Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu wheatstone trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ HẬU NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ- ĐIỆN TRỞ DỊ HƢỚNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS LÊ KHẮC QUYNH HÀ NỘI- 2015 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ HẬU NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ- ĐIỆN TRỞ DỊ HƢỚNG Chuyên ngành: Vật lí chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS LÊ KHẮC QUYNH HÀ NỘI- 2015 LỜI CẢM ƠN Lời cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Th.S Lê Khắc Quynh tận tình hƣớng dẫn, bảo truyền đạt kinh nghiệm giúp em hoàn thành khóa luận Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân tình tới thầy cô giáo khoa, thầy cô giáo tổ vật lý chất rắn, khoa vật lý trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội tạo điều kiện giúp em hoàn thiện đề tài nghiên cứu Cuối em xin bày tỏ lòng biết ơn tới bố, mẹ ngƣời thân yêu gia đình, bạn bè cổ vũ, động viên giúp đỡ em suốt trình thực khóa luận Hà nội, tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Thị Hậu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu khoa học khóa luận hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố nơi khác Hà nội, tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Thị Hậu MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng từ điện trở 1.1.1 Hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR 1.1.2 Hiệu ứng Hall phẳng 1.2 Mạch cầu Wheatstone 10 1.3 Nhiễu cảm biến 12 CHƢƠNG 16 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 16 2.1 Các thiết bị sử dụng khóa luận 16 2.1.1 Thiết bị quay phủ 16 2.1.2 Hệ quang khắc 17 2.1.3 Kính hiển vi quang học 18 2.1.4 Buồng xử lý mẫu 19 2.1.5 Thiết bị phún xạ 20 2.2 Các phƣơng pháp khảo sát tính chất từ cảm biến 21 2.2.1 Khảo sát tính chất từ cảm biến 21 2.2.2 Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến 22 CHƢƠNG 24 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 3.1 Quy trình chế tạo cảm biến 24 3.1.1 Chế tạo điện trở dạng cầu Wheatstone 25 3.1.1.1 Quá trình quang khắc 25 3.1.1.2 Quá trình phún xạ 27 3.1.2 Chế tạo điện cực 28 3.2.1 Tính chất từ từ điện trở màng “full film“ 29 3.2.2 Tính chất từ điện trở cảm biến cầu Wheatstone 30 3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng 30 3.2.2.2 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng với dòng cấp khác 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các thông số trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E 27 Bảng 3.2 Thông số phún xạ tạo điện trở cấu trúc cầu 28 Bảng 3.3 Các thông số phún điện cực 30 Bảng 3.4 Độ lệch độ nhạy cảm biến dòng cấp 1, 2, mA 34 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguồn gốc AMR Hình 1.2 Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc góc dòng điện chạy qua hƣớng vector từ hoá Hình 1.3 Mô hình hiệu ứng Hall phẳng Hình 1.4 Sơ đồ minh họa khác hiệu ứng Hall thƣờng hiệu ứng Hall phẳng Hình 1.5 Mô hình minh họa mối liên hệ Hall phẳng ARM Hình 1.6 Mô hình cảm biến Hall phẳng cấu trúc Spin valve Hình 1.7: Mạch cầu điện trở Wheatstone 10 Hình 2.1 Thiết bị quay phủ Suss MicroTec bảng điều khiển 16 Hình 2.2 Thiết bị