Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ dựa trên mạch cầu wheatstone có cấu trúc các nhánh tròn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ --------------- ĐẶNG THỊ THUỲ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ DỰA TRÊN MẠCH CẦU WHEATSTONE CÓ CẤU TRÚC CÁC NHÁNH TRÒN Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: ThS. Lê Khắc Quynh HÀ NỘI - 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Lê Khắc Quynh, người đã giúp đỡ định hướng nghiên cứu, cung cấp cho em những tài liệu quý báu, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô, anh chị cán bộ tại Khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano và Phòng thí nghiệm công nghệ Micro và nano, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm quý báu cũng như hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình làm thực nghiệm. Tiếp theo, em xin cảm ơn tất cả các thầy, các cô thuộc Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảng khoa học từ kiến thức cơ bản đến những kiến thức chuyên sâu, cũng như kĩ năng thực hành, thực nghiệm trong suốt bốn năm học qua. Cuối cùng, em xin gửi những lời tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ, động viên em vượt qua khó khăn, hoàn thành khóa luận một cách tốt đẹp. Sinh Viên Đặng Thị Thuỳ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khoá luận là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác. Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều được trích dẫn một cách rõ ràng. Sinh Viên Đặng Thị Thùy DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ minh hoạ hiệu ứng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/ áp điện .................................................. 5 Hình 1.2. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ được biểu diễn bằng tỉ số R/R (H=0) của các màng mỏng đa lớp {Fe/Cr}. .......................................... 6 Hình 1.3. a) Trạng thái điện trở cao và b) trạng thái điện trở thấp của GMR. ..... 7 Hình 1.4. Cảm biến cấu trúc van-spin phát hiện hạt từ......................................... 7 Hình 1.5. Sơ đồ hoạt động của cảm biến TMR phát hiện hạt từ........................... 8 Hình 1.6. Nguồn gốc vật lý của AMR ................................................................ 10 Hình 1.7. Giá trị điện trở phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hóa ......................................................................................... 11 Hình 1.8. Sơ đồ của mạch cầu Wheatstone ......................................................... 11 Hình 2.1. Buồng xử lý mẫu. ................................................................................ 18 Hình 2.2.Máy cắt laser ........................................................................................ 19 Hình 2.3.Mặt nạ dùng để chế tạo cảm biến dạng tròn mạch cầu Wheatstone đường kính d = 3mm a) mặt nạ điện trở b)mặt nạ điện cực ............... 20 Hình 2.4. Nguyên lý tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ catot ............ 21 Hình 2.5. Thiết bị phún xạ catot.......................................................................... 23 Hình 2.6. Mặt nạ tạo màng điện trở .................................................................... 23 Hình 2.7. Mặt nạ tạo điện cực ............................................................................. 24 Hình 2.8. Cảm biến đã được đóng gói ................................................................ 25 Hình 2.9. Thiết bị từ kế mẫu rung VSM ............................................................. 26 Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị VSM .................................................... 26 Hình 2.11. Sơ đồ bố trí bốn mũi dò..................................................................... 27 Hình 2.12. Sơ đồ khối của hệ đo từ điện trở ....................................................... 28 Hình 3.1. Mô hình phép khảo sát 4 mũi dò trên màng mỏng ............................. 30 Hình 3.2. Sự thay đổi điện áp của màng mỏng theo từ trường với I = 5mA trong dải từ -50 50 Oe. .................................................................... 30 Hình 3.3. Đường cong tỉ đối M/ theo lần lượt a) phương song song và b) vuông góc với trục từ hóa dễ .............................................................. 32 Hình 3.4. Mô hình lấy tín hiệu của cảm biến ...................................................... 33 Hình 3.5. Sự thay đổi điện áp của cảm biến theo từ trường với I = 1mA trong dải -80 80 Oe. ...................................................................... 34 Hình 3.6. Sự thay đổi điện áp lối ra của cảm biến theo từ trường với I =1mA (a) 3mA,(b) 5mA,(c) 10 mA.................................................... 34 Hình 3.7. Đường phụ thuộc của thế lối ra vào dòng cấp tại từ trường H = 20 Oe. .................................................................................................. 35 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Thông số cắt mặt nạ của máy laser ..................................................... 19 Bảng 2.2. Thông số quá trình phún xạ điện trở................................................... 24 Bảng 2.3. Thông số phún xạ điện cực ................................................................. 24 Bảng 3.1. Thông số trong đường cong tỉ đối M/ theo phương song song và vuông góc với trục dễ ..................................................................... 32 Bảng 3.2. Sự phụ thuộc của U theo dòng cấp................................................... 35 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN......................................................................................... 3 1.1. Các loại cảm biến đo từ trƣờng phổ biến ............................................................. 3 1.1.1.Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall ................................................................. 3 1.1.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện ................................................................... 4 1.2. Cảm biến từ điện trở khổng lồ ................................................................................. 5 1.3. Cảm biến từ điện trở xuyên ngầm ............................................................................ 8 1.4. Cảm biến từ điện trở dị hướng ................................................................................. 8 1.4.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng ............................................................................... 8 1.5. Nhiễu cảm biến ...................................................................................................... 14 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................. 