Khóa luận nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng hall phẳng dạng chữ thập

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan kết nghiên cứu khoa học khóa luận hồn tồn trung thực chưa cơng bố nơi khác Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2018 Sinh viên Trần Thị Cúc Quỳnh MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ đề tài Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Phân loại vật liệu từ 1.1.1 Chất nghịch từ 1.1.2 Chất thuận từ 1.1.3 Chất phản sắt từ 1.1.4 Feri từ 1.1.5 Chất sắt từ 1.1.5.1 Vật liệu từ mềm 1.1.5.2 Vật liệu từ cứng 10 1.2 Các hiệu ứng từ điện trở 12 1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở 12 1.2.2 Hiệu ứng AMR 13 1.2.3 Hiệu ứng Hall thường 15 1.2.4 Hiệu ứng Hall phẳng 17 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 19 2.1 Chế tạo cảm biến 19 2.2 Máy phún xạ tạo màng 20 2.3 Hệ đo tính chất từ từ kế mẫu rung VSM 21 2.4 Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng 22 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 3.1 Tính chất từ lớp màng NiFe 24 3.1.1 Tính chất từ màng phụ thuộc vào từ trường ghim 24 3.1.2 Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến 24 3.1.3 Tính chất từ màng phụ thuộc vào bề dày 25 3.2 Khảo sát tín hiệu Hall cảm biến 26 3.2.1 Tín hiệu Hall phụ thuộc vào hình dạng cảm biến 26 3.2.2 Tín hiệu Hall phụ thuộc vào bề dày màng 28 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hình ảnh mô tả xếp mômen từ nguyên tử chất thuận từ Hình 1.2: Hình ảnh mô tả xếp mômen từ chất phản sắt từ Hình 1.3: Hình ảnh mô tả cấu trúc ferrite spinel Hình 1.4: Hình ảnh đơmen từ khơng có từ trường ngồi tác dụng có từ trường tác dụng Hình 1.5: Đồ thị mơ tả đường cong từ hố thơng số vật liệu từ mềm Hình 1.6: Hình ảnh ứng dụng tem dán lên sản phẩm vật liệu từ mềm 10 Hình 1.7: Hình ảnh nam châm vĩnh cửu cấu tạo từ vật liệu từ cứng 11 Hình 1.8: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ màng đa lớp Fe/Cr 13 Hình 1.9: Nguồn gốc vật lý AMR 14 Hình 1.10: Sự thay đổi điện trở suất tác động từ trường ngồi 15 Hình 1.11: Mơ hình hiệu ứng Hall thường 16 Hình 1.12: Mơ hình hiệu ứng Hall phẳng 17 Hình 1.13: Mơ hình minh họa mối liên hệ Hall phẳng AMR 18 Hình 2.1: (a) Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng mặt nạ điện trở, mặt nạ điện cực (b) cảm biến hoàn thiện (c) 19 Hình 2.2: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC 20 Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung 21 Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 22 Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở 22 Hình 3.1: Đường cong từ trễ tỉ đối cảm biến chế tạo với từ trường ghim khác nhau: 900, 600 Oe 24 Hình 3.2: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms cảm biến có chiều rộng mm chiều dài khác 5, 10 mm với từ trường ngồi song song với phương từ hóa dễ 25 Hình 3.3: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms màng NiFe đo theo phương từ hóa dễ cảm biến có bề dày khác t = 5, 10, 15 nm 26 Hình 3.4: (a) Đường cong độ lệch (b) Đường cong độ nhạy cảm biến với kích thước khác nhau, bề dày 15 nm, dòng cấp mA 27 Hình 3.5: (a) Đường cong độ lệch (b) Đường cong độ nhạy cảm biến với bề dày màng NiFe khác t = 5, 10, 15 nm, dòng cấp mA 28 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trên giới có nhiều loại cảm biến dựa hiệu ứng khác sử dụng để đo từ trường, chủ yếu cảm biến dựa hiệu ứng quang từ cảm biến giao thoa lượng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa hiệu ứng điện – từ, hiệu ứng Hall… Mặc dù cảm biến hoạt động dựa hiệu ứng khác cảm biến dựa nguyên tắc đo đạc phân tích hiệu điện nối từ cảm biến thay đổi phụ thuộc vào cường độ từ trường tác dụng lên cảm biến Mỗi loại cảm biến có đặc thù riêng, có ưu điểm nhược điểm riêng tuỳ thuộc vào mục đích phạm vi lĩnh vực ứng dụng Ưu điểm cảm biến quang đáp ứng nhanh, độ xác cao cơng nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng bị ảnh hưởng môi trường thời tiết Cảm biến từ có nhiều ưu điểm có độ nhạy cao độ xác cao, điều kiện làm việc bị ảnh hưởng mơi trường bên ngồi Do đó, cảm biến từ ứng dụng nhiều lĩnh vực sống Một ứng dụng thủa 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, cảm biến từ ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực y sinh, quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng khơng vũ trụ, cảm biến đo dịng, cảm biến đo từ trường nhỏ….Phổ biến cảm biến từ cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng điện từ hiệu ứng từ điện trở, cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng hiệu ứng từ điện trở hai hướng triển khai nghiên cứu chế tạo phòng thí nghiệm micro – nano, ĐHQGHN Với mục tiêu chế tạo cảm biến đo từ trường với cấu hình đơn giản lại cho hiệu cao tơi chọn cảm biến dạng chữ thập dựa hiệu ứng Hall phẳng làm đề tài nghiên cứu Tên đề tài khóa luận “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa hiệu ứng Hall phẳng dạng chữ thập” Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa hiệu ứng Hall phẳng dạng chữ thập Đối tượng phạm vi nghiên cứu Vật liệu dạng màng mỏng sắt từ Ni80Fe20 có hiệu ứng Hall phẳng Nhiệm vụ đề tài Chế tạo khảo sát hiệu ứng Hall phẳng cảm biến với cấu trúc dạng chữ thập Phương pháp nghiên cứu - Đọc, tra cứu tổng hợp tài liệu có liên quan - Thực nghiệm Cấu trúc đề tài - 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 Phân loại vật liệu từ Người ta dựa vào dấu vào độ lớn độ cảm từ (χ) phụ thuộc vào nhiệt độ mà phân loại vật liệu từ thành: chất nghịch từ, chất thuận từ, chất sắt từ, chất phản sắt từ chất feri từ 1.1.1 Chất nghịch từ Chất nghịch từ chất khơng có mơmen từ (tổng vectơ từ quỹ đạo từ spin toàn điện tử 0) Hiện tượng xuất mômen từ cảm ứng ngược chiều với từ trường đặt nguyên tử từ trường gọi tượng nghịch từ Khi đặt vào từ trường phân tử xuất dòng điện phụ tạo từ trường phụ ngược chiều từ trường theo xu hướng cảm ứng điện từ (hiệu ứng vật lý lượng tử) Như vậy, tượng nghịch từ xảy chất đặt từ trường Tuy nhiên, tính nghịch từ thể rõ chủ yếu chất mà chưa đặt từ trường ngồi mơmen từ nguyên tử phân tử không nghĩa tổng vectơ mômen từ tất nguyên tử hay phân tử không Hầu như, tất vật liệu có hiệu ứng nghịch từ, song trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn Các khí trơ, đa số hợp chất hữu cơ, nhiều kim loại (như Bi, Zn, Au, Ag, Cu), nhựa, nước, thuỷ tinh, khoáng vật thạch anh, clorit, apatit, fenspat, plagiolazơ, êpiđơt, thạch anh thuộc nhóm nghịch từ 1.1.2 Chất thuận từ Chất thuận từ chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào nhóm phi từ, có nghĩa chất khơng có từ tính) Tính chất thuận từ thể khả hưởng ứng thuận