quang khắc MJB4 17 Hình 2.3 Buồng xử lý mẫu 19 Hình 2.4 Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC 20 Hình 2.5: (a) Sơ đồ nguyên lý thiết bị từ kế mẫu rung (b) Thiết bị từ kế mẫu rung VSM 22 Hình 2.6 Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 23 Hình 2.7 (a) Cảm biến đƣợc đóng gói hoàn chỉnh (b) Cảm biến đƣợc kết nối với hệ đo điện từ 24 Hình 3.1 Sơ đồ chung quy trình chế tạo sensor 25 Hình 3.2 Ảnh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone 27 Hình 3.3 Mạch cầu điện trở sau phún xạ lift- off 29 Hình 3.4 Ảnh chụp mask điện cực 29 Hình 3.6 (trái) Đƣờng cong từ hóa màng có bề dày khác 15 nm 31 Hình 3.7 Sự phụ thuộc lối theo từ trƣờng chiều, đo 1mA: (trái) Trong thang đo từ trƣờng lớn, (phải) Trong thang đo từ trƣờng nhỏ 32 Hình 3.8 Sự phụ thuộc lối theo từ trƣờng chiều, đo dòng 1, 2, mA: (trái) Trong thang đo từ trƣờng lớn, (phải) Trong thang đo từ trƣờng nhỏ 33 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trên giới có nhiều loại cảm biến dựa hiệu ứng khác đƣợc sử dụng để đo từ trƣờng thấp, chủ yếu cảm biến dựa hiệu ứng quang từ nhƣ cảm biến giao thoa lƣợng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa hiệu ứng điện – từ, cảm ứng điện từ (FluxGate), hiệu ứng Hall… Mặc dù cảm biến hoạt động dựa hiệu ứng khác nhƣng cảm biến dựa nguyên tắc đo đạc phân tích hiệu điện nối từ cảm biến thay đổi phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng tác dụng lên cảm biến Mỗi loại cảm biến có đặc thù riêng, có ƣu điểm nhƣợc điểm riêng tùy thuộc vào mục đích phạm vi lĩnh vực ứng dụng Ƣu điểm cảm biến quang đáp ứng nhanh, độ xác cao nhƣng công nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng bị ảnh hƣởng môi trƣờng thời tiết Cảm biến từ có nhiều ƣu điểm nhƣ độ nhạy cao độ xác cao, điều kiện làm việc bị ảnh hƣởng môi trƣờng bên Do đó, cảm biến từ đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực sống Một ứng dụng thỏa sơ khai dò tìm phƣơng hƣớng cho tàu ngành hàng hải Ngày nay, với kích thƣớc nhỏ, độ nhạy cao, dễ tƣơng thích với mạch điện tử, cảm biến từ đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực nhƣ y sinh, quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng không vũ trụ, cảm biến đo dòng, cảm biến đo từ trƣờng nhỏ… Phổ biến cảm biến từ cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng cảm ứng điện từ hiệu ứng từ điện trở, cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng hiệu ứng từ điện trở hai hƣớng đƣợc triển khai nghiên cứu bia vật liệu từ đƣợc đặt nguồn RF, bia vật liệu phi từ đƣợc đặt nguồn DC 2.2 Các phƣơng pháp khảo sát tính chất từ cảm biến 2.2.1 Khảo sát tính chất từ cảm biến Hình 2.5a sơ đồ nguyên lý thiết bị từ kế mẫu rung Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) thiết bị cho phép đo từ độ tổng cộng M mẫu vật liệu từ, hoạt động nguyên lý thu tín hiệu cảm ứng điện từ rung mẫu đo từ trƣờng Mẫu đo đƣợc gắn vào cần rung từ tính đƣợc đặt vào vùng từ trƣờng tạo hai cực nam châm điện Mẫu bị từ hóa từ trƣờng đều, ta rung mẫu với tần số định, từ thông mẫu tạo xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu biến thiên sinh suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận với từ độ tổng cộng M mẫu cho công thức: V = π.N.Sm.M (2.2) Với M từ độ mẫu đo, Sm tiết diện vòng dây, N số vòng dây của thu tín hiệu Nam châm điện từ kế mẫu rung phận quan trọng để tạo từ trƣờng từ hóa vật liệu cần đo Nếu nam châm điện cuộn dây tạo từ trƣờng dòng điện chiều từ trƣờng tạo từ trƣờng chiều ổn định, nhƣng thƣờng không lớn bị hạn chế từ độ bão hòa lõi thép tỏa nhiệt làm nóng cuộn dây 21 Nam châm kiểu tạo đƣợc từ trƣờng cực đại cỡ vài Tesla Hình 2.5 (a) Sơ đồ nguyên lý thiết bị từ kế mẫu rung (b) Thiết bị từ kế mẫu rung VSM 2.2.2 Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu khóa luận đƣợc thực thông qua việc khảo sát thay đổi hiệu điện lối (hoặc điện trở) cảm biến dƣới tác dụng từ trƣờng Trong khóa luận, hiệu ứng từ điện trở cảm biến đƣợc nghiên cứu nhờ vào hệ đo đƣợc bố trí nhƣ hình 2.6 Hình 2.6 Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 22 chân đƣợc nối với cảm biến: chân để cấp dòng không đổi nguồn chiều DC Current Source chân lại để lấy lối đƣợc đo máy đo Keithley 2000 Nam châm điện tạo từ trƣờng chiều lên tới 1T Bộ phận đo từ trƣờng Gausmeter Tín hiệu lối Gausmeter đƣợc đƣa vào đồng hồ vạn Keithley Tín hiệu lối Keithley đƣợc truyền sang máy tính điện tử thông qua Card IEEE-488 Toàn trình thu thập số liệu hệ đo đƣợc thực dƣới điều khiển tự động chƣơng trình phần mềm viết ngôn ngữ Passcal Kết phép đo đƣợc hiển thị hình dƣới dạng đồ thị trục tung hiệu điện lối cảm biến U(mv), trục hoành từ trƣờng µ0H(T) đƣợc ghi ổ cứng máy tính dạng tệp số liệu 23 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Quy trình chế tạo cảm biến (1) Làm đế Si/Si02 (6) Phủ chất cản quang (2) Phủ chất cản quang (7) Quang khắc (UV) (3) Quang khắc (UV) (8) Phủ điện cực Cu (4) Phủ màng NiFe (5) Lift – off (9) Lift – off Hình 3.1 Sơ đồ chung quy trình chế tạo cảm biến Nhƣ trình bày phần mạch cầu điện trở Wheatstone, chọn mạch cầu điện trở Wheatstone làm cấu hình chế tạo cảm biến Mục đích lựa chọn mạch cầu Wheatstone có khả giảm tối đa nhiễu môi trƣờng Theo đó, mạch cầu có bốn điện trở bốn điện trở có kích thƣớc 4× 0,3nm Chúng lựa chọn vật liệu chế tạo điện trở Ni80Fe20 - loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ Oe ÷ Oe), thích hợp để chế tạo cảm biến có độ nhạy cao ổn định vùng từ trƣờng nhỏ Để nối trở điện trở 24 để nối điện trở với nhau, chọn Cu Cu dẫn điện tốt Do điện trở mạch cầu có kích thƣớc nhỏ nên tiến hành chế tạo điện cực Cu để hàn dây đo tín hiệu cảm biến Chúng sử dụng công nghệ quang khắc công nghệ phún xạ để chế tạo cảm biến Toàn quy trình chế tạo cảm biến đƣợc thực phòng thí nghiệm micro - nano trƣờng đại học Công nghệ Quy trình chế tạo cảm biến trải qua hai giai đoạn chế tạo mạch cầu điện trở Wheatstone chế tạo điện cực, bao gồm bƣớc đƣợc minh họa hình 3.1: mẫu đƣợc phủ lớp cản quang, sau đem quang khắc phún màng, cuối tiến hành liftoff 3.1.1 Chế tạo điện trở dạng cầu Wheatstone 3.1.1.1 Quá trình quang khắc Làm bề mặt mẫu (bước 1) Đế đƣợc dùng để chế tạo sensor đế Si, mặt đƣợc oxi hóa thành lớp SiO2 (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 để không ảnh hƣởng tới chất lƣợng màng - Chuẩn bị đế Si/SiO2 - Cho đế vào dung dịch axeton, rung siêu âm phút để 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 nƣớc DI để rửa cồn bám