17 2.1.Phương pháp chế tạo cảm biến ..................................................................... 17 2.1.1. Xử lý bề mặt mẫu ................................................................................................ 17 2.1.2. Các phương pháp chế tạo mặt nạ cho cảm biến .................................................. 18 2.1.3. Phún xạ tạo màng. ............................................................................................... 20 Thiết bị phún xạ catot .................................................................................................... 20 2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất cảm biến ............................................. 25 2.2.1. Khảo sát tính chất từ của cảm biến ..................................................................... 25 2.2.2. Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến .............................................................. 26 Kết luận ............................................................................................................... 29 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 30 3.1. Nghiên cứu tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm biến ........... 30 3.2. Khảo sát tính chất từ của cảm biến .............................................................. 31 3.3. Kết quả chế tạo cảm biến ............................................................................. 33 Khảo sát tính chất từ - điện trở của mạch cầu Wheatstone dạng tròn đường kính d = 3mm. ............................................................................................................. 33 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 38 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiệu ứng từ - điện trở dị hướng (AMR- Anisotropic magnetoresistance) là sự thay đổi điện trở của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài, phụ vào góc giữa véc tơ từ độ và chiều dòng điện. Các kết quả công bố cho thấy, hiệu ứng từ - điện trở dị hướng thường tồn tại trên các màng mỏng sử dụng vật liệu từ mềm theo cả hai phương dễ và khó từ hóa. Có nhiều cảm biến đã được chế tạo dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhằm mục đích đo từ trường thấp đã được công bố. Tuy vậy, các cảm biến này thường có kích thước khá cồng kềnh và gặp phải các loại nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu. Ngoài ra, một số cảm biến hoạt động tốt hơn nhưng lại có cấu trúc dạng màng đa lớp khá phức tạp như cảm biến dựa trên hiệu ứng Spin-van, TMR… Việc tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa qui trình công nghệ, giảm chi phí chế tạo mà vẫn đáp ứng được đòi hỏi của cảm biến đo từ trường thấp đang là mục tiêu của nhiều nhóm nghiên cứu. Lợi dụng tính chất từ mềm của vật liệu NiFe và tính ổn định nhiệt rất tốt của mạch cầu Wheatstone, chúng tôi chế tạo các cảm biến đo từ trường thấp dạng mạch cầu Wheatstone với cấu trúc màng đơn lớp Ni80Fe20 dựa trên hiệu ứng AMR. Các cảm biến chế tạo giảm được tối đa ảnh hưởng các loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt. Do đó, kết quả tỉ số tín hiệu/nhiễu của cảm biến sẽ lớn. Bước đầu làm quen với việc nghiên cứu khoa học, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ dựa trên mạch cầu Wheatstone có cấu trúc các nhánh tròn” . 2. Mục đích nghiên cứu - Chế tạo cảm biến dạng mạch cầu tròn dựa trên hiệu ứng AMR. - Khảo sát các tính chất từ, từđiện trở của cảm biến. 1 3. Đối tƣợng nghiên cứu Cảm biến mạch cầu tròn dựa trên hiệu ứng AMR. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp thực nghiệm: - Chế tạo cảm biến với vật liệu Ni80Fe20. - Khảo sát tính chất với cảm biến đã chế tạo 5.Nội dung khóa luận Đề tài gồm 3 chương : Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về cảm biến từ và hiệu ứng từ điện trở Chƣơng 2: Trình bày các phương pháp, quy trình chế tạo cảm biến mạch cầu Wheatstone dạng tròn Chƣơng 3: Trình bày kết quả và thảo luận từ đó rút ra kết luận 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Các loại cảm biến đo từ trƣờng phổ biến 1.1.1.Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall Cảm biến Hall có thể đo được cả từ trường một chiều DC và từ trường xoay chiều AC trong dải tần số lên đến 30kHz. Ngoài việc đo từ trường, cảm biến Hall còn được phát triển thành các cảm biến đo vị trí, đo góc, đo vận tốc và đo tốc độ quay . Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall. Hiệu ứng này được phát hiện vào năm 1879 do giáo sư Edwin Hall khi ông đang làm việc tại đại học Jonhs Hopkins ở Baltimore, Maryland . Khi cho một dòng điện chạy qua một vật dẫn là chất bán dẫn được đặt trong từ trường ngoài, ở hai mặt đối diện vuông góc với chiều dòng điện sẽ xuất hiện chênh lệch điện áp trên vật liệu này. Các điện tích chuyển động trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài, chúng sẽ chịu tác dụng của lực Lorent hướng vuông góc với chiều dòng điện và từ trường ngoài: F  q.EH  q[v x B] (1.1) Trong đó: q : Điện tích của điện tử (q = 1.6 × 10-19c ) ⃗ : Tốc độ chuyển động của electron. ⃗⃗ : Cảm ứng từ. ⃗⃗ : Là điện trường Hall. Dưới tác dụng của lực Lorent các điện tích sẽ chuyển động theo hai hướng ngược nhau về hai mặt của vật dẫn và tạo ra ở hai mặt đối diện của vật dẫn các điện tích trái dấu làm xuất hiện một điện trường Hall E H hướng vuông 3 góc với chiều dòng điện. Lực tĩnh điện do điện trường này gây ra sẽ ngược hướng với lực Lorent. Trạng thái cân bằng nhanh chóng được hình thành cùng với sự tăng dần của lực điện cho đến khi bù trừ hoàn toàn với lực từ. Khi đạt đến trạng thái cân bằng, lực gây ra do từ trường B sẽ cân bằng với lực điện trường E gây ra. Khi đó, thế Hall được cho bởi công thức: VH  RH I .B t (1.2) Trong đó, RH là điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là chiều dày tấm vật liệu 1.1.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cứu một loại cảm biến đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu Metglas/PZT dạng tấm. Những cảm biến này có thể xác định chính xác cả độ lớn và góc định hướng của từ trường. Ngoài ra, chúng hoạt động không cần từ trường làm việc (bias) và được kích thích bởi một dòng xoay chiều nhỏ 10 mA, có độ phân giải từ trường cao 10 -9 Tesla và độ phân giải góc 10-5 độ. Hiệu ứng điện – từ đầu tiên được dựa đoán bởi P.Curie vào năm 1894. Thuật ngữ “điện – từ” được đưa ra bởi P. Debye năm 1926 . Một dựa đoán chặt chẽ hơn về sự liên kết giữa pha sắt từ và sắt điện được xây dựng bởi L.D.Landau và E. Lifshitz . Vào năm 1959 Dzyaloshinskii đã dựa đoán rằng hiệu ứng điện - từ có thể quan sát được trong vật liệu đơn pha Cr 2O3. Sự phân cực cảm ứng bởi từ trường của Cr2O3 được quan sát lần đầu tiên vào năm 1960 bởi Astrov . Hiệu ứng điện - từ thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Hiệu ứng điện – từ được chia thành hiệu ứng điện từ thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng điện từ nghịch (converse magnetoelectric effect) (hình 1.3) trong đó, hiệu ứng 4 thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (P) khi đặt trong từ trường ngoài (H) và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (M) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E). Hình 1.1: Sơ đồ minh họa hiệu ứng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện Hiệu ứng điện từ là hiện tượng vật liệu chịu tác dụng của một từ trường ngoài H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh ra ứng suất tác dụng lên pha áp điện. Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật liệu sẽ bị thay đổi và do đó trên hai mặt đối diện của vật liệu sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu nhau như hình 1.1. Hiệu ứng từ điện thuận được đặc chưng bởi hệ số từ điện: E = dE/dH. Hiệu ứng từ-điện có sự chuyển hóa trực tiếp từ năng lượng điện thành năng lượng từ và ngược lại.Nhờ tính chất này, hiệu ứng này đã và đang được nghiên cứu và khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại đây. Để hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo cảm biến đo từ trường, hiệu ứng từ - điện thuận tỏ ra có nhiều ưu thế do khả năng chuyển đổi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lối ra. 1.2. Cảm biến từ điện trở khổng lồ Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magneto resistance – GMR) là một hiệu ứng cơ lượng tử và thường được quan sát thấy trên màng tổ hợp của các lớp kim loại sắt từ và các lớp kim loại không từ tính xen kẽ. Hiệu ứng này được biểu hiện dưới dạng điện trở của mẫu giảm cực mạnh từ trạng thái điện 5 trở cao khi không có từ trường ngoài tác dụng sang trạng thái điện trở thấp khi có từ trường ngoài tác dụng vào. Cấu trúc của một GMR chu n bao gồm 3 lớp vật liệu (Lớp sắt từ (FM)/Lớp phi từ (NM)/Lớp sắt từ (FM)). trang thái ban đâu (khi chưa từ hóa theo từ trường bên ngoài),do tương tác RKKY giữa các lớp sắt từ lân cận trở nên tương tác phản sắt từ nên các mô-men từ của 2 lớp sắt từ định hướng phản song song với nhau. trạng thái này các điện tử bị tán xạ nhiều khi đi qua lớp vật liệu cảm biến do điện trở của cảm biến lớn. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ có xu hướng định hướng lại song song với nhau theo phương của từ trường. Đồng thời với quá trình quay đó của vectơ từ độ, điện trở của mẫu giảm mạnh. Hình 1.2. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ được biểu diễn bằng tỉ số R/R (H=0) của các màng mỏng đa lớp {Fe/Cr} 6 Hình 1.3.a) Trạng thái điện trở cao và b) trạng thái điện trở thấp của GMR Spin – valve GMR : chịu tác dụng của từ trường ngoài.Do đó, trạng thái song song hay phản song song khi đi qua lần lượt đi qua các lớp này. Điện tử sẽ ít bị tán xạ hơn nếu spin của điện tử có định hướng song song với mômen từ trong lớp này và do đó, điện trở suất sẽ nhỏ hơn. Ngược lại, sự tán xạ sẽ nhiều hơn và điện trở suất sẽ lớn hơn khi định hướng của spin điện tử với mômen từ trong lớp từ tính là phản song song.Có thể minh họa sơ đồ mạch điện trở tương ứng cho cấu trúc spinvalve trong trường hợp các lớp sắt từ song song và phản song song. Hình 1.4. Cảm biến cấu trúc van-spin phát hiện hạt từ Hiệu ứng GMR trên các vật liệu có cấu trúc spin-valve được ứng dụng rất rộng rãi trong ngành công nghiệp như chế tạo ổ cứng máy tính ….. 7 1.3. Cảm biến từ điện trở xuyên ngầm Hình1.5. Sơ đồ hoạt động của cảm biến TMR phát hiện hạt từ Cảm biến hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling Magneto resistance – TMR) bao gồm 3 lớp vật liệu (lớp sắt từ/ lớp điện môi/ lớp sắt từ).Hoạt động của cảm biến TMR cũng giống như cảm biến GMR. Khi chưa có từ trường ngoài thì từ độ của 2 lớp sắt từ ban đầu là phản song song với nhau, do đó điện tử bị tán xạ nhiều và không thể truyền qua cảm biến. Khi có từ trường ngoài tác dụng, từ độ của 2 lớp sắt từ sẽ định hướng song song với nhau, điện tử ít bị tán xạ và có thể xuyên qua các lớp cảm biến, tạo ra sự thay đổi tín hiệu điện, Trong cảm biến từ điện trở xuyên ngầm, dòng điện chay qua cảm biến được giới hạn bởi thế đánh thủng. Chỗ tiếp xúc phải được tối ưu hóa sao cho tích RxA( trong đó R là điện trở của cảm biến, A là diện tích tiếp xúc) thấp và duy trì được tỉ số từ điện trở xuyên hầm cao trong khi mức độ nhiễu là thấp nhất . 1.4. Cảm biến từ điện trở dị hƣớng 1.4.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng Hiệu ứng từ điện trở xuất hiện trong vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường. Hiệu ứng từ điện (MaganetoResistance – MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường. Nguồn gốc của MR từ sự kết hợp cặp spin 8 –quỹ đạo giữa các điện tử và các mô-men từ của các nguyên tử mạng.Thông thường MR được định nghĩa bằng tỉ số : (1.3) Với lần lượt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn khi không có từ trường ngoài và có từ trường đặt vào. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR – Anisotropic Magneto resistance) cũng bắt nguồn từ kết cặp spin – quỹ đạo, nhưng tồn tại trong các vật liệu có mô-men từ dị hướng.Hiệu ứng AMR phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của vật liệu và spin của các nguyên tử tron tinh thể, phụ thuộc vào cấu trúc đô-men của vật liệu sắt từ.Về bản chất, hiệu ứng từ điện trở dị hướng chính là sự phụ thuộc điện trở vào góc giữa vectơ từ độ và chiều dòng điện.Nguyên nhân xuất hiện hiệu ứng này là do xác suất tán xạ điện tử s-d sẽ khác nhau theo phương khác nhau của từ trường tác dụng. Ta có thể hiểu đơn giản như sau : Nếu từ trường được định hướng vuông góc với chiều dòng điện thì khi đó quỹ đạo chuyển động của các điện tử nằm trong mặt ph ng của dòng điện và như vậy sẽ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ điện tử,dẫn đến vật dẫn có điện trở nhỏ.Ngược lại,khi từ trường áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ đạo chuyển động của điện tử được định hướng vuông góc với chiều dòng điện,và mặt cắt đối với tán xạ của điện tử tăng lên, dẫn đến vật dẫn có điện trở cao.Hiệu ứng này có trên các kim loại sắt từ như Fe, Co, Ni …. và hợp kim của chúng thường khá lớn hơn so với các kim loại không từ. Nguyên nhân chủ yếu là do trong chất sắt từ có các miền từ hóa tự nhiên (đô-men). Mô-men của các nguyên tử trong từ đô-men nằm song song và cùng chiều tạo ra véc tơ từ độ từ hóa của từng đô-men khá lớn.Tuy nhiên, khi không có từ trường ngoài, các véc tơ từ độ của đô-men định hướng hỗn loạn nên véc tơ từ độ tổng cộng của mẫu bằng không. Khi có từ trường ngoài tác dụng theo một phương 9 nào đó, véc tơ từ độ từ hóa các đô-men một mặt quay theo từ trường ngoài, mặt khác thể tích của các đô-men có các véc tơ từ độ từ hóa cùng chiều với từ trường ngoài lớn dần lên. Kết quả là từ trường tổng hợp bên trong mẫu có thể có cường độ hang nghìn lần lớn hơn so với từ trường tác dụng bên ngoài. Dòng điện trong mẫu chịu ảnh hưởng trực tiếp của từ trường nội rất mạnh do hiệu ứng từ điện trở của chúng là khá lớn. Hình 1.6. Nguồn gốc vật lý của AMR Để giải thích hiệu ứng từ trở dị hướng (AMR) trong màng mỏng của vật liệu từ, giả định rằng, vectơ từ hóa trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hòa ⃗⃗⃗⃗⃗ , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của vectơ từ hóa này. Ngoài ra, ta có thể xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh đơn giản nhất, đó là mối quan hệ giữa điện trở và hướng của vectơ từ độ (vectơ từ hóa) và mối quan hệ giữa hướng của vectơ từ độ và từ trường ngoài. Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua thông qua góc – góc giữa chiều dòng điện và vectơ từ độ : (1.4) Trong đó :   và là hằng số của vật liệu là độ dài của màng mỏng 10  là độ rộng của màng mỏng  là độ dày của màng mỏng  và là điện trở và điện trở suất khi vectơ từ độ vuông góc với trục từ hóa dễ  và là độ thay đổi của điện trở và điện trở cực đại khi có tác dụng của từ trường ngoài Ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào như hình Hình 1.7. Giá trị điện trở phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hóa 1.4.2. Mạch cầu điện trở Wheatstone Hình1.8. Sơ đồ của mạch cầu Wheatstone 11 Mạch cầu Wheatstone là mạch điện được sử dụng để đo một điện trở chưa xác định bằng cách so sánh hai nhánh của một mạch cầu, trong đó một nhánh chứa thành phần điện trở chưa xác định. Cấu trúc của một mạch cầu Wheastone bao gồm bốn điện trở được mắc song song với nhau. Một điện kế rất nhạy G đo thế mạch ra. Nguồn điện một chiều được sử dụng cấp vào 2 điểm A, C tạo ra dòng điện trong mạch và điện kế G đo chênh lệch điện thế lối ra giữa 2 điểm B,D của cầu. Khi ta cấp một điện thế vào trong mạch thì ta có : (1.5) Suy ra (1.6) (1.7) (1.8) Khi đó : (1.9) Dưới tác dụng của từ trường ngoài, do sự đóng góp của từ điện trở dị hướng trên các điện trở nên sẽ thay đổi điện trở thành phần của mạch ( ). Sự biến đổi này dẫn tới sự thay đổi điện thế lối ra : (1.10) Trong trường hợp lý tưởng,nếu mạch ban đầu cân bằng, điện thế lối ra sẽ được biểu diễn như sau: 12 (1.11) hay (1.12) Khi đó, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình khi có sự thay đổi của điện trở của các điện trở thành phần trong mạch cầu, với sự thay đổi điện trở là nhỏ hơn 5% như công thức : (1.13) Từ công thức ta thấy sự thay đổi điện trở của hai nhánh liền kề trong mạch cầu tự triệt tiêu nhau nên mạch cầu có thể dùng làm mạch ổn định nhiệt độ và chế tạo các thiết kế đặc biệt khác. Mạch cầu Wheatstone được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong các mạch điện tử như: dùng để đo trở kháng, điện cảm, điện dung trong mạch xoay chiều (AC). Trong một số bộ điều khiển động cơ, mạch cầu Heaviside (một dạng khác của mạch cầu Wheatstone) được sử dụng để điều khiển hướng quay của động cơ. Một ứng dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp là để giám sát các thiết bị cảm biến, ch ng hạn như đồng hồ đo dòng. Ngoài ra, mạch cầu còn được ứng dụng để xác định chính xác vị trí phá vỡ một đường dây điện.Phương pháp này nhanh và chính xác không đòi hỏi công nghệ hỗ trợ cao. Với các ưu điểm nêu ở trên và để phù hợp với điều kiện của phòng thì nghiệm, chúng tôi lựa chọn mạch cầu Wheatstone để chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng với mong đợi sẽ giảm được tối đa ảnh hưởng của các nhiễu do môi trường, đặc biệt là nhiễu nhiệt, do đó sẽ thu được tỉ số tín hiệu/nhiễu lớn. Vật liệu được lựa chọn làm cảm biến là vật liệu từ mềm ( =3 là 5 Oe), vật liệu này rất thích hợp để chế tạo cảm biến có độ nhạy cao trong vùng từ trường thấp. Mạch cầu điện trở Wheatstone 13 gồm 4 điện trở bằng nhau nhưng được thiết kế 2 điện trở đối diện có dị hướng hình dạng giống nhau và 2 điện trở liền kề khác nhau. Nhờ vậy, dưới tác dụng của từ trường ngoài tín hiệu lối ra của cảm biến thu được sẽ lớn hơn. 1.5. Nhiễu cảm biến Tín hiệu lối ra của cảm biến luôn bị tác động bởi các nhân tố của môi trường bên ngoài như nhiệt độ, tần số … những ảnh hưởng này được gọi chung là nhiễu. Để đánh giá các cảm biến, người ta dựa vào thông số tỉ số tínhiệutrên nhiễu (signal/noise). Việc đánh giá nhiễu dựa trên 3 loại chủ yếu là 1/f, nhiễu nhiệt và nhiễu lượng tử, được xác định bởi: √ √ Với [ √ √ là biên độ nhiễu, f là tần số đo, √ là dải thông tần số, ] (1.14) là hạt tải mang điện, là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của mẫu, L là chiều dài của mẫu, e là điện tích cơ bản. Các loại nhiễu cơ bản thường gặp:  Nhiễu nhiệt : thường ở tần số cao (trên 1 kHz), là thành phần nhiễu sinh ra do các thành phần điện trở. Trong dải tần , độ lớn của nhiễu nhiệt: √ (1.15) Trong đó :  T là nhiệt độ tuyệt đối (K).  là nhiệt độ của cảm biến (trong dòng DC).  là dải tần số đo.  là hằng số Boltzmann. 14 Nhiễu nhiệt có trong tất cả các loại cảm biến (hay còn được gọi là nhiễu Johnson), phụ thuộc vào thành phần cấu tạo nên điện trở. Trong vài trường hợp, nó còn được thể hiện dưới dạng nhiễu dòng nguồn phát của cường độ: (1.16)  Nhiễu lượng tử: Khi dòng điện chạy qua một rào thế thì sẽ xuất hiện nhiễu lượng tử, vì sự thăng giáng dòng qua một giá trị trung bình gây ra bởi sự biến thiên điện tử và lỗ trống được phát ra. Dòng nhiễu được xác định : (1.17) Trong đó :  q là điện tích.  là dòng DC trung bình.   là dải nhiễu. Nhiễu 1/f: thường xảy ra ở vùng tần số thấp (f < 300Hz) gây ra bởi dao động độ dẫn do sự tiếp xúc không hoàn hảo giữa 2 lớp vật liệu. Nó xảy ra bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp xúc nhau. Nhiễu 1/f tỉ lệ thuận với giá trị dòng 1 chiều. Mật độ năng lượng biến thiên tỉ lệ nghịch với tần số 1/f. Dòng nhiễu trên căn bậc 2 của dải thông được thể hiện như sau : √ √ (1.18) Với :  là giá trị trung bình dòng DC.  là tần số.  là hằng số phụ thuộc vào vật liệu và hình dạng của nó.  là dải thông số.  Nhiễu Barkhausen: Nhiễu Barkhausen được bắt nguồn từ hiệu ứng Barkhausen. Nhiễu Barkhausen là hiện tượng điện tích biến đổi không liên tục 15 trong mật độ từ thông ở các vật liệu sắt từ khi từ trường thay đổi liên tục. Nguồn phát Barkhausen bị ảnh hưởng lớn bởi sự thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu từ và ứng suất. Gần đây, nhiễu Barkhausen được biết đến như hiệu ứng phụ thuộc vào điện thế bên trong bởi các vách domain từ khi chúng di chuyển qua vật liệu. Từ công thức (phần nhiễu nhiệt), ta thấy nếu điện trở của cảm biến là cực đại thì nhiễu đạt cực đại. tần số thấp, nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu 1/f (do từ trường gây ra nhiễu từ) được biểu diễn như sau: (1.19) Trong đó:     là hằng số hiện tượng thuận từ (hằng số Hooge). là số hạt tải gây nhiễu trong cảm biến. là dòng điện qua cảm biến. là tần số đo. Để đạt được tỉ số SNR lớn nhất có thể, cảm biến phải hoạt động phía trên 1/f trong chế độ nhiễu nhiệt, thường xảy ra ở tần số vài trăm kHz với vanspin, trên 100MHz đối với tiếp xúc xuyên ngầm. Các phép đo ở tần số cao về mặt cơ bản có thể được sử dụng để nhận biết hạt từ có kích thước nhỏ được gắn vào từng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy cực đại cho cảm biến. Kết luận : Trong chương này chúng tôi đã trình bày một cách tổng quát về lý thuyết, nguyên lý hoạt động của một số loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ và từ điện. Lựa chọn cấu hình cảm biến và lựa chọn vật liệu để chế tạo cảm biến. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR được lựa chọn để nghiên cứu của khóa luận này. 16 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1.Phƣơng pháp chế tạo cảm biến 2.1.1. Xử lý bề mặt mẫu Hình 2.1 là buồng xử lý mẫu, nó được dùng để thực hiện thao tác làm sạch bề mặt mẫu.Các thao tác làm sạch và xử lý bề mặt mẫu đều được thực hiện trong buồng xử lý.Trong buồng xử lý bao gồm: Súng xì khô, các hóa chất t y rửa như cồn,axeton,nước DI. Ngoài ra, bếp nung (hotplate) dùng để sấy khô mẫu ở các nhiệt độ khác nhau với mục đích làm bay hơi hoàn toàn các dung môi có trên bề mặt đế . Khi dùng hotplate cần chú ý điểu chỉnh các thông số như nhiệt độ cần đặt, tốc độ gia nhiệt.Đặc biệt, khi dùng hotplate để nung mẫu, yêu cầu nhiệt độ phải luôn được giữ ổn định cho phép sai số 1 . Đế được dùng để chế tạo cảm biến là đế Si đã được ôxi hóa mộtlớp có chiều dày 3 để đảm bảo cách điện giữa đế và màng vật liệu.Trước khi lắng đọng màng, đế được làm sạch theo quy trình sau:  Rung siêu âm axeton trong vòng 5 phút để loại bỏ hết chất b n và chất hữu cơ bám trên bề mặt đế.  Rung siêu âm cồn trong vòng 5 phút để loại bỏ hết dung dịch axeton còn bám lại trên bề mặt đế.  Lắc đều với dung dịch nước DI để làm sạch hoàn toàn cồn.  Xì khô bằng máy nén khí với mục đích loại bỏ nước DI còn bám lại trên mặt đế.  Nung mẫu ở nhiệt độ 100 trên hotplate 5 phút để bốc bay hoàn toàn hơi có trên bề mặt đế. 17 Hình 2.1.Buồng xử lý mẫu. 2.1.2. Các phƣơng pháp chế tạo mặt nạ cho cảm biến Tạo hình cho cảm biến ta sử dụng mặt nạ là hình dạng mà cảm biến sẽ được chế tạo.Để chế tạo mặt nạ cho cảm biến dạng cầu điện trở hiện nay có rất nhiều phương pháp.Tuy nhiên với quy mô phòng thí nghiệm và trên cơ sở các thiết bị sẵn có, chúng tôi sử dụng máy cắt laser tạo mặt nạ. Mặt nạ được làm bằng băng dính chân không và hốc chứa cảm biến làm bằng thủy tinh hữu cơ được thế kế bằng phần mềm CorelDraw và được tạo hình bằng máy cắt laser.Thiết bị này hoạt động sử dụng tia laser – nguồn phát ra ánh sáng thông qua một quá trình khuếch đại quang học dựa trên sự kích thích phát xạ của bức xạ điện từ.Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng máy cắt laser VLS-360 để chế tạo mặt nạ, và hốc đặt cảm biến. 18 Hình 2.2.Máy cắt laser Trong khóa luận, chúng tôi nghiên cứu, khảo sát tính chất của cảm biến dạng tròn mạch cầu Wheatstone đường kính d = 3mm. Dưới đây là thông số của máy laser khi cắt mặt nạ cho cảm biến (bảng 2.1). Bảng 2.1. Thông số cắt mặt nạ của máy laser Model Thông số Năng lượng (%) 25 Tốc độ (%) 60 Độ phân giải 100 Độ cao (mm) 2 Lần cắt (lần) 2 Cảm biến sau khi được chế tạo sẽ được đặt vào hốc chứa cảm biến có chân điện cực được thiết kế phù hợp với cảm biến.Vật liệu được lựa chọn làm hốc chứa cảm biến là thủy tinh hữu cơ. 19 a) b) Hình 2.3. Mặt nạ dùng để chế tạo cảm biến dạng tròn mạch cầu Wheatstone đường kính d = 3mm a) mặt nạ điện trở b)mặt nạ điện cực 2.1.3. Phún xạ tạo màng. Thiết bị phún xạ catot Hiện nay có rất nhiều phươngpháp được sử dụng để chế tạo màng mỏng như bốc bay nhiệt, bốc bay laze xung.Trong khóa luận này, phương pháp phún xạ được sử dụng để chế tạo màng và cảm biến mạch cầu Wheatstone dựa vào hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR).Ưu điểm của phương pháp phún xạ là dễ dàng chế tạo được màng với độ đồng đều cao. Đây là phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý, trong đó các nguyên tử, cụm nguyên tử được tạo ra bằng cách bắn phá ion . Bản chất của quá trình chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ catot là dùng các ion năng lượng cao (phổ biến là Ar) bắn phá bề mặt bia rắn để tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion và lắng đọng lên trên đế, tạo màng. Năng lượng của các ion này không chỉ phụ thuộc vào điện tích, mức độ được gia tốc của nó trong điện trường mà còn phụ thuộc vào khối lượng của nó.Chính vì điều này nên không phải khí nào cũng có thể làm khí phún xạ được. 20 Hình 2.4.Nguyên lý tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ catot Năng lượng của ion tới được chia làm hai phần cơ bản : Một phần để phân cắt các liên kết trên bề mặt bia vật liệu, tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion riêng rẽ; phần còn lại được truyền thành động năng cho các phần tử này tán xạ ngược và lắng đọng lên đế. Năng lượng của các ion tới phụ thuộc vào điện trường (cụ thể là thế đặt giữa hai điện cực). Năng lượng liên kết của bia vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào bản chất hóa học và trạng thái tồn tại của nó. Mối tương quan giữa hai đại lượng này có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả của quá trình lắng đọng. Các thiết bị phún xạ (đều là phún xạ catot) vì quá trình phún xạ xảy ra trên bia vật liệu gắn lên cực âm. Các thiết bị khác nhau chủ yếu là liên quan đến nguồn cấp cho điện cực để duy trì dòng plasma trong quá trình phún xạ: Nguồn một chiều – DC (DC - Sputtering), nguồn cao tầng – RF (RF Sputtering), có hay không sự trợ giúp của từ trường (Mangetron), để tăng cường mật độ dòng plasma trên bề mặt bia vật liệu (Mangetron - Sputtering). Các thế hệ thiết bị phún xạ khác nhau chủ yếu ở mức độ tối ưu hóa cấu hình, mà quan trọng nhất là: Độ đồng nhất của màng, chân không cao nhất có thể đạt được, khả năng phối hợp trở kháng, độ ổn định và độ phân giải của nguồn cấp. 21 Quá trình phún xạ tạo màng mỏng trong khóa luận này được thực hiện trên thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC.Hình 2.5là ảnh chụp thiết bị phún xạ catot ATC - 2000FC ở PTN Mircro & Nano Khoa Vật lý kĩ thuật-Trường đại học Công Nghệ.Cấu tạo thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính: buồng phún xạ, buồng phụ, bảng điều khiển, hệ thông van bơm,hút chân không. Thiết bị này còn được ghép với hệ thống máy tính để điều khiển các thông số trong quá trình lắng đọng tạo màng. Chân không của buồng phún xạ (buồng chính) có thể đạt tới buồng phụ là Torr, Torr.Nhờ có buồng phụ mà chân không buồng chính luôn được giữ ổn định quá trình phún xạ. Do đó, sự ổn định tính chất của mấu luôn được giữ trong các lần chế tạo khác nhau. Buồng chính