert đưa giả thuyết Trái Đất nam châm khổng lồ Ông làm cầu lớn sắt nhiễm từ, gọi "Trái Đất tí hon" đặt từ cực địa cực Đưa la bàn lại gần trái đất tí hon ơng thấy trừ hai cực, điểm cầu, kim la bàn hướng Nam Bắc Hiện chưa có giải thích chi tiết thỏa đáng nguồn gốc từ tính Trái Đất 1.1.1 Nguồn gốc từ trường Năm 1940, số nhà vật lý đưa giả thuyết "dynamo" để giải thích nguồn gốc từ trường trái đất Theo thuyết từ trường trái đất chủ yếu hình thành từ dòng chất lỏng đối lưu lòng trái đất độ sâu 3000 km Từ trường xuất lịng trái đất Nơi có nhân trái đất cấu tạo chủ yếu sắt Nhân rắn bên bao bọc vỏ sắt dạng lỏng Do sức nóng từ nhân, kim loại chảy tràn lên bề mặt nhân, nguội lại chìm xuống phía Đồng thời chảy theo đường xoắn ốc trái đất quay Sự chuyển động sắt có khả dẫn điện làm xuất nguồn điện, tương tự máy phát điện khổng lồ có dịng điện chảy xuất từ trường Hình dạng từ trường giống từ trường thỏi nam châm Từ trường từ bán cầu nam vào phía bán cầu bắc trái đất Hai nơi gọi cực từ Nó khơng trùng với cực nam cực bắc địa lý mà cách vài trăm số Từ trường mà trái đất sinh gần giống mơ hình lưỡng cực từ nghiêng góc 11.5° so với trục quay (xem hình 1.1) Cực bắc từ không cố định mà thay đổi liên tục đủ chậm để la bàn điều hướng Khoảng thời gian ngẫu nhiên (trung bình vài trăm ngàn năm) từ trường Trái Đất lại đảo cực (phía bắc phía nam thay đổi địa từ với nhau) Sự đảo cực để lại dấu tích loại đá cho phép nhà từ học tính tốn dịch chuyển lục địa đáy biển Từ trường vươn vũ trụ 60.000 km, gọi từ Nó tạo thành vỏ bảo vệ chung quanh trái đất Sự bảo vệ cần thiết mặt trời khơng ngừng phát hạt tích điện, cịn gọi gió mặt trời Từ trường cản gió mặt trời dẫn vịng qua trái đất Từ trường bị biến dạng gió mặt trời, hướng phía mặt trời bị nén lại, cịn hướng xuất dài, vươn vào vũ trụ đến 250.000 km Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất Do thay đổi liên tục bất thường, từ trường trái đất cần xác định liên tục (sử dụng vệ tinh trạm quan trắc toàn giới) để vẽ tranh xác phân bố thay đổi theo thời gian Dựa kết quan trắc, mơ hình tham khảo trường địa từ phát triển để mô tả từ trường thay đổi tương lai Hiện nay, có hai mơ hình sử dụng mơ hình trường địa từ quốc tế (International Geomagnetic Reference Field - IGRF) mơ hình từ giới (The World Magnetic Model - WMM) 1.1.2 Vai trò từ trường trái đất Từ trường trái đất nhỏ lại thiếu Nó đóng vai trị chắn trái đất khỏi hạt tích điện – gió mặt trời bảo vệ sống hành tinh trước hiệu ứng có hại xạ vũ trụ Từ trường cản gió mặt trời dẫn vịng qua trái đất Nếu khơng có từ trường, không ngừng bị vật chất độc hại công sống trì trái đất Ngồi ra, từ trường trái đất cịn đóng vai trị quan trọng việc xác định phương hướng Một số loài vật kiến, chim, rùa, cá mập… định hướng dựa nhờ cảm nhận từ trường nhân trái đất phát hệ thống giác quan Con người biết tận dụng nguồn từ trường trái đất để xác định phương hướng từ kỷ trước công nguyên, la bàn đời Cho đến nay, với