Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo cảm biến từ dựa trên mạch cầu wheatstone có cấu trúc các nhánh tròn

Lý do chọn đề tài Hiệu úng 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

K H O Á LUẬN T Ố T N G H IỆ P ĐẠI H Ọ C

Người hướng dẫn khoa học:

ThS Lê Khắc Quynh

L Ờ I CĂ M ƠNLời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Lê Khắc Ọuynh, 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 nhũng kiến thức chuyên sâu, cũng như kĩ năng thực hành, thực nghiệm trong suốt bốn năm học qua

Cuối cùng, em xin gửi nhũng lời tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình và bạn bè

đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ, động viên em vưọt qua khó khăn, hoàn thành khóa luận một cách tốt đẹp

Sinh Viên

Đặng Thị Thuỳ

L Ờ I CA M ĐOANTôi xin cam đoan những kết quả nghiên cún khoa học trong khoá luận là hoàn toàn trung thực và chưa tùng 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, ĐÒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ minh hoạ hiệu úng điện từ thuận và ngược trên các vật

liệu multiferoics kiểu từ giảo/ áp đ iệ n 5

Hình 1.2 Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ được biếu diễn bằng tỉ số R/R (H=0) của các màng mỏng đa lóp {Fe/Cr} 6

Hình 1.3 a) Trạng thái điện trở cao và b) trạng thái điện trở thấp của GM R 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 A M R 10

Hình 1.7 Giá trị điện trở phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hó a 11

Hình 1.8 Sơ đồ của mạch cầu W heatstone 11

Hình 2.1 Buồng xử lý mẫu 18

Hình 2.2.Máy cắt lase r 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 c ự c 20

Hình 2.4 Nguyên lý tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ c a to t 21

Hình 2.5 Thiết bị phún xạ catot 23

Hình 2.6 Mặt nạ tạo màng điện t r ở 23

Hình 2.7 Mặt nạ tạo điện c ự c 24

Hình 2.8 Cảm biến đã được đóng g ó i 25

Hình 2.9 Thiết bị từ kế mẫu rung V S M 26

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị V S M 26

Hình 2.11 Sơ đồ bố trí bốn mũi dò 27

Hình 2.12 Sơ đồ khối của hệ đo từ điện tr ở 28

Hình 3.1 Mô hình phép khảo sát 4 mũi dò trên màng m ỏ n g 30

Hình 3.2 Sự thay đổi điện áp của màng mỏng theo từ trường với I = 5mA

trong dải từ -50 H- 50 Oe 30Hình 3.3 Đường cong tỉ đối M/Ms theo lần lượt a) phương song song và b)

vuông góc với trục từ hóa d ễ 32Hình 3.4 Mô hình lấy tín hiệu của cảm b iến 33Hình 3.5 Sự thay đổi điện áp của cảm biến theo từ trường với I = lm A

trong dải -80 -r- 80 Oe 34Hình 3.6 Sự thay đổi điện áp lối ra của cảm biến theo từ trường với I

= lmA (a) 3mA,(b) 5mA,(c) 10 m A 34Hình 3.7 Đường phụ thuộc của thế lối ra vào dòng cấp tại từ trường H = -

20 Oe 35

DANH M ỤC CÁ C BĂNG BIỂUBảng 2.1 Thông số cắt mặt nạ của máy laser 19Bảng 2.2 Thông số quá trình phún xạ điện trở 24Bảng 2.3 Thông số phún xạ điện cự c 24Bảng 3.1 Thông số trong đường cong tỉ đối M/Ms theo phương song song