dính - Xì khô khí N2, cho lên bếp nung 1000 thời gian phút để bốc bay hết nƣớc bề mặt đế Quay phủ mẫu với chất cản quang AZ5214-E (bước 2) 25 - Các mẫu đƣợc phủ lớp 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, đƣợc sử dụng cho trình quang khắc dƣơng âm) Quá trình quay phủ gồm bƣớc với thông số cho bảng 3.1 Độ dày chất cản quang đƣợc tính theo công thức (3.1): ~ (3.1) Với tốc độ quay phủ cho bảng 3.1 chiều dày chất cản quang sau nung khoảng µm Bảng 3.1 Các thông số trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E Bƣớc Tốc độ quay Số lần gia phủ (v/p) tốc Thời gian(s) 600 3500 30 Chiếu tia UV (bước 3) Trong trình quang khắc, đặt máy quang khắc với thông số: cƣờng độ chiếu sáng 12mW/cm2, công suất chiếu sáng 240W Các mẫu sau sấy đƣợc chiếu tia UV khoảng 200s với mask sử dụng mask dành cho chế tạo mạch cầu Wheatstone (hình 3.2) Hình 3.2 Ảnh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone 26 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 rửa trôi hết Cho vào nƣớc DI khuấy cho trôi hết developer bề mặt mẫu Quan sát mẫu dƣới kính hiển vi, thấy đế xuất điện trở mạch cầu Wheatstone, chứng tỏ trình quang khắc thành công 3.1.1.2 Quá trình phún xạ Sau tạo hình cho điện trở mạch cầu Wheatstone, mẫu đƣợc đem phún xạ lớp vật liệu nhạy từ trƣờng NiFe Lấy mẫu sau tráng rửa gắn vào giá giữ mẫu có từ trƣờng ghim 900 (Oe), ta phún màng có cấu trúc dạng: Ta/Ni80Fe20 Mục đích việc phún lớp Ta lớp Ni80Fe20 bám vào đế tăng cƣờng dị hƣớng cho lớp Ni80Fe20 Các thông số trình phún đƣợc cho bảng 3.2 Khi phún xong, tiến hành lift-off (bƣớc 5) Lấy mẫu cho vào cốc đựng axeton rung siêu âm khoảng phút Phần màng phún chất cản quang bị trôi hết trình rung siêu âm, lại phần màng phún dạng mạch cầu Wheatstone (hình 3.3) Bảng 3.2 Thông số phún xạ tạo điện trở cấu trúc cầu Chân Màng không sở Pbase khí Ar 2,2 Ta 2*10-7 Torr NiFe Áp suất mTorr 2,2 mTorr Công suất phún Vận tốc quay đế Chiều dày màng 25W 30 prm 3nm 75W 30 prm 5,10,15,20,25 nm 27 Hình 3.3 Mạch cầu điện trở sau phún xạ lift- off 3.1.2 Chế tạo điện cực Sau chế tạo đƣợc 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 bƣớc nhƣ quy trình chế tạo điện trở, khác quang khắc dùng mask chế tạo điện cực Hình 3.4 Ảnh chụp mask điện cực Cấu trúc màng mỏng điện cực phún xạ có dạng: Ta(3nm)/Cu(45nm) Các thông số trình phún đƣợc cho bảng 3.3 28 Bảng 3.3 Các thông số phún điện cực Màng Chân không Áp suất Công suất Vận tốc quay Chiều dày sở Pbase khí Ar phún đế màng 2,2 mTorr 25W 30 prm 3nm 2,2 mTorr 30W 30 prm 45nm Ta Cu 2.5*10-7 Torr Hình 3.5 Ảnh chụp sensor sau tráng 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 thƣớc điện trở điện cực đồng đều, đƣờng biên sắc nét (hình 3.5) 3.2 Kết thảo luận 3.2.1 Tính chất từ từ điện trở màng “full film“ Hình 3.6 bên trái đƣờng cong từ trễ tỉ đối M/MS màng mỏng NiFe với bề dày khác 15 nm đƣợc thực theo từ trƣờng nằm mặt phẳng màng song song với từ trƣờng ghim ban đầu Kết cho thấy màng thể tính chất từ mềm với lực kháng từ mômen từ bão 29 hòa từ trƣờng nhỏ, đƣờng cong tỉ đối dốc Tính chất đƣợc trông đợi chế tạo cảm biến cho lối lớn vùng từ trƣờng nhỏ Hình 3.6 (trái) Đường cong từ hóa màng có bề dày khác 15 nm đo theo phương song song từ trường ghim (Hbias), (phải) Sự phụ thuộc tín hiệu điện áp lối vào từ trường màng tương ứng, dòng cấp 5mA Ta thấy màng cho ta tín hiệu lối phụ thuộc vào từ trƣờng nhỏ, tín hiệu nhiễu, không ổn định (hình 3.6 phải), … Điều đƣợc giải thích loại nhiễu nhƣ nhiễu nhiệt ảnh hƣởng đến tín hiệu từ-điện trở màng 3.2.2 Tính chất từ điện trở cảm biến cầu Wheatstone 3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng Hiệu ứng từ - điện trở cảm biến đƣợc nghiên cứu thông qua phép khảo sát thay đổi điện áp lối theo từ trƣờng sử dụng hệ đo từ điện trở Trong trình đo, cảm biến đƣợc cấp dòng chiều có cƣờng độ mA, từ trƣờng tác dụng theo phƣơng vuông góc với phƣơng ghim cảm biến Đƣờng cong hình 3.7 (trái) thay đổi liên tục điện áp lối 30 theo từ trƣờng tác dụng vào cảm biến dải từ trƣờng – 100 Oe ÷ 100 Oe Từ đồ thị nhận thấy vùng từ trƣờng nằm 50 Oe 50 Oe tín hiệu lối cảm biến gần nhƣ không thay đổi Điều đƣợc giải thích vùng từ trƣờng từ độ toàn điện trở mạch cầu đạt trạng thái bão hòa hay momen từ trở gần nhƣ hƣớng hoàn toàn theo từ trƣờng ổn định trạng thái Vì mà điện áp lối cảm biến vùng từ trƣờng gần nhƣ không thay đổi Khi giảm dần từ trƣờng không momen từ có xu hƣớng trở lại trạng thái ban đầu dẫn tới việc điện trở thành phần mạch cầu có thay đổi kéo theo biến đổi điện áp lối Ngoài đƣờng cong tín hiệu, thấy đƣờng tín hiệu đo đo không trùng khít nên vùng từ trƣờng nhỏ, điều đƣợc lý giải tƣợng từ trễ vật liệu Hình 3.7(phải) phụ thuộc điện áp lối vùng từ trƣờng 18÷ 28 Oe cảm biến, vùng từ trƣờng mà cảm biến có biến thiên điện áp lối mạnh Nhờ vào việc khảo sát xác định đƣợc độ nhạy cảm biến Hình 3.7 Sự phụ thuộc lối theo từ trường chiều, đo 1mA: (trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong thang đo từ trường nhỏ 31 Độ lệch cảm biến đạt giá trị ΔV = 3,25 mV Với mục đích ứng dụng cảm biến việc đo từ trƣờng thấp độ nhạy cảm biến đƣợc quan tâm cả, độ nhạy cảm biến đƣợc xác định theo biểu thức (mV/ Oe), ta tính đƣợc SH = 0,26 mV/Oe 3.2.2.2 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng với dòng cấp khác Thế lối cảm biến phụ thuộc vào dòng điện đƣợc cấp Để khảo sát phụ thuộc này, tiến hành đo lối cảm biến theo từ trƣờng với dòng cấp 1mA, 2mA, 3mA điều kiện khác đƣợc giữ nguyên Kết đo đƣợc biểu diễn hình 3.8 Hình 3.8 Sự phụ thuộc lối theo từ trường chiều, đo dòng 1, 2, 3mA: (trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong thang đo từ trường nhỏ Từ đồ thị hình 3.8, ta thấy độ lệch độ nhạy cảm biến tăng dòng cấp tăng Kết đƣợc thể dƣới bảng 3.4: 32 Bảng 3.4 Độ lệch độ nhạy cảm biến dòng cấp 1, 2, mA Độ lệch ∆V Độ nhạy S (mV) (mV/Oe) 3,25 0,26 6.5 0,29 9,8 0,32 Dòng cấp I (mA) 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: V  V V  cos(2 ) 2 (3.2) V = ΔV cos2(θ) = I R cos2(θ) Nếu giả thiết điện trở (R) không thay đổi khoảng dòng khảo sát, rõ ràng, lối (V) cảm biến hàm bậc cƣờng độ dòng cấp Kết cho nhìn trực quan mạch cầu Wheatstone có tín hiệu lối bị ảnh hƣởng nhiễu nhiệt Điều tạo sở thực tế để lựa chọn chế độ cấp dòng cảm biến đƣợc ứng dụng Cảm biến chế tạo đƣợc có độ nhạy lớn 0,32 mV/Oe, giá trị nhỏ so với hiệu ứng AMR mạch cầu Wheatstone công bố giới nhƣng so với cảm biến có chức dựa cấu trúc phức tạp nhƣ Hall, van-spin tín