phát triển khoa học công nghệ, người nghiên cứu tìm hiểu nguồn gốc qui luật từ trường trái đất tận dụng nguồn lượng tự nhiên để tạo thiết bị định vị toàn cầu dựa nguyên lý thơng qua việc đo đạc phân tích từ trường trái đất Bên cạnh việc đóng vai trị cơng cụ hữu ích, tiềm ẩn nhiều mối hiểm họa giới đại Ví dụ dòng cảm ứng địa từ trường sinh có bão từ, chúng tác động nghiêm trọng nên hệ thống công nghệ (trong khứ, hệ thống truyền tải điện Quebec, Canada phải đóng cửa chín đồng hồ).[16] 1.1.3 Các đặc trưng từ trường 1.1.3.1 Cường độ từ trường trái đất Từ trường trái đất có độ lớn hướng khác vị trí khác Cường độ từ trường lớn cực từ yếu gần đường xích đạo Độ lớn vào khoảng nanoteslas (nT) gauss, với gauss = 100.000 nT Nó dao động khoảng từ 25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25 đến 0,65 Gauss) [16] Biểu đồ đường có giá trị cường độ từ trường gọi biểu đồ đường đẳng từ Trong hình 1.2 biểu đồ đường đẳng từ từ trường trái đất ghi nhận năm 2010 Cường độ từ trường nhỏ khu vực Nam Mỹ có cực đại phía Bắc Canada, Siberia, bờ biển Nam Cực phía nam Úc Hình 1.2: Biểu đồ đường đẳng từ từ trường trái đất 1.1.3.2 Hướng từ trường trái đất Từ trường trái đất có đường sức từ trái đất vẽ không gian từ cực Nam địa lý vào cực Bắc địa lý Ở đây, Trái Đất có cực địa từ, không trùng với cực địa lý Cực Bắc từ có toạ độ 70° Vĩ Bắc 96° Kinh Tây, lãnh thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km Cực Nam từ có toạ độ 73° Vĩ Nam 156° Kinh Đông vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000 km Trục từ trường tạo với trục trái đất góc 11° Các từ cực thường có vị trí khơng ổn định đảo ngược theo chu kỳ Do đồ địa từ phải thường xuyên điều chỉnh (5 năm lần) Do từ trường trái đất có hướng khác vị trí khác nên để đặc trưng cho định hướng từ trường trái đất vị trí địa lý bất kỳ, người ta đưa khái niệm độ từ khuynh (góc nghiêng từ) độ từ thiên Độ từ thiên: góc lệch kinh tuyến từ kinh tuyến địa lý Kinh tuyến từ đường sức từ trái đất vẽ mặt đất Kí hiệu D Ở Việt Nam, độ từ thiên biến đổi từ -1° Cao Bằng đến 0° Đà Lạt đạt +1° Cà Hai buồng phụ ngăn cách vách ngăn Trong trình chế tạo mẫu, đế đưa vào buồng phụ trước, sau buồng phụ hút chân không đến áp suất chênh lệch khoảng hai bậc so với buồng (áp suất buồng phụ cỡ 2,5×10-5 Torr) hệ thống vách ngăn mở mẫu chuyển vào buồng Bia vật liệu có chiều dày từ 3-6 mm đường kính 5.08 mm (2 inch) Thiết bị phún xạ ATC-2000FC gồm “súng” cho phép lắp đặt bia vật liệu khác Các bia vật liệu sử dụng khóa luận gồm có: - Hợp kim sắt từ Ni80Fe20 - Kim loại không từ Cu (99,99%), Ta (99,99%) - Vật liệu cách điện bảo vệ SiO2 Bia vật liệu từ NiFe phún xạ với nguồn RF, bia vật liệu không từ được phún xạ với nguồn DC 2.1.2 Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng bao gồm bước: Chuẩn bị đế, phún xạ màng mịng, cách bố trí quy trình cụ thể mơ tả (bảng 2.1) Bảng 2.1: Quy trình làm đế Si/SiO2 Thứ tự Nội dung Thời gian (phút) Bước Rung siêu