và vuông góc với trục d ễ 32Bảng 3.2 Sự phụ thuộc của AU theo dòng cấp 35

MỤC LỤC

M Ở Đ Ằ U 1

1 Lý do chọn đề t à i 1

CHƯƠNG 1: TỒNG QU A N 3

1.1 Các loại cảm biến đo từ trưò’ng phổ biến 3

1.1.1 Cảm biến dựa trên hiệu ứng H a ll 3

1.1.2 Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - đ i ệ n 4

1.2 Cảm biến từ điện trở khổng l ồ 5

1.3 Cảm biến từ điện trở xuyên n g ầ m 8

1.4 Cảm biến từ điện trở dị h ư ớ n g 8

1.4.1 Hiệu ứng từ điện trở dị h ư ớ n g 8

1.5 Nhiễu cảm b i ế n 14

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỤC N G H IỆ M 17

2.1 Phương pháp chế tạo cảm b iế n 17

2.1.1 Xử lý bề mặt m ẫ u 17

2.1.2 Các phương pháp chế tạo mặt nạ cho cảm b iế n 18

2.1.3 Phún xạ tạo m àn g 20

Thiết bị phún xạ c atot 20

2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất cảm biến 25

2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm b i ế n 25

2.2.2 Khảo sát tính chất từ điện trở cảm b i ế n 26

Kết lu ậ n 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO L U Ậ N 30

3.1 Nghiên cứu tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm b iế n 30

3.2 Khảo sát tính chất từ của cảm b iế n 31

3.3 Kết quả chế tạo cảm b iế n 33

Khảo sát tính chất từ - điện trở của mạch cầu W heatstone dạng tròn đường kính

d = 3mm 33

KÉT L U Ậ N 37 TÀI LIỆU THAM K H Ả O 38

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiệu úng 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 tù’ 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 nhung lại có cấu trúc dạng màng đa lớp khá phức tạp như cảm biến dựa trên hiệu úng spin-van, T M R Việc tối ưu hóa kích thước, đon 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 cún 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 Ni8()Fe20 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 cún khoa học, tôi chọn đề tài “Nghiên cún chế tạo cảm biến từ dựa trên mạch cầu Wheatstone có cấu trúc các nhánh tròn”

3 Đối tượng nghiên cứu

Cảm biến mạch cầu tròn dựa trên hiệu úng AMR

4 Phương pháp nghiên cún

Sử dụng phương pháp thực nghiệm:

- Chế tạo cảm biến với vật liệu N i8()Fe2()

- Khảo sát tính chất với cảm biến đã chế tạo

5.NỘÌ dung khóa luận

Đe tài gồm 3 chương :

C h ư o n g 1: Trình bày tổng quan về cảm biến từ và hiệu ứng từ điện trở

C hư ơ ng 2: Trình bày các phương pháp, quy trình chế tạo cảm biến mạch cầu W heatstone dạng tròn

C h ư o n g 3: Trình bày kết quả và thảo luận từ đó rút ra kết luận

2

CHƯƠNG 1: TÖNG QUAN

1.1 Các ỉoại cảm biến đo từ trường phổ biến

l.l.l.C ả m biến dựa trên hiệu ửng Hall

Cảm bien Hall có thế đo được cả từ trường một chiều DC và tù’ trường xoay chiều AC trong dải tần số lên đến 30kHz Ngoài việc đo từ trường, cảm bien Hall còn được phát triển thành các cảm biến đo vị trí, đo góc, đo vận tốc

và đo tốc độ quay

Cảm bien Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall Hiệu úng này được phát hiện vào năm 1879 do giáo sư Edwin Hall khi ông đang làm việc tại đại học Jonhs Hopkins ở Baltimore, M aryland 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:

Trong đó:

q : Điện tích của điện tử (q = 1.6 X 10‘19c )

V \ Tốc độ chuyển động của electron.

B : Cảm ứng từ.

E : Là điện trường Hall.

Dưới tác dụng của lực Lorent các điện tích sẽ chuyển động theo haihướng ngược nhau về hai mặt của vật dẫn và tạo ra ở hai mặt đối diện của vậtdẫn các điện tích trái dấu làm xuất hiện một điện trường Hall E H hướng vuông

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 trù' 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, the Hall được cho bởi công thức:

V I = ^ - 1 3

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 Cám biến dựa trên hiệu ứng từ - điện

Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cún một loại cảm biến đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu Metglas/PZT dạng tấm Nhũng 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 tù’ 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 1CT5 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 đon pha Cr20 3 Sự phân cực cảm ứng bởi từ trường của Cr20 3 được quan sát lần đầu tiên vào năm

1960 bởi Astrov Hiệu úng điện - từ thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện Hiệu úng 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 úng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (AP) 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 (AM) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E).