hiệu lớn nhiều 33 KẾT LUẬN Trong thời gian ngắn nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệp, đề tài thu đƣợc số kết sau: - Đã nghiên cứu đƣợc tổng quan hiệu ứng từ điện, nguyên lý hoạt động loại cảm biến từ - Chế tạo đƣợc cảm biến hoạt động dựa mạch cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng kích thƣớc 4,0 x 0,3 mm, dày 15nm - Khảo sát tín hiệu lối cảm biến theo từ trƣờng với dòng khác cho giá trị lớn ∆V = 9,8mV, độ nhạy S = 0,32 mV/Oe, dòng cấp 3mA - Tín hiệu cảm biến nhỏ so với hiệu ứng AMR mạch cầu Wheatstone công bố giới nhƣng so với cảm biến có chức dựa cấu trúc phức tạp nhƣ Hall, van-spin tín hiệu lớn nhiều 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano điện tử học spin, NXB ĐHQG Hà Nội Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý tượng từ, NXB ĐHQG Hà Nội Tiếng Anh Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGiKim, Optimization of spinvalve structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for planar Hall effect based biochips Second Editon, D Jiles (1998), Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Ames Laboratory, US Department of Energy, Great Britain by St Edumundsbury Press, Suffolk UK 5.W.O.Henry (1998), Noise reduction techniques in electronic systems, Second edition, John Wiley & Sons, New York, Inc Http://en.wikipedia.org/wiki/Bridge_circuit// Http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/do-luc-va-ung-suat-chuong-2.375058.html// Http://vi.wikipedia.org/wiki/Từ_điện_trở_dị_hƣớng Http://www.play-hookey.com/dc_theory/wheatstone_bridge.html// 35 [...]... RH  lần lƣợt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn 1.1.1 Hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (AMR- Anisotropic magnetoresistance) là hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài) phụ thuộc vào hƣớng của dòng điện, mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tƣơng đối giữa từ độ và dòng điện William Thomson.. .chế tạo tại phòng thí nghiệm micro - nano của trƣờng Đại học Công nghệ ĐHQGHN Với mục tiêu chế tạo đƣợc cảm biến đo đƣợc từ trƣờng thấp với cấu hình đơn giản nhƣng tỉ số tín hiệu/ nhiễu và độ nhạy cao tôi đã chọn mạch cầu Wheastsone làm cấu hình cảm biến. Vì vậy, trong bƣớc đầu làm quen với việc nghiên cứu khoa học, tôi chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ- ... cảm biến 3 Đối tƣợng nghiên cứu - Cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR 4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm: chế tạo cảm biến với vật liêu Ni80Fe20 , đo đạc và xử lý số liệu 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng từ điện trở Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance- MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn dƣới tác động của từ trƣờng, đƣợc xác định bằng công thức: MR... kế cảm biến dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện trở bằng nhau R1 = R2 = R3 = R4 Chúng tôi chọn Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo các điện trở vì Ni80Fe20 là một vật liệu từ mềm (HC ˂ 10 Oe), rất thích hợp để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trƣờng nhỏ Cảm biến mạch cầu Wheatstone đƣợc tạo ra bằng công nghệ quang khắc và phún xạ Vì các điện trở