âm axeton Bước Rung siêu âm cồn Bước Rung siêu âm nước DI Bước Xì khơ sấy bề mặt Các lớp màng mỏng khác cấu trúc màng ba lớp Ta/NiFe/Ta Ta/Cu/Ta nghiên cứu chế tạo sử dụng nguồn chiều cho lớp Ta Cu, 21 nguồn xoay chiều cho lớp NiFe Để đảm bảo cho màng đồng suốt trình chế tạo, đế giữ mẫu quay tròn với tốc độ 30 vòng/phút, khoảng cách từ bia tới đế cm Các thông số công suất, áp suất, chiều dày màng liệt kê cụ thể bảng 2.2 Bảng 2.2 Thông số phún xạ lớp Ta/NiFe/Ta Vật liệu màng Chân khơng sở Pbase (Torr) Áp khí suất Vận Ar quay đế (mTorr) (prm) Ta NiFe 1.310-7 2,2 tốc 30 Cu Công suất Chiều dày màng phún (W) (nm) 25 10 75 30 60 2.2 Phương pháp thực nghiệm chế tạo linh kiện 2.2.1 Quy trình chế tạo linh kiện Trên sở thực nghiệm chế tạo màng mỏng có hiệu ứng từ điện trở mục 2.1.2, chế tạo linh kiện dạng cầu Wheatstone dựa hiệu ứng AMR theo quy trình bao gồm từ khâu chuẩn bị đế, quay phủ, quang khắc, phún xạ, đến khâu cuối hàn điện cực để hồn thiện linh kiện Hình 2.2 sơ đồ mơ tả quy trình chế tạo linh kiện AMR Đây loạt quy trình kết hợp cơng nghệ quang khắc phịng cơng nghệ chế tạo màng mỏng từ phương pháp phún xạ Cuối bước hàn dây điện cực linh kiện vào mạch in, đóng gói hồn thiện linh kiện 22 Hình 2.2 Sơ đồ mơ tả bước quy trình chế tạo linh kiện 2.2.2 Thiết bị quang khắc MJB4 Hình 2.3 (a) Sơ đồ hệ quang khắc (b) Thiết bị quang khắc MJB4 Khi chế tạo linh kiện sử dụng máy quang khắc MJB4 (Model suss microtech) Hình 2.3 thiết bị quang khắc MJB4 tạo vi linh kiện có độ xác cao Máy trang bị cấu hình quang học cao, thực quang khắc với nhiều bước sóng khác Cường độ chiếu cực đại khoảng 80 mW/cm2, độ phân giải tối đa 0,5 µm 23 Tiếp theo, ta phún xạ thêm lớp bảo vệ SiO2 bề mặt linh kiện để chống tác nhân hóa học với mặt nạ bảo vệ phủ kín linh kiện để lại phần diện tích hàn điện cực Các linh kiện sau chế tạo xong hình 2.4 hàn dây nối với mạch in thiết bị hàn dây siêu âm Hình 2.4 Mặt nạ cảm biến AMR cảm biến sau hồn thiện Trong khóa luận này, chúng tơi chế tạo cảm biến có kớch thc in tr (50 àm ì 250 àm), cấu trúc màng điện trở Ta(3nm)/NiFe(5nm) 2.3 Khảo sát tính chất từ điện trở linh kiện Đo tín hiệu từ điện trở linh kiện thực thông qua việc khảo sát thay đổi hiệu điện lối phụ thuộc vào từ trường Có hai hệ đo tín hiệu AMR linh kiện hệ đo từ trường lớn hệ đo AMR từ trường nhỏ Hệ đo từ trường lớn có sơ đồ nguyên lý đo màng AMR mơ tả hình 2.5 Trong bốn chân linh kiện: chân để cấp dịng khơng đổi nguồn chiều thông qua thiết bị Keithley 6220, chân lại để lấy lối qua thiết bị đo Keithley 2000 Tín hiệu lối phụ thuộc vào từ trường thể hình Tồn q trình thu thập số liệu hệ đo thực điều khiển tự động phầm mềm Labview 14.0 liệu lấy đưa xử lý qua phần mềm Origin 8.51 24 Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo AMR thang đo từ trường lớn PTN Micrô-Nanô, Trường Đại học Công nghệ 2.4 Kết luận chương Trong chương chúng tơi trình bày phương pháp thực nghiệm chế tạo màng phương pháp phún