Hình 1.1: Sơ đổ minh họa hiệu ứng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu

Hiệu úng 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 chung

bởi hệ số từ điện: O 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 cún và khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại đây Đe 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 úng 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

trở cao khi không có từ trường ngoài tác dụng sang trạng thái điện trở thấp khi có từ trường ngoài tác dụng vào c ấ u trúc của một GMR chuẩn bao gồm 3 lóp vật liệu (Lóp sắt từ (FM)/Lóp phi từ (NM)/Lớp sắt từ (FM)) Ở 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 lóp sắt từ định hướng phản song song với nhau Ở 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

Từ trirdmg (kC)

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 ỉ.3.a) Trạng thải điện trở cao và b) trạng thải điện trở thấp của GMR

Spin - valve G M R : 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 m ômen từ trong lớp này

và do đó, điện trở suất sẽ nhỏ hơn N gược 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 spin- valve trong trường hợp các lớp sắt từ song song và phản song song.

Hình ì 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 0 cứng máy t í n h

1.3 Cảm biến từ điện trơ xuyên ngầm

Hình 1.5 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/ lóp 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 lóp 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 n h ấ t

1.4 Cảm biến từ điện trở dị hướng

1.4.1 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng

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 M R từ sự kết hợp cặp spin

-q u ỹ đạo giữa các điện tử và các mô-men từ của các nguyên tủ’ mạng.Thông thường MR được định nghĩa bằng tỉ số :

M R = — = P W - P W = * ( 0 ) - * Ơ O n 3 )

Với p (0 ), p(H ), R (0), R(H ) lần lượt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn

khi không có từ trường ngoài và có tù’ trường đặt vào

Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR - Anisotropic Magneto resistance) cũng bắt nguồn từ kết cặp spin - quỹ đạo, nhung 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 thế, phụ thuộc vào cấu trúc đô-men của vật liệu sắt từ v ề 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 đon giản như sau : Neu 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 phẳng 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 chuyến 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

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 Ket quả là từ trường tổng họp 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 trục 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

Đe 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 Ms , 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 ỡ - góc giữa chiều

• z? là độ rộng của màng mỏng

• d là độ dày của màng mỏng

• R0p và p 0n là điện trở và điện trở suất khi vectơ từ độ vuông góc

với trục từ hóa dễ

• AR và Ap 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 6 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

B

Hình ỉ 8 Sơ đồ của mạch cầu Wheatstone

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, c ấ u trúc của một mạch cầu

Wheastone bao gồm bốn điện trở Rlf R2, R3, R4 được mắc song song với

nhau Một điện kế rất nhạy G đo thế mạch ra Nguồn điện một chiều được sửdụng cấp vào 2 điểm A, c tạo ra dòng điện trong mạch và điện kế G đo chênhlệch điện thế lối ra giữa 2 điểm B,D của cầu

Khi ta cấp một điện thế vin vào trong mạch thì ta có :

hướng trên các điện trở nên sẽ thay đổi điện trở thành phần của mạch (ARị)

Sự biến đổi này dẫn tới sự thay đổi điện thế lối ra :

Y _ | _ Ạ Y _ ( i ^ 1 + A J R 1 ) ( j [? 3 + A j [? 3 ) - ( j [? 2 + A ^ 2 ) ( ^ 4 + ^ ^ 4 ) Y

G (/?! + A R ± + R 2 + A R 2) ( R 3 + A R 3 + /?4 + A/?4 ) i n

(1.10)Trong trường hợp lý tưởng,nếu mạch ban đầu cân bằng, điện thế lối ra sẽ được biểu diễn như sau:

12

Với các ưa điểm nêu ở trên và để phù họp 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 N i80Fe20 là vật liệu từ mềm (Hc = 3 -i- 5 Oe), vật liệu này rất thích họp đế chế tạo cảm

biến có độ nhạy cao trong vùng từ trường thấp Mạch cầu điện trở W heatstone

gồm 4 điện trở bằng nhau nhung 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 Đe 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 l/f, nhiễu nhiệt và nhiễu lượng tử, được xác định bởi:

Với AVy là biên độ nhiễu, A/ là dải thông tần số, nc là hạt tải mang điện,

f là tần số đo, kB là hang so 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 A/ , độ lớn của nhiễu nhiệt:

Trong đó :

- T là nhiệt độ tuyệt đối (K).

- R dclà nhiệt độ của cảm biến (trong dòng DC)

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 họp, nó còn được thể hiện dưới dạng nhiễu dòng nguồn phát của cường độ:

chiều Mật độ năng lượng biến thiên tỉ lệ nghịch với tần số l/f Dòng nhiễu lf

trên căn bậc 2 của dải thông được thể hiện như sau :