có hệ thống bơm sơ cấp và thứ cấp giúp có thể đạt được chân không cao trong thời gian ngắn, hạn chế nhiều khả năng nhiễm b n buồng phún xạ. Buồng phụ (buồng chân không đệm) là buồng trung gian, được sử dụng để vận chuyển mẫu vào và ra từ buồng chính.Giữa buồng chính và buồng phụ được ngăn cách bởi 1 cách ngăn.Trong quá trình chế tạo, đế được đưa vào buồng phụ trước, sau đó buồng phụ được hút chân không cho đến khi áp suất tại buồng phụ chênh lệnh khoảng 2 bậc (5x Torr) so với buồng chính thì mới được mở vách ngăn và chuyển mẫu vào buồng chính. Trong khóa luận này, chúng ta sử dụng các bia vật liệu NiFe, Ta, Cu với chiều dày từ 3-6mm, đường kính 2 inch. Các bia vật liệu Ta, Cu được phún xạ sử dụng nguồn DC, còn bia vật liệu từ NiFe được phún xạ sử dụng nguồn RF. 22 Hình 2.5. Thiết bị phún xạ catot Hình 2.6.. Mặt nạ tạo màng điện trở Phún xạ tạo màng điện trở : Khi đế được làm sạch và được gắn mặt nạ được cắt bằng máy laser như hình 2.2, được đưa vào trong thiết bị phún xạ để tạo thanh điện trở. Trong quá trình phún xạ, mẫu được ghim trong từ trường 600 Oe (từ trường này dùng để tạo dị hướng cho cảm biến).Trong quá trình chế tạo, để đảm bảo cho màng đồng nhất trong suốt quá trình chế tạo, đế giữ mẫu được quay tròn với tốc độ 30 vòng/phút. Màng có cấu trúc ba lớp Ta/ trong đó, lớp Ta dưới cùng đóng vai trò là lớp đệm, giúp tốt hơn. Lớp Ta trên cùng đóng vai trò lớp phủ bảo vệ cho lớp 23 /Ta bám dính chống lại quá trình oxy hóa khi đặt ngoài không khí. Thông số của quá trình phún xạ tạo lớp điện trở được nêu ở bảng . Bảng 2.2. Thông số quá trình phún xạ điện trở Vật liệu Ta Chân không cơ sở (Torr) 2x 2x Phún xạ tạo màng điện cực Áp suất khí Ar (mTorr) 2,2 Công suất phún (W) 25 Vận tốc quay đế (prm) 30 Chiều dày màng (nm) 5 2,2 75 30 5 Để kết nối các thanh điện trở với nhau để tạo thành mạch cầu Wheatstone và tạo điện cực, các điện cực bằng Cu đã được chế tạo.Quy trình phún xạ giống như quá trình phún xạ tạo màng điện trở, điểm khác của quá trình này là chúng tôi sử dụng mặt nạ điện cực và phún xạ lớp vật liệu có cấu trúc Ta/Cu. Trong đó, Ta là lớp vật liệu được sử dụng để tạo bám dính tốt cho lớp vật liệu Cu, Cu là lớp vật liệu có độ dẫn cao (= 58 x S/m). Thông số phún xạ tạo điện cực được nêu ở bảng. Hình 2.7. Mặt nạ tạo điện cực Bảng 2.3. Thông số phún xạ điện cực Vật liệu Chân không cơ sở (Torr) Áp suất khi Ar (mTorr) Công suất phún (W) Vận tốc quay đế (prm) Chiều dày màng (nm) Ta 2x 2,2 25 30 5 Cu 2x 2,2 30 30 15 24 Hình 2.8. Cảm biến đã được đóng gói 2.2. Các phƣơng pháp khảo sát tính chất cảm biến 2.2.1. Khảo sát tính chất từ của cảm biến Từ kế mẫu rung là thiết bị quan trọng và phổ biến cho các phép đo từ tổng cộng M của một mẫu vật liệu từ trong từ trường ngoài. Từ kế mẫu rung hoạt động trên nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ. Sự biến thiên từ thông 𝛥 qua cuộn dây cảm ứng gây bởi sự dịch chuyển của mẫu. Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính, và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi hai cực của nam châm điện. Mẫu là vật liệu từ nên trong từ trường thì nó được từ hóa và tạo ra từ trường cảm ứng. Khi mẫu được rung với tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ thuận với momen từ M của mẫu: V ~ 4.π.n.S.M Với :  M là momen từ của mẫu đo  S là tiết diện vòng dây  n là số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu Trong các hệ từ kế phổ thông, người ta sử dụng cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil) để thu tín hiệu. Đây là hệ hai cuộn dây đối xứng nhau được cuốn ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềmxem trên hình . 25 Để khảo sát tính chất từ và quá trình từ hóa của màng mỏng, chúng tôi sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7430 ở nhiệt độ phòng tại phòng thí nghiệm Micro – nano, trường đại học Công nghệxem hình 2.9. Trong khóa luận này các cảm biến được ứng dụng trong từ trường thấp, do đó các khảo sát tính chất từ của cảm biến được đo trong vùng từ trường từ -200 Oe đến 200 Oe. Hình 2.9. Thiết bị từ kế mẫu rung VSM Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị VSM 2.2.2. Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu ở đây được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi điện thế lối ra (hoặc điện trở) cảm biến dưới tác dụng của 26 từ trường. Chúng ta sẽ dùng phương pháp 4 mũi dò để đo từ trở của các màng mỏng chế tạo cảm biến. Phương pháp đo điện trở bằng 4 mũi dò là một phương pháp chính xác, thuận tiện. Phương pháp này có thể được sử dụng để đo cả vật liệu dạng khối lẫn dạng mỏng. 2.11minh họa sơ đồ bố trí bốn mũi dò. Các mũi dò được bố trí cách đều nhau một khoảng cách s trên một đường th ng dọc theo theo chiều dài hình học của mẫu. Các mũi dò được làm bằng kim loại mạ vàng, đầu tiếp xúc với về mặt mẫu có hình chỏm cầu đảm bảo tiếp xúc với mẫu là tiếp xúc điểm. phía còn lại của mũi dò đều được thiết kế với một lò xo đàn hồi để đảm bảo các mũi dò tiếp xúc chặt với mẫu nhưng không phá hủy bề mặt mẫu. Hình 2.11.Sơ đồ bố trí bốn mũi dò Hiệu ứng từ điện trở của cảm biến được nghiên cứu trong khóa luận nhờ vào hệ đo được bố trí như trên hình 2.12: 27 Hình 2.12. Sơ đồ khối của hệ đo từ điện trở  4 chân được nối với cảm biến: hai chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một chiều (DC Curent Source). Hai chân còn lại để lấy thế lối ra và được đo bằng máy Keithley 2000.  Nam châm điện tạo từ trường một chiều lên tới 1T.  Bộ phận đo từ trường là một Gausmeter với đầu đo từ trường sử dụng biến tử Hall. Tín hiệu lối ra của Gausmeter được đưa vào đồng hồ vạn năng Keithley 2000.  Tín hiệu lối ra của Keithley được truyền sang máy tính điện tử thông qua Card IEEE-488. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu của hệ đo được thực hiện dưới sự điều khiển tự động của chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Mathlab. Kết quả phép đo được hiển thị ra màn hình dưới dạng đồ thịtrục tung là hiệu điện thế lối ra của cảm biến U (mV) và trục hoành là từ trường ngoài (T) và được ghi trên đĩa cứng máy tính ở dạng tệp số liệu. Để thực hiện phép đo từ - điện trở, ban đầu chúng tôi đưa cảm biến vào hốc cảm biến bằng meca (được chế tạo bằng máy cắt laser như đã được trình bày mục 2.1.2) và hàn dây, gắn điện cực cho cảm biến. 28 Kết luận Như vậy trongchương này đã nêu ra các phương pháp thực nghiệm chế tạo màng bằng phương pháp phún xạ, quy trình chế tạo linh kiện, mặt nạ cảm biến bằng máy laser. Các thông số trong quá trình chế tạo màng và linh kiện, mặt nạ cũng được đưa ra trong phần này. Ngoài ra các thiết bị và phương pháp khảo sát tính chất vật lý của mẫu đã được đưa ra bao gồm hệ đo tính chất từ (VSM) và hệ đo 4 mũi dò khảo sát tính chất từ - điện trở. 29 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm biến Sau khi lựa chọn vật