Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu wheatstone thanh dài dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng cấu trúc tanife(15nm)ta

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ DƯƠNG THỊ LINH NHÂM N G H IÊ N C Ứ U CH É T Ạ O C Ả M B IÉ N D Ạ N G C Ầ U W H E A S T O N E T H A N H D À I D ự A T R Ê N H IỆ U Ứ N G TÙ -Đ IỆ N T R Ở D Ị H Ư Ớ N G CÁ U T R Ú C T a/N iF e(15n m )/T a Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Đình Tú HÀ NỘI - 2015 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Bùi Đình Tú 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 anh chị phòng thí nghiệm công nghệ nano giúp đỡ, tạo điều kiện suốt thời gian em làm việc phòng Trong trình thực khóa luận em nhận 1'ất nhiều giúp đỡ thầy cô bạn trường đại học Sư phạm Hà Nội 2.Em xin trân thành cảm ơn giúp đỡ thầy cô bạn Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên thực Dương Thị Linh Nhâm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cún khoa học khóa luận hoàn toàn trung thực trùng lặp với kết đề tài khác Mọi nguồn tài liệu tham khảo trích dẫn cách rõ ràng Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên Dương Thị Linh Nhâm MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng biếu Danh mục bảng biểu hình vẽ MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu khóa luận Đối tượng nghiên c ú n Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỒNG QUAN 1.1 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng A M R 1.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone 1.3 Nhiễu cảm b iế n 1.3.1 Nhiêu nhiệt 1.3.2 Dải tần nhiêu tương đương ỉ.3.3 Nhiễu lượìĩg t 1.3.4 Nhiễu l / f Ị.3.5 Nhiễu Barkhausen 10 Ket luận chương 11 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THựC NGHIỆM .12 2.1 Các thiết bị sử dụng khóa luận 12 2.1.1 Buồng xử lý mâu 12 2.1.2 Thiết bị quay phủ 13 2.Ị.3 Hệ quang khắc 14 2.1.4 Kính hiên vỉ quang h ọ c 15 2.1.5 Thiết bị phún xạ 15 2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất cảm biến 16 2.2.1 Khảo sát tính chất điện cảm biến 16 Khảo sát tính chất từ cảm biến 17 Ket luận chương 18 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 19 3.1 Quy trình chế tạo cảm biến 19 3.1.1 Chế tạo điện trở dạng cầu Wheatstone 20 3.1.2 Chế tạo điện cực 23 3.2 Ket thảo luận .23 3.2.1 Tính chat từ từ điện trở màng NiFe 23 3.2.2 Tính từ điện trở cảm biến dạng cầu Wheatstone 24 KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Các thông số trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E 21 Bảng 3.2 Thông số phún xạ tạo điện trở cấu trúc cầu 22 Bảng 3.3 Các thông số phún điện cực 23 Bảng 3.4 Sự phụ thuộc lối theo từ trường chiều 26 DANH MỤC CÁC ĐÒ THỊ, HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguồn gốc vật lí A M R Hình 1.2 Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc dòng điện hướng véctơ từ hóa Hình 1.3 Mạch điện trở dạng cầu Wheatstone Hình 2.1 Buồng xử lí mẫu 12 Hình 2.2 Thiết bị quay phủ SussMicroTec bảng điều khiển 13 Hình 2.3 Thiết bị quang khắc MJB4 14 Hình 2.4 Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC 16 Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 17 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu ru n g 17 Hình 3.1 Sơ đồ chung quy trình chế cảm biến .19 Hình 3.2 Ảnh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone 21 Hình 3.3 Mạch cầu điện trở sau phún xạ lift- off 22 Hình 3.4 (a) Ảnh chụp mask điện cực (b)Ánh chụp cảm biến sau phún xạ lift-off 23 Hình 3.5: Sự thay đổi hiệu điện lối theo từ trường dải -120 -T 120 Oe với phương từ độ cảm biến phương với từ trường 