xạ, quy trình cơng nghệ chế tạo linh kiện phịng công nghệ quang khắc Các thông số trình chế tạo màng linh kiện Ngồi thiết bị phương pháp khảo sát tính chất vật lý mẫu đưa bao gồm hệ đo tính chất từ hệ đo mũi dị khảo sát tính chất từ điện trở màng số thiết bị khác Các thiết bị đảm bảo tính đồng bộ, phù hợp với mục đích khóa luận có tính tin cậy cao 25 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến Để khảo sát tính chất điện cảm biến, chúng tơi dùng phương pháp bốn mũi dò Trong phương pháp này, hai mũi dò đặt tiếp xúc với hai cực đối diện cảm biến, hai mũi dò khác đặt tiếp xúc với hai cực lại Trong dòng chiều 5mA cấp vào hai điện cực đối diện, cặp điện cực lại dùng để lấy Cảm biến khảo sát từ trường chiều, từ -200 Oe đến 200 Oe a.-200 Oe ≤ H ≤ 200 Oe b.-80 Oe ≤ H ≤ 80 Oe Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cảm biến vào từ trường Thế lối cảm biến phụ thuộc vào từ trường biểu diễn hình 3.1 Khi từ trường ngồi, H = 0, lý thuyết, giá trị điện trở bốn điện trở (R1, R2, R3 R4) nên mạch cầu cân bằng, tín hiệu cảm biến đạt giá trị nhỏ (có thể 0) Khi từ trường ngoài, H ≠ 0, cấu trúc cân mạch cầu bị phá vỡ, hai điện trở liền kề có phương dịng điện khác nhau, nên biến đổi điện trở không có mặt từ trường ngồi, xuất tín hiệu lối cảm biến 26 Thế lối cảm biến đạt giá trị lớn 36mV, giá trị từ trường 100 Oe Q trình bão hịa xảy từ trường ngồi vượt giá trị 100 Oe Trên đồ thị hình 3.1, quan sát thấy bất thuận nghịch hai đường đo đường đo cảm biến Kết này, có nguồn gốc từ tượng từ trễ, tính chất đặc trưng hầu hết vật liệu sắt từ Độ trễ từ hạn chế, chí loại bỏ kích thước cảm biến giảm tới cấu trúc đơn đơmen Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cảm biến vào từ trường dải tuyến tính Giá trị cực đại tín hiệu thu cao nhiều so với giá trị mV dòng cấp mA công bố Richard J Gambino cộng hệ tương tự Bên cạnh đó, từ trường bão hịa mà tác giả cơng bố cao nhiều (500 Oe) so với giá trị nhận (100 Oe) mẫu nghiên cứu khóa luận Sự khác biệt khả tạo dị hướng vật liệu trình chế tạo Trên đồ thị hình 3.1, dải từ trường thấp, H < 20 Oe, đáp ứng cảm biến đường thẳng tuyến tính theo từ trường ngồi hình 3.2 Chúng chọn dải từ trường khảo sát -0,8 Oe đến 0,8 Oe (cường độ từ trường trái đất nằm dải từ trường này) Trong dải tuyến tính này, độ nhạy 27 cảm biến đánh giá từ số liệu thực nghiệm theo cơng thức S = ∆V/∆H Kết tính tốn cho thấy, độ nhạy cảm biến chế tạo vào cỡ 1,13 mV/Oe Độ nhạy tốt cảm biến hoạt động vùng từ trường thấp 3.2 Sự phụ thuộc cảm biến vào dòng điện chiều Thế lối cảm biến đại lượng phụ thuộc vào dòng điện cấp Chúng tiến hành đo lối cảm biến theo từ trường dòng cấp khác chạy từ đến mA Khảo sát cảm biến dải từ trường (-100 Oe ÷ 100 Oe), đặt cảm biến cho phương dòng điện vng góc với phương từ hóa dễ cảm biến, cố định phương dòng điện song song với phương từ trường Từ kết khảo sát thực nghiệm, vẽ lại hàm phụ thuộc lối vào dịng điện chiều hình 3.3 Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cảm biến vào dòng chiều Từ đồ thị hình 3.3, ta thấy lối cảm biến hàm tuyến tính vào dòng điện phạm vi khảo sát Khi dòng cấp thay đổi từ mA đến mA, lối biến đổi tương ứng từ 7,2 mV đến 50,3 mV Sự phụ 28 thuộc tuyến tính thực hồn tồn suy luận từ lý thuyết Tín hiệu lối cảm biến phụ thuộc vào dịng điện theo cơng thức: V   V V  cos(2 ) = ΔV cos2(θ) = I R cos2(θ) 2 Nếu giả thiết điện trở (R) không thay đổi khoảng dịng khảo sát, rõ ràng, lối (V) cảm biến hàm bậc cường độ dòng cấp Ý nghĩa thực nghiệm cho nhìn trực quan, giá trị thực nghiệm có thực, khảo sát cảm biến cụ thể dải cường độ dòng cấp Điều tạo sở thực tế để lựa chọn chế độ cấp dòng cảm biến ứng dụng Vấn đề cần thảo luận là, thành phần nhiễu nhiệt ảnh hưởng đến tín hiệu lối cảm biến dòng cấp tăng lên? Trong mạch thơng thường, dịng 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 cảm biến tăng Ý nghĩa thực nghiệm cho nhìn có thực, giá trị thực nghiệm có thực, khảo sát cảm biến cụ thể dải cường độ dòng cấp Điều tạo cho sở thực tế để lựa chọn dòng cấp cảm biến ứng dụng I tăng lên, tín hiệu cảm biến tăng dần tuyến tính theo I Nhưng thân dịng điện sinh nhiệt, cường độ dòng điện lớn nhiệt sinh nhiều Trong trường hợp cấp dòng điện 5mA, nhiệt sinh lớn gấp 25 lần so với sử dụng dịng 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 cảm biến, cấp dịng tới mA để tín hiệu 29 cảm biến lớn Trong khn khổ khố luận, chúng tơi thường cấp dịng điện 5mA cho cảm biến, với giá trị dịng điện tín hiệu lối cảm biến đủ lớn để khảo sát tính chất cảm biến Từ kết khảo sát này, thấy cảm biến làm việc ổn định dải cường độ dòng điện mA ≤ I ≤ mA Điều có nghĩa là, nhiễu nhiệt khơng ảnh hưởng đến tín hiệu cảm biến Có hai khả lý giải cho tượng này: (i) Trong khoảng dòng cấp từ mA đến mA tốc độ phát nhiệt mạch thấp cân với tốc độ thoát nhiệt bề mặt cảm biến, 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 cảm biến giới hạn thực nghiệm Để đánh giá ảnh hưởng nhiễu nhiệu lên tín hiệu lối cảm biến dịng điện thay đổi, cần có thực nghiệm khác nữa, ảnh hưởng thời gian đo yếu tố bỏ qua Bảng 3.1 Một số thơng số cảm biến dịng cấp thay đổi I (mA) ΔV (mV) 7,2 14,4 21,6 28,8 36 43,1 50,3 3.3 Khảo sát đáp ứng góc cảm biến với từ trường trái đất Ứng dụng quan trọng phổ biến cảm biến để đo phát từ trường Mơ hình thực nghiệm khảo sát đáp ứng cảm biến vào từ trường trái đất minh họa hình 3.4 Cảm biến đặt tâm 30 vịng trịn có chia 360 độ, vịng trịn thứ hai (nằm mặt phẳng vng góc với vịng trịn thứ tâm vịng trịn thứ nhất) dùng để thay đổi góc phương dòng điện phương bắc nam từ trường trái đất cách quay cảm biến 50 Phương bắc nam từ trường trái đất xác định la bàn Cấp dòng điện 5mA cho cảm biến Hệ khảo sát cách nguồn nam châm khoảng m để đảm bảo có từ trường trái đất tác dụng lên cảm biến Trên hình 3.5 đồ thị minh họa phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào góc phương dịng điện phương từ trường trái đất