liệu chế tạo cảm biến là NiFe, chúng tôi khảo sát tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm biến thông qua phép khảo sát 4 mũi dò như hình 3.2 Hình 3.1. Mô hình phép khảo sát 4 mũi dò trên màng mỏng Quan sát hình 3.2 ta thấy đường đi và đường về không hoàn toàn trùng khít lên nhau, đây là do hiện tượng từ trễ trong vật liệu sắt từ. Màng mỏng có sự thay đổi điện áp U = 0,3 mV, giá trị này rất nhỏ do giá trị điện trở của mảng mỏng nhỏ. Ngoài ra do ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài, đặc biệt là nhiễu nhiệt mà màng mỏng có tín hiệu nhiễu nền lớn. Do đó, để hạn chế nhiễu nền, chúng tôi lựa chọn cấu hình mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cho cảm biến. Hình 3.2. Sự thay đổi điện áp của màng mỏng theo từ trường với I = 5mA trong dải từ -50 50 Oe. 30 3.2. Khảo sát tính chất từ của cảm biến Quá trình khảo sát tính chất từ và đường cong từ hóa của cảm biến được thực hiện nhờ thiết bị từ kế mẫu rung VSM. Hình 3.3là đường cong từ hóa của cảm biến cầu tròn đường kính d = 3 mm khi khảo sát tính chất từtheohai phương: 1. Từ trường ngoài (H) song song với phương ghim (phương từ hóa dễ). 2. Từ trường ngoài vuông góc với phương từ hóa dễ. 3. Qua đường cong ta nhận thấy rõ được sự khác biệt về dị hướng theo phương ghim của cảm biến. Đường cong từ hóa theo phương vuông góc với phương ghim có sự thay đổi dần dần theo từ trường ngoài và đạt giá trị bão hòa tại từ trường lớn = 20 Oe. Điều này là do quá trình quay moment từ theo phương của từ trường ngoài trong trường hợp vuông góc là khó. Trong khi đó, theo phương song song với phương ghim có sự đảo từ rất rõ nét thông qua sự thay đổi đột ngột và dễ dàng đạt giá trị bão hòa. Đó là do các moment từ trong lòng vật liệu lúc đầu đã được định hướng gần với phương từ trường ngoài (do quá trình ghim với từ trường cao trong khi phún xạ, chế tạo màng) nên chỉ cần với từ trường nhỏ cũng đủ để định hướng các moment từ theo hướng từ trường ngoài. 4. Ngoài ra chúng ta còn thấy được cảm biến có lực kháng từ nhỏ ( = 5 Oe), do đó thể hiện được tính từ mềm, điều này rất quan trọng vì tính từ mềm sẽ trông đợi được độ nhạy của cảm biến lớn trong vùng từ trường nhỏ. 31 Hình 3.3. Đường cong tỉ đối M/ theo lần lượt a) phương song song và b) vuông góc với trục từ hóa dễ Bảng 3.1. Thông số trong đường cong tỉ đối M/ theo phương song song và vuông góc với trục dễ Cảm biến cầu tròn d =3 mm Chiều dày màng 5nm 12 4 20 32 5 3.3. Kết quả chế tạo cảm biến Khảo sát tính chất từ - điện trở của mạch cầu Wheatstone dạng tròn đƣờng kính d = 3mm. Hiệu ứng từ - điện trở của cảm biến được nghiên cứu ở đây khảo sát thông qua phép đo sự thay đổi điện áp lối ra theo từ trường ngoài sử dụng hệ đo từ điện trở như đã được trình bày. Trong quá trình đo, cảm biến được cấp dòng một chiều có cường độ lần lượt là 1,3,5 và 10 mA. Từ trường ngoài tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim của cảm biến hình 3.4. Hình 3.4. Mô hình lấy tín hiệu của cảm biến Đường cong của với dòng cấp là 1 mA thể hiện sự thay đổi điện áp lối ra theo từ trường ngoài trong dải -80 Oe ngoài khoảng từ -60 80 Oe(hình 3.5).Từ đồ thị ta thấy ở 60 Oe thì tín hiệu lối ra của cảm biến gần như không thay đổi (vùng bão hòa). Đó là do trong vùng từ trường này xảy ra quá trình bão hòa từ độ của màng mỏng từ dùng trong chế tạo cảm biến (các moment từ đều quay về cùng một hướng và giữ ổn định trạng thái đó). Khi đó góc giữa phương từ độ và dòng cấp cho cảm biến không bị ảnh hưởng của từ trường ngoài dẫn đến điện trở lối ra cảm biến không thay đổi (bão hòa). Khi giảm từ trường về thì các moment từ có xu hướng quay về vị trí ban đầu (theo phương ghim nhân tạo) nên dẫn tới sự thay đổi về góc giữa từ độ M và phương của dòng cấp I. Điều này dẫn tới một sự thay đổi điện trở của từng phần tử cấu thành mạch cầu. Từ đó làm thay đổi của điện áp lối ra.Mặc khác trên đường cong tín hiệu, ta thấy đường đi và đường về không hoàn toàn trùng khít với nhau, đó là do hiện tượng từ trễ, hiện tượng này đã được mô tả trong đường cong từ hóa ởhình 3.3. Sự phụ thuộc của điện áp lối ra trong vùng từ trường 33 10 -20 Oe của cảm biến(vùng được khoanh đỏ ở hình 3.5), đây là vùng từ trường mà cảm biến có sự biến thiên lối ra điện áp lối ra mạnh nhất, qua đó chúng tôi khảo sát được độ nhạy của cảm biến trong vùng này. Hình 3.5. Sự thay đổi điện áp của cảm biến theo từ trường với I = 1mA trong dải -80 80 Oe. Dựa vào hình 3.5, ta nhận thấy cảm biến có sự thay đổi điện áp V = 0,25 mV tương ứng với độ nhạy từ trường S = 0,015 (mV/Oe) (trong vùng khoanh đỏ). Ngoài ra, với các giá trị nguồn dòng lần lượt là I = 3, 5, 10 mA ta có các đồ thị sau: Hình 3.6. Sự thay đổi điện áp lối ra của cảm biến theo từ trường với các giá trị của I:1mA, 3mA, 5mA, 10 mA 34 Từ hình vẽ trên, ta thấy khi dòng cấp I được tăng dần thì giá trị ∆U(mV) cũng tăng tỉ lệ (bảng 3.2) Bảng 3.2. Sự phụ thuộc của U theo dòng cấp Độ nhạy (mV/Oe) Dòng cấp I (mA) U (mV) 1 0,25 0,08 3 0,75 0,11 5 1,25 0,13 10 2,5 0,18 Như vậy với dòng cấp từ 1 10 mA thì cảm biến vẫn hoạt động ổn định dựa trên các tín hiệu lối. Điều này kh ng định sự cân bằng trong mạch cầu (giảm được nhiễu nhiệt và các nhiễu khác trong môi trường), độ nhạy trong dải tuyến tính cũng tăng dần từ 0,08 ÷ 0,18 mV/Oe. Trên hình 3.7 biễu diễn sự phụ thuộc thế lối ra của cảm biến tại từ trường H = - 20 Oe, khi dòng cấp một chiều (I) cho cảm biến thay đổi từ 1 10 mA. Ta có đường phụ thuộc tuyến tính của thế lối ra vào dòng cấp. Hình 3.7. Đường phụ thuộc của thế lối ra vào dòng cấp tại từ trường H = -20 Oe. 35 Sư phụ thuộc tuyến tính này có thể suy luận từ lý thuyết. Theo công thức tín hiệu lối ra của sensor phụ thuộc vào dòng điện: V  V V  cos(2 ) 2 2 V = ΔV cos2(θ) = I R cos2(θ) Nếu giả thiết điện trở (R) không thay đổi trong khoảng dòng khảo sát, thì rõ ràng, thế lối ra (V) của sensor là hàm bậc nhất của cường độ dòng cấp. Kết quả này cho chúng ta một cái nhìn trực quan hơn về mạch cầu Wheatstone có tín hiệu lối ra ít bị ảnh hưởng của nhiễu nhiệt. Điều này tạo ra cơ sở thực tế để lựa chọn chế độ cấp dòng nếu các cảm biến này được ứng dụng. Cảm biến chế tạo được có độ nhạy lớn nhất 0,18 mV/Oe, giá trị này tuy còn nhỏ so với hiệu ứng AMR trên mạch cầu Wheatstone đã công bố trên thế giới và nhỏ hơn so với cảm biến cấu trúc dài nhưng so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu trúc phức tạp như Hall, van-spin thì tín hiệu lớn hơn rất nhiều. 36 KẾT LUẬN Trong quá trình nghiên cứu chúng tôi đã tìm hiểu được một cách tổng quan về nguyên lý, lý thuyết các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ và hiệu ứng từ - điện trở. Để các cảm biến có thế đượcứng dụng cần phải hạn chế tối đa sai do nhiễu của cảm biến để có thể chu n đoán được chính xác. Chúng tôi đã chế tạo được cảm biến mạch cầu Wheatstone dạng tròn đường kính d = 3mm, dày 5nm để khử nhiễu và đã đo được tín hiệu lớn với độ nhạy của cảm biến là 0,18mV/Oe. Tín hiệu cảm biến này nhỏ hơn so với hiệu ứng AMR trên mạch cầu Wheatstone đã công bố trên thế giới nhưng so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu trúc phức tạp như Hall, van-spin thì tín hiệu lớn hơn rất nhiều. 