24 Hình 3.6 Sự phụ thuộc lối theo từ trường chiều, đo lmA: (Trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong thang đo từ trường nhỏ 25 Hình 3.7 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 26 M Ở ĐÀU Lí chọn đề tài Trên giới có nhiều loại cảm biến dựa hiệu ứng khác sử dụng để đo từ trường thấp cỡ từ trường Trái đất công bố Tuy vậy, cảm biến thường có kích thước cồng kềnh gặp phải loại nhiễu ảnh hưởng tới tín hiệu Ngoài ra, số cảm biến hoạt động tốt lại có cấu trúc dạng màng đa lớp phức tạp cảm biến dựa hiệu ứng Spin-van, TMR 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 Wheatstonehoat 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 NÌ8()Fe20 - vật liệu từ mềm có lực kháng từ Hc nhỏ, độtừ thẩm cao phù họp cho việc chế tạo cảm biến có độ nhạy cao ổn định vùng từ trường thấp Vì khả đo từ trường trái đất, cảmbiến kỳ 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 hướng nghiên cún này, nội dung nghiên cún thực khóa luận bao gồm: - Chế tạo, khảo sát tính chất từ vaf từ điện trở màng - Chế tạo cảm biến cầu Wheatstone - Khảo sát tín hiệu cảm biến Mục tiêu khóa luận - Chế tạo cảm biến dạng mạch cầu dài dựa hiệu ứng AMR - 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 cứu Sử dụng phương pháp thực nghiệm - Chế tạo cảm biến với vật liệu NÌ8()Fe20 - Khảo sát tính chất cảm biến chế tạo Phương pháp nghiên cún Sử dụng phương pháp thực nghiệm - Chế tạo cảm biến dạngthanh dài với vật liệu NÌ8oFe2 () - Khảo sát tính chất cảm biến chế tạo CHƯƠNG1 TỎNG QUAN 1.1 Hiệu ửng từ điện trở dị hướng AMR Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance - MR) thay đổi điện trở vật dẫn tác động từ trường, xác định công thức: V p (0)-p{n ) R(o)-R{H) n n p p(0) я(о) u 'u Trong đó: p(0), p(H), R(0), R(H)lần lượt điện trở suất, điện trở vật dẫn từ trường có từ trường đặt vào Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR - Anistropic magnetoresistance) kxảy kim loại họp kim sắt từ, sựthay đổi điện trởphụthuộc vào góc vectơ từ độ chiều dòng điện Nguồn gốc vật lý hiệu ứng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo Cácđám mây điệntử bao quanh hạt nhân, đámmây thay đổi hình dạng phụthuộc vào định hướng momen từ biến dạng đám mây điện tử làm thay đổi lượng tán xạ điện tử dẫn qua mạng tinh thể Ta giải thích phụ thuộc điện trở vật dẫn vào định hướng momen từ với chiều dòng điện sau: Neu từ trường định hướng song song với chiều dòng điện quỹ đạo chuyển động điện tử định hướng vuông góc với chiều dòng điện, mặt cắt tán xạ điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở lớn Ngược lại, 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 (xem hình 1.1) [8] 2.1.3.Hệ quang khắc Khi chế tạo cảm biến sử dụng máy quang khắc MJB4 (Suss microtech) MJB4 tạo vi linh kiện có độ xác cao Máy trang bị cấu hình quang học cao, thực quang khắc với nhiều bước sóng khác nhau.Cường độ chiếu cực đại khoảng 80 mw/cm2, độ phân giải tối đa 0, Ịjm Hình 2.3 Thiết bị quang khắc MJB4 Các chế độ làm việc hệ quang khắc MJB4: - Tiếp xúc xa (Soft Contact): Chế độ tiếp xúc xa đạt độ phân giải 2, Ịim Độ phân giải cuối phụ thuộc chủ yếu vào quy trình kỹ thuật phạm vi quang phổ, khoảng cách mặt nạ - Tiếp xúc gần (Hard Contact): Ở chế độ này, khoảng cách mẫu mặt nạ rút ngắn nhờ hệ thống đẩy khí nitơ mẫu Độphân giải đạt đến lịam - Tiếp xúc chân không (Vacuum Contact): Chế độ giúp đạt độ phân giải cao tiếp xúc xa gần khoảng cách mặt nạ mẫu tiếp tục giảm Đe đạt độ phân giải cao độ dày lớp cảm quang phủ mẫu cần tối ưu hóa - Tiếp xúc chân không thấp (Low Vacuum Contact): Đối với mẫu dễ vỡ ta quang khắc chế độ chân