Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng cấu trúc tanife(10nm)ta

TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LY LƯU THỊ LAN ANH NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE DựA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG CẤU TRÚC Ta/NiFe(10nm)/Ta Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC • • • • Người hưótig dẫn khoa học: TS BÙI ĐÌNH TỦ HÀ NỘI - 2015 Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS BÙI ĐÌNH TÚ, người thầy hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian em làm khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, tập thể thầy cô, anh chị làm việc nghiên cứu phòng thí nghiệm micro - nano trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN giúp LỜIđược CAM đỡ tạo điều kiện suốt thời gian em họcĐOAN tập nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè, gia đình bạn bè nguồn cổ vũ to lớn suốt thời gian học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Sinh viên Lun Thị Lan Anh Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu khoa học khóa luận hoàn toàn trung thực chưa công bố nơi khác Mọi nguồn tài liệu tham khảo trích dẫn cách rõ ràng Hà Nội, ngày tháng Sinh viên Lun Thị Lan Anh năm 2015 LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ (a) MỞ ĐẦU Lí chọn đề tàỉ Trên giới có nhiều loại sensor khác ứng dụng để đo phát từ trường, chủ yếu sensor dựa hiệu ứng quang từ cảm biến SQUID (giao thoa lượng tử siêu dẫn), sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa từ điện trở dị hướng, Flux-Gate liệt kê bảng [7] Bảng 1.1: Các loại DETECTABLE FIELD sensor đo từ trường dải đo chủng Magnetic Sensor Technology RANGE (gauss)* 10'8 10-* 10° 104 108 SQUID FIBER-OPTIC OPTICALLY PUMPED NUCLEAR PRECESSION SEARCH-COIL ANISOTROPIC MAGNETORESISTIVE FLUX GATE MAGNETOTRANSISTOR MAGNETODIODE MAGETOOPTICAL SENSOR GIANT MAGNETORESISTIVE HALLEFFECT SENSOR EARTH’S FIELD ƯU điểm sensor quang đáp ứng nhanh, độ xác cao công nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng bị ảnh hưởng môi trường thời tiết[5] Với mục tiêu chế tạo cảm biến đo từ trường thấp giảm thiểu ảnh hưởng loại nhiễu đặc biệt nhiễu nhiệt, tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa quy trình công nghệ, giảm chi phí sản xuất, lựa chọn thiết kế cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone hoạt động dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) Với thiết kế dạng mạch cầu Wheatstone này, ảnh hưởng nhiễu nhiệt lên tín hiệu cảm biến giảm tối đa tăng cường độ nhạy cảm biến Trong khóa luận này, vật liệu lựa chọn để chế tạo cho điện trở cảm biến Ni 80Fe2o - vật liệu từ mềm có lựckháng từ H c nhỏ, độ từ thẩm cao phù họp để chế tạo cảm biến có độ nhạy cao ổn định dải từ trường thấp Vì khả đo từ trường Trái đất, cảm biến kì vọng phát triển ứng dụng lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân sự, phương tiện giao thông, Với định hướng đó, chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng cấu trúc Ta/NỈFe(10nm)/Ta ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu khóa luận - Chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng AMR kích thước X 0,45 mm, bề dày màng 10 nm - Khảo sát tính chất từ, từ điện trở cảm biến Đối tượng nghiên cún - Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone dựa hiệu ứng AMR Phương pháp nghiên cún Sử dụng phương pháp thực nghiệm - Chế tạo cảm biến với vật liệu