theo từ trường ngồi, có nghĩa chất có mơmen từ ngun tử (nhưng giá trị nhỏ), có tác dụng từ trường ngồi, mơmen từ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng chất tăng lên Nếu mômen từ tổng cộng điện từ nguyên tử, phân tử hay ion khác khơng chưa đặt từ trường chúng có mơmen từ Pm đó, chưa đặt chất thuận từ vào từ trường ngồi tổng mơmen từ khơng đặc tính phân bố ngẫu nhiên hỗn loạn mômen từ nguyên tử riêng biệt Nếu ta đặt mẫu gồm N nguyên tử vào từ trường mômen từ nguyên tử định hướng theo từ trường Chất có tính gọi chất thuận từ Mômen từ spin không bù trừ điện tử nguyên tử chuyển động quỹ đạo điện tử xung quanh hạt nhân đồng thời hai nguyên nhân gây nên Các chất thuận từ điển hình như: kim loại kiềm (Na, K, ), oxi nitơ dạng khí (NO), oxi, khơng khí, Platin (Pt), Al số kim loại khác Hình 1.1: Hình ảnh mơ tả xếp mômen từ nguyên tử chất thuận từ 1.1.3 Chất phản sắt từ Phản sắt từ nhóm vật liệu từ có trật tự từ mà cấu trúc gồm có phân mạng từ đối song song cân mặt giá trị Vật liệu phản sắt từ liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ Người ta gọi vật liệu phản sắt từ vật liệu phi từ từ tính chúng yếu Tính chất phản sắt từ tương tác trao đổi spin Nếu tương tác trao đổi vật liệu sắt từ tương tác trao đổi dương, làm cho spin song song tương tác trao đổi phản sắt từ tương tác trao đổi âm, làm cho spin phản song song Hình 1.2: Hình ảnh mô tả xếp mômen từ chất phản sắt từ Nhiệt độ Néel đại lượng đặc trưng vật liệu phản sắt từ giống nhiệt độ Curie chất sắt từ nhiệt độ mà trật tự phản sắt từ bị phá vỡ vật liệu chuyển sang chất thuận từ Ở nhiệt độ Néel vật liệu mang tính chất phản sắt từ Một số vật liệu có tính phản sắt từ như: MnO, Mn, Cr, Au 1.1.4 Feri từ Feri từ tên gọi chung nhóm vật liệu có trật tự từ mà cấu trúc từ gồm phân mạng đối song song có độ lớn khác Feri từ cịn gọi phản sắt từ bù trừ khơng hồn tồn Feri từ thực chất vật liệu gốm, bán dẫn từ, có điện trở suất độ bền cao, ferrite từ mềm thường dùng ứng dụng tần số cao siêu cao (làm lõi dẫn từ sử dụng từ trường tần số cao siêu cao) mạch điện tử Feri từ nhóm vật liệu gốm có cơng thức hóa học chung XO.Y2O3 với X kim loại hóa trị 2, Y kim loại hóa trị (mà dùng phổ biến sắt - Fe) Đây ví dụ nhóm ferrite có tên gọi chung ferrite spinel (ví dụ ZnO.Fe2O3, MnO.Fe2O3 ), thường mang cấu trúc lập phương tâm mặt CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo cảm biến Mỗi cảm biến gồm điện trở giống đặt theo cấu trúc dạng chữ thập, có kích thước 1×10 mm2 với chiều dày lớp màng từ tính NiFe t = nm chế tạo thiết bị phún xạ catốt ATC-2000FC Điện cực chế tạo vật liệu Cu Mặt nạ cảm biến chế tạo thiết bị quang khắc MJB4 (tại trường Đại học Quốc gia Hà Nội), sử dụng mặt nạ polymer Quy trình chế tạo cảm biến mơ hình 2.1 (a,b,c) Mặt nạ điện trở Mặt nạ điện cực Ảnh cảm biến (a) (b) (c) Hình 2.1: Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng mặt nạ điện trở (a), mặt nạ điện cực (b) cảm biến hoàn thiện (c) Trong nghiên cứu mình, để tạo phương từ hóa dễ, màng từ tính tạo phương pháp phún xạ nuôi từ trường ghim 900 Oe dọc theo phương y cảm biến suốt trình chế tạo Khi khảo sát tín hiệu, từ trường 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 Các nghiên cứu thực theo hướng chuẩn hóa qui 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 19 2.2 Máy phún xạ tạo