không thấp Tiếp xúc chân không 14 thấp giúp giảm tác động đến mẫu tiếp xúc chân không thường, đồng thời cho độ phân giải cao tiếp xúc xa gần Độ phân giải phụ thuộc vào nhiều yếu tố kích cỡ nền, độ phang, chất lượng màng cảm quang phủ đế, điều kiện phòng , 2.1.4 Kính hiến vỉ quang học Kính hiểu vi quang học dùng để quan sát vật có kích thước nhỏ mà mắt thường quan sát cách tạo hình ảnh phóng đại vật thể v ề nguyên lý, kính hiển vi quang học tạo độ phóng đại lớn tới vài ngàn lần, độ phân giải kính hiển vi quang học truyền thống bị giới hạn tượng nhiễu xạ ánh sáng cho bởi: Trong đỏ: Ẫ bước sóng ánh sáng, N A \ầ thông số độ Trong luận văn này, dùng kính hiển vi quang học Ml (carl Zeiss) với độ phóng đại tối đa 1000 lần đặt phòng phòng thí nghiệm micro - nano trườngĐại học Công nghệ Sau quang khắc tráng rửa mẫu, kính hiển vi phương tiện hữu hiệu để kiếm tra đánh giá mức độ thành công trình quang khắc 2.1.5 Thiết bị phún xạ Quá trình phún xạ tạo màng thực thiết bị phún xạ catot ATC2000FC Thiết bị phún xạ gồm phận là: buồng phún xạ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không 15 Hình 2.4 Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC Hệ thống bơm chân không gồm hai bơm chân không kết nối với bơm Turbo phân tử bơm học thông qua valve.Các valve đóng mở tự động nhờ vào việc điều khiển dòng khí nén Bơm Turbo tạo chân không cao 10'8 đến 10'9 Torr, tốc độ đạt chân không nhanh không làm nhiễm bẩn buồng chân không không dùng chế đốt nóng dầu bơm khuếch tán Hệ thống phún xạ catot có hai buồng chân không kết nối với thông qua vách ngăn buồng buồng phụ.Mau đưa vào buồng phụ trước, sau đưa vào buồng Bia vật liệu (Cu, Fe, Ta, FePt, IrMn, FeCo, NiFe ) hình tròn dày 3mm đường kính inch Mỗi bia đặt nguồn phún xạ, bia vật liệu từ đặt nguồn RF, bia vật liệu phi từ đặt nguồn DC 2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất cảm biến 2.2.1 Khảo sát tính chất điện cảm biến Để khảo sát tính chất điện sensor, tiến hành đo hiệu ứng từ điện trở sensor Sơ đồ bố trí hệ đo minh họa hình 2.5 Dòng điện không đổi cấp nguồn dòng chiều Dual DC Power Supply P3030D lối đo máy đo Keithley 2000 16 Trong trình tiến hành đo, sensor đặt từ trường chiều tạo nam châm điện Cường độ từ trường đo máy đo từ trường Gaussmeter Các thiết bị hiển thị từ trường cảm biến ghép nối với máy tính cho phép ghi nhận số liệu cách xác đầy đủ Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiêm đo hiệu ứỉĩg từ điện trở 2.2.2 Khảo sát tính chất từ cảm biến Mang rung (Tin hiệu chuẩn) Cuộn Helmholtz lạo tử trường chiều A Ị Dao Khuyếch đại Lock-in Tiến khuyêch đại Cuộn thu tin hiệu (pick-up coil)' Buống mẫu Mầu Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung Nguyên lý hoạt động từ kế mẫu rung dựa tượng cảm ứng điện từ thay đổi từ thông mẫu chuyển thành tín hiệu điện Bằng cách thay đổi vị trí tương đối mẫu có mô men từ M với cuộn dây thu, từ thông qua tiết diện ngang cuộn dây thay đổi theo thời gian làm xuất suất điện động cảm ứng Các tín hiệu đo (tỷ lệ 17 với M) chuyển sang giá trị đại lượng từ cần đo hệ số chuẩn hệ đo Đe thực phép đo này, mẫu rung với tần số xác định vùng từ trường đồng nam châm điện Từ trường từ hoá mẫu mẫu rung tạo hiệu điện cảm ứng cuộn dây thu tín hiệu Tín hiệu thu nhận, khuyếch đại xử lý máy tính cho ta biết giá trị từ độ mẫu Kết luận chương Trong chương 2, trình bày thiết bị hóa chất dùng để chế tạo cảm biến bao gồm thiết bị quay phủ chất cản quang, hệ quang khắc, kính hiển vi, thiết bị phún xạ, hóa chất cồn, axeton, chất cản quang, dung dịch developer Chúng trình bày phương phápđo hiệu ứng từ điện trở phương pháp đo