NÌ8oFe2o - Khảo sát tính chất cảm biến chế tạo Nội dung khóa luận bao gồm Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THựC NGHIỆM Chương 3: THựC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN 1.1 Hiệu ứng từ điện trở Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance - MR) thay đổi điện trở vật dẫn tác động từ trường, xác định công thức: MR= A p / p = [ p ( ) - p ( H ) ] / p ( ) = [R(0)-R(H)]/R(0) 1.1.1 (1.1) Hiệu ứng từ trở dị hướng AMR Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR - Anisotropic magnetoresistance) xảy kim loại từ tính, tượng thay đổi điện trở tác dụng từ trường lực Lorentz tác dụng lên hạt tải điện, thay đổi điện trở phụ thuộc vào góc vector từ độ chiều dòng điện[l] Nguồn gốc vật lý hiệu ứng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo Các đám mây điện tử bao quanh hạt nhân, đám mây thay đổi hình dạng phụ thuộc vào định hướng momen từ biến dạng đám mây điện tử làm thay đổi lượng tán xạ điện tử dẫn qua mạng tinh thể Điện trở nhỏ Điện trở lớn Từ trường —^ Hình 1.1: Nguồn gốc vật lý AMR Ta giải thích phụ thuộc điện trở vật dẫn vào định hướng momen từ với chiều dòng điện sau: Neu từ trường định hướng vuông góc với chiều dòng điện quỹ đạo chuyển động điện tử nằm mặt phang dòng điện tồn mặt cắt nhỏ tán xạ điện tử, dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ Ngược lại, từ trường áp vào song song với chiều dòng điện, mặt cắt tán xạ điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao (xem hình 1.1) Trong thực tế, sensor từ trở dị hướng thường chế tạo dạng màng mỏng cho màng tồn hai phương từ hóa: phương dễ phương khó Phương dễ từ hoá phương mà từ hoá đạt đến trạng thái bão hoà dễ dàng (bão hoà từ trường thấp) Phương khó từ hóa phương mà từ hóa khó đạt đến trạng thái bão hoà (bão hoà từ trường cao)[2] Ap/p Hình 1.2: Sự thay đối điện trở suất tác động từ trường Lý thuyết hiệu ứng từ trở dị hướng AMR màng mỏng vật liệu sắt từ phức tạp Đe đơn giản, ta giả định rang, vector từ hóa màng sắt từ ban đầu trạng thái bão hòa M s, có tác động từ trường làm thay đổi hướng vector từ hóa Ngoài ra, ta xét hiệu ứng AMR hai khía cạnh đơn giản, mối quan hệ điện trở hướng vector từ độ (vector từ hóa) mối quan hệ hướng vector từ độ từ trường ngoài.Điện trở màng mỏng xác định thông qua góc - góc chiều dòng điện vector từ độ: R(6) = pữn -Ị— + Ap^-cosỡ = Rữ + Aflcos2 e ' bd ba A R r ^ ^ A/? _A R = ^o,p + [C0S(2Ỡ) + = R 0,p + ~Y~+ Trong đó: C0S( ) + p0 n Ap số vật liệu + l độ dài màng mỏng +b độ rộng màng mỏng +d độ dày màng mỏng + R(ì điện trở vector từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa + AR độ thay đổi điện trở lớn Từ (1.2) ta có đồ thị biểu diễn tácđộng từ trường phụthuộc R hình 1.3 *m Hình 1.3: Giả trị điện trở phụ thuộc vào góc dòng điện hướng vector từ hóa 1.1.2 Hiệu ứng Hall phẳng Bản chất hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall effect) tương tự hiệu ứng AMR tín hiệu lối phụ thuộc vào góc từ độ dòng qua cảm biến Dựa vào tán xạ điện tử theo phương từ độ lớp sắt từ, cho dòng điện I chạy qua cảm biến theo hướng X, điện tử bị tán xạ theo hướng từ độ M tạo điện trường E theo hướng từ độ M Điện trường E tạo hiệu điện V theo hướng y vuông góc với dòng điện (hình 1.4) Hình 1.4: Mô hình hiệu ứng Hall phắng Ở ta cần ý đến khác hiệu ứng Hall thường, hiệu ứng Hall dị hướng hiệu ứng Hall phang Neu hiệu ứng Hall thường dị thường từ trường vuông góc với mặt