màng Quá trình phún xạ màng thực thiết bị phún xạ catot ATC2000FC Thiết bị phún xạ gồm phận là: buồng phún xạ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân khơng Hình 2.2: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC Hệ thống bơm chân không gồm hai bơm chân không kết nối với bơm Turbo phân tử bơm học thông qua valve Các valve đóng mở tự động nhờ vào việc điều khiển dịng khí nén Bơm Turbo tạo chân khơng cao 10-8 đến 10-9 Torr, tốc độ đạt chân không nhanh không làm nhiễm bẩn buồng chân không không dùng chế đốt nóng dầu bơm khuếch tán Hệ thống phún xạ catot có hai buồng chân không kết nối với thông qua vách ngăn buồng buồng phụ Mẫu đưa vào buồng phụ trước, sau đưa vào buồng Bia vật liệu (Cu, Fe, Ta, FePt, IrMn, FeCo, NiFe…) hình trịn dày 3mm đường kính inch Mỗi bia đặt nguồn phún xạ, bia vật liệu từ đặt nguồn RF, bia vật liệu phi từ đặt nguồn DC 20 2.3 Hệ đo tính chất từ từ kế mẫu rung VSM Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) khảo sát phụ thuộc từ độ mẫu vào từ trường (M phụ thuộc vào H), xác định đường cong từ trễ, phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ, nhiệt chuyển pha sắt từ - thuận từ TC, nhiệt chuyển pha sắt từ-siêu thuận từ (nhiệt độ Blocking TB) Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung Nguyên lý hoạt động từ kế mẫu rung dựa tượng cảm ứng điện từ thay đổi từ thơng mẫu chuyển thành tín hiệu điện Bằng cách thay đổi vị trí tương đối mẫu có mơ men từ M với cuộn dây thu, từ thông qua tiết diện ngang cuộn dây thay đổi theo thời gian làm xuất suất điện động cảm ứng Các tín hiệu đo (tỷ lệ với M) chuyển sang giá trị đại lượng từ cần đo hệ số chuẩn hệ đo Để thực phép đo này, mẫu rung với tần số xác định vùng từ trường đồng nam châm điện Từ trường từ hoá mẫu mẫu rung tạo hiệu điện cảm ứng cuộn dây thu tín hiệu Tín hiệu thu nhận, khuyếch đại xử lý máy tính cho ta biết giá trị từ độ mẫu 21 2.4 Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng Để khảo sát tính chất điện cảm biến, chúng tơi tiến hành đo hiệu ứng từ điện trở cảm biến Sơ đồ bố trí hệ đo minh họa hình 2.4 Dịng điện khơng đổi cấp nguồn dòng chiều lối đo máy đo Keithley 2000 Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở Khi cho dòng điện I chạy qua cảm biến theo hướng x, điện tử bị tán xạ theo hướng từ độ M tạo điện trường E theo hướng từ độ M Điện trườngE tạo hiệu điện V theo hướng y vng góc với dịng điện Trong trình tiến hành đo, cảm biến đặt từ trường chiều tạo nam châm cuộn dây Cường độ từ trường 22 đo máy đo từ trường Gaussmeter Các thiết bị hiển thị từ trường cảm biến ghép nối với máy tính cho phép ghi nhận số liệu cách xác đầy đủ hình 2.4 ảnh chụp hệ đo thực tế hình 2.5 23 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính chất từ lớp màng NiFe 3.1.1 Tính chất từ màng phụ thuộc vào từ trường ghim Để tạo tính dị hướng từ đơn trục cảm biến, đặt từ trường HBias tạo nam châm vĩnh cửu dọc theo trục cảm biến suốt trình phún xạ tạo màng Chúng tơi khảo sát tính chất từ cảm biến phụ thuộc vào từ trường với với giá trị từ trường ghim khác HBias = 900, 600, Oe Kết nghiên cứu cảm biến điều kiện cho thấy, với giá trị từ trường ghim 900 Oe, cảm biến cho tính dị hướng từ mạnh nhất, thể thông qua lực kháng từ nhỏ đường cong từ trễ dốc so với hai đường lại Kết nghiên cứu phù hợp với kết cơng bố trước Nhóm Đường cong từ trễ đo theo phương từ hóa dễ mẫu thể hình 3.1 Từ kết thu được, ta chọn từ trường ghim 900 Oe cho nghiên cứu Hình 3.1: Đường cong từ trễ tỉ đối cảm biến chế tạo với từ trường ghim khác nhau: 900, 600 Oe 3.1.2 Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến Các cảm biến khảo sát có điều kiện từ trường ghim 900 Oe bề dày t = nm có tỉ số dài/rộng khác Các điện 24 trở cảm biến có bề rộng W = mm chiều dài thay đổi L = 5, 10 mm Đường cong từ trễ mẫu thực với từ trường theo phương song song với trục cảm biến mơ tả hình 3.2 So sánh đường cong từ trễ mẫu, ta thấy rõ vai trị dị hướng hình dạng đóng góp vào việc tăng cường dị hướng đơn trục điện trở thể 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 Với kết này, cảm biến chế tạo kết hợp với ý tưởng tăng cường dị hướng đơn trục theo hướng trơng đợi cho tín hiệu cảm biến nhạy vùng từ trường thấp Tính từ mềm trông đợi cho lối cảm biến lớn vùng từ trường nhỏ Hình 3.2: Đường cong từ trễ tỉ đối M/Ms cảm biến có chiều rộng mm chiều dài khác 5, 10 mm với từ trường ngồi song song với phương từ hóa dễ 3.1.3 Tính chất từ màng phụ thuộc vào bề dày Tính chất từ nghiên cứu loại cảm biến có kích thước × 10 mm2, điều kiện công nghệ giống bề dày lớp màng NiFe khác t = 5, 10, 15 nm 25 Đường cong từ trễ tỉ đối M/MS đo theo phương từ hóa dễ mẫu thể hình 3.3 Hình 3.3: Đường cong từ trễ tỉ đối M/Ms màng NiFe đo theo phương từ hóa dễ cảm biến 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 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 Nhóm [10,11] 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 3.2 Khảo sát tín hiệu Hall cảm biến 3.2.1 Tín hiệu Hall phụ thuộc vào hình dạng cảm biến Từ việc nghiên cứu tính chất từ mục 3.1.2, 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 26 cảm biến mA theo phương vuông góc với trục cảm biến song song với từ trường ngồi hình 2.4 Kết đường cong tín hiệu V(H) cảm biến khác hình 3.4a Từ hình vẽ ta thấy, với cảm biến có kích thước chiều rộng điện trở (W = mm) kích thước chiều dài (L) lớn tín hiệu lối lớn Độ lệch Hall cực đại ∆Vmax = 0,6 mV thu cảm biến có L = 10 mm gấp 1,6 lần độ lệch Hall cực đại ∆Vmax = 0,38 mV thu cảm biến có L = mm Ngồi ra, độ dốc đường cong V(H) cho biết độ nhạy cảm biến theo từ trường Cụ thể hơn, cách đạo hàm V(H) theo công thức 𝑆(𝐻) = 𝑑𝑉 𝑑𝐻 (mV/ Oe) với mẫu khác nhau, ta vẽ đường cong S(H) theo từ trường ngồi (hình 3.4(b)) 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 Giá trị độ lệch độ nhạy cảm biến Hall chi tiết bảng Kết nghiên cứu sở để thực khảo sát Hình 3.4: (a) Đường cong độ lệch (b) Đường cong độ nhạy cảm biến với kích thước khác nhau, bề dày 15 nm, dòng cấp mA 27 3.2.2 Tín hiệu Hall phụ thuộc vào bề dày màng Từ kết nghiên cứu tín hiệu Hall phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng trên, ta chọn cảm biến loại 1×10 mm2 để khảo sát phụ thuộc vào bề dày lớp màng NiFe Các cảm biến chọn có bề dày t = 5, 10, 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 tín hiệu V(H) cảm biến khác hình 3.5a Từ hình vẽ ta thấy, vùng tuyến tính tín hiệu nằm dải từ trường nhỏ cỡ -10 Oe đến +10 Oe cảm biến có bề dày mỏng tín hiệu lối lớn Độ lệch Hall cực đại ∆Vmax = 0,9 mV thu cảm biến có t = nm gấp 1,5 lần độ lệch Hall cực đại ∆Vmax = 0,6 mV thu cảm biến có t = 15 nm Đường cong S(H) mẫu khác theo từ trường ngồi mơ tả hình 3.5b Từ đường cong ta thấy, cảm biến có bề dày t = nm cho độ nhạy lớn (S(H)max = 0,1 mV/Oe) gấp 1,4 lần độ nhạy cảm biến có t = 15 nm (S(H)max = 0,07 mV/Oe) Kết giống với quy luật nghiên cứu tính chất từ phụ thuộc vào bề dày màng NiFe khảo sát phần Giá trị cụ thể độ lệch độ nhạy cảm biến bảng Hình 3.5: (a) Đường cong độ lệch (b) Đường cong độ nhạy cảm biến với bề dày màng NiFe khác t = 5, 10, 15 nm, dòng cấp mA 28 Quy luật phụ thuộc tín hiệu Hall theo từ trường cảm biến với kích thước khác nhau, bề dày khác giống với quy luật nghiên cứu hiệu ứng AMR mạch cầu Wheatstone sử dụng hệ vật liệu công bố Nhóm [11] phù hợp với kết nghiên cứu nhóm V Mor [14] Ta đem so sánh tín hiệu cảm biến chế tạo nghiên cứu với kết cảm biến có chức cơng bố nước giới Nếu so sánh với cơng bố trước nhóm chúng tơi cảm biến Hall dạng chữ thập cấu trúc NiFe/IrMn (độ nhạy 2,5 mΩ/Oe) [5] cấu trúc NiFe/Cu/NiFe/IrMn độ nhạy S = 15,6 m/Oe [4] độ nhạy cảm biến tốt báo gấp lần 1,3 lần Bảng 2: Độ lệch độ nhạy cảm biến với kích thước độ dày lớp màng NiFe khác nhau, đo dịng cấp 5mA W×L×t (mm×mm×nm) ΔV (mV) Smax Smax (mV/Oe) (mΩ/Oe) 1×5×15 0,38 0,045 1×7×15 0,50 0,055 11 1×10×15 0,60 0,07 14 1×10×10 0,74 0,08 16 1×10×5 0,90 0,10 20 Nếu so sánh với kết công bố lớn cảm biến dạng cầu Wheatstone công bố D Henriksen [6] hay A D Henriksen [3] (độ nhạy cỡ 150 µV/Oe) cảm biến chúng tơi có độ nhạy cỡ 2/3 lần cấu trúc quy trình cơng nghệ chúng tơi đơn giản nhiều Nếu so với cảm biến dựa hiệu ứng AMR có cấu trúc cầu Wheatstone chúng tơi cơng bố [10,11] độ nhạy cảm biến nhỏ cỡ bậc độ lớn ưu việt cảm biến Hall dạng chữ thập có vùng hoạt động qua gốc “khơng” tức 29 ứng dụng cảm biến đo hạt từ khơng cần cung cấp từ trường ni, điều khác biệt so với cảm biến AMR dạng cầu Wheatstone Với độ nhạy S(H)max = 0,1 (mV/Oe) thu cảm biến tốt đáp ứng mục đích phát hạt từ ứng dụng y-sinh học hệ cảm biến AMR, TMR, vanspin công bố [2,6,8,10,11,15] 30 KẾT LUẬN Trong trình thực khố luận, chúng tơi thu kết sau: Đã trình bày chi tiết tổng quan loại vật liệu từ hiệu ứng từ điện trở, hiệu ứng Hall thường hiệu ứng Hall phẳng nghiên cứu tính chất đặc trưng hiệu ứng từ điện trở Từ đó, chúng tơi chọn làm cấu hình cảm biến hình chữ thập chất Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo điện trở Đã khảo sát phụ thuộc tính chất từ màng vào từ trường ghim, vào tính dị hướng hình dạng cảm biến, vào bề dày cảm biến Đã khảo sát tín hiệu Hall cảm biến phụ thuộc vào hình dạng cảm biến bề dày màng với kích thước khác sau: 1×5×15 (mm×mm×nm), 1×7×15 (mm×mm×nm), 1×10×15 (mm×mm×nm), 1×10×10 (mm×mm×nm), 1×10×5 (mm×mm×nm) Các cảm biến cho tín hiệu tăng dần mẫu mỏng tỉ số L/W lớn Cảm biến 1×10×5 (mm×mm×nm) cho tín hiệu lối độ nhạy từ trường lớn có giá trị ∆Vmax = 0,9 mV S(H)max = 0,1 mV/Oe (tương đương S = 20 m/Oe) 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Khắc Quynh, Nguyễn Xn Tồn, Bùi Đình Tú, Trần Tiến Dũng, Đỗ Thị Hương Giang, Nguyễn Hữu Đức (2017) “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến từ dựa hiệu ứng hall phẳng (phe)” Hội nghị Vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc – SPSM [2] Anders Dahl Henriksen, Giovanni Rizzi, and Mikkel Fougt Hansen (2016), Planar Hall effect bridge sensors with NiFe/Cu/IrMn stack optimized for self-field magnetic