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

Với mục tiêu chế tạo cảm biến đo từ trường thấp giảm thiểu ảnh hưởng các loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt, tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa quy trình công nghệ, giảm chi phí sản xuấ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Đình Tú

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Bùi Đình Tú thầy đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em làm khóa luận

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô và các anh chị trong phòng thí nghiệm công nghệ nano đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt thời gian em làm việc tại phòng

Trong quá trình thực hiện khóa luận em cũng nhận được 1'ất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô và các bạn trong trường đại học Sư phạm Hà Nội2.Em xin trân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

Dương Thị Linh Nhâm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cún khoa học trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và không có sự trùng lặp với kết quả của đề tài khác Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều được trích dẫn một 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 các bảng biếu

Danh mục các bảng biểu hình vẽ

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của khóa luận 2

3 Đối tượng nghiên c ú n 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 TỒNG QUAN 3

1.1 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng A M R 3

1.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone 5

1.3 Nhiễu cảm b iế n 8

1.3.1 Nhiêu nhiệt 8

1.3.2 Dải tần nhiêu tương đương 9

ỉ 3.3 Nhiễu lượìĩg t ử 9

1.3.4 Nhiễu l / f 9

Ị.3.5 Nhiễu Barkhausen 10

Ket luận chương 1 11

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TH ựC NGHIỆM 12

2.1 Các thiết bị sử dụng trong khóa lu ận 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 của cảm biến 16

2.2.1 Khảo sát tính chất điện của cảm biến 16

2.2.2 Khảo sát tính chất từ của cảm biến 17

Ket luận chương 2 18

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 19

3.1 Quy trình chế tạo cảm b iến 19

3.1.1 Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone 20

3.1.2 Chế tạo các điện cực 23

3.2 Ket quả và thảo luận 23

3.2.1 Tính chat từ và từ điện trở của màng NiFe 23

3.2.2 Tính từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone 24

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang

AZ5214-E 21

Bảng 3.2 Thông số phún xạ khi tạo điện trở cấu trúc cầu 22

Bảng 3.3 Các thông số phún điện cực 23

Bảng 3.4 Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều 26

DANH MỤC CÁC ĐÒ THỊ, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguồn gốc vật lí của A M R 4

Hình 1.2 Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của véctơ từ hóa 5

Hình 1.3 Mạch điện trở dạng cầu Wheatstone 6

Hình 2.1 Buồng xử lí m ẫu 12

Hình 2.2 Thiết bị quay phủ SussMicroTec và 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 về quy trình chế tại cảm biến 19

Hình 3.2 Ảnh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone 21

Hình 3.3 Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off 22

Hình 3.4 (a) Ảnh chụp mask điện cực (b)Ánh chụp cảm biến sau khi phún xạ và lift-off 23

Hình 3.5: Sự thay đổi hiệu điện thế lối ra theo từ trường ngoài trong dải -120 -T 120 Oe với phương từ độ của cảm biến cùng phương với từ trường ngoài 24

Hình 3.6 Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều, đo tại lmA: (Trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong thang đo từ trường nhỏ 25

Hình 3.7 Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều, đo tại các dòng 1, 2, 3mA: (Trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong thang đo từ trường nhỏ 26

M Ở ĐÀU

1 Lí do chọn đề tài

Trên thế giới có rất nhiều loại cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau được sử dụng để đo từ trường thấp cỡ từ trường Trái đất 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 tới 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

Với mục tiêu chế tạo cảm biến đo từ trường thấp giảm thiểu ảnh hưởng các loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt, tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa quy trình công nghệ, giảm chi phí sản xuất, tôi đã lựa chọn thiết kế cảm biến dạng mạch cầu Wheatstonehoat động dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng(AMR) Với thiết kế dạng mạch cầu Wheatstone này, các ảnh hưởng của nhiễu nhiệt lên tín hiệu của cảm biến sẽ được giảm tối đa và do đó sẽ tăng cường được độ nhạy của cảm biến Trong khóa luận này, vật liệu được lựa chọn để chế tạo cho điện trở cảm biến là NÌ8()Fe20 - là vật liệu từ mềm có lực kháng từ Hc nhỏ, độtừ thẩm cao rất phù họp cho việc chế tạo cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường thấp Vì vậy ngoài khả năng đo được từ trường trái đất, cảmbiến còn được kỳ vọng phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân sự, phương tiện giao th ô n g ,