phang mẫu hiệu ứng Hall phang từ trường phải đặt song song với mặt phang mẫu (hình 1.5) Classic Hall Hình 1.5: Sơ đồ minh họa khác hiệu ứng Halỉ thường hiệu ứng Hall phang Sở dĩ có khác hiệu ứng Hall thường, Hall xuất lực Lorentz từ trường tác dụng lên hạt mang điện, hiệu ứng Hall phang lại phụ thuộc vào góc từ độ mẫu chiều dòng điện, chất đặc thù hiệu ứng từ trở dị hướng AMR Bộ phận đo từ trường Gausmeter Tín hiệu lối Gausmeter đưa vào đồng hồ vạn Keithley Tín hiệu lối Keithley truyền sang máy tính điện tử thông qua Card IEEE - 488 Toàn trình thu thập số liệu hệ đo thực điều khiến tự động chương trình phần mềm viết ngôn ngữ Passcal Ket phép đo hiển thị hình dạng đồ thị trục tung hiệu điện lối cảm biến U(mv), trục hoành từ trường |I()H(T) ghi cứng máy tính dạng tệp số liệu (a) (b) Hình 2.6:(a) Sơ đồ thí nghiêm đo hiệu ứng từ điện trở (b) Mô hình thực nghiệm khảo sát phụ thuộc thê sensor vào từ trường 2.3 Kết luận chương Trong chương 2, trình bày thiết bị dùng để chế tạo sensor thiết bị quay phủ chất cản quang, hệ quang khắc, kính hiển vi, thiết bị phún xạ Chúng trình bày phương pháp đo hiệu ứng từ điện trở phương pháp đo từ kế mẫu rung để khảo sát tính chất điện từ sensor CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1 Quy trình chế tạo sensor Hình 3.1: Sơ đồ chung quy trình chế tạo sensor Như trình bày phần mạch cầu điện trở Wheatstone, chọn mạch cầu điện trở Wheatstone làm cấu hình chế tạo sensor Mục đích lựa chọn mạch cầu Wheatstone có khả giảm tối đa nhiễu môi trường Theo đó, mạch cầu có bốn điện trở, bốn điện trở có kích thước Cụ thể, tiến hành chế tạo loại mạch cầu điện trở: với điện trở có dạng hình chữ nhật có kích thước 0,45 mm X mm bề dày lớp màng 10 nm Chúng lựa chọn vật liệu chế tạo điện trở Ni 8()Fe20 - loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ Oe -ỉ- Oe), thích hợp đế chế tạo sensor có độ nhạy cao ổn định vùng từ trường nhỏ Đe nối trở điện trở để nối điện trở với nhau, chọn Cu Cu dẫn điện tốt Do điện trở mạch cầu có kích thước nhỏ nên tiến hành chế tạo điện cực Cu để hàn dây đo tín hiệu sensor Chúng sử dụng công nghệ quang khắc công nghệ phún xạ đế chế tạo sensor Toàn quy trình chế tạo sensor thực phòng thí nghiệm micro - nano trường đại học Công nghệ Quy trình chế tạo sensor trải qua hai giai đoạn chế tạo mạch cầu điện trở Wheatstone chế tạo điện cực, bao gồm bước minh họa hình 3.1: mẫu phủ lớp cản quang, sau đem quang khắc phún màng, cuối tiến hành lift - off 3.1.1 Chế tạo điện trở dạng cầu Wheatstone 3.1.1.1 Quá trình quang khắc Làm bề mặt mâu (bước 1) Đe dùng để chế tạo sensor đế Si, mặt oxi hóa thành lớp Si0 (có chiều dày khoảng từ 500 nm đến 1000 nm) để cách điện đế với màng đế Trên đế Si có nhiều chất bẩn chất hữu nên ta phải làm đế đế không ảnh hưởng tới chất lượng màng - Chuẩn bị đế Si/Si02 - Cho đế vào dung dịch axeton, rung siêu âm phút đế loại bỏ hết chất chất bẩn chất hữu đế - Sau rung siêu âm, cho đế vào dung dịch cồn, lắc để loại bỏ hết axeton bám đế - Cho đế vào nước DI để rửa cồn bám dính - Xì khô khí N2, cho lên bếp sấy khô 100°c thời gian phút để bốc bay hết nước bề mặt đế Quay phủ mẫu với chất cản quang AZ5214-E (bước 2) - Các mẫu phủ lóp cản quang cách cho mẫu quay thiết bị quay phủ (spin coater) Suss MicroTec - Chất cản quang sử dụng AZ5214-E (AZ5214-E chất cản quang đặc biệt, sử dụng cho trình quang khắc dương âm) Quá trình quay phủ gồm bước với thông số cho bảng 