chu kì Tín hiệu cảm biến lớn khoảng 0.924 mV Kết cho thấy tín hiệu cảm biến thay đổi tuần hoàn theo hàm cosin, chu kì 2 cho cơng thức: Vra = Voffset + V0cos(α); V0 giá trị tín hiệu lớn cảm biến V0 = 0.462 mV, Voffset = 25,6 mV cảm biến từ trường ngồi khơng, ngun nhân không cân tuyệt đối mạch cầu chế tạo, α góc trục cảm biến với phương bắc nam từ trường trái đất Hình 3.4 Mơ hình thực nghiệm khảo sát phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào góc dịng điện từ trường trái đất Khi trục cảm biến vng góc với phương bắc nam từ trường trái đất 31 α = 900, tín hiệu cảm biến nhỏ Khi trục cảm biến song song với phương bắc nam từ trường trái đất α = 00, tín hiệu cảm biến lớn Từ kết này, ta thấy cảm biến đo góc từ trường trái đất Kết hợp tính tốn ta xác định giá trị cường độ trái đất Kết 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 3.5 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào góc dịng điện từ trường trái đất 3.4 Kết luận chương Trong chương 3, chúng tơi trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm chế tạo cảm biến Thơng qua q trình khảo sát tính chất điện cảm biến, thấy cảm biến dải từ trường nhỏ (H < Oe), cảm biến đường tuyến tính theo từ trường ngồi Khi khảo sát đáp ứng cảm biến với từ trường trái đất, chúng tơi thấy cảm biến có khả đo cường độ từ trường trái đất, giá trị cường độ từ trường xác định 0,41 Oe 32 KẾT LUẬN Trong q trình thực khóa luận, 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 cảm biến cầu Wheatstone vật liệu Ni80Fe20 với chiều dày lớp Ni80Fe20 nm, kích thước 50 µm  250 µm Đã khảo sát tín hiệu cảm biến chế tạo Sự phụ thuộc lối vào cường độ dòng cấp, vào phương từ trường dịng điện Tín hiệu lối cực đại ΔV = 36 mV dòng cấp mA Đã thử nghiệm dùng cảm biến chế tạo 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 33 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 34 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 16 Susan Macmillan, Earth’s magnetic field, British Geological Survey, Edinburgh, UK 17 Ton Tich Ai (2005) Geomagnetism and Magnetic Prospecting, Vietnam National University Publishers 18 U Gradmann, J Magn Magn (1986), Mater 54, 733 19 W O Henry (1998), Noise reduction techniques in electronic systems, Second edition, John Wiley & Sons, New York, Inc 35 ... cứu khóa luận ? ?Ứng dụng cảm biến từ điện trở đo từ trường trái đất? ?? Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu từ trường trái đất - Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến - Khảo sát ứng dụng cảm biến đo. .. multiferoics kiểu từ giảo/áp điện nguyên lý hiệu ứng điện từ thuận 1.3 Cảm biến dựa hiệu ứng từ – điện trở Các cảm biến dựa hiệu ứng từ - điện trở phổ biến cảm biến dựa hiệu ứng từ điện- trở khổng lồ... ứng góc cảm biến với từ trường trái đất Ứng dụng quan trọng phổ biến cảm biến để đo phát từ trường Mơ hình thực nghiệm khảo sát đáp ứng cảm biến vào từ trường trái đất minh họa hình 3.4 Cảm biến