trong mạch cầu. .. (hoặc điện trở) của cảm biến dƣới tác dụng của từ trƣờng Trong khóa luận, hiệu ứng từ điện trở của cảm biến đƣợc nghiên cứu nhờ vào hệ đo đƣợc bố trí nhƣ hình 2.6 Hình 2.6 Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 22 4 chân đƣợc nối với cảm biến: 2 chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một chiều DC Current Source 2 chân còn lại để lấy thế lối ra và đƣợc đo bằng máy đo Keithley 2000 Nam châm điện tạo từ. .. mạch cầu điện trở Wheatstone, chúng tôi đã chọn mạch cầu điện trở Wheatstone làm cấu hình chế tạo cảm biến Mục đích của sự lựa chọn này là do mạch cầu Wheatstone có khả năng giảm tối đa nhiễu của môi trƣờng Theo đó, trong mạch cầu sẽ có bốn điện trở và bốn điện trở này có kích thƣớc bằng nhau là 4× 0,3nm Chúng tôi cũng đã lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là Ni80Fe20 - một loại vật liệu từ mềm... từ- điện trở dị hƣớng với hy vọng có thể tìm hiểu và tiếp cận với các công nghệ hiện đại Ngoài phần mở đầu và kết luận, khóa luận gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Các phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận 2 Mục tiêu của khóa luận - Chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR - Khảo sát các tính chất từ, từ điện trở của cảm biến 3 Đối tƣợng nghiên cứu - Cảm biến. .. cầu làm từ vật liệu từ NiFe nên khi đặt cảm biến trong từ trƣờng, trở kháng của các điện trở sẽ thay đổi không giống nhau do phƣơng từ hóa của các điện trở trong mạch đƣợc chế tạo khác nhau Vì vậy, khi chƣa tác dụng từ trƣờng thì mạch cầu cân bằng, nhƣng khi chịu tác dụng của từ trƣờng thì mạch cầu không còn cân bằng nữa Khi đó ta sẽ đo đƣợc tín hiệu lối ra của cảm biến 1.3 Nhiễu cảm biến Tín hiệu lối... tôi đã sử dụng công nghệ quang khắc và công nghệ phún xạ để chế tạo cảm biến Toàn bộ quy trình chế tạo cảm biến đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm micro - nano của trƣờng đại học Công nghệ Quy trình chế tạo cảm biến trải qua hai giai đoạn là chế tạo mạch cầu điện trở Wheatstone và chế tạo các điện cực, bao gồm 9 bƣớc chính đƣợc minh họa trên hình 3.1: đầu tiên mẫu đƣợc phủ lớp cản quang, sau đó đem... liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ 3 Oe ÷ 5 Oe), rất thích hợp để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trƣờng nhỏ Để nối các thanh trở trong một điện trở 24 và để nối các điện trở với nhau, chúng tôi chọn Cu vì Cu dẫn điện tốt Do các điện trở trong mạch cầu có kích thƣớc nhỏ nên chúng tôi đã tiến hành chế tạo điện cực bằng Cu để hàn dây đo tín hiệu cảm biến Chúng tôi đã sử dụng ... từ cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng cảm ứng điện từ hiệu ứng từ điện trở, cảm biến dựa hiệu ứng Hall phẳng hiệu ứng từ điện trở hai hƣớng đƣợc triển khai nghiên cứu chế tạo phòng thí... - Chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa hiệu ứng AMR - Khảo sát tính chất từ, từ điện trở cảm biến Đối tƣợng nghiên cứu - Cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa hiệu ứng AMR Phƣơng pháp nghiên cứu. .. lƣợt điện trở suất, điện trở vật dẫn 1.1.1 Hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (AMR- Anisotropic magnetoresistance) hiệu ứng từ điện trở mà tỉ số từ điện trở (sự thay đổi điện