3.1 Độ dày chất cản quang tính theo công thức (3.1) TpR x (3J) 7^ Với tốc độ quay phủ cho bảng 3.1 chiều dày chất cản quang sau nung khoảng 3,62 Ịim Bảng 3.1: Các thông số trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E Bước Tốc độ quay phủ (v/p) Số lần gia tốc Thời gian(s) 600 3500 30 Sấy sơ (soft bake hay pre-bake) (bước 2) Các mẫu sấy 80°c khoảng 15s Mục đích sấy sơ để loại bỏ dung môi chất cản quang sau quay phủ lên đế Chiếu tỉa uv (có mask) (bước 3) Trong trình quang khắc, đặt máy quang khắc với thông số: cường độ chiếu sáng 1,1 mW/cm2, công suất chiếu sáng 240 w Các mẫu sau sấy chiếu tia uv khoảng 180s với mask sử dụng mask dành cho chế tạo mạch cầu Wheatstone hình 3.2 Hình 3.2: Anh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone Tráng rửa (bước 4) Cho mẫu vào dung dịch developer AZ300MIF để tráng rửa hình Lắc mẫu khoảng phút đến phần cản quang phủ điện trở cần tạo hình bị rủa trôi hết Cho vào nước DI khuấy cho trôi hết developer bề mặt mẫu Quan sát mẫu kính hiển vi, thấy đế xuất điện trở mạch cầu Wheatstone, chứng tỏ trình quang khắc thành công 3.I.I.2 Quá trình phún xạ Sau tạo hình cho điện trở mạch cầu Wheatstone, mẫu đem phún xạ lóp vật liệu nhạy từ trường NiFe (bước 4) Lấy mẫu sau tráng rửa gắn vào giá giữ mẫu có từ trường ghim 6000e, ta phún màng có cấu trúc dạng: Ta/Ni 8()Fe20 Mục đích việc phún lớp Ta lớp Ni80Fe20 bám vào đế tăng cường dị hướng cho lóp Ni 8()Fe2o Các thông số trình phún cho bảng 3.2 Khi phún xong, tiến hành lift - off (bước 5) Lấy mẫu cho vào cốc đựng axeton rung siêu âm khoảng 15 phút Phần màng phún chất cản quang bị trôi hết trình rung siêu âm, lại phần màng phún dạng mạch cầu Wheatstone Màng Chân không sở Pbase Ta 2*10' Toư NiFe Ap suât khí Công suât Vận tôc quay Chiêu dày phún màng nm 10 nm Ar 2,2 mTorr 25 w đế 30 prm 2,2 mTorr 75 w 30 prm Hình 3.3: Mạch cầu điện trở sau khỉ phún xạ lift - off 3.1.2 Chế tạo điện cực Sau chế tạo phần nhạy từ cảm biến cầu (hình 3.3) hay điện trở từ, tiến hành chế tạo điện cực đồng để nối điện trở với Quy trình chế tạo điện cực bao gồm bước quy trình chế tạo điện trở, khác quang khắc dùng mask chế tạo điện cực Hình 3.4: Anh chụp mask điện cực cấu trúc màng mỏng điện cực phún xạ có dạng: Ta(3nm)/Cu(45nm) Các thông số trình phún cho bảng 3.3 Bảng 3.3 Các thông số phún điện cực Màn g Chân Ta sở pbase 2.5* 10'7 Toư Cu không Ap suât khí Công suât Vận tôc quay Chiêu phún màng nm 45 nm Ar 2,2 mTorr 25 w đế 30 prm 2,2 mToiT 30 w 30 prm dày Hình 3.5: Ảnh chụp sensor sau trảng rửa Sau phún xạ lift off, ta thấy điện trở mạch cầu điện cực có hình dạng rõ ràng giống hình dạng mask mạch cầu mask điện cực, kích thước điện trở điện cực đồng đều, đường biên sắc nét (hình 3.5) 3.2 Kết thảo luận 3.2.1 Tính chất từ từ điện trở màng “full film” Hình 3.6a đường cong từ trễ tỉ đối M/M s màng mỏng NiFe với bề dày lOnm thực theo từ trường nằm mặt phang màng song song với từ trường ghim ban đầu Ket màng thể tính từ mềm với lực kháng từ mômen từ bão hòa từ trường nhỏ, đường cong tỉ đối dốc Tính chất trông đợi chế tạo cảm biến cho lối lớn vùng từ trường nhỏ Hình 3.6: (a) Đường cong từ hóa màng có bề dày 10 nm đo theo phương song song từ trườỉĩg ghim (a) Sự phụ thuộc tín hiệu điện áp lối vào từ trường màng tương ứng, dòng cấp mA Ta thấy màng cho ta tín hiệu lối phụ thuộc vào từ trường nhỏ, tín hiệu nhiễu, không ổn định (hình 3.6b), Điều giải thích loại nhiễu nhiễu nhiệt