Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng hall phẳng dạng cầu wheatstone

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ ====== NGUYỄN VĂN THIỀN Đ NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ẠI Ọ H TỪ TRƢỜNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG C DẠNG CẦU WHEATSTONE SƯ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn ẠM PH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC N H HÀ NỘI - 2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ ====== NGUYỄN VĂN THIỀN Đ ẠI NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO Ọ H TỪ TRƢỜNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG C DẠNG CẦU WHEATSTONE SƯ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn ẠM PH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC N H Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS Lê Khắc Quynh HÀ NỘI - 2018 LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Lê Khắc Quynh ngƣời giúp đỡ định hƣớng nghiên cứu, cung cấp cho em tài liệu quý báu, tận tình hƣớng dẫn, bảo, tạo điều kiện tốt trình hồn thành khố luận tốt nghiệp Tiếp theo, em xin cám ơn tất thầy, cô thuộc Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội nói chung thầy, khoa Vật Lý nói riêng giảng dạy, dìu dắt cung cấp cho em tảng khoa học từ kiến thức đến kiến thức chuyên sâu, nhƣ kĩ thực hành, thực nghiệm Đ suốt bốn năm học qua ẠI Cuối cùng, em xin gửi lời chúc tốt đẹp đến bố mẹ, gia đình H Ọ bạn bè bên cạnh, kịp thời giúp đỡ động viên em vƣợt qua C khó khăn, hồn thành khố luận cách tốt đẹp SƯ Là sinh viên lần nghiên cứu khoa học nên khố luận em PH khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đƣợc đóng góp Em xin chân thành cám ơn! ẠM ý kiến thầy bạn bè để khố luận đƣợc hoàn thiện N H Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2018 Sinh Viên Nguyễn Văn Thiền LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp em hồn thành dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh Trong q trình nghiên cứu hồn thành khóa luận em có tham khảo số tài liệu số tác giả ghi phần tài liệu tham khảo Em xin cam đoan kết nghiên cứu khố luận hồn tồn trung thực chƣa đƣợc công bố nơi khác, nguồn tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn cách rõ ràng Đ ẠI Ọ H C Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2018 SƯ Sinh Viên ẠM PH Nguyễn Văn Thiền N H MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài .1 Mục đích nghiên cứu .1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ đề tài .1 Phƣơng pháp nghiên cứu .2 Cấu trúc đề tài Đ ẠI CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .3 Ọ H 1.1 Phân loại vật liệu từ C 1.1.1 Chất nghịch từ SƯ 1.1.2 Chất thuận từ .5 PH 1.1.3 Chất sắt từ ẠM 1.1.3.1 Vật liệu từ cứng 1.1.3.2 Vật liệu từ mềm 10 H N 1.1.3.3 Vật liệu ghi từ 12 1.1.4 Chất phản sắt từ 13 1.1.5 Chất feri từ 15 1.2 Các hiệu ứng từ điện trở 17 1.2.1 Hiệu ứng từ điện trở 17 1.2.2 Hiệu ứng ARM 18 1.2.3 Hiệu ứng Hall thƣờng 20 1.2.4 