Với hướng nghiên cún này, các nội dung nghiên cún được thực hiện trong khóa luận bao gồm:

- Chế tạo, khảo sát tính chất từ vaf từ điện trở trên màng

- Chế tạo cảm biến cầu Wheatstone

- Khảo sát tín hiệu cảm biến

2 Mục tiêu của khóa luận

- Chế tạo cảm biến dạng mạch cầu thanh dài dựa trên hiệu ứng AMR

- Khảo sát các tính chất từ, từ điện trở của cảm biến

3 Đối tượng nghiên cún

- Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp thực nghiệm

- Chế tạo cảm biến với vật liệu NÌ8()Fe20

- Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo

5 Phương pháp nghiên cún

Sử dụng phương pháp thực nghiệm

- Chế tạo cảm biến dạngthanh dài với vật liệu NÌ8oFe2()

- Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo

CHƯƠNG1 TỎNG QUAN 1.1 Hiệu ửng từ điện trở dị hướng AMR

Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn dưới tác động của từ trường, được xác định bằng công thức:

từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo Các đám mây điện tử baoquanh mỗi hạt nhân, đámmây này thay đổi hình dạng phụ thuộc vào địnhhướng của momen từ và sự biến dạng của các đám mây điện tử làm thay đổi lượng tán xạ của điện tử dẫn khi nó đi qua mạng tinh thể Ta có thể giải thích

sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn vào định hướng của momen từ với chiều dòng điện như sau: Neu từ trường định hướng song song với chiều dòng điện thì quỹ đạo chuyển động của điện tử được định hướng vuông góc với chiều của dòng điện, và mặt cắt đối với tán xạ của điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn

có điện trở lớn Ngược lại, khi từ trường được định hướng vuông góc với chiều của dòng điện thì khi đó quỹ đạo chuyển động của các điện tử nằm trong mặt phang của dòng điện và như vậy chỉ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ của điện tử, dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ (xem hình 1.1) [8]

Điện tr ỡ lớn Điện tr ở nhỏ

Hình ỉ ỉ Nguồn gốc vật lí 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 M s 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, 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 độvà tùtrường ngoài Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua góc ớ góc giữa chiều dòng điện và vectơ từ độ:

R(0) = Po.n 7 7 + Ap-^-cosớ = R0,„ + AR cos2e (1.2)

+ ầR vầầp 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.

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 vào năm 1833 bởi Samuel Hunter Christie (1784-1865) Tuy nhiên sau đó Sir Charles Wheatstone đã đưa mạch này vào ứng dụng trong thực tế nên mạch này có tên

là mạch cầu Wheatstone Cho đến ngày nay, sử dụng mạch cầu Wheatstone vẫn là phương pháp hiệu nghiệm chính xác khi đo lường giá trị thay đổi của trở kháng [7]

Cấu trúc của một mạch cầu Wheatstone (xem hình 1.3)bao gồm có bốn

điện trở Ri, R.2, R-3, R-4 được mắc song song với nhau Một nguồn điện một chiều được sử dụng để cấp vào 2 điểm A, c tạo ra dòng điện chạy trong mạch điện và một điện kế G có độ nhạy cao được dùng đế đo chênh lệch điện thế lối ra giữa 2 điểm B, D của cầu

Hình 1.3 Mạch điện trở dạng cầu Wheatstone

Khi ta cấp một điện thế V i n vào trong mạch điện, ta có:

v , AV (H ^ jR ^ A R ^ - jR ^ A R X R + A R ,) ^

Trong trường hợp lý tưởng, nếu ban đầu mạch cầu cân bằng, điện thế lối

ra được biểu diễn sẽ như sau:

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 [6]

Mạch cầu Wheatstone được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong các mạch điện tử như: dùng đế đo trở kháng, điện cảm, điệndung trong mạch 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 [4] Một ứng dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp là để giám sát các thiết bị cảm biến, chẳng 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 [7]