từ kế mẫu rung để khảo sát tính chất điện từ cảm biến 18 CHƯƠNG THỤC NGHIỆM VÀ KÉT QUĂ 3.1 Quy trình chế tạo cảm biến Hình 3.1 Sơ đồ chung quy trình chế tạo cảm biến Như 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 trường Theo đó, mạch cầu bốn điện trở có kích thước 0, 45mm X 4mm Chúng lựa chọn vật liệu chế tạo điện trở NỈ8()Fe20 - loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ Oe -T Oe), thích hợp để chế tạo cảm biến 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 19 mạch cầu có kích thước 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 đế chế tạo cảm biến Toàn quy trình chế tạo cảm biến thực phòng thí nghiệm micro - nano trường 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 bước minh họa hình 3.1: mẫu phủ lớp cản quang, sau đem quang khắc phún màng, cuối tiến hành lift -o ff 3.1.1 Chế tạo điện trở dạng cầu Wheatstone Ỉ.Ỉ.Ỉ Quá trình quang khắc Bước : Làm bề mặt mẫu Đe dùng để chế tạo cảm biến đế Si, mặt oxi hóa thành lớp SÍƠ2 (có chiều dày khoảng từ 500 nm đến 1000 nm) để cách điện đế với mặt chân đế Trên đế Si có nhiều chất bẩn chất hũu nên ta phải làm đế đế không ảnh hưởng tới chất lượng màng - Chuẩn bị 10 đế SÌ/S1O - 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 nước DI để rủa cồn bám dính - Xì khô khí N , cho lên bếp nung 100° thời gian phút để bốc bay hết nước bề mặt đế Bước 2: Quay phủ mẫu với chất cản quang AZ5214-E - Các mẫu phủ lóp cản quang cách cho mẫu quay 20 thiết bị quay phủ (spin coater) SussMicroTec - 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): r » = T = yỊspeed (3.1) Với tốc độ quay phủ cho bảng 3.1 chiều dày chất cản quang sau nung khoảng 3, 62|jm Bảng 3.1 Các thông số trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E Bước Tôc độ quay phủ (v/p) Sô lân gia tôc Thời gian(s) 600 3500 30 Bước 3:Chiếu tia uv Trong trình quang khắc, đặt máy quang khắc với thông số: cường độ chiếu sáng 12mW/cm2, công suất chiếu sáng 240W Các mẫu sau sấy chiếu tia ƯV khoảng 200s 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 Bước : Tráng rửa 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 nước DI khuấy cho trôi hết developer bề mặt mẫu Quan sát mẫu kính hiển vi, thấy đế xuất 21 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 đem phún xạ lớp vật liệu nhạy từ trường NiFe Lấy mẫu sau tráng rửa gắn vào giá giữ mẫu có từ trường ghim 900 (Oe), ta phún màng có cấu trúc dạng: Ta/NÌ8 ()Fe2 () Mục đích việc phún lớp Ta lớp NỈ8 oFe2 o bám vào đế tăng cường dị hướng cho lớp Nig()Fe2 Các thông số trình phún cho bảng 3.2.Khi phún xong, tiến hành lift-off 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 cẩu Màng Chân không Ap suât Công Vận tôc quay Chiêu dày sở P b a s e khí Ar suất phún đế màng 25W 30 prm nm 75W 30 prm 15 nm ,2 Ta mTorr 2*10'7 Torr ,2 NiFe mTorr Hình 3.3 Mạch cầu điện trở sau phún xạ lift- off 22 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 (a) Ảnh chụp mask điện cực (b)Ảnh chụp cảm biến hoàn thiện 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) 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 Màng Chân không Công suât Vận tôc quay Chiêu dày khí Ar phún đế màng 2, mTorr 25W 30 prm 3nm 2, mTorr 30W 30 prm 45 nm sở Pbase Ta Cu Ap suât 2.5* 10-7 Toit 3.2.Kết thảo luận 3.2.1 Tính chất từ từ điện trở màng NiFe Hình 3.5 bên trái đường cong từ trễ tỉ đối M/Ms màng mỏng NiFe với bề dày khác 15nm thực theo từ trường nằm mặt phang màng song song với từ trường ghim ban đầu Ket cho thấy màng thể tính chất từ mềm với lực kháng từ mômen từ bão 23 hòa từ trường nhỏ, đường cong tỉ đối dốc Tính chất trông đợi chế tạo cảm