Hiệu ứng Hall phẳng 22 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 25 2.1 Chế tạo cảm biến 25 2.2 Phún xạ tạo màng 26 2.3 Hệ đo tính chất từ VSM 27 2.4 Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng 28 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Tính chất từ lớp màng NiFe 30 3.1.1 Tính chất từ lớp màng phụ thuộc vào tƣờng ghim 30 Đ ẠI 3.1.2 Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hƣớng hình dang cảm biến 31 Ọ H 3.1.3 Tính chất từ lớp màng phụ thuộc vào bề dày 32 C 3.2 Khảo sát tín hiệu Hall cảm biến có kích thƣớc tối ƣu 33 SƯ KẾT LUẬN CHUNG 35 ẠM PH TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 N H DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Đƣờng cong từ trễ màng mỏng sắt từ Co13Cu887 đế Si đo từ kế mẫu rung Hình 1.2 Hình ảnh mơ tả xếp mơmen từ chất thuận từ Hình 1.3 Hình ảnh đơmen từ khơng có từ trƣờng ngồi tác dụng có từ trƣờng ngồi tác dụng Hình 1.4 Hình vẽ đƣờng cong từ trễ vật liệu sắt từ Hình 1.5 Hình vẽ mơ tả biến đổi nhiệt độ Curie vật liệu sắt từ Hình 1.6 Hình ảnh số ứng dụng vật liệu từ cứng: (a) Nam châm vĩnh Đ cửu, (b) Bệ phóng tàu thoi tƣơng lai ẠI Hình 1.7 Hình ảnh số ứng dụng vật liệu từ mềm: (a) Hình ảnh bên H C Ọ máy biến thế, (b) Hình ảnh nam châm điện làm từ lõi sắt non 11 SƯ Hình 1.8 Hình vẽ mơ tả diện tích đƣờng cong từ trễ vật liệu từ cứng PH vật liệu từ mềm 12 ẠM Hình 1.9 Hình ảnh ứng dụng vật liệu ghi từ 12 Hình 1.10 Hình ảnh mô tả cấu trúc từ vật liệu phản sắt từ, gồm phân N H mạng spin đối song 13 Hình 1.11 Hình ảnh mơ tả liên kết phản sắt từ màng mỏng đa lớp valse spin ổ đĩa cứng 14 Hình 1.12 Hình ảnh mơ tả xếp mômen từ nguyên tử vật liệu feri từ 15 Hình 1.13 Hình ảnh mơ tả cấu trúc ferrite spinel 16 Hình 1.14 Hình vẽ mơ tả bù trừ từ tính phân mạng điểm nhiệt độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ 17 Hình 1.15 Sơ đồ thể nguồn gốc vật lý AMR 19 Hình 1.16 Đồ thị mô tả giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc dịng điện chạy qua hƣớng vectơ từ hoá 20 Hình 1.17 Hình ảnh mơ tả hƣớng chiều tác dụng từ trƣờng hiệu ứng Hall 22 Hình 1.18 Mơ hình hiệu ứng Hall phẳng 23 Hình 1.19 Sơ đồ minh họa khác hiệu ứng Hall thƣờng hiệu ứng Hall phẳng 23 Hình 1.20 Mơ hình minh họa mối liên hệ Hall phẳng ARM 24 Đ Hình 2.1 (a) Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng mặt nạ điện trở (a), mặt ẠI nạ điện cực (b), cảm biến mô (c) cảm biến hoàn thiện (d) 25 H Ọ Hình 2.2 Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC 26 C Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung 27 SƯ Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 28 PH Hình 2.5 Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở 28 ẠM Hình 3.1 Đƣờng cong từ trễ tỉ đối cảm biến đƣợc chế tạo với từ trƣờng ghim khác nhau: 900, 600 Oe 30 N H Hình 3.2 Đƣờng cong từ hóa tỉ đối M/Ms cảm biến có chiều rộng mm nhƣng chiều dài khác 5, 10 mm với từ trƣờng song song với phƣơng từ hóa dễ 31 Hình 3.3 Đƣờng cong từ hóa tỉ đối M/Ms màng NiFe đo theo phƣơng từ hóa dễ cảm biến có bề dày khác t = 5, 10, 15, 20 nm 32 Hình 3.4 (a) Đƣờng cong độ lệch (b) Đƣờng cong độ nhạy cảm biến 1×10 mm, t = nm, dịng cấp mA 33 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Các cảm biến dựa hiệu ứng khác đƣợc sử dụng để đo từ trƣờng, chủ yếu cảm biến dựa hiệu ứng quang từ nhƣ cảm biến giao thoa lƣợng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa hiệu ứng điện – từ, hiệu ứng Hall… Mỗi loại cảm biến có đặc thù riêng, có ƣu điểm nhƣợc điểm riêng tuỳ thuộc vào mục đích phạm vi lĩnh vực ứng dụng Ngày nay, với kích thƣớc nhỏ, độ nhạy cao, dễ tƣơng thích với mạch Đ điện tử, cảm biến từ đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực nhƣ y sinh, ẠI quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng khơng vũ trụ, cảm biến H Ọ đo dịng, cảm biến đo từ trƣờng nhỏ… Phổ biến cảm biến từ C cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng điện từ hiệu ứng từ SƯ điện trở, cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng đƣợc nghiên PH cứu trở lại từ năm cỡ 2000 trở lại ẠM Với mục tiêu chế tạo đƣợc cảm biến đo đƣợc từ trƣờng với cấu hình đơn giản nhƣng lại cho hiệu cao chọn cảm biến dạng cầu Wheatstone N H 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 cầu Wheatstone” Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trƣờng dựa hiệu ứng Hall phẳng dạng cầu Wheatstone Đối tƣợng 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 hình khác Phƣơng 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 - Chƣơng 1: TỔNG QUAN Đ - Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ẠI - Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN C Ọ H SƯ ẠM PH N H 2 thƣờng dị thƣờng từ trƣờng ngồi vng góc với mặt phẳng mẫu hiệu ứng Hall phẳng từ trƣờng ngồi phải đặt song song với mặt phẳng mẫu (hình 1.19) Đ ẠI C Ọ H Hình 1.18 Mơ hình hiệu ứng Hall phẳng SƯ ẠM PH N H Hình 1.19 Sơ đồ minh họa khác hiệu ứng Hall thường hiệu ứng Hall phẳng Sở dĩ có khác nhƣ hiệu ứng Hall thƣờng, Hall xuất có lực Lorentz từ trƣờng tác dụng nên hạt mang điện, cịn hiệu ứng Hall phẳng lại phụ thuộc vào góc từ 23 độ mẫu chiều dịng điện Về chất đặc thù hiệu ứng từ trở dị hƣớng (AMR) Thế Hall phẳng Thế AMR Đ ẠI Ọ H Hình 1.20 Mơ hình minh họa mối liên hệ Hall phẳng ARM C Hiệu ứng Hall phẳng đƣợc tìm thấy vật liệu từ điện trở vật SƯ liệu phụ thuộc vào góc phƣơng dòng điện I từ độ mẫu M PH Dƣới tác dụng dòng Ix đặt theo phƣơng x, từ trƣờng ngồi H hợp với dịng điện Ix góc θ véctơ từ độ mẫu M nằm mặt phẳng ẠM cảm biến lệch góc θ so với phƣơng dịng điện Ix, H Vy xuất theo phƣơng vng góc với dịng điện Ix: N 𝑉𝑦 = 𝐼ₓ 𝑅𝑠𝑖𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0,5 𝐼ₓ.