Với ưu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, chúng tôi đã chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor để giảm tối đa ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là nhiễu nhiệt, do đó tỉ số tín hiệu/nhiễu (signal/noise) sẽ lớn Trong thiết kế sensor dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện trở bằng nhau Ri = R2 = R 3 = R 4 Chúng tôi chọn NỈ8()Fe20 làm vật liệu chế tạo các điện trở vì NỈ8oFe2o là một vật liệu từ mềm (Hc ~10 Oe), rất thích họp để

4

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 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, nhung khi chịu tác dụng của từ trường thì mạch cầu không còn cân bằng nữa Khi đó ta sẽ đo được tín hiệu lối ra của cảm biến

1.3 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 gọi chung là nhiễu Nhiễu là sự thay đổi ngẫu nhiên tín hiệu lối ra của cảm biến khi giá trị

đo bằng 0 Một thông số quan trọng để đánh giá các cảm biến là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (signal/noise)

Việc đánh giá nhiễu dựa trên 3 loại chủ yếu là nhiễu tần số Mí, nhiễu

nhiệt và nhiễu lượng tử, được xác định bởi:

Với ÀVy là biên độ nhiễu, Af là dải thông tần số, nc là số hạt tải mang điện, f tần số đo, ke là hang so Boltzmann, T là nhiệt độ của mẫu, L là chiều dài của mẫu, e là điện tích cơ bản

Ớ vùng tần số thấp (f <300Hz), nhiễu chủ yếu là nhiễu tần số l/f, ở tần

số cao (trên 1kHz) nhiễu chủ yếu là nhiễu nhiệt

1.3.1 Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt là thành phần nhiễu sinh ra do các thành phần điện trở Trong dải tần số A/, độ lớn của nhiễu nhiệt được tính theo công thức:

Trong đó

+ r i à nhiệt độ tuyệt đối (K)

+ R d c là điện trở của cảm biến (trong dòng DC )

+ À/dải tần số của phép đo

+ ke là hằng số Boltzman.

Nhiễu nhiệt có trong tất cả các loại cảm biến (còn gọi là nhiễu Johnson), phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của điện trở Trong một vài trường họp, nó thể hiện dưới dạng nhiễu dòng nguồn phát của cường độ:

1.3.2 Dải tẩn nhiễu tương đương

Dải thông tiếng ồn là dải thông voltage-gain-squared của hệ thống hay mạch Đối với bất kỳ hàm chuyển đổi mạng nào, A(f), có 1 dải tần nhiễu tương đương với biên độ truyền không đổi Ao và dải tần:

1.3.3 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:

Trong đó q là điện tích, IDC là dòng DC trung bình và B làdải nhiễu.

1.3.4 Nhiễu l / f

Nhiễu l/f gây ra bởi sự dao động độ dẫn do sự tiếp xúc không hoàn hảo giữa 2 lóp vật liệu Nó xảy ra ở bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp xúc với nhau Nhiễu l/f tỷ lệ thuận với giá trị dòng 1 chiều Mật độ năng lượng biến thiên tỷ

lệ nghịch với tần số l/f Dòng nhiễu If trên căn bậc 2 của dải thông có được thể hiện như sau:

(1.10)

Từ công thức (1.10), ta thấy, nếu điện trở của cảm biến cực đại thì nhiễu đạt cực đại Ở tần số thấp, nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu l/f (do từ trường gây

ra nhiễu từ) được biểu diễn bởi công thức:

Trong đó y là hằng số hiện tượng thuận từ (hằng số Hooge), Nc là số hạt tải gây nhiễu trong cảm biến, I là dòng điện qua cảm biến và f là tần số đo Để đạt được tỷ số SNR lớn nhất có thể, cảm biến phải hoạt động phía trên l/f trong chế độ nhiễu nhiệt, thường xảy ra ở tần số vài trăm kHz đối với van- spin, nhưng trên 100 MHz 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 tùng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy sinh học cực đại cho cảm biến

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 nhiễu thì cảm biến nào cũng

bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt, do đó chúng tôi đã lựa chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm nhiễu nhiệt