ảnh hưởng đến tín hiệu từ- điện trở màng 3.2.2 3.2.2.I Tính chất từ điện trở cảm biến cầu Wheatstone Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường I = 1mA - Ã >2 E >1 < Di Ve •I ■ -100 -50 H (Oe) 50 100 (a) H (Oe) (b) Hình 3.7: Sự phụ thuộc lối theo từ trường chiều, đo lmA (a) Trong thang đo từ trường lớn ; (b) Trong thang đo từ trường nhỏ Hiệu ứng từ điện trở cảm biến nghiên cứu thông qua phép khảo sát thay đổi điện áp lối theo từ trường sử dụng hệ đo từ - điện trở Trong trình đo, cảm biến cấp dòng chiều có cường độ mA, từ trường tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim cảm biến Đường cong hình 3.7a thay đổi liên tục điện áp lối theo từ trường tác dụng vào cảm biến dải từ trường - 100 Oe -ỉ- 100 Oe Từ đồ thị nhận thấy vùng từ trường nằm 50 Oe -50 Oe tín hiệu lối cảm biến gần không thay đổi Điều giải thích vùng từ trường từ độ toàn điện trở mạch cầu đạt trạng thái bão hòa hay momen từ trở gần hướng hoàn toàn theo từ trường giữ ổn định trạng thái Vì mà điện áp lối cảm biến vùng từ trường gần không thay đổi Khi giảm dần từ trường không momen từ có xu hướng trở lại trạng thái ban đầu dẫn tới việc điện trở thành phầncủa mạch cầu có thay đổi kéo theo biến đổi điện áp lối Ngoài đường cong tín hiệu, thấy đường tín hiệu đo đo không trùng khít nên vùng từ trường nhỏ, điều lý giải tượng từ trễ vật liệu Hình 3.7b phụ thuộc điện áp lối vùng từ trường 15 Oe -ỉ- 21 Oe cảm biến, vùng từ trường mà cảm biến có biến thiên điện áp lối mạnh Nhờ vào việc khảo sát xác định độ nhạy cảm biến Với dòng cấp lmA độ lệch cảm biến đạt giá trị ÀV = 3mV Với mục đích ứng dụng cảm biến việc đo từ trường thấp độ nhạy cảm biến quan tâm hon cả, độ nhạy cảm biến xác định theo biểu thức s = — (mV/ Oe), ta tính SH = 0,19 mV/Oe 3.2.2.2 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoàỉ với dòng cấp khác Hình ■100 -50 50 H (Oe) (a) 100 3.8: Sự phụ thuộc lối theo từ trường chiều, đo dòng 1, 2, mẢ: (a) Trong thang đo từ trườìĩg lớn, (b) Trong thang đo từ trường nhỏ Thế lối cảm biến phụ thuộc vào dòng điện cấp Đe khảo sát phụ thuộc này, tiến hành đo lối cảm biến theo từ trường với dòng cấp mA, mA, mA điều kiện khác giữ nguyên Ket đo biểu diễn hình 3.8 Từ đồ thị hình 3.8, ta thấy độ lệch độ nhạy cảm biến tăng dòng cấp tăng Kết thể bảng Bảng 3.4: Độ biến thiên điện áp độ nhạy cảm biến khỉ thay đối dòng cấp Dòng cấp I (mA) Độ lệch AV (mV) Độ nhạy s (mV/Oe) 0,19 0,21 9,1 0,24 Từ bảng số liệu ta thấy độ lệch tăng tuyến tính theo dòng điện Sự phụ thuộc tuyến tính thực hoàn toàn suy luận từ lý thuyết Theo công thức tín hiệu lối sensor phụ thuộc vào dòng điện[3]: T7 AV AV m V = —— + —— cos(2ớ) 2 (3.2) V= AV COS2(0) = I AR COS2(0) (3.3) Neu giả thiết điện trở (AR) không thay đổi khoảng dòng khảo sát, rõ ràng, lối (V) sensor hàm bậc cường độ dòng cấp Ket cho nhìn trực quan mạch cầu Wheatstone có tín hiệu lối bị ảnh hưởng nhiễu nhiệt Điều tạo sở thực tế đế lựa chọn chế độ cấp dòng cảm biến ứng dụng Cảm biến chế tạo có độ nhạy lớn 0,24 mV/Oe, giá trị nhỏ so với hiệu ứng AMR mạch cầu Wheatstone công bố giới[8,9] so với cảm biến có chức dựa cấu trúc phức tạp Hall, spin valve[4] tín hiệu lớn nhiều 3.3 Kết luận chương Trong chương 3, trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm chế tạo sensor Đã chế tạo thành công sensor dạng cầu Wheatstone, thông qua trình khảo sát tính chất điện,từ sensor, thấy rằng: Trong dải từ trường nhỏ (H < Oe), sensor