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Lê Đức Anh (2009), Ảnh hưởng của trường tương tác lên độ nhạy của cảm biến Hall phẳng,khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. 2. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, NXB DHQG Hà Nội. 3. Nguyễn Năng Định (2005), Vật lý kĩ thuật màng mỏng, NXB DHQG Hà Nội. 4. Cao Xuân Hữu (2013), “Cảm biến sinh học sử dụng hạt nano từ”, Tạp chí khoa học và công nghệ Việt Nam, tr. 50 – 54. 5. Bùi Đình Tú (2014), Chế tạo và nghiên cứu một số cấu trúc spin điện tử micro - nano ứng dụng trong chip sinh học, luận án tiến sĩ, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. 6. Đồng Quốc Việt (2013), Ứng dụng công nghệ micro – nano chế tạo tổ hợp cảm biến từ, luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. 7.Tạp chí www.hoahocngaynay.com (2010), Cảm biến sinh học. Tiếng Anh 8. Dieny, V.S.Speriosu, S. Metin, S. S. P. Parkin, B. A. Gurney, P. Baumgart, and D. R. Wilhoit (1991), “Magnetontransport properties of magnetically soft spin-valve (invited)”, J. Appl. Phys. (69), 4774. 9. Robert C. O’Handley (2000), Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, John Wiley & Sons. 10. JaniceNickel (1995), Magnetoresistance Overview, Hewlett-Packard Laboratories, Technical Publications Department. 38 11. Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect (2007), Applied Physics Letters 123513. 12.web.archive.org/web/20081120231756/http://www.nae.edu/NAE/awa rdscom.nsf/weblinks/NAEW-69KRPQ 39 [...]... cho cảm biến Kết luận : Trong chương này chúng tôi đã trình bày một cách tổng quát về lý thuyết, nguyên lý hoạt động của một số loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ và từ điện Lựa chọn cấu hình cảm biến và lựa chọn vật liệu để chế tạo cảm biến Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR được lựa chọn để nghiên cứu của khóa luận này 16 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1.Phƣơng pháp chế tạo cảm. .. đồ mạch điện trở tương ứng cho cấu trúc spinvalve trong trường hợp các lớp sắt từ song song và phản song song Hình 1.4 Cảm biến cấu trúc van-spin phát hiện hạt từ Hiệu ứng GMR trên các vật liệu có cấu trúc spin-valve được ứng dụng rất rộng rãi trong ngành công nghiệp như chế tạo ổ cứng máy tính … 7 1.3 Cảm biến từ điện trở xuyên ngầm Hình1.5 Sơ đồ hoạt động của cảm biến TMR phát hiện hạt từ Cảm biến. ..CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các loại cảm biến đo từ trƣờng phổ biến 1.1.1 .Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall Cảm biến Hall có thể đo được cả từ trường một chiều DC và từ trường xoay chiều AC trong dải tần số lên đến 30kHz Ngoài việc đo từ trường, cảm biến Hall còn được phát triển thành các cảm biến đo vị trí, đo góc, đo vận tốc và đo tốc độ quay Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall Hiệu ứng... phƣơng pháp chế tạo mặt nạ cho cảm biến Tạo hình cho cảm biến ta sử dụng mặt nạ là hình dạng mà cảm biến sẽ được chế tạo. Để chế tạo mặt nạ cho cảm biến dạng cầu điện trở hiện nay có rất nhiều phương pháp.Tuy nhiên với quy mô phòng thí nghiệm và trên cơ sở các thiết bị sẵn có, chúng tôi sử dụng máy cắt laser tạo mặt nạ Mặt nạ được làm bằng băng dính chân không và hốc chứa cảm biến làm bằng thủy tinh hữu... 2,2 30 30 15 24 Hình 2.8 Cảm biến đã được đóng gói 2.2 Các phƣơng pháp khảo sát tính chất cảm biến 2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến Từ kế mẫu rung là thiết bị quan trọng và phổ biến cho các phép đo từ tổng cộng M của một mẫu vật liệu từ trong từ trường ngoài Từ kế mẫu rung hoạt động trên nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ Sự biến thiên từ thông 𝛥 qua cuộn dây cảm ứng gây bởi sự dịch... trong chất sắt từ có các miền từ hóa tự nhiên (đô-men) Mô-men của các nguyên tử trong từ đô-men nằm song song và cùng chiều tạo ra véc tơ từ độ từ hóa của từng đô-men khá lớn.Tuy nhiên, khi không có từ trường ngoài, các véc tơ từ độ của đô-men định hướng hỗn loạn nên véc tơ từ độ tổng cộng của mẫu bằng không Khi có từ trường ngoài tác dụng theo một phương 9 nào đó, véc tơ từ độ từ hóa các đô-men một... cảm biến là thủy tinh hữu cơ 19 a) b) Hình 2.3 Mặt nạ dùng để chế tạo cảm biến dạng tròn mạch cầu Wheatstone đường kính d = 3mm a) mặt nạ điện trở b)mặt nạ điện cực 2.1.3 Phún xạ tạo màng Thiết bị phún xạ catot Hiện nay có rất nhiều phươngpháp được sử dụng để chế tạo màng mỏng như bốc bay nhiệt, bốc bay laze xung.Trong khóa luận này, phương pháp phún xạ được sử dụng để chế tạo màng và cảm biến mạch cầu. .. Từ công thức ta thấy sự thay đổi điện trở của hai nhánh liền kề trong mạch cầu tự triệt tiêu nhau nên mạch cầu có thể dùng làm mạch ổn định nhiệt độ và chế tạo các thiết kế đặc biệt khác Mạch cầu Wheatstone được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong các mạch điện tử như: dùng để đo trở kháng, điện cảm, điện dung trong mạch xoay chiều (AC) Trong một số bộ điều khiển động cơ, mạch. .. này các cảm biến được ứng dụng trong từ trường thấp, do đó các khảo sát tính chất từ của cảm biến được đo trong vùng từ trường từ -200 Oe đến 200 Oe Hình 2.9 Thiết bị từ kế mẫu rung VSM Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị VSM 2.2.2 Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu ở đây được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi điện thế lối ra (hoặc điện trở) cảm biến. .. có tác dụng của từ trường ngoài Ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào như hình Hình 1.7 Giá trị điện trở phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hóa 1.4.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone Hình1.8 Sơ đồ của mạch cầu Wheatstone 11 Mạch cầu Wheatstone là mạch điện được sử dụng để đo một điện trở chưa xác định bằng cách so sánh hai nhánh của một mạch cầu, trong đó một nhánh chứa thành ... với việc nghiên cứu khoa học, chọn đề tài Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ dựa mạch cầu Wheatstone có cấu trúc nhánh tròn Mục đích nghiên cứu - Chế tạo cảm biến dạng mạch cầu tròn dựa hiệu ứng... Khảo sát tính chất từ, từ iện trở cảm biến Đối tƣợng nghiên cứu Cảm biến mạch cầu tròn dựa hiệu ứng AMR Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp thực nghiệm: - Chế tạo cảm biến với vật liệu... động số loại cảm biến dựa hiệu ứng từ từ điện Lựa chọn cấu hình cảm biến lựa chọn vật liệu để chế tạo cảm biến Cảm biến dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR lựa chọn để nghiên cứu khóa luận