∆R sin 2θ (1.4) Trong đó: R = (// - )/t //  lần lƣợt điện trở suất mẫu đo theo phƣơng song song vng góc với phƣơng từ hóa, t chiều dày tổng cộng màng Vy lớn θ = 450 [8,14] Nghĩa góc dịng điện mơ men từ vật liệu 450 cho tín hiệu Hall lớn Để nghiên cứu hiệu ứng Hall phẳng cảm biến Hall, ngƣời ta thƣờng sử dụng mơ hình Stonner Wohlfarth [3] Trong nghiên cứu nghiên cứu: Hiệu ứng Hall phẳng việc chế tạo cảm biến đo từ trƣờng 24 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo cảm biến Mỗi cảm biến đƣợc cấu tạo gồm điện trở giống đặt theo cấu trúc dạng mạch cầu Wheatstone Các điện trở có kích thƣớc giống 1×10 mm2 với chiều dày lớp màng từ tính Ni80Fe20 t = nm đƣợc chế tạo thiết bị phún xạ catốt ATC-2000FC Bốn điện cực cảm biến đƣợc chế tạo vật liệu Cu Mặt nạ cảm biến đƣợc chế tạo thiết bị quang khắc MJB4 (tại trƣờng Đại học Quốc gia Hà Nội), sử dụng mặt Đ nạ polymer Quy trình chế tạo cảm biến đƣợc mơ nhƣ hình 2.1 (a,b,c, ẠI d) C Ọ H SƯ ẠM PH H N Hình 2.1 (a) Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng mặt nạ điện trở (a), mặt nạ điện cực (b), cảm biến mơ (c) cảm biến hồn thiện (d) Trong nghiên cứu mình, để tạo phƣơng từ hóa dễ, màng từ tính đƣợc tạo phƣơng pháp phún xạ đƣợc nuôi từ trƣờng ghim 900 Oe dọc theo phƣơng y cảm biến suốt q trình chế tạo Khi khảo sát tín hiệu, từ trƣờng Happly đƣợc đặt dọc theo trục x cảm biến Dƣới tác dụng từ trƣờng ngoài, thay đổi từ độ theo từ trƣờng dẫn đến thay đổi điện trở hiệu ứng Hall tạo thay đổi điện áp lối Vy phụ thuộc vào từ trƣờng Các nghiên cứu đƣợc thực theo hƣớng 25 chuẩn hóa qui trình cơng nghệ chế tạo, tối ƣu chiều dày màng, kích thƣớc điện trở để tăng cƣờng dị hƣớng hình dạng cho sản phẩm cảm biến có độ nhạy cao vùng từ trƣờng thấp 2.2 Máy phún xạ tạo màng Quá trình phún xạ màng đƣợc thực thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC Thiết bị phún xạ gồm phận là: buồng phún xạ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không Đ ẠI C Ọ H SƯ ẠM PH Hình 2.2 Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC H N Hệ thống bơm chân không gồm hai bơm chân không kết nối với bơm Turbo phân tử bơm học thơng qua valve Các valve đóng mở tự động nhờ vào việc điều khiển dịng khí nén Bơm Turbo tạo chân không cao 10-8 đến 10-9 Torr, tốc độ đạt đƣợc chân không nhanh không làm nhiễm bẩn buồng chân khơng khơng dùng chế đốt nóng dầu nhƣ bơm khuếch tán Hệ thống phún xạ catot có hai buồng chân không đƣợc kết nối với thông qua vách ngăn buồng buồng phụ Mẫu đƣợc đƣa vào buồng phụ trƣớc, sau đƣa vào buồng 26 Bia vật liệu (Cu, Fe, Ta, FePt, IrMn, FeCo, NiFe…) hình trịn dày 3mm đƣờng kính inch Mỗi bia đƣợc đặt nguồn phún xạ, bia vật liệu từ đƣợc đặt nguồn RF, bia vật liệu phi từ đƣợc đặt nguồn DC 2.3 Hệ đo tính chất từ VSM Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) khảo sát phụ thuộc từ độ mẫu vào từ trƣờng (M phụ thuộc vào H), xác định đƣờng 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) Đ ẠI C Ọ H SƯ ẠM PH N H Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung Nguyên lý hoạt động từ kế mẫu rung dựa tƣợng cảm ứng điện từ thay đổi từ thơng mẫu chuyển thành tín hiệu điện Bằng cách thay đổi vị trí tƣơng đối mẫu có mơmen 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 