biến cho lối lớn vùng từ trường nhỏ ơ> H (Oe) H (Oe) Hình 3.5 (Trải) Đường cong từ hóa màng có bể dày khác 15nm đo theo phương song song từ trường ghim (Hbias), (Phải) Sự phụ thuộc tín hiệu điện áp loi vào từ trường màng tương ứng, dòng cấp 5mA Ta thấy màng cho ta tín hiệu lối phụ thuộc vào từ trường nhỏ, tín hiệu nhiễu, không ổn định (hình 3.5 phải) Điều giải thích loại nhiễu nhiễu nhiệt ảnh hưởng đến tín hiệu từđiện trở màng 3.2.2 Tính từ điện trở cảm biến dạng cầu Wheatstone 3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường Hiệu ứng từ - điện trở cảm biến nghiên cún 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 với cường độ mA, từ trường tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim cảm biến Đường cong hình 3.6 trái thay đổi liên tục điện áp lối theo từ trường tác dụng vào cảm biến dải từ trường - 100 Oe -T 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 có 24 thể 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 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 phần 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 3.6 phải phụ thuộc điện áp lối vùng từ trường 18-r 22 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 Độ lệch cảm biến đạt giá trị AV = , mV Với mục đích ứng dụng cảm biến việc đo từ trường thấp độ nhạy cảm biến quan tâm cả, độ nhạy cảm biến xác định theo biểu thức s = (mV/ Oe), ta tính S h = 0, 17 mV/Oe H (Oe) Hình 3.6 Sự phụ thuộc loi theo từ trường chiểu, đo ImA: (Trải) Trong thang đo từ trường lớn, (Phải) Trong thang đo từ trường nhỏ 25 3.2.2.2TÍĨĨ hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trườĩĩg với dòng cấp khác 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 1mA, 2mA, 3mA điều kiện khác giữ nguyên.Ket đo biểu diễn hình 3.7 -0— mA • 2mA ♦ 3mA > > > 4 • ♦ 10 1mA 2m A 3m A - -100 -50 50 H (Oe) 100 16 18 20 22 H (Oe) Hình 3.7 Sự phụ thuộc loi theo từ trường chiểu, đo dòng 1, 2, 3mA: (Trải) Trong thang đo từ trườỉĩg lỏn, (phải) Trong thang đo từ trường nhỏ Từ đồ thị hình 3.7, ta thấy độ lệch độ nhạy cảm biến tăng dòng cấp tăng Ket bảng Bảng 3.4 Sự phụ thuộc loi theo từ trường chiều Dòng câp I(mA) Độ lệch thê ÀV (mV) Độnhạy (mV/Oe) 1,7 0, 17 3,3 0, 18 5, 0, 20 Từ bảng số liệu ta thấy, độ lệch tăng tuyến tính theo dòng điện Sư phụ thuộc tuyến tính thực hoàn toàn suy luận từ lý thuyết Theo công thức tín hiệu lối cảm biến phụ thuộc vào dòng điện [6] 26 T/ AV AV V = — —H — —C0SÍ2Ớ) 2 V = AVcos2(0)=/A/?cos2(ớ)(3 ) Nếu 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 để lựa chọn chế độ cấp dòng cảm biến ứng dụng Cảm biến chế tạo có độ nhạy lớn 0, 20 mV/Oe, giá trị nhỏ so với hiệu ứng AMR mạch cầu Wheatstone công bố giới [2, 3] nhung so với cảm biến có chức dựa cấu trúc phức tạp Hall, van-spin [5] tín hiệu lớn nhiều 27 KẾT LUẬN Trong thời gian ngắn nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệp, đề tài thu số kết sau: - Đã nghiên CÚ11 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 tù' điện trở dị hướng kích thước 0, 45 X mm, dày 15nm - Khảo sát tín hiệu lối cảm biến theo từ trường với dòng khác cho giá trị lớn ÀV = 5, lmV, độ nhạy s = 0, 20 mV/Oe, dòng cấp 3mA - Tín hiệu cảm biến nhỏ so với hiệu ứng AMR mạch cầu Wheatstone công bố giới so với cảm biến có chức dựa cấu trúc phức tạp Hall, van-spin tín hiệu lớn nhiều 28 [...]