bead detection, Jounal of applied physics, 119, 093910 [3] A D Henriksen, B T Dalslet, D H Skieller, K H Lee, F Okkels, and M F Hansena (2012), “Planar Hall effect bridge magnetic field sensors”, Journal of Applied Physics Letters 97, pp 013507-1 – 013507-3 [4] Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim (2009) “Optimization of Spin-Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based Biochips”, IEEE Transactions on Magnetics 45, pp 2378 – 2382 [5] Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim (2008) “Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers”, J Appl Phys 104, p 074701, [6] Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen (2012), Influence of CoFe and NiFe pinned layers on sensitivity of planar Hall biosensors based on van-spinstructures, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 3, pp 045019 – 045022 [7] D Henriksen, B T Dalslet, D H Lee, F Okkels, and M F Hansena (2012), “Planar Hall effect bridge magneticfield sensor”, J Appl Phys Lett (97), p 013507 [8] D R Baselt, G U Lee, M Natesan, S W Metzger, P E Sheehan, R J Colton (1998), “A biosensor based on magnetoresistance technology”, Biosensor and bioelectrics 13, pp 731 – 739 32 [9] M J Haji-Sheikh and Y Yoo (2007), An accurate model of a highly ordered 81/19 Permalloy AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ring-magnet, IJISTA, 3, No (1/2), 95–105 [10] LT Hien, LK Quynh, VT Huyen, BD Tu, NT Hien, DM Phuong, PH Nhung, DTH Giang, NH Duc (2016), DNA-magnetic bead detection using disposable cards and the anisotropic magnetoresistive sensor, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 7, pp.045006 [11] L.K Quynh, B.D Tu, D.X Dang, D.Q Viet, L.T Hien, D.T Huong Giang, N.H Duc (2016), Detection of magnetic nanoparticles using simple AMR sensors in Wheatstone bridge, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 98-102 [12] Ripka, Pavel (2001), Magnetic sensors and Magnetometers, BostonLondon: Artech [13] T Q Hung, S J Oh, B D Tu, N H Duc, L V Phong, S A Kumar, J-R Jeong, C G Kim (2009), “Sensitivity dependence of the planar Hall effect sensor on the free layer of the spin-valve structure”, IEEE Transactions on Magnetics 45(6), pp 2374-2377 [14] V Mor, M Schultz, O Sinwani, A Grosz, E Paperno, L Klein (2012), “Planar Hall effect sensors with shape-induced effective single domain behavior”, Journal of Applied Physics 111, pp 07E519 – 07E519-3 [15] Volmer Marius, Marioara Avram (2015), Using permalloy based planar hall effect sensors to capture and detect superparamagnetic beads for lab on chip applications, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 381, 481-487 33 ... đo từ trường dựa hiệu ứng Hall phẳng dạng chữ thập? ?? Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa hiệu ứng Hall phẳng dạng chữ thập Đối tượng phạm vi nghiên cứu Vật liệu dạng. .. tiêu chế tạo cảm biến đo từ trường với cấu hình đơn giản lại cho hiệu cao chọn cảm biến dạng chữ thập dựa hiệu ứng Hall phẳng làm đề tài nghiên cứu Tên đề tài khóa luận ? ?Nghiên cứu, chế tạo cảm biến. .. cảm biến từ cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng điện từ hiệu ứng từ điện trở, cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng hiệu ứng từ điện trở hai hướng triển khai nghiên cứu chế tạo phịng thí nghiệm