đƣợc (tỷ lệ với M) đƣợc chuyển sang giá trị đại lƣợng từ cần đo hệ số chuẩn hệ đo Để thực đƣợc phép đo này, mẫu đƣợc rung với tần số xác định vùng từ trƣờng đồng nam châm điện Từ trƣờng 27 từ hoá mẫu mẫu rung tạo hiệu điện cảm ứng cuộn dây thu tín hiệu Tín hiệu đƣợc thu nhận, khuếch đại đƣợc xử lý máy tính cho ta biết giá trị từ độ mẫu 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 đƣợc minh họa hình 2.4 Dịng điện khơng đổi đƣợc cấp nguồn dòng chiều nối đƣợc đo máy đo Đ ẠI C Ọ H SƯ ẠM PH Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở N H Khi từ trƣờng thay đổi lúc xảy hiệu ứng Hall phẳng làm thay đổi tín hiệu nối Hình 2.5 Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở 28 Trong trình tiến hành đo, cảm biến đƣợc đặt từ trƣờng chiều đƣợc tạo nam châm cuộn dây Cƣờng độ từ trƣờng đƣợc đo máy đo từ trƣờng Gaussmeter Các thiết bị hiển thị từ trƣờng cảm biến đƣợc ghép nối với máy tính cho phép ghi nhận số liệu cách xác đầy đủ, ảnh chụp hệ đo thực tế nhƣ hình 2.5 Đ ẠI C Ọ H SƯ ẠM PH N H 29 CHƢƠNG 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 hƣớng từ đơn trục cảm biến, đặt từ trƣờng HBias tạo nam châm vĩnh cửu dọc theo trục cảm biến suốt q trình phún xạ tạo màng Chúng tơi khảo sát tính chất từ cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng với giá trị từ trƣờng ghim khác HBias = 900, 600, Oe Kết nghiên cứu cảm biến Đ điều kiện cho thấy, với giá trị từ trƣờng ghim 900 Oe, cảm biến cho tính ẠI dị hƣớng từ mạnh nhất, thể thông qua lực kháng từ nhỏ đƣờng H Ọ cong từ trễ dốc so với hai đƣờng lại Kết nghiên cứu phù C hợp với kết đƣợc cơng bố trƣớc Nhóm Đƣờng cong từ trễ SƯ đo theo phƣơng từ hóa dễ mẫu đƣợc thể nhƣ hình 3.1 ẠM PH Từ kết thu đƣợc, ta chọn từ trƣờng ghim 900 Oe cho nghiên cứu N H Hình 3.1 Đường cong từ trễ tỉ đối cảm biến chế tạo với từ trường ghim khác nhau: 900, 600 Oe 30 3.1.2 Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến Các cảm biến đƣợc khảo sát có điều kiện từ trƣờng ghim 900 Oe bề dày t = nm nhƣng có tỉ số dài/rộng khác Các điện trở cảm biến có bề rộng W = mm nhƣng chiều dài thay đổi L = 5, 10 mm Đƣờng cong từ trễ mẫu đƣợc thực với từ trƣờng theo phƣơng song song với trục cảm biến đƣợc mơ tả hình 3.2 So sánh đƣờng cong từ trễ mẫu, ta thấy rõ vai trị dị hƣớng hình dạng đóng góp vào việc tăng cƣờng dị hƣớng đơn trục điện trở thể thiết kế 1×10 mm2 với tỉ số kích thƣớc dài/rộng L/W = 10 Đ cho tính chất từ mềm với lực kháng từ nhỏ Với kết này, cảm biến ẠI đƣợc chế tạo kết hợp với ý tƣởng tăng cƣờng dị hƣớng đơn trục theo H Ọ hƣớng đƣợc trơng đợi cho tín hiệu cảm biến nhạy vùng từ C trƣờng thấp Tính từ mềm đƣợc trông đợi cho lối cảm biến SƯ lớn vùng từ trƣờng nhỏ ẠM PH N H 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 song song với phương từ hóa dễ 31 3.1.3 Tính chất từ màng phụ thuộc vào bề dày Tính chất từ đƣợc nghiên cứu loại cảm biến có kích thƣớc 1×10 mm2, điều kiện công nghệ giống nhƣng bề dày lớp màng NiFe khác t = 5, 10, 15, 20 nm Đƣờng cong từ trễ tỉ đối M/MS đo theo phƣơng từ hóa dễ mẫu đƣợc thể hình 3.3 Đ ẠI C Ọ H SƯ PH Hình 3.3 Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms màng NiFe đo theo phương từ ẠM hóa dễ cảm biến có bề dày khác t = 5, 10, 15, 20 nm Kết cho thấy, cảm biến thể tính chất từ mềm tốt thể H N hiển đƣờng cong từ trễ tỉ đối dốc, từ trƣờng 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 đƣờng cong từ trễ tỉ đối dốc nhất, mômen từ bão hòa nhỏ lực kháng từ thấp Tính chất dị hƣớng từ phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc chiều dày lớp màng NiFe phù hợp với nghiên cứu hệ vật liệu đƣợc cơng bố Nhóm [12,13] Kết sở cho việc tối ƣu chiều dày lớp màng NiFe để chế tạo cảm biến cho độ nhạy cao vùng từ trƣờng nhỏ Do đó, chế tạo cảm biến, 32 chúng tơi cố định chiều dày lớp màng NiFe, t = nm nghiên cứu 3.2 Khảo sát tín hiệu Hall cảm biến có kích thƣớc tối ƣu Từ việc nghiên cứu tính chất từ điện trở điện trở với chiều dày kích thƣớc khác chế tạo nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở cảm biến tối ƣu với cấu trúc cầu Wheatstone có kích thƣớc điện trở 1×10 mm2, bề dày màng NiFe t = nm Dòng điện cấp cho cảm biến đƣợc chọn 1mA Phƣơng từ trƣờng ghim dọc theo trục cảm biến đặt vng góc với từ trƣờng Đ ẠI C Ọ H SƯ ẠM PH Hình 3.4 (a) Đường cong độ lệch (b) Đường cong độ nhạy H N cảm biến 1×10 mm, t = nm, dịng cấp mA Hình vẽ 3.4(a) đƣờng cong tín hiệu lối phụ thuộc vào từ trƣờng Ta thấy đƣờng cong tín hiệu trơn, mịm chứng tỏ cảm biến có độ ổn định cao, độ lệch tín hiệu lối đo cảm biến lớn nhiều so với đo điện trở tƣơng ứng Đây ƣu điểm mạch cầu điện trở Wheatstone nhƣ trình bày phần lý thuyết Kết cho thấy độ lệch cảm biến ∆V = 4,1 mV Từ giá trị độ lệch cảm biến, ta xác định đƣợc độ nhạy cảm biến cách đạo hàm độ lệch theo từ trƣờng ngoài, xác định công thức 33 = (mV/ Oe) Đƣờng cong độ nhạy cảm biến theo từ trƣờng đƣợc biểu diễn đồ thị hình 3.4(b) Độ nhạy lớn cảm biến xác định đƣợc Smax = 2,25 mV/ Oe Với mục đích khai thác khả ứng dụng đo từ trƣờng thấp, độ nhạy cảm biến quan trọng đƣợc quan tâm Cảm biến địi hỏi phải có độ nhạy cao vùng từ trƣờng thấp Kết nghiên cứu cảm biến dựa hiệu ứng Hall với vật liệu kích thƣớc nhƣng dạng chữ thập cảm biến có tín hiệu lớn 20 lần độ nhạy lớn cỡ bậc Cảm biến so với cảm biến AMR kích thƣớc điều kiện tƣơng tự Đ kết nhỏ cỡ nửa Hạn chế cảm biến kích thƣớc ẠI cồng kềnh Chƣa phù hợp với hệ vi điện tử C Ọ H SƯ ẠM PH N H 34 KẾT LUẬN CHUNG Trong trình thực khố luận, chúng tơi đạt đƣợc kết sau: Đã trình bày chi tiết tổng quan loại vật liệu từ hiệu ứng từ điện trở, từ điện trở dị hƣớng hiệu ứng Hall phẳng nghiên cứu tính chất đặc trƣng hiệu ứng từ điện trở mạch cầu Wheatstone Từ chúng tơi định chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến chất Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo điện trở mạch cầu Đã khảo sát tính chất từ màng vào: từ trƣờng ghim, tính dị Đ hƣớng hình dạng cảm biến, bề dày màng Lớp màng NiFe có bề