... ảnh hưởng đến tín hiệu từ iện trở của màng 3.2.2 Tính từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone 3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài Hiệu ứng từ - điện trở của cảm biến được nghiên cún 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 với cường độ 1 mA, từ trường ngoài tác... tín hiệu lớn hơn rất nhiều 27 KẾT LUẬN Trong thời gian ngắn nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệp, đề tài đã thu được một số kết quả sau: - Đã nghiên CÚ11 được tổng 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 tù' điện trở dị hướng kích thước 0, 45 X 4 mm, dày 15nm - Khảo sát tín hiệu. .. 3.3 Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off 22 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, chỉ khác khi quang khắc dùng mask chế tạo điện cực Hình 3.4 (a) Ảnh chụp mask điện cực... chất điện và từ của cảm biến 18 CHƯƠNG 3 THỤC NGHIỆM VÀ KÉT QUĂ 3.1 Quy trình chế tạo cảm biến Hình 3.1 Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến 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 cảm biến Mục đích của sự lựa chọn này là do mạch cầu Wheatstone có khả năng giảm tối đa nhiễu của môi trường Theo đó, trong mạch cầu. .. liệu chế tạo các điện trở vì NỈ8oFe2 o là một vật liệu từ mềm (Hc ~10 Oe), rất thích họp để 1 chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường nhỏ Cảm biến 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 cảm biến trong từ trường, trở kháng của các điện trở sẽ thay đổi không giống nhau do phương từ. .. nhận biết hạt từ có kích thước nhỏ được gắn vào tùng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy sinh học cực đại cho cảm biến 10 Kết ỉuận chương 1 Trong chương 1, chúng tôi đã trình bày về hiệu ứng từ điện trở, mạch cầu Wheatstone và các loại nhiễu cảm biến 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 cảm biến Qua nghiên cứu về một số loại... trong mạch cầu có kích thước nhỏ nên chúng tôi đã tiến hành chế tạo điện cực bằng Cu để hàn dây đo tín hiệu của cảm biến Chúng tôi đã sử dụng công nghệ quang khắc và công nghệ phún xạ đế chế tạo cảm biến Toàn bộ quy trình chế tạo cảm biến được thực hiện trong phòng thí nghiệm micro - nano của trường đại học Công nghệ Quy trình chế tạo cảm biến trải qua hai giai đoạn là chế tạo mạch cầu điện trở Wheatstone. .. 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, 20 mV/Oe, giá trị này tuy còn nhỏ so với hiệu ứng AMR trên mạch cầu Wheatstone đã công bố trên thế giới [2, 3] nhung so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu trúc phức tạp... bốn điện trở sẽ có kích thước bằng nhau là 0, 45mm X 4mm Chúng tôi cũng đã lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là NỈ8()Fe20 - một loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ 3 Oe -T 5 Oe), rất thích hợp để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường nhỏ Đe nối các thanh trở trong một điện trở và để nối các điện trở với nhau, chúng tôi chọn Cu vì Cu dẫn điện tốt Do các điện trở. .. trở và điện trở suất khi vectơ từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa + ầRvầầp là độ thay đổi điện trở và điện trở cực đại khi có tác dụng của từ trường ngoài Từ (1.2) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào в như hình 1.2 4 Hình 1.2: Giá trị điện trở thay đói phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướỉĩg của vectơ từ hóa 1.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone Mạch cầu điện trở Wheatstone được mô tả lần đầu ... nghiên cún thực khóa luận bao gồm: - Chế tạo, khảo sát tính chất từ vaf từ điện trở màng - Chế tạo cảm biến cầu Wheatstone - Khảo sát tín hiệu cảm biến Mục tiêu khóa luận - Chế tạo cảm biến dạng. .. biến dạng mạch cầu dài dựa hiệu ứng AMR - 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 cứu Sử dụng phương... Mạch cầu điện trở sau phún xạ lift- off 22 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