đường tuyến tính theo từ trường ngoài, độ nhạy sensor cao KÉT LUẬN Trong thời gian ngắn nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệp, đề tài thu số kết sau: - Đã nghiên cứu tổng quan hiệu ứng từ điện, nguyên lý hoạt động loại cảm biến từ - Chế tạo cảm biến hoạt động dựa mạch cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng kích thước X 0,45 mm, dày 10 nm - Khảo sát tín hiệu lối cảm biến theo từ trường với dòng khác cho giá trị lớn AV = 9,1 mV, độ nhạy s = 0,24 mV/Oe, dòng cấp mA - Tín hiệu cảm biến nhỏ so với hiệu ứng AMR mạch cầu Wheatstone công bố giới so YỚi cảm biến có chức dựa cấu trúc phức tạp Hall, spin - valve tín hiệu lớn nhiều TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano điện tử học spin, NXB DHQG Hà Nội [2] Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý tượng từ, NXB DHQG Hà Nội Tiếng Anh [3] Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Due, and CheolGiKim, Optimization of spin-valve structure NiFe/Cu/NỈFe/IrMn for planar Hall effect based biochips [4] Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Due, and CheolGi Kim Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers, Journal of applied Physics 104, 074701,2008 [5] Kawamura et al United States Petent, No 598217, (1999), Geomagnetic Direction Sensor, Nov.9 [6] L Ejsing, M F Hansen, A K Menon, H A Ferreira, D L Graham, and P P Freitas (2005), Appl.Phys Lett 293, 677 [7] Michael J Caruso, Tamara Bratland, A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Honeywell, SSEC, 12001 State Highway 55, Plymouth, MN 55441 [8] Michael J Haji-Sheikh (2005), Accurate model of saturated AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ring - magnet, 1st Interational conference on sensing technology, November 21-23 Palmerston North, New Zealand [9] Me Guire, T.; Potter, R "Anisotropic magnetoresistance in ferromagnetic 3d alloys" IEEE Transactions on Magnetics 11 (4): 1018-1038, 1975 [...]... cầu điện trở sau khỉ phún xạ và lift - off 3.1.2 Chế tạo các điện cực Sau khi đã chế tạo được phần nhạy từ của cảm biến cầu (hình 3.3) hay các điện trở từ, chúng tôi tiến hành chế tạo điện cực bằng đồng để nối các điện trở với nhau Quy trình chế tạo điện cực bao gồm các bước như quy trình chế tạo điện trở, 2 8 chỉ khác khi quang khắc dùng mask chế tạo điện cực Hình 3.4: Anh chụp mask điện cực 2 9 cấu. .. quan về các hiệu ứng từ và điện, nguyên lý và hoạt động của các loại cảm biến từ - Chế tạo được cảm biến hoạt động dựa trên mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng kích thước 4 X 0,45 mm, dày 10 nm - Khảo sát tín hiệu lối ra của cảm biến theo từ trường ngoài với các dòng khác nhau cho giá trị lớn nhất AV = 9,1 mV, độ nhạy s = 0,24 mV/Oe, tại dòng cấp 3 mA - Tín hiệu cảm biến này nhỏ... từ trường thì mạch cầu không còn cân bằng nữa Khi đó ta sẽ đo được tín hiệu lối ra của sensor 1.4 Kết luận chương 1 Trong chương 1, chúng tôi đã trình bày các hiệu ứng từ điện trở, hiệu ứng Hall phang, các loại nhiễu sensor và sensor dạng cầu Wheatstone Ở chương này, chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết của hiệu ứng từ điện trở và chọn hiệu ứng này làm cơ sở chế tạo sensor Qua nghiên cứu về một số loại... pháp đo hiệu ứng từ điện trở và phương pháp đo từ kế mẫu rung để khảo sát tính chất điện và từ của sensor CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1 Quy trình chế tạo sensor 2 4 Hình 