Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro nano dạng cầu wheatstone dựa trên hiệu Ứng từ Điện trở dị hướng (tt)

Tên đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro-nano dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng”... Vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở dị hướ

MỞ ĐẦU

Sự ra đời của công nghệ spintronic và công nghệ nano đã tạo ra các cảm biến có kích thước micro-nano, tinh vi và độ nhạy cao như các thiết bị lab-on chip, smart phone, smart home, các thiết bị tự động hóa [18, 23, 128] Nhiều loại cảm biến, linh kiện khác nhau đã được sử dụng dựa trên hiệu ứng bán dẫn, siêu dẫn [17, 120], hiệu ứng nhiệt [112], hiệu ứng điện [35, 92], hiệu ứng điện-từ [37, 50, 56, 142], hiệu ứng từ [18-19,

28, 135] Trong số đó, các cảm biến dựa trên các hiệu ứng từ thể hiện nhiều ưu điểm như độ nhạy cao, độ chính xác cao, ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố ngoại biên, do đó, nó được ứng dụng rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, trong việc định

vị GPS [33, 36,137], ứng dụng trong trong y - sinh học phát hiện các vi khuẩn lây lan bệnh [65, 71, 87, 111] và nhiều ứng dụng dân dụng khác [85, 93, 125, 138]

Các loại cảm biến, linh kiện có kích thước micro-nano hoạt động dựa theo nguyên

lý hiệu ứng từ bao gồm: từ điện-trở khổng lồ (GMR), từ-điện trở dị hướng (AMR), Hall phẳng (PHE), từ-điện trở xuyên hầm (TMR) Đối với các linh kiện, cảm biến từ-điện trở kể trên thì linh kiện, cảm biến dựa trên hiệu ứng AMR có cấu trúc vật liệu đơn giản hơn cả nhưng vẫn cho độ nhạy, độ phân giải cao, dải tần số làm việc rộng, độ nhạy

có thể đạt được cỡ 6 mV/Oe [10] và có thể cho nhiều ứng dụng vượt trội hơn hẳn trong

đo lường từ trường [17, 103], đo góc định hướng, đo dòng điện độ chính xác cao (sai

số cỡ ± 0,05 %) [63, 91], oát kế độ chính xác cao [125], từ kế [94, 103], cảm biến sinh học Xét về hiệu quả kinh tế thì cảm biến AMR do cấu trúc đơn giản nên dễ chế tạo, giá thành rẻ, thiết kế linh hoạt, dễ dàng thích ứng với thiết bị vi điện tử, chủ động thiết

kế và điều chỉnh công nghệ chế tạo đáp ứng theo từng đặc thù ứng dụng cụ thể

Các nghiên cứu đã chỉ ra, với hợp kim NixFe1-x thì x = 0,8 ÷ 0,95 sẽ cho hiệu ứng AMR cao nhất đạt tới 5 % ở nhiệt độ phòng [73] Cho đến nay, vật liệu truyền thống NiFe vẫn còn được tập trung nghiên cứu và chiếm lĩnh đa số thị trường cảm biến thương mại AMR [18, 52, 68] Các nghiên cứu chủ yếu theo hướng tối ưu cấu hình cảm biến, tối ưu thiết kế để nâng cao độ nhạy cảm biến Trên cơ sở tìm hiểu và phân tích vật liệu

có hiệu ứng từ-điện trở dị hướng, dựa theo điều kiện thực tế tại cơ sở nghiên cứu, chúng tôi chọn lựa vật liệu Ni80Fe20 là đối tượng vật liệu mà luận án nghiên cứu Luận án tập trung vào việc tối ưu thiết kế cấu hình nhằm nâng cao độ nhạy của cảm biến Cụ thể, luận án không thay đổi tính chất nội tại của vật liệu mà thay đổi các thông số vật lý bên ngoài như thay đổi tính dị hướng hình dạng, thay đổi từ trường cưỡng bức (từ trường ghim) nhằm tăng cường tính dị hướng từ đơn trục và do đó sẽ tăng cường hiệu ứng AMR và tăng cường hiệu quả hoạt động của cảm biến Định hướng của luận án là xuất phát từ nghiên cứu cơ bản, hướng tới sản phẩm được đóng gói hoàn thiện theo một số

ứng dụng cụ thể được lựa chọn trong luận án Tên đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo

cảm biến từ trường có kích thước micro-nano dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng”

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án, nghiên cứu sinh đã hướng dẫn một số khóa luận của sinh viên trong nhóm nghiên cứu Một số các kết quả và tính toán đơn giản đã được báo cáo trong khóa luận của sinh viên Luận án cũng đã trích dẫn đầy

đủ, rõ ràng

TỔNG QUAN VẬT LIỆU SẮT TỪ MỀM VÀ CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG 1.1 Tổng quan về vật liệu sắt từ

1.1.1 Vật liệu sắt từ

Vật liệu sắt từ tồn tại các tính chất: cấu trúc đômen từ, tính trễ từ, dị hướng hình

dạng, dị hướng từ tinh thể, dị hướng từ bề mặt, dị hướng ứng suất

1.1.2 Vật liệu sắt từ mềm

1.1.2.a Vật liệu sắt từ mềm NiFe dạng khối

Vật liệu sắt từ mềm NixFe1-x với x nhận giá trị 0,2 ÷ 0,85 gọi là vật liệu permalloy

Ở dạng khối và dạng đơn tinh thể, vật liệu permalloy có cấu trúc LPTM điển hình, nhưng cấu trúc tinh thể có thể bị thay đổi phụ thuộc vào phương pháp chế tạo vật liệu

1.1.2.b Vật liệu sắt từ mềm NiFe dạng màng mỏng cấu trúc nano

Vật liệu màng mỏng nano NixFe1-x (có chiều dày thay đổi từ vài nm đến 1 μm) tồn tại dưới dạng màng đơn lớp hoặc đa lớp có các thông số vật lý ứng với một vài giá trị phần trăm Ni trong công thức được liệt kê dưới Bảng 1.1

Bảng 1.1 Bảng trích xuất một số thông số vật lý của với màng mỏng nano NiFe với phần trăm Ni khác nhau trong công thức Ni x Fe 1- x so sánh với vật liệu khác [3, 72, 73,

1.1.3 Vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở dị hướng

Hiệu ứng AMR trên vật liệu permalloy vẫn được nghiên cứu mạnh mẽ, đặc biệt

là các cảm biến thương mại vẫn khai thác đa số trên vật liệu permalloy [52, 68] Vật liệu NiFe, nhờ đặc tính vật liệu chế tạo đơn giản, chi phí thấp, cho hiệu ứng AMR tương đối cao nên vật liệu vẫn được các nhóm sử dụng để nghiên cứu theo hướng tối

ưu cấu hình thiết kế cảm biến để nâng cao độ nhạy và độ phân giải của cảm biến

1.2 Các cảm biến từ trường dựa trên vật liệu sắt từ mềm

1.2.1 Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện-từ

Dải làm việc của cảm biến là từ 10-6 ÷ 102 Oe [37] Lợi thế của cảm biến là công nghệ đơn giản, chi phí thấp, cho độ nhạy lớn ở nhiệt độ phòng Hạn chế lớn nhất là kích thước vẫn tương đối lớn không phù hợp cho một số ứng dụng tích hợp trong các thiết

bị vi điện tử

1.2.2 Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ

Cảm biến GMR cho tín hiệu lớn, độ nhạy tương đối cao cỡ vài mV/Oe, tỉ số S/N cỡ

102 [8] Nhược điểm của cảm biến loại này là sử dụng màng cấu trúc gồm nhiều lớp, thiết

kế khá phức tạp và do vậy chi phí cao

1.2.3 Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở xuyên hầm

Ưu điểm nói chung của cảm biến TMR là tín hiệu lớn, độ nhạy cao cỡ mV/Oe,

tỉ số S/N cỡ 102 [8] Nhược điểm của cảm biến loại này là sử dụng màng đa lớp khá phức tạp, vật liệu đắt tiền, công nghệ chế tạo đòi hỏi kiểm soát được độ dày lớp màng điện môi rất mỏng và chất lượng màng với độ chính xác cao

1.2.4 Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng

Các nghiên cứu trong những năm gần đây trên cảm biến Hall phẳng dạng chữ thập

cho thấy, độ nhạy SH có giá trị cỡ vài chục µV/Oe trên màng đa lớp chứa NiFe [48, 57,

71, 86, 115-119], độ nhạy lớn nhất được công bố bởi Marius Volmer đạt 72 µV/Oe (2015) [71] Cảm biến Hall phẳng dạng cầu, độ nhạy tăng đến 100 lần so với cảm biến Hall dạng chữ thập (đạt 150 µV/Oe) [41]

Ưu điểm chính của cảm biến Hall phẳng dùng màng mỏng NiFe là công nghệ dễ chế tạo, vật liệu rẻ tiền nhưng tín hiệu lại tương đối nhỏ cỡ μV/Oe (với cảm biến dạng chữ thập) Cảm biến Hall phẳng có cấu trúc van spin dạng màng đa lớp có lớp ghim phản sắt từ kết hợp với thiết kế mạch cầu giúp cải thiện tín hiệu với độ nhạy cao (cỡ

một trăm μV/Oe) và tỉ số S/N lớn cỡ 103 [8, 9, 41-43] Tuy nhiên, giải pháp này lại khiến cho giá thành sản phẩm cao do phải sử dụng màng đa lớp cấu trúc van spin khá phức tạp, chi phí cao

1.2.5 Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng

1.2.5.a Hiệu ứng từ -điện trở dị hướng

Hiệu ứng AMR là sự thay đổi điện trở suất (điện trở) của vật liệu theo vào góc θ giữa

từ độ và chiều dòng điện Điện trở suất lớn nhất khi I qua mẫu chạy dọc (parallel) theo phương từ hóa (ρ p ) và nhỏ nhất khi I qua mẫu vuông góc (orthogonal) với phương từ hóa (ρorth) [127] Điện trở suất ρ được tính theo công thức (1.1):

Sự khác nhau của điện trở suất đo được giữa hai trạng thái có góc θ khác nhau là

nguyên nhân gây ra hiệu ứng AMR Do hiệu ứng AMR, độ lớn của điện trở suất được

quyết định bởi góc θ và được xác định bởi [52, 102]:

ρ(θ) = ρ orth + (ρ p - ρ orth ).cos 2 θ = ρ orth + ∆ρ.cos 2 θ (1.3)

Khi có sự tác dụng của từ trường ngoài H sẽ làm véctơ từ độ của màng sắt từ sẽ quay

theo từ trường ngoài Khi đó, điện trở của vật liệu được xác định qua góc  theo công

thức (1.4) và độ lệch điện thế AMR (∆V x) theo công thức (1.5) [102]

1.2.5.b Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng AMR

Các cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng AMR chủ yếu được công bố gồm 2 dạng: cảm biến dạng vòng xuyến và cảm biến dạng WB

- Cảm biến AMR dạng vòng xuyến

Cảm biến AMR dạng vòng xuyến có độ nhạy SH cỡ 2 µV/Oe, có tỉ số S/N cỡ 50 lần

[53]

- Cảm biến AMR dạng WB

Các cảm biến AMR được ứng dụng để đo dòng điện chính xác [91, 112], ứng dụng khai thác mỏ [128], ứng dụng làm oát kế [127], ứng dụng làm thiết bị đo hệ số nhiệt điện trở độ chính xác cao [126] Cảm biến dạng WB dựa trên vật liệu màng NiFe cho độ nhạy cỡ mV/Oe Ưu điểm nói chung của cảm biến AMR dạng WB so với các cảm biến đo từ trường khác là chỉ cần sử dụng màng đơn lớp, công nghệ chế

tạo và chi phí thấp nhưng lại cho tín hiệu lớn, độ nhạy cao (cỡ mV/Oe), tỉ số S/N

cỡ 102 bậc [8]

1.2.6 Hiện tượng nhiễu trong các cảm biến

Nhiễu thường chồng lên các tín hiệu thật đo được của cảm biến đồng thời che mờ

đi các tín hiệu yếu Người ta thường dùng tỉ số S/N là tiêu chí đánh giá cảm biến Tỉ số

S/N càng lớn thì cảm biến cho tín hiệu càng chính xác Các loại nhiễu cơ bản gồm:

nhiễu tần, nhiễu lượng tử và nhiễu Johnson Ở tần số nhỏ (f < 300Hz), thì chủ yếu là

nhiễu tần, ở tần số > 1 kHz thì nhiễu Johnson chiếm chủ yếu [102]

1.2.7 So sánh các loại cảm biến từ trường cấu trúc micro-nano

Độ nhạy, tỉ số S/N của các loại cảm biến từ như cảm biến dựa trên hiệu ứng GMR,

TMR, PHE, AMR được chỉ ra tại Bảng 1.2

Bảng 1.2 Bảng so sánh độ nhạy và tỉ số S/N [8, 27, 30] của một số loại cảm biến đo

từ trường cấu trúc màng mỏng nano dựa trên vật liệu sắt từ

Đặc điểm cảm biến

[134] GMR Ta/NiFeCr/PtMn/CoFe/R

u/CoFe

500 μV/Oe

~ 400 Phức tạp, đắt tiền

[69] VS (Si/SiO2)/Ta/NiFe/Co/Cu

/Co80Fe20/IrMn/Ta

500 μV/Oe

~ 102 Phức tạp, đắt tiền

[57] PHE Chữ thập:

Ta/NiFe/Cu/IrMn/Ta

19,86 μV/Oe

~ 102 - Nếu vật liệu

truyền thống, đơn lớp thì: tín hiệu nhỏ, công nghệ [41] Cầu Wheatstone:

Ta/NiFe/Ta

150 μV/Oe

~

1500

[109] 7 vòng xuyến:

Ta/IrMn/Cu/NiFe/Ta

600 μV/Oe

~ 103 đơn giản, giá

thành thấp

- Nếu vật liệu màng đa lớp cấu trúc van spin thì: tín hiệu lớn, công nghệ phức tạp, chi phí lớn

[84] Cảm

biến lai

giữa AMR

Ta/NiFe/Ta

~ mV/Oe

~ 102 - Tín hiệu lớn,

công nghệ đơn giản, chi phí thấp

[143] Cảm

biến thương

gate

Vật liệu từ ~V/Oe 102 - Chi phí thấp, kích

thước lớn (~ cm), thời gian đáp ứng chậm, phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ

Trong các cảm biến trên, cảm biến AMR dạng WB vừa có cấu trúc đơn giản, dễ

chế tạo và lại cho tín hiệu lớn, đây là đối tượng chính mà Nhóm nghiên cứu tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường Đại học Công nghệ (ĐHCN), Đại học Quốc gia (ĐHQG) Hà Nội tập trung nghiên cứu

1.3 Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến đo từ trường

1.3.1 Mạch cầu điện trở Wheatstone

Cấu trúc mạch cầu gồm 4 các điện trở R 1 , R 2 , R 3 , R 4 được kết nối với nhau (Hình

1.1) Trong luận án, khi chế tạo 4 điện trở như nhau, điện áp đầu ra V G được xác định:

(1.6)

Hình 1.1 Mô tả WB ảnh hưởng bởi từ trường ngoài do hiệu ứng AMR [96]

1.3.2 Ưu điểm của mạch cầu Wheatstone

Mạch cầu có thể tự bù trừ điện trở khi có sự thăng giáng điện trở của hai nhánh nên ưu điểm của mạch cầu là giảm thiểu được nhiễu Johnson rất tốt so với cảm biến khác

1.3.3 Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến từ trường

Cảm biến WB dạng thanh dài cho độ nhạy lớn hơn cảm biến dạng vòng xuyến khoảng 41 % (khi tính toán lý thuyết) và khoảng 30 % (khi đo đạc thực nghiệm)

Độ nhạy (SH) của cảm biến được tăng cường với cấu trúc đơn đômen và phụ thuộc

vào tính dị hướng hình dạng của cảm biến, khi tăng số dãy nối tiếp của mỗi nhánh mạch cầu từ 3 lên 5 lần và 7 lần thì độ nhạy tăng lên 1,6 và 2,2 lần tương ứng [41]

1.3.4 Mạch cầu Wheatstone trong thiết kế cảm biến AMR của luận án

Từ các kết quả nghiên cứu ở trên, dựa trên vật liệu permalloy Ni80Fe20 và WB có dạng thanh dài hình chữ nhật, luận án chế tạo cảm biến AMR theo cách tối ưu cấu hình thiết kế cảm biến nhằm nâng cao độ nhạy Để có hiệu ứng AMR cao thì cảm biến cần phải có cấu trúc đơn đômen hay tính dị hướng từ đơn trục trên thanh điện trở Có 2 cách để tăng cường tính dị hướng từ đơn trục:

(i) Can thiệp vào tính chất nội tại của cảm biến (intrinsic) đó là thay đổi loại vật liệu, thay đổi thành phần vật liệu, thay đổi cấu trúc tinh thể, ứng suất khi xử lý nhiệt;

(ii) Can thiệp từ bên ngoài (extrinsic) bằng cách tăng cường tính dị hướng từ đơn trục (nhờ tác dụng 1 từ trường cưỡng bức gọi là từ trường ghim theo một trục (trục dễ – EA)) và thay đổi hình thái học cảm biến bằng cách tăng cường tính dị hướng hình

dạng nhờ vào việc tăng cường chiều dài hiệu dụng Leff của cảm biến đồng thời giảm chiều dày lớp màng từ tính (xem công thức (1.5)) Nếu Leff càng lớn thì độ nhạy của cảm biến càng cao Ở đây, chiều dài hiệu dụng L eff của cảm biến, được định nghĩa theo công thức:

trong đó, khi xét một nhánh của cảm biến thì n là số dãy điện trở mắc nối tiếp, L/W là

tỉ số chiều dài/chiều rộng của một thanh điện trở

Luận án chọn cách thứ hai (can thiệp từ bên ngoài) Chúng tôi tối ưu thiết kế hình thái học của cảm biến tới từng nhánh cầu điện trở, từ việc thay đổi chiều dài, chiều rộng, độ dày đến việc tổ hợp cách ghép mỗi thành phần điện trở nhỏ tại mỗi nhánh cầu

Do đó, có rất nhiều nội dung cần nghiên cứu mà các tác giả trên thế giới chưa khai thác Đây cũng là tính mới của luận án

Chúng tôi thiết kế cảm biến cầu từ cảm biến đơn thanh (chỉ có 1 thành phần điện trở nhỏ trong một nhánh cầu) đến cảm biến đa thanh nối tiếp (có 3, 5, 6 thành phần điện trở nhỏ trong một nhánh cầu) Đặc biệt, chúng tôi đưa ra một thiết kế hoàn toàn mới, lần đầu tiên trên thế giới đó là cấu trúc tổ hợp nối tiếp-song song (NT-SS) (có 2 cấu hình NT-SS trong luận án, đó là: mạch mắc NT-SS có 6 thành phần điện trở nhỏ trong mỗi nhánh cầu và 18 thành phần điện trở nhỏ mắc NT-SS trong mỗi nhánh cầu) Cấu hình cảm biến mắc NT-SS với mục đích là vừa tăng cường được tính dị hướng từ đơn trục, vừa giảm thiểu được điện trở nội của cảm biến (do đó giảm thiểu được nhiễu Johnson) lại vừa giảm thiểu được kích thước cảm biến

Ngoài ra, khi làm điện cực để ghép nối các thành phần điện trở ở mỗi nhánh cầu, nếu như một số nhóm tác giả khác dùng luôn chính vật liệu từ tính NiFe để kết nối (sẽ giảm được số bước trong quy trình chế tạo) thì ở trong luận án này, chúng tôi khảo sát nghiên cứu và lựa chọn vật liệu kết nối điện cực là từ tính (vật liệu NiFe) hay không từ tính (vật liệu Cu) Đây cũng cũng được xem là những đóng góp mới của luận án

1.4 Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Từ các kết quả phân tích ở trên, luận án chọn đối tượng nghiên cứu là:

- Hiệu ứng nghiên cứu: hiệu ứng AMR vì vừa có cấu trúc đơn giản (chỉ cần màng vật liệu đơn lớp) lại vừa cho hiệu ứng cao ngay ở nhiệt độ phòng, cảm biến cho độ nhạy lớn, phù hợp với điều kiện thực tế PTN tại Việt Nam

- Vật liệu nghiên cứu: luận án vẫn lựa chọn vật liệu truyền thống NiFe bởi đây là vật liệu có chi phí thấp, dễ chế tạo, chỉ cần màng mỏng đơn lớp, ở nhiệt độ phòng vẫn cho hiệu ứng AMR cao

- Mạch cầu Wheatstone: luận án lựa chọn WB dạng thanh dài để chế tạo cảm biến

vì vừa cho độ nhạy cao, vừa giảm thiểu được nhiễu Johnson nhờ đó tăng cường được

tỉ số S/N Trên cơ sở sử dụng vật liệu NiFe, luận án tập trung theo hướng tối ưu cấu

hình thiết kế cảm biến để nâng cao độ nhạy bằng cách một phần kế thừa việc thiết kế cảm biến WB cấu trúc nối tiếp đa thanh để tăng cường dị hướng hình dạng; một phần mới hoàn toàn chúng tôi thiết kế WB cấu trúc NT-SS vừa tăng cường được tính dị hướng hình dạng, vừa giảm thiểu được nhiễu Johnson và thu nhỏ được kích thước cảm biến

1.4.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án là chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro-nano, có

độ nhạy cao, đáp ứng được ứng dụng đo từ trường thấp cỡ từ trường của trái đất và ứng dụng làm cảm biến y-sinh học

1.4.3 Nội dung nghiên cứu

- Tăng cường dị hướng từ đơn trục tập trung vào dị hướng hình dạng và dị hướng từ theo phương ghim nhằm mục đích tăng cường hiệu ứng AMR trên màng từ tính

- Tối ưu các qui trình và công nghệ chế tạo khác nhau, từ đó lựa chọn công nghệ phù hợp để chế tạo cảm biến có kích thước micro-nano

- Tính toán mô phỏng, thiết kế, chế tạo và tối ưu cấu hình cảm biến dạng WB có kích thước micro-nano, theo hướng tăng cường tính dị hướng từ đơn trục do đó tăng cường được độ nhạy, độ phân giải và giảm nhiễu Johnson cho các ứng dụng đo lường

nhạy từ trường thấp

- Phát triển khả năng ứng dụng cảm biến chế tạo được trong (i) đo góc từ trường của trái đất dùng làm la bàn và (ii) cảm biến sinh học phát hiện phẩn tử sinh học có lai hóa hạt từ

* Cấu trúc luận án gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về vật liệu sắt từ mềm và cảm biến từ trường

Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm

Chương 3: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của màng NiFe

Chương 4: Thiết kế chế tạo, nghiên cứu cảm biến từ trường dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng

Chương 5: Phát triển khả năng ứng dụng của cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng

CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo màng mỏng và cảm biến

Quy trình chế tạo một linh kiện, cảm biến hoàn thiện có quy trình quang khắc bao gồm 8 bước: bước 1 (thiết kế và chế tạo mặt nạ), bước 2 (quang khắc mặt nạ điện trở), bước 3 (phún xạ điện trở), bước 4 (lift-off), bước 5 (quang khắc mặt nạ điện cực), bước

6 (phún xạ điện cực), bước 7 (lift-off), bước 8 (hàn dây nối ra mạch in) Sau đây, luận

án sẽ phân tích các bước tiêu biểu trong quy trình chế tạo cảm biến:

2.1.1 Thiết kế và chế tạo mặt nạ cảm biến

Mục đích của luận án là chế tạo cảm biến AMR phải đáp ứng hai yêu cầu là vừa phải đơn giản hóa tối đa quy trình công nghệ chế tạo và vừa phải đáp ứng được mục đích ứng dụng Mặt nạ sử dụng trong luận án được chia làm 3 nhóm theo các công nghệ chế tạo khác nhau, gồm: (i) Mặt nạ cảm biến bằng kim loại, kích thước milimet, không cần quang khắc (nhóm 1); (ii) Mặt nạ cảm biến bằng polymer, kích thước micro-milimet, có quang khắc (nhóm 2) và (iii) Mặt nạ cảm biến bằng thủy tinh phủ crôm, kích thước micromet, có quang khắc (nhóm 3)

Trong mục này, chúng tôi đặt tên mặt nạ cảm biến (tương ứng với các cảm biến chế tạo được và khảo sát ở Chương 4 của luận án) theo kí hiệu sau:

trong đó: S là viết tắt của chữ sensor (cảm biến); i là tên nhóm (i = 1 ÷ 3); j là số thanh điện trở trong 1 nhánh cầu; sp là kí hiệu cách ghép: s (series hay ghép nối tiếp) và sp (series-parallel hay ghép NT-SS) Tên các mặt nạ tương ứng với các cảm biến được liệt kê theo Bảng 2.1:

Bảng 2.1 Tên các mặt nạ tương ứng với tên các cảm biến trong luận án

Kí hiệu cảm

biến (Si-j-ab)

Tên nhóm (i = 1 ÷ 3)

Số thanh điện trở mỗi nhánh (j)

Cách ghép điện trở (ab)

Diễn giải cách ghép

S3-18-sp 18 sp NT-SS

2.1.1.a Mặt nạ cảm biến kim loại, kích thước milimet (nhóm 1)

Khi chế tạo cảm biến, không cần quy trình quang khắc trong phòng sạch Mặt nạ cảm biến nhóm 1 được làm bằng vật liệu nhôm dạng tấm mỏng, gồm 2 loại S1-1-s và S1-3-s: loại S1-1-s là mặt nạ cảm biến loại đơn thanh điện trở với các mặt nạ có kích thước

chiều rộng là W = 1 mm và chiều dài thay đổi, bao gồm: L = 3, 5, 7 mm; loại S1-3-s là mặt nạ cảm biến tổ hợp nối tiếp gồm 3 thanh điện trở, trong đó 2 thanh có chiều dài L1

= 7,0 mm và 1 thanh có chiều dài L2 = 4,2 mm được mắc nối tiếp với nhau thông qua điện cực nối Độ rộng các thanh không đổi là W = 0,3 mm

Nhược điểm lớn nhất của mặt nạ nhóm 1 là kích thước nhỏ nhất chỉ đạt cỡ 50 μm

và đường biên của mặt nạ có độ mịn không cao, điều này sẽ tác động trực tiếp đến độ mịn đường rìa của linh kiện sau khi chế tạo, do vậy, với loại mặt nạ nhóm 1 này chỉ phù hợp với cảm biến to (kích thước mỗi thanh điện trở cỡ mm)

2.1.1.b Mặt nạ cảm biến polymer, kích thước micro-milimet (nhóm 2)

Mặt nạ cảm biến nhóm 2 có kích thước micro-milimet, khi chế tạo cảm biến cần quy trình quang khắc trong phòng sạch Mặt nạ được chế tạo bằng vật liệu polymer nhờ công nghệ in phun, gồm 4 loại S2-1-s, S2-3-s, S2-5-s và S2-6-sp, các loại mặt nạ có các thanh điện trở cùng kích thước chiều rộng W = 150 μm nhưng có chiều dài cũng như cách sắp xếp các thanh điện trở khác nhau Loại S2-1-s là mặt nạ cảm biến loại đơn thanh

điện trở, kích thước chiều dài L = 4,0 mm; loại S2-3-s là mặt nạ cảm biến tổ hợp nối tiếp

3 thanh điện trở có chiều dài L = 4,0 mm và S2-5-s là mặt nạ cảm biến tổ hợp nối tiếp 5 thanh điện trở có chiều dài L = 3,2 mm Mặt nạ cảm biến S2-6-sp dạng tổ hợp NT-SS

gồm 6 thanh điện trở chia thành 3 dãy nối tiếp, mỗi dãy gồm 2 thanh điện trở có chiều

dài L = 3,2 mm mắc song song Đặc điểm của mặt nạ nhóm 2 là công nghệ chế tạo đơn

giản, rẻ tiền và có chất lượng tốt hơn so với nhóm 1, chủ động ngay tại Việt Nam Hạn chế lớn nhất là chỉ cho phép sử dụng được một lần Độ phân giải tương đối cao, kích thước nhỏ nhất có thể định hình được cỡ 10 μm Với các cảm biến cần chế tạo ở kích thước cỡ vài trăm μm thì sử dụng công nghệ này loại này tương đối phù hợp

2.1.1.c Mặt nạ cảm biến thủy tinh phủ crôm, kích thước micromet (nhóm 3)

Mặt nạ nhóm 3 được làm bằng công nghệ quang khắc chùm điện tử (electron beam lithography) sử dụng đế thủy tinh được in phủ lớp crôm lên trên, sản xuất bởi Công ty Microimage (Hàn Quốc) Mặt nạ cảm biến có kích thước micromet, khi chế tạo cảm biến cần quy trình quang khắc trong phòng sạch Mặt nạ cảm biến nhóm 3 gồm 2 loại S3-6-sp, S3-18-sp Loại S3-6-s là mặt nạ cảm biến tổ hợp nối tiếp 6 thanh điện trở mắc nối

tiếp, mỗi thanh có chiều rộng W = 50 μm, chiều dài L = 250 μm, với mục đích vừa tăng

cường tính dị hướng hình dạng lại vừa giảm điện trở nội của cảm biến, chúng tôi chế tạo mặt nạ S3-18-sp cấu trúc tổ hợp NT-SS, gồm 18 thanh điện trở, mỗi thanh có chiều

rộng W = 10 μm, chiều dài L = 250 μm, mắc thành 6 dãy nối tiếp, mỗi dãy gồm 3 thanh

điện trở mắc song song

Ưu điểm của mặt nạ nhóm 3 là cho phép chế tạo được cảm biến loại nhỏ cỡ vài

μm với chất lượng cao, có thể sử dụng được mặt nạ nhiều lần, dễ dàng làm sạch nhờ

sử dụng các hóa chất chuyên dụng Nhược điểm của mặt nạ loại này là giá thành mặt

nạ tương đối cao, khi thao tác thực hành đòi hỏi thao tác kỹ thuật cao, phụ thuộc các công nghệ nước ngoài

2.1.2 Quang khắc chế tạo cảm biến

Chúng tôi sử dụng hệ thiết bị MJB4 (Suss Microtec, Germany), hệ thiết bị được đặt trong phòng sạch, phòng được duy trì ở nhiệt độ cỡ 27 oC, độ ẩm 40 % Để hoàn thiện một linh kiện AMR (khi không cần phún lớp bảo vệ) cần 2 lần quang khắc là quang khắc với mặt nạ điện trở và quang khắc với mặt nạ điện cực Muốn bảo vệ cảm biến sử dụng lâu dài, cần phủ thêm một lớp bảo vệ thì quang khắc thêm một lần thứ 3 với mặt nạ lớp bảo vệ

2.1.3 Phún xạ màng mỏng

Luận án sử dụng thiết bị phún xạ ATC-2000F (AJA International Inc, USA)

2.1.4 Hàn dây cho thiết bị cảm biến

Trong luận án, chúng tôi sử dụng máy hàn dây (HYBOND Model 626) nối điện cực ra mạch in để cấp và lấy tín hiệu của cảm biến

2.2 Đo đạc và khảo sát đặc trưng của cảm biến

2.2.1 Khảo sát cấu trúc và vi cấu trúc

Chúng tôi sử dụng kính hiển vi điện tử quét SEM S - 3400N và thiết bị Nova NanoSEM 450; kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường JEOL JSM-7600F; thiết bị nhiễu xạ tia X D8-Advance Phổ thành phần hóa học của vật liệu màng mỏng bằng thiết bị JEOL JSM-7600F được tích hợp đầu thu phổ tán sắc năng lượng tia X- EDX (Oxford Instruments 50 mm2 X-Max) và đầu dò huỳnh quang catôt-CL (Gatan MonoCL4)

2.2.2 Khảo sát tính chất từ của vật liệu màng mỏng

2.2.2.a Đo đường cong từ hóa bằng thiết bị VSM

Đường cong từ trễ của các màng mỏng từ tính NiFe được khảo sát thông qua hệ

đo VSM Lake Shore 7404, tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội

2.2.2.b Mô phỏng và tính toán

Ngoài việc khảo sát tính chất từ bằng hệ đo VSM, luận án sử dụng phần mềm mô phỏng Maxwell 2D software (Ansys, Canonsburg, PA, USA)