dày thấp ẠI t = nm cho tính chất từ tốt giúp cảm biến cho độ nhạy cao Ọ H vùng từ trƣờng nhỏ C Đã chế tạo cảm biến cầu Wheatstone có lớp màng từ tính vật SƯ liệu Ni80Fe20 với điện trở có kích thƣớc giống 1×10 mm2 PH với chiều dày lớp màng từ tính NiFe t = nm ẠM Kết cho thấy độ lệch cảm biến ∆V = 4,1 mV, độ nhạy lớn cảm biến Smax = 2,25 mV/ Oe Cảm biến dựa hiệu N H ứng Hall với vật liệu kích thƣớc nhƣng dạng chữ thập cảm biến có tín hiệu lớn 20 lần độ nhạy lớn cỡ bậc Cảm biến so với cảm biến AMR kích thƣớc điều kiện tƣơng tự kết nhỏ cỡ nửa 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Khắc Quynh, Nguyễn Xuân Toàn, Bùi Đình Tú, Trần Tiến Dũng, Đỗ Thị Hƣơng 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, Huế [2] Vƣơng Văn Hiệp (và tác giả khác), Báo cáo Hội nghị Vật lý Toàn quốc lần thứ 6, Hà Nội, 2005 [3] Bùi Đình Tú (2014), Chế tạo nghiên cứu số cấu trúc spin-điện tử micrơ-nanơ ứng dụng chíp sinh học, Luận án Tiến sĩ Vật liệu Đ linh kiện nano, Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội ẠI [4] Anders Dahl Henriksen, Giovanni Rizzi, and Mikkel Fougt Hansen, H C Ọ Planar Hall effect bridge sensors with NiFe/Cu/IrMn stack optimized for self-field magnetic bead detection, Jounal of applied physics, 119, SƯ 093910 (2016) PH [5] A D Henriksen, B T Dalslet, D H Skieller, K H Lee, F Okkels, and ẠM M F Hansena, “Planar Hall effect bridge magnetic field sensors”, Journal of Applied Physics Letters 97, pp 013507-1 – 013507-3 H (2012) N [6] 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) [7] Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim “Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers”, J Appl Phys 104, p 074701, (2008) 36 [8] Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen, 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 (2012) [9] D Henriksen, B T Dalslet, D H Lee, F Okkels, and M F Hansena, “Planar Hall effect bridge magneticfield sensor”, J Appl Phys Lett (97), p 013507 (2012) [10] D R Baselt, G U Lee, M Natesan, S W Metzger, P E Sheehan, R J Colton, “A biosensor based on magnetoresistance technology”, Đ Biosensor and bioelectrics 13, pp 731 – 739 (1998) ẠI [11] M J Haji-Sheikh and Y Yoo, An accurate model of a highly ordered H Ọ 81/19 Permalloy AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair C ring-magnet, IJISTA, 3, No (1/2), 95–105 (2007) SƯ [12] LT Hien, LK Quynh, VT Huyen, BD Tu, NT Hien, DM Phuong, PH PH Nhung, DTH Giang, NH Duc, DNA-magnetic bead detection using ẠM disposable cards and the anisotropic magnetoresistive sensor, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 7, pp.045006 N H (2016) [13] L.K Quynh, B.D Tu, D.X Dang, D.Q Viet, L.T Hien, D.T Huong Giang, N.H Duc, Detection of magnetic nanoparticles using simple AMR sensors in Wheatstone bridge, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 98-102 (2016) [14] Ripka, Pavel, Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-London: Artech (2001) 37