3.1: Sơ đồ chung về quy trình chế tạo sensor Như đã trình bày trong phần mạch cầu điện trở Wheatstone, chúng tôi đã chọn mạch cầu điện trở Wheatstone làm cấu hình chế tạo sensor Mục đích của sự lựa chọn này là do mạch cầu Wheatstone. .. Khảo sát tính chất từ đỉện trở của sensor Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu trong khóa luận được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra (hoặc điện trở) của cảm biến dưới tác dụng của từ trường Trong khóa luận này, hiệu ứng từ điện trở của cảm biến được nghiên cứu nhờ vào hệ đo được bố trí như hình 2.6 4 chân được nối với cảm biến: 2 chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một... trong mạch cầu sẽ có bốn điện trở, và bốn điện trở này sẽ có kích thước bằng nhau Cụ thể, chúng tôi sẽ tiến hành chế tạo loại mạch cầu điện trở: với điện trở có dạng hình chữ nhật có kích thước 0,45 mm X 4 mm và bề dày lớp màng là 10 nm Chúng tôi cũng đã lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là Ni 8()Fe20 - một loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ 3 Oe -ỉ- 5 Oe), rất thích hợp đế chế tạo các sensor... Quy trình chế tạo sensor trải qua hai giai đoạn là chế tạo mạch cầu điện trở Wheatstone và chế tạo các điện cực, bao gồm 9 bước chính được minh họa trên hình 3.1: đầu tiên mẫu được phủ lớp cản quang, sau đó đem đi quang khắc và phún màng, cuối cùng tiến hành lift - off 3.1.1 Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone 3.1.1.1 Quá trình quang khắc Làm sạch bề mặt mâu (bước 1) Đe được dùng để chế tạo sensor... vùng từ trường nhỏ Sensor mạch cầu Wheatstone được tạo ra bằng công nghệ quang khắc và phún xạ Vì các điện trở trong mạch cầu làm từ vật liệu từ NiFe nên khi đặt sensor trong từ trường, trở kháng của các điện trở sẽ thay đổi không giống nhau do phương từ hóa của các điện trở trong mạch được chế tạo khác nhau Vì vậy, khi chưa tác dụng từ trường thì mạch cầu cân bằng, nhưng khi chịu tác dụng 1 7 của từ. .. theo từ trường ngoài một chiều, đo tại lmA (a) Trong thang đo từ trường lớn ; (b) Trong thang đo từ trường nhỏ Hiệu ứng từ điện trở của cảm biến được nghiên cứu thông qua phép khảo sát sự thay đổi của điện áp lối ra theo từ trường ngoài sử dụng hệ đo từ - điện trở Trong quá trình đo, cảm biến được cấp dòng một chiều có cường độ 1 mA, từ trường ngoài tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim của cảm. .. nhiệt Điều này tạo ra cơ sở thực tế đế lựa chọn chế độ cấp dòng nếu các cảm biến này được ứng dụng Cảm biến chế tạo được có độ nhạy lớn nhất 0,24 mV/Oe, giá trị này tuy còn nhỏ so với hiệu ứng AMR trên mạch cầu Wheatstone đã công bố trên thế giới[8,9] nhưng so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu trúc phức tạp như Hall, spin valve[4] thì tín hiệu lớn hơn rất nhiều 3.3 Kết luận chương 3 ... tài Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng cấu trúc Ta/NỈFe(10nm)/Ta ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu khóa luận - Chế tạo cảm biến dạng cầu. .. số kết sau: - Đã nghiên cứu tổng quan hiệu ứng từ điện, nguyên lý hoạt động loại cảm biến từ - Chế tạo cảm biến hoạt động dựa mạch cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng kích thước... cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng AMR kích thước X 0,45 mm, bề dày màng 10 nm - Khảo sát tính chất từ, từ điện trở cảm biến Đối tượng nghiên cún - Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone