Ứng dụng hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) để đo khối lượng trọng lượng

Trong ứng dụng này van spin đóng vai trò là phần tử chuyển đổi tín hiệu từ trường thành dạng tín hiệu điện, sau đó được khuếch đại qua bộ thuật toán, đưa tới bộ chuyển đổi A/D và từ đó đ

VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU (ITIMS)

ĐỖ TUẤN ANH

ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ (GMR)

ĐỂ ĐO KHỐI LƯỢNG/TRỌNG LƯỢNG

Chuyên ngành : Khoa học và kỹ thuật vật liệu điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn

Hà Nội – Năm 2011

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS.Nguyễn

Anh Tuấn thầy đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện

tốt nhất giúp tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Để đạt được thành công trong học tập và hoàn thành luận văn tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thày cô ,anh chị làm việc tại Viện ITIMS ,cám ơn các bạn trong tập thể lớp ITIMS khóa 2009 -2011 đã chia sẻ ,động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc , tình yêu thương tới gia đình

và người thân nguồn động viên quan trọng về vật chất và tinh thần giúp tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành khóa học này

Hà Nội , ngày ………tháng ……… năm 2011

Học viên

Đỗ Tuấn Anh

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

1.1 Một số phương pháp đo khối lượng / trọng lượng 11

1.1.1.Khái niệm về khối lượng / trọng lượng 11

1.1.2 Một số thiết bị đo khối lượng / trọng lượng được vận dụng từ xưa đến hiện nay 12

1.1.3 Nhóm dụng cụ đo trọng lượng kiểu cơ học 12

1.1.4 Một số dụng cụ đo trọng lượng dùng trong công nghiệp 13

1.2 Cơ sở lý thuyết về từ điện trở GMR 15

1.3 Van spin 18

1.3.1.Cấu trúc van spin 18

1.3.1.1 Cấu trúc của van spin không ghim 19

1.3.1.2 Cấu trúc van spin có ghim .20

1.3.1.3.Cơ chế hoạt động của van spin 21

1.3.1.4.Một số van spin thông dụng 23

1.4 Một số ứng dụng của hiệu ứng van spin 25

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 29

2.1 Đo cường độ từ trường 29

2.1.2 Thiết bị đo cường độ từ trường 29

2.1.3 Thiết bị đo từ điện trở (MR) và đặc trưng cảm biến van spin 29

2.1.4 Thiết bị khảo sát cảm biến van spin 30

2.2 Qúa trình khảo sát bằng thực nghiệm 30

2.3 Thiết kế chế tạo thiết bị đo khối lượng EB.MR.01 41

2.3.1 Thiết kế sơ đồ khối 42

2.3.2 Phân tích chức năng các khối 42

2.3.3 Thiết kế mạch nguyên lý/ mạch in và bố trí linh kiện 43

2.4 Khảo sát cấu hình lắp đặt thiết bị EB.MR.01 46

2.5 Xây dựng phần mềm 52

2.6 Chuẩn hóa thiết bị EB.MR.01 55

2.6.1.Cơ sở chuẩn hóa 55

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 62

3.1 Đặc trưng của cảm biến GMR 62

3.1.1 Đặc trưng V(d) của cảm biến 62

3.1.2.Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo từ trường V(H) 63

3.2 Đặc trưng V(m) của thiết bị đo khối lượng EB.MR.01 64

3.2.1 Đặc trưng V (d ) của thiết bị đo khối lượng EB.MR.01 65

3.3 Xác định thông số kỹ thuật thiết bị EB.MR.01 66

3.4 Đề xuất nhằm hoàn thiện thiết bị đo 66

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Chữ cái tiếng Anh đầy đủ

ADC Analog to digital converter

AF Antiferromagnetic

FM Ferromagnetic

GMR Giant Magnetoresistance

IBM Internationnal Business Machines

ITIMS International Training Institute For Materials Science

LCD Liquid crystal display

MR Magnetoresistance

MRAM Magnetoresistive Random Access Memory

Từ viết tắt NGHĨA CỦA TỪ VIẾT TẮT

ADC Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

AF Phản sắt từ

FM Sắt từ

GMR Từ điện trở khổng lồ

IBM Tập đoàn thương mại máy tính đa quốc gia

ITIMS Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu

LCD Hiển thị tinh thể lỏng

MR Từ điện trở

MRAM Bộ nhớ từ truy cập ngẫu nhiên

NM Phi từ tính

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU

Hình 1.1.1: Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng được vận dụng 12

Hình 1.1.2 :Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng dạng cơ học 12

Hình 1.1.3: Một số hiệu ứng đã ứng dụng đo khối lượng / trọng lượng 13

Hình 1.1.4: Hiệu ứng Load cell ứng dụng đo khối lượng / trọng lượng lớn 14

Hình 1.1.5:Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng được vận dụng trong công nghiệp 15

Hình 1.2.1:Từ điện trở của 3 siêu mạng Fe / Cr được đo ở nhiệt độ 4,2K 16

Hình 1.2.2: Cấu trúc GMR 17

Hình 1.2.3 : Cấu trúc Van spin 17

Hình 1.2.4: Mô hình đường cong mô tả hiệu ứng GMR 18

Hình 1.3.1: Sơ đồ Van-spin không ghim .19

Hình 1.3.2: Đường cong từ hóa của van spin không ghim .20

Hình 1.3.3: Cấu trúc van-spin ghim không đối xứng đáy 21

Hình 1.3.4: Mô tả quá trình quay từ độ trong cấu trúc van spin 22

Hình 1.4.1: Mô hình lưu trữ thông tin bằng các bits trên đĩa từ .25

Hình 1.4.2: Mô hình kiểm tra đường ống vật liệu không phá hủy 25

Hình 1.4.3: Sơ đồ mạch đo dòng điện khép kín 26

Hình 1.4.4: Cấu hình bố trí cảm biến và nam châm gắn ở truc vô lăng xe 27

Hình 1.4.5: Cấu trúc của một van áp suất ứng dụng hiệu ứng vanspin .27

Hình 2.1.1 : Thiết bị đo cường độ từ trường 29

Hình 2.1.2 : Thiết bị đo từ điện trở (MR) .29

Hình 2.1.3 :Thiết bị khảo sát cảm biến van spin 30

Hình 2.2.1: Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .31

Hình 2.2.2 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .32

Hình 2.2.3 :Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .33

Hình 2.2.4 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 34

Hình 2.2.5 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 35

Hình 2.2.6 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .36

Hình 2.2.7 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .37

Hình 2.2.8: Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .38

Hình 2.2.9 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .39

Hình 2.2.10 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách .40

Hình 2.2.11 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách 41

Hình 2.3.1: Sơ đồ khối của thiết bị đo khối lượng / trọng lượng EB.MR.01 .42

Hình 2.3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến thiết bị EB.MR.01 44

Hình 2.3.3: Sơ đồ Board mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến GMR 44

Hình 2.3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch 45

Hình 2.3.5: Sơ đồ lắp ráp Board mạch Vi xử lý – LCD –Max232 45

Hình 2.3.6: Sơ đồ bố trí mặt thiết bị EB.MR.01 46

Hình 2.3.7: Sơ đồ lắp ráp Board mạch bàn phím thiết bị EB.MR.01 46

Hình 2.4.1: Cấu hình cảm biến ,nam châm lựa chọn cho thiết bị EB-MR.01 46

Hình 2.4.2: Cấu hình nam châm ,cảm biến GMR theo góc 450 47

Hình 2.4.3: Cấu hình nam châm ,cảm biến GMR theo góc 900 48

Hình 2.4.4: Cấu hình nam châm ,cảm biến GMR theo góc 1350 49

Hình 2.4.5: Cấu hình khảo sát tín hiệu ra của cảm biến GMR ( V-) 50

Hình 2.4.6: Cấu hình khảo sát tín hiệu ra của cảm biến GMR ( V +) 51

Hình 2.4.7: Cấu hình khảo sát tín hiệu ra của cảm biến GMR ( V-) ,(V+) 52

Hình 2.5.1 : Lưu đồ thuật toán lập trình cho thiết bị EB-MR.01 54

Hình 2.6.1: Thiết bị đối chứng và bộ quả mẫu .59

Hình 3.1.1: Đặc trưng cảm biến GMR theo V(d) 62

Hình 3.1.2: Đặc trưng cảm biến GMR theo V(d) 63

Hình 3.1.3: Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo từ trường V(H) 64

Hình 3.2.1: Đặc trưng V(gram) của thiết bị EB.MR.01 65

Hình 3.2.2: Đặc trưng V(d) của thiết bị EB.MR.01 65

Hình 3.4.1:Sơ đồ khối bố trí ghép nối thiết bị EB.MR.01 .67

Hình 3.4.2: Sơ đồ khối hệ thống ghép nối giao tiếp hiển thị qua máy vi tính .67

BẢNG Bảng tiêu chuẩn dùng trong kiểm định, định kỳ, về khối lượng do quốc gia quy định 57

BẢNG ĐÁNH GIÁ SAI SỐ THIẾT BỊ 60

GIỚI THIỆU CHUNG

MỞ ĐẦU

Trên thế giới hiệu ứng van spin đã được biết đến từ cuối thập kỷ 80 và được đưa vào ứng dụng trong các linh kiện điện tử mới như các cảm biến từ ứng dụng trong các ổ đĩa cứng của máy vi tính, trong các la bàn điện tử , trong các bộ nhớ MRAM , trong các thiết bị giám sát an ninh tại các khu vực sân bay, khách sạn v.v… Các cảm biến này có ưu điểm là tiêu thụ năng lượng ít, có độ nhạy cao với từ trường, chế độ làm việc ổn định tốt theo nhiệt độ

Tình hình nghiên cứu thử nghiệm chế tạo cảm biến van spin và tiếp cận ứng dụng công nghệ spintronics ở nước ta đã được tiến hành tại viện ITIMS thông qua

hoạt động của nhóm Vật lý spin và Công nghệ spintronics Tuy nhiên trong đời

sống thực tế việc ứng dụng cảm biến van spin vào để chế tạo các máy/thiết bị đo khối lượng / trọng lượng vẫn chưa thấy được đề cập đến Do vậy nhiệm vụ được giao cho đề tài của luận văn là nghiên cứu ứng dụng cảm biến van spin để chế tạo thiết bị có thể đo khối lượng / trọng lượng nhằm bước đầu thử nghiệm công nghệ điện tử mới - là công nghệ spintronics, một lĩnh vực của công nghệ cao, công nghệ nano - vào trong đời sống thực tế Trong ứng dụng này van spin đóng vai trò là phần tử chuyển đổi tín hiệu từ trường thành dạng tín hiệu điện, sau đó được khuếch đại qua bộ thuật toán, đưa tới bộ chuyển đổi A/D và từ đó đưa đến bộ vi xử lý được lập trình để vừa hiển thị số liệu trên LCD, vừa có thể ghép nối với máy tính và điều khiển được từ bên ngoài.Vì vậy tên đề tài của luận văn là:

Ứng dụng hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) để đo khối lượng / trọng lượng

Về nguyên tắc, bất kỳ sự thay đổi nào về cơ học, như dịch chuyển khoảng cách hay quay góc, cũng có thể được chuyển thành sự thay đổi về cường độ hay phương của từ trường Chẳng hạn như làm cho nguồn từ trường (ví dụ như một viên nam châm vĩnh cửu) tiến tới gần hay rời ra xa đối với một điểm được xác định trước Vì

sự thay đổi khối lượng hay trọng lượng cũng dẫn đến làm thay đổi khoảng cách theo chiều thẳng đứng do trọng lực tác dụng lên một vật nặng, nên thông thường người

ta hay sử dụng lò xo để đo sự biến đổi của khoảng cách thông qua độ kéo dãn hay

co nén của nó, hay độ lệch mức cân bằng (chính là sự thay đổi góc quay) để từ đó xác định được khối lượng/trọng lượng của một vật

Vấn đề đo khối lượng dựa vào nguyên lý của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (giant magnetoresistance - GMR), chính là dựa vào nguyên lý đo cường độ từ trường (thay đổi do khoảng cách thay đổi) bằng độ lớn của hiệu ứng GMR (do một hiện tượng vật lý được gọi là)

Vì vậy nghiên cứu đề tài này trước hết là tìm hiểu về bản chất vật lý của hiệu ứng GMR, nguyên lý đo cường độ từ trường bằng hiệu ứng GMR, cấu trúc của một van spin và cấu tạo của một cảm biến điện tử dựa trên van spin cũng như nguyên lý hoạt động của nó Tiếp theo là khảo sát các đặc tuyến tín hiệu của cảm biến van spin

sử dụng trong luận văn với cường độ từ trường tác dụng lên cảm biến được làm thay đổi theo khoảng cách, từ đó thiết kế mạch điện khuếch đại tín hiệu của cảm biến van spin, sau khuếch đại thường có giá trị điện áp thay đổi nằm trong vùng từ 0V đến 5V, ứng với mỗi khoảng dịch chuyển thay đổi cường độ từ trường xác định; trên cơ sở đó thiết kế và chế tạo bộ biến đổi A/D để chuyển đổi tín hiệu tương tự của cảm biến đã được khuếch đại thành tín hiệu số nhằm thực hiện lập trình được, giao tiếp được với máy tính Cuối cùng, và cũng là mục đích của luận văn, là chế

tạo ra được Cân điện tử EB – MR 01 có thể đo được khối lượng trong phạm vi từ 10g đến 500 gam, với độ sai số ± 1g

Kết cấu của luận văn gồm 3 chương :

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

ƒ Trình bày về một số phương pháp đo khối lượng / trọng lượng

ƒ Trình bày nguyên lý cơ bản về hiệu ứng GMR

ƒ Cơ sở lý thuyết về van spin Một số Van spin thông dụng

ƒ Một số ứng dụng của hiệu ứng van spin

Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm

ƒ Trình bày các phương pháp nghiên cứu, khảo sát các đặc trưng thông số của cảm biến theo từ trường

ƒ Phương án chế tạo thiết bị, thiết kế mạch, lắp ráp các mạch điện tử và các giải pháp hiệu chỉnh, chuẩn hóa thiết bị

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu, khảo sát các thông số đặc trưng của cảm biến theo khối lượng / trọng lượng và các thông số đặc trưng của thiết bị Một số giải pháp đề suất nhằm phát triển của thiết bị

Kết luận

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Một số phương pháp đo khối lượng / trọng lượng

1.1.1.Khái niệm về khối lượng / trọng lượng

- Khối lượng của một vật là lượng vật chất chứa trong vật đó (S) nào đó Khối lượng đặc trưng cho quán tính của vật hoặc đặc trưng cho sự hấp dẫn của vật đối với vật khác Khối lượng là một đại lượng vật lý không đổi

- Trọng lượng của một vật là lực gây ra do tương tác của vật và trái đất Quan hệ giữa trọng lượng và khối lượng được xác định theo công thức:

Tại Hà Nội gia tốc trọng trường g = 9,78668927 m/s2

Tại Đà Nẵng gia tốc trọng trường g = 9,78402088 m/s2

Tại TPHCM gia tốc trọng trường g = 9,78223524 m/s2

Độ chênh lệch gia tốc trọng trường (g) giữa Hà Nội & TP HCM là 4,5.10-4 m/s2 -Tại một địa điểm (g không đổi), có hai vật khối lượng là m1 , m2 và trọng lượng P1, P2 thì :

- Vậy để đo khối lượng m của vật ,ta có thể đo trọng lượng P

- Đơn vị đo khối lượng là “kilôgam”, viết tắt là “kg”

- Đơn vị đo trọng lượng là “Niutơn”, viết tắt là “N” 1N = 1kg 1m/s2

1.1.2 Một số thiết bị đo khối lượng / trọng lượng được vận dụng từ xưa đến hiện nay

Hình 1.1.1(a) từ xa xưa con người

đã biết sử dụng việc đo khối lượng

đã lấy một vật nặng để ước lượng

làm chuẩn dựa vào đó để xác định

trọng lượng vật khác [18]

(a)

Hình 1.1.1(b) sau này con người phát

hiện ra vật liệu kim loại cùng với sự

phát triển khoa học dần được cải tiến

dựa trên nguyên lý về sự đàn hồi kéo

,nén của lò , thiết bị đo trọng lượng chế

tạo ở dạng móc treo

(b)

Hình 1.1.1: Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng được vận dụng

1.1.3 Nhóm dụng cụ đo trọng lượng kiểu cơ học

¾ Thiết bị đo trọng lượng dạng cơ học

Nguyên tắc hoạt động của thiết bị

này là: Khi có trọng lượng đưa vào làm cho

lò xo bị nén với khoảng cách tùy theo trọng

lượng Sự nén của lò xo sẽ tác động đến cơ

cấu thanh ngang dịch chuyển trục kim chỉ

thị làm cho kim quay một góc tương ứng

với giá trị trọng lượng đặt vào

Hình 1.1.2 :Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng dạng cơ học

¾ Thiết bị đo trọng lượng kiểu cơ điện

- Cảm biến áp trở: cảm biến áp trở được chế tạo dưới dạng màng mỏng gồm

) làm cho giá trị điện áp ra thay đổi tỷ lệ với giá trị lực ,trọng lượng tác dụng [17]

- Cảm biến kiểu áp điện : bộ chuyển đổi này dùng phần tử biến đổi là phần tử

áp điện, cho phép biến đổi trực tiếp ứng lực dưới tác động của lực F do khối lượng / trọng lượng gây nên thành tín hiệu điện

Cảm biến kiểu áp điện Cảm biến áp trở

Hình 1.1.3: Một số hiệu ứng đã ứng dụng đo khối lượng / trọng lượng

Đối với những dụng cụ đo thuộc nhóm cơ điện thì khả năng xử lý kết quả đo cũng như truyền tín hiệu đi xa dễ dàng hơn, có thể hiển thị dưới nhiều hình thức khác nhau, linh hoạt hơn và phù hợp trong môi trường tự động hóa cao

1.1.4 Một số dụng cụ đo trọng lượng dùng trong công nghiệp

- Cảm biến Load cell

Mạch cầu gồm 4 điện trở , 2 điện trở dọc là điện trở chịu tác dụng , 2 điện trở

ngang là điện trở bù nhiệt độ 4 điện trở này tạo thành cầu điện trở hai nhánh ,ở giữa

có gắn một điện trở (G) cầu đo cân bằng

“Load” Strain Gauge là một điện trở đặc biệt có kích thước nhỏ 5mm, có điện trở

thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định

- Load là một thanh kim loại chịu tải ,thanh kim loại này một đầu được gắn

cố định, đầu còn lại tự do và gắn với mặt sàn cân (Đĩa cân , bàn cân )

- Khi thanh kim loại bị uốn, điện trở Strain Gauge sẽ bị kéo dãn ra và thay đổi điện trở tùy theo khối lượng vật mà Load, thanh kim loại sẽ bị uốn đi một lượng tương

ứng và lượng này được đo lường qua sự thay đổi điện trở của Strain Gauge.( G).[17]

Loại cảm biến này được gắn rời bên ngoài

mặt sàn của thiết bị đo trọng lượng và ghép

nối mạch vi xử lý hiển thị kết quả trên Led 7

Trọng lượng cực đại đo được : 30 tấn

Hình 1.1.4: Hiệu ứng Load cell ứng dụng đo khối lượng / trọng lượng lớn

Loại cảm biến này được gắn rời bên ngoài

mặt sàn của thiết bị đo trọng lượng và ghép

nối mạch vi xử lý hiển thị kết quả trên Led 7

Hình 1.1.5:Dụng cụ đo khối lượng / trọng lượng được vận dụng trong công nghiệp

Đã từ lâu, người ta đã sử dụng rất nhiều loại dụng cụ cũng như phương pháp

đo trọng lượng , về cơ bản nó được chia ra thành 2 dạng chính đó là: thiết bị đo trọng lượng cơ học Với thiết bị đo trọng lượng cơ học thuần túy thì nguyên tắc đó dựa vào sự biến dạng nén ,kéo của lò xo tỷ lệ với trọng lượng, những biến dạng về

cơ học sẽ kéo theo cơ cấu kim để chỉ thị kết quả Đối với thiết bị đo trọng lượng ứng dụng cơ điện thì thực chất cũng xuất phát từ sự biến dạng cơ học tỷ lệ với trọng lượng, kéo theo các cơ cấu biến đổi từ - điện, tín hiệu này được đưa đến mạch vi xử

lý và hiển thị kết quả trên LCD

Từ nhận định trên cho thấy, chúng ta hoàn toàn có thể ứng dụng cảm biến từ trường để chế tạo một thiết bị đo khối lượng/trọng lượng Vì vậy mục tiêu trong đề tài này sẽ nghiên cứu và ứng dụng một số tính chất mới của ngành khoa học vật liệu

để ứng dụng chế tạo ra thiết bị đo trọng lượng đồng thời nó cũng là cơ sở để thực hiện hàng loạt những ứng dụng tiếp theo dựa trên nền tảng của khoa học vật liệu

1.2.Cơ sở lý thuyết về từ điện trở GMR

1.2.1.Hiện tượng từ - điện trở khổng lồ (GMR)

Từ những năm cuối của thập kỷ 1980 trở lại đây, nhiều hiện tượng và tính chất vật lý mới của vật liệu đã được các nhà khoa học khám phá , nghiên cứu rất mạnh

mẽ ở các hệ từ có các đặc trưng kích thước thu nhỏ Một trong số những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là:

Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR trong các màng mỏng từ đa lớp hay trong

các siêu mạng từ, gồm các lớp sắt từ được xen kẽ với các lớp kim loại phi từ

Hiệu ứng GMR trong các màng đơn lớp của các hợp kim dị thể hai pha,

trong đó một pha là kim loại sắt từ, còn một pha là kim loại phi từ đóng vai trò là chất nền

Năm 1988, nhóm Albert Fert của trường Đại học Tổng hợp Nam Paris (Université Paris-Sud, France) đã nghiên cứu hệ siêu mạng từ (001)Fe/(001)Cr được chế tạo theo phương pháp Epitaxy chùm phân tử (MBE) Nhóm đã nghiên cứu tính chất dẫn điện phụ thuộc vào từ trường ngoài của hệ, khi đặt hệ ở từ trường khoảng 20

kG và tại nhiệt độ 4,2K kết quả thu được gây một sự ngạc nhiên lớn, ti số từ điện trở (MR) của mẫu rất lớn khoảng 50%, đây là một giá trị lớn nhất thu nhận được, giá trị này lớn hơn rất nhiều so với các hiệu ứng từ điện trở trước đó Hiệu ứng xuất hiện

trong cấu trúc siêu mạng từ Fe/Cr trên sau này được gọi là hiệu ứng từ điện trở lớn(Giant Magnetoresistance) hay từ điện trở khổng lồ (GMR) Người ta nhận thấy

rằng, các màng mỏng nhiều lớp có hiệu ứng GMR lớn nhưng phải làm việc trong môi

trường có từ tính cao và nhiệt độ thấp, thường ở nhiệt độ 4,2 K [5]

Hình 1.2.1:Từ điện trở của 3 siêu mạng Fe / Cr được đo ở nhiệt độ 4,2K

Parkin, nhà nghiên cứu của IBM, một trong những nhà khoa học nghiên cứu hiệu ứng GMR hàng đầu đã phát biểu '' Trong vòng một thập kỷ hệ từ đa lớp đã từ

sự hiếu kỳ khoa học trở thành một vật liệu quan trọng trong công nghệ chế tạo thiết

bị lưu trữ gọi là "bộ nhớ racetrack".'' (Parkin 1998) Hiệu ứng GMR sẽ mở ra một

sự kỳ vọng về tương lai quan trọng của chúng trong công nghiệp điện tử [10]

Hiệu ứng GMR xuất hiện trong một cấu trúc đa lớp không liên tục đồng nhất bao gồm các lớp sắt từ được ngăn cách bởi các lớp phi từ, những cấu trúc như thế

được gọi là siêu mạng từ hình 1.2.2., các lớp phi từ là những màng rất mỏng ngăn cách các lớp từ gọi là lớp cách Cấu trúc GMR điển hình là cấu trúc ba lớp gồm có

hai lớp sắt từ được ngăn cách bởi một lớp phi từ được gọi là van-spin hình 1.2.3 [8]

Hình 1.2.2: Cấu trúc GMR

Hình 1.2.3 : Cấu trúc Van spin

Tương tự như các hiệu ứng từ điện trở khác hiệu ứng GMR là sự thay đổi điện trở của mẫu khi có từ trường ngoài đặt vào, người ta thấy rằng khi đặt từ trường ngoài vào hệ đa lớp Fe/Cr thì điện trở của hệ giảm rõ rệt, tuy nhiên sự thay đổi này lớn hơn rất nhiều so với các hiệu ứng từ điện trở cổ điển đã biết

Sự thay đổi điện trở của hệ đa lớp xuất hiện khi từ trường ngoài sắp xếp lại

mô men từ của các lớp sắt từ kế tiếp Quá trình này được mô tả như trên Hình 1.2.3

[9] cho thấy khi không có từ trường ngoài từ độ của các lớp phản song có giá trị

điện trở của mẫu lớn nhất Khi có từ trường ngoài các mômen từ độ trong các lớp

sắt từ được sắp xếp lại sao cho song song với nhau khi đó điện trở của mẫu giảm

đột ngột [ 2 ]

Hình 1.2.4: Mô hình đường cong mô tả hiệu ứng GMR

Từ hình 1.2.4: ta thấy đường cong GMR của một màng mỏng đa lớp với

các cấu hình từ độ tương ứng Khi từ trường ngoài H = 0, có sự liên kết phản sắt

từ (AF) của các lớp từ và hệ ở trạng thái điện trở suất cao Khi H > H S, sự liên kết từ giữa các lớp trở thành sắt từ (FM) hoàn toàn và hệ có trạng thái điện trở suất (ρ)thấp nhất

1.3.Van spin

Hiệu ứng van spin được phát triển hình thành từ hiệu ứng từ điện trở khổng lồ

(giant magnetoresistance - GMR) được phát hiện vào năm 1988 và hiệu ứng từ điện trở chui hầm (tunneling magnetoresistance - TMR) vào năm 1995, đồng thời bởi 2

nhóm nghiên cứu của hai nhà vật lý người Pháp do Albert Fert và người Đức do Peter Grünberg đứng đầu Hai tác giả đứng đầu hai nhóm này đã nhận được giải thưởng Nobel Vật lý năm 2007 nhờ những phát minh,sự đóng góp quan trọng cho sự hình

thành của spintronics trên cơ sở phát minh về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR 1.3.1.Cấu trúc van spin

Cấu trúc Van-spin được hình thành từ một màng mỏng đa lớp gồm các lớp sắt

từ ngăn cách bởi các lớp phi từ mà ở đó điện trở của hệ thay đổi phụ thuộc vào sự định hướng của từ độ trong các lớp sắt từ Trong cấu trúc van-spin sự tương tác cặp

trao đổi yếu nên chỉ cần một từ trường có cường độ rất yếu là có thể làm thay đổi sự định hướng tương đối giữa các mô men từ độ và làm thay đổi điện trở của mẫu Để

có thể tạo ra được một cấu hình phản song giữa các từ độ của hai lớp sắt từ người ta tạo ra hai lớp sắt từ có lực kháng từ khác nhau, điều này có thể đạt được bằng cách

sử dụng hai vật liệu sắt từ khác nhau một lớp là vật liệu từ cứng còn lớp kia làm từ vật liệu từ mềm, hoặc chế tạo bề dày của hai lớp khác nhau Ta cũng có thể sử dụng một cấu trúc van-spin khác trong đó có thêm một lớp vật liệu phản sắt từ, giữa lớp vật liệu này với một lớp vật liệu sắt từ có tồn tại tương tác trao đổi dịch, tương tác này sẽ ghim từ độ của một lớp sắt từ trong khi từ độ của lớp sắt từ kia không bị ghim nên có thể quay tự do hơn

1.3.1.1 Cấu trúc của van spin không ghim

Trong cấu trúc van spin không ghim để có cấu hình từ độ phản song người ta chế tạo hai lớp sắt từ có hệ số lực kháng từ khác nhau bằng cách sử dụng hai loại vật liệu từ cứng hoặc từ mềm hoặc có thể làm bề dày của hai lớp sắt từ khác nhau Người ta

đã khảo sát và thấy rằng khi bề dày lớp sắt từ thay đổi thì lực kháng từ thay đổi

hình 1.3.1 trình bày một số các cấu trúc van-spin không ghim, các mũi tên lớn biểu

diễn các vector từ độ trong các lớp sắt từ

a) Van-spin đối xứng b) Van-spin không đối xứng

Hình 1.3.1: Sơ đồ Van-spin không ghim

Khi cho dòng điện chạy qua phần tử van-spin, với cường độ từ vài đến vài chục mA, cũng đủ tạo ra từ trường ở quanh phần tử để sắp xếp từ độ ở hai lớp theo kiểu phản song Từ trường ngoài có tác dụng làm cho từ độ của hai lớp định hướng song song trở lại với nhau Loại van-spin này được ứng dụng để làm các cảm

biến từ trường nhỏ [1]

Khi từ trường mạnh hai từ độ của hai lớp sắt từ cùng định hướng theo từ

trường ngoài và do đó chúng song song nhau, từ trường H giảm dần véc tơ từ độ của lớp sắt từ có trở kháng từ (H c1) nhỏ sẽ quay theo từ trường ngoài trước so với

véc tơ từ độ của lớp sắt từ có lực kháng từ (H c2) lớn, khi đó từ độ của hai lớp sắt từ

sẽ phản song với nhau và vì vậy điện trở của mẫu tăng Khi độ lớn của từ trường đạt

tới giá trị H c2 thì sẽ làm cho véc tơ từ độ của lớp sắt từ thứ hai quay về vị trí song song với véc tơ từ độ của lớp sắt từ thứ nhất Hệ từ đa lớp trong trường hợp này như một chiếc van nên được đặt tên là van-spin

Hình 1.3.2: Đường cong từ hóa của van spin không ghim

1.3.1.2 Cấu trúc van spin có ghim

Một cấu trúc tối thiểu của Van spin có bốn lớp gồm lớp phản sắt từ (AF), hai lớp sắt từ (F) và một lớp cách phi từ (NM) Việc thực hiện sắp xếp từ độ trong các lớp sắt từ ở kiểu van spin có ghim được thực hiện chủ động và chắc chắn hơn so với cấu trúc van-spin không ghim Đặc biệt chúng ta có thể tuyến tính hóa đặc tuyến của

phần tử van-spin khi dùng làm cảm biến

Hình 1.3.3: Cấu trúc van-spin ghim không đối xứng đáy

1.3.1.3.Cơ chế hoạt động của van spin

Cơ chế hoạt động của van-spin dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ mà ở

đó điện trở của hệ màng mỏng từ đa lớp gồm các lớp sắt từ ngăn cách bởi lớp phi từ

có thể thay đổi rất lớn dưới tác dụng của từ trường ngoài [9] do đó sẽ làm thay đổi

điện trở của hệ Có thể thấy rằng trạng thái của hệ (điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của từ độ của các lớp sắt từ Có nghĩa là việc từ

độ các lớp này định hướng tương đối với nhau ra sao (song song hay phản song song) có thể cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua hoặc không thể truyền qua, nói cách khác là từ độ của các lớp sắt từ hoạt động như một chiếc van đóng mở spin Các cấu trúc spin valve đã và đang được ứng dụng trong các đầu đọc

ổ cứng máy tính [4] Trong tương lai nó sẽ được ứng dụng rộng dãi để chế tạo các linh kiện điện tử và được coi là linh kiện điện tử thế hệ mới(spintronic) [6]

Hình 1.3.4: mô tả quá trình quay từ độ trong cấu trúc van-spin, khi véctơ mô

men từ trường ngoài quay thì hướng từ độ của lớp sắt từ tự do sẽ bị quay theo, trong khi đó véc tơ từ độ của lớp sắt từ bị ghim bên dưới không quay Kết quả là giá trị điện trở của cấu trúc van spin cũng bị thay đổi tỷ lệ với góc quay của từ trường ngoài

a) Trường hợp véc tơ từ độ của 2 lớp sắt từ là phản song (1800)

b) Trường hợp véc tơ từ độ của 2 lớp sắt từ vuông góc (2700)

c) Trường hợp véc tơ từ độ của 2 lớp sắt từ là song song (3600)

Hình 1.3.4: Mô tả quá trình quay từ độ trong cấu trúc van spin

1.3.1.4.Một số van spin thông dụng

9 Cảm biến AC004 : Cảm biến hiệu ứng GMR của hãng NVE (Mỹ ) có độ

nhạy cảm với từ trường yếu, khi có một dòng điện rất nhỏ đi qua dây dẫn đặt trên bề

mặt cảm biến nó cũng đủ gây ra hiệu ứng Vì thế loại cảm biến này thường được ứng

dụng trong các thiết bị để phát hiện dòng điện AC có tần số lớn hơn 1MHZ , hoặc có

thể ứng dụng cảm biến AC004 để chế tạo ra thiết bị phát hiện dây dẫn điện âm

tường trong trạng thái kiểm tra không phá hủy.[20]

Một số thông tin về loại cảm biến AC004 như sau:

9 Cảm biến GMR 6 : Cảm biến van spin hiệu ứng GMR cấu trúc bên trong

gồm có 4 phần tử van spin đơn ghép theo kiểu cầu Cảm biến này rất nhạy đối với

từ trường ngoài, có trở kháng đầu ra tuyến tính với cường độ từ trường ngoài khi

tác dụng vuông góc 900với bề mặt cảm biến Tín hiệu đầu ra chân số (2) và chân số

(4) là dạng điện áp đo được V+ ,V-

Một số thông tin về loại cảm biến GMR 6 như sau:

¾ Cảm biến SV- 01: Cảm biến SV-01 là loại cảm biến van spin hiệu ứng GMR

cấu trúc bên trong gồm có 4 phần tử van spin đơn ghép theo kiểu cầu Wheatstone

.[13] Cảm biến này rất nhạy đối với từ trường ngoài, [7 ] đặc biệt là khoảng thay

đổi tuyến tính giữa MR được kéo dài theo trục X

Một số thông tin về loại cảm biến SV – 01 như sau:

1.4 Một số ứng dụng của hiệu ứng van spin

- Đầu đọc sử dụng van spin

Hình 1.4.1: Mô hình lưu trữ thông tin bằng các bits trên đĩa từ

Vanspin có độ nhạy với từ trường rất cao nên chúng có khả năng phát hiện từ trường yếu ,các van-spin đã được ứng dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại

Trong ổ đĩa cứng máy vi tính thông tin được lưu trữ trong những vùng từ hóa trên một đĩa mỏng từ tính những vùng này gọi là bit thông tin ,dung lượng lưu trữ được tính bằng mật độ bit trên một đơn vị diện tích

- Đo từ (Magnetic measurements)

Gồm có hai cuộn dây tạo từ trường yếu , khi cung cấp cho hai cuộn dây một

giá trị điện áp trong khung dây sẽ xuất hiện một đại lượng từ thông biến thiên sinh

ra các đường sức từ hay còn gọi là từ trường H ,cường độ từ trường mạnh hay yếu phụ thuộc vào dòng điện chạy qua khung dây ,chiều của từ trường phụ thuộc vào chiều dòng điện

Hình 1.4.2: Mô hình kiểm tra đường ống vật liệu không phá hủy

- Đo điện

Đặt dây dẫn xuyên qua khung từ ,cảm biến được lắp đặt tại khe nhỏ của khung từ

Từ trường do dòng điện chạy qua dây dẫn sinh ra từ trường được tập trung trong khe từ tác động vào cảm biến đưa tới bộ khuếch đại lấy ra ở đầu ra Vout

Hình 1.4.3: Sơ đồ mạch đo dòng điện khép kín

- Bộ chuyển đổi từ - điện sử dụng cảm biến van spin

Trong thực tế có rất nhiều ứng dụng cần thiết đến việc chuyển đổi giữa các đại lượng vật lý như chuyển đổi đại lượng cơ học sang tín hiệu điện thực hiện chức năng đóng / ngắt mạch điện, sự dịch chuyển theo góc quay có chu kỳ có thể dùng trong các thiết bị tự động điều khiển góc mở, đo vận tốc hay đo góc, sự dịch chuyển theo phương ngang có thể dùng trong các thiết bị cần xác định vị trí, đóng ngắt mạch điện theo chu trình vv

Dưới đây là hình ảnh minh họa một số ứng dụng thực tế của cảm biến Van

spin dùng trong công nghệ ô tô hiện nay Hình 1.4.4: cầu hình bố trí cảm biến GMR

và nam châm được gắn ở trục điều khiển vô lăng theo phương ngang với mục đích

có thể nhằm xác định hướng chuyển động của xe khi điều khiển vô lăng ,trên cơ sở

đó bộ chuyển đổi từ - điện được tác động đưa ra điện áp tác động về mạch điện tử xử

lý tín hiệu có thể là làm bật túi khí khi có sự va chạm mạnh đảm bảo an toàn cho người điều khiển phương tiện

Hình 1.4.4: Cấu hình bố trí cảm biến và nam châm gắn ở truc vô lăng xe

- Cấu tạo của van áp suất ứng dụng hiệu ứng vanspin

Hình 1.4.5: Cấu trúc của một van áp suất ứng dụng hiệu ứng vanspin

Cấu tạo van áp suất thân van bằng đồng và được chia làm 2 vùng

Vùng 1 : Nối vào áp suất được ký hiệu ( P) và được đưa tới màng chắn bằng kim loại có sự đàn hồi tuyến tính kiểu dạng màng lò xo ,sau lớp màng lò xo có đặt một viên nam châm

Vùng 2: Là vùng được bố trí đặt cảm biến GMR khi áp suất chất khí hoặc lỏng được đưa vào buồng chứa thì sự giãn nở của màng lò xo sẽ kéo theo sự dịch chuyển của thanh nam châm, làm cho khoảng cách giữa cảm biến và thanh nam châm thay đổi

Khi đó do khoảng cách thay đổi sẽ kéo theo sự thay đổi cường độ từ trường tác dụng lên cảm biến và kết quả là tín hiệu ra của cảm biến cũng sẽ bị thay đổi tỉ lệ với áp suất đưa vào buồng chứa, tín hiệu ra được kết hợp với một số mạch điện tử để

xử lý tín hiệu hiển thị

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Đo cường độ từ trường

Phương pháp đo cường độ từ trường giữa cảm biến GMR và nam châm

thông thường được xác định bằng phương pháp thay đổi theo khoảng cách

2.1.2 Thiết bị đo cường độ từ trường

Hình 2.1.1 : Thiết bị đo cường độ từ trường

ƒ Thiết bị đo cường độ từ trường

gồm :

- Máy đo cường độ từ trường Gaussmeter

- Đầu đo cảm biến GMR

- Vòng dây khư từ dư cảm biến đưa vị trí máy đo cường độ từ trường về vị trí Offset ( H = 0 )

2.1.3 Thiết bị đo từ điện trở (MR) và đặc trưng cảm biến van spin

Hình 2.1.2 : Thiết bị đo từ điện trở (MR)

ƒ Thiết bị đo từ điện trở (MR) gồm :

- Máy đo HP hiển thị đường đặc trưng tín hiệu của cảm biến

- Đầu đo cảm biến GMR, máy đo Gaussmeter

- Bộ nguồn cung cấp cho cuộn dây tạo

từ trường ( nguồn nam châm điện)

2.1.4 Thiết bị khảo sát cảm biến van spin

Hình 2.1.3 :Thiết bị khảo sát cảm biến van

spin

ƒ Thiết bị khảo sát cảm biến Van Spin gồm :

- Cảm biến Van spin (GMR 6)

- Trục vít me thay đổi khoảng cách cảm biến

và nam châm

- Vòng dây khư từ dư cảm biến đưa vị trí máy đo cường độ từ trường về vị trí Offset (H = 0 )

- Phần mềm vẽ đặc tính Orgin 8.5

- Máy vi tính

2.2 Qúa trình khảo sát bằng thực nghiệm

Kết quả khảo sát cảm biến (GMR ) ở nhiệt độ phòng 300C, xác định cường

độ từ trường nam châm hình chữ nhật theo khoảng cách d(mm) trên thiết bị đo

Gaussmetter tại phòng thí nghiệm Viện ITIMS

Theo hình 2.2.1(a) Cảm biến để cố định thay đổi phương dịch chuyển nam

châm theo phương trục X Cơ chế hoạt động của van-spin dựa trên hiệu ứng từ điện

trở khổng lồ mà ở đó điện trở của hệ màng mỏng từ đa lớp gồm các lớp sắt từ ngăn

cách bởi lớp phi từ có thể thay đổi rất lớn dưới tác dụng của từ trường ngoài do đó

sẽ làm thay đổi điện trở của hệ (điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào sự định

hướng tương đối của từ độ của các lớp sắt từ Hình 2.2.1(b) khi khoảng cách nam

châm cách cảm biến ở khoảng cách 0.0169mm từ trường H (Oe) đạt 302.619Oe ta

thấy mật độ đường sức từ tập trung rất lớn làm cho cấu trúc từ độ có chiều hướng

xắp xếp tương đối với nhau có thể đảo chiều song song giá trị điện trở cảm biến lúc

này ở một giá trị nào đó cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua ,ứng với

khoảng cách 0.0169mm đến 3mm

Khoảng cách từ 3mm đến 4mm cường độ từ trường đạt 9.710Oe mật độ

đường sức từ giảm dần về -6.04 Oe khi ở khoảng cách 3.52 mm sự xắp xếp trật tự

của các đô men từ dần dần bị đảo chiều từ độ theo từ trường ngoài cho đến khi bão hòa ,có chiều phản song ngược chiều khi khoảng cách nam châm ở trong khoảng 3.52 mm, tương ứng vùng từ trường thấp nhất giá trị điện trở cảm biến có thể lớn nhất không cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua Đường đặc tính tương đối tuyến tính trong khoảng 0.0169 đến 3mm

(a)

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0

50 100 150 200 250 300 350

Hình 2.2.1: Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách

Theo hình 2.2.2(a) Cảm biến để cố định thay đổi phương dịch chuyển nam

châm theo phương trục X Theo cơ chế hoạt động của van-spin dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ mà ở đó điện trở của hệ màng mỏng từ đa lớp gồm các lớp sắt từ ngăn cách bởi lớp phi từ có thể thay đổi rất lớn dưới tác dụng của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi điện trở của hệ ( giá trị điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào sự

định hướng tương đối của từ độ các lớp sắt từ Theo hình 2.2.2(b) khi khoảng cách

nam châm cách cảm biến ở khoảng cách 0.0175mm từ trường H (Oe) đạt 300Oe mật

độ đường sức tập trung lớn tương ứng với cấu trúc từ độ có chiều hướng xắp xếp tương đối với nhau có thể đảo chiều song song giá trị điện trở cảm biến lúc này ở một giá trị nhỏ cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua ứng với khoảng cách 0.0175mm đến 3mm

Ở khoảng cách từ 3 mm cường độ từ trường đạt 9.572 Oe mật độ đường sức

có chiều hướng giảm dần sự xắp xếp trật tự của các đô men từ dần có xu thế bị đảo chiều, từ độ theo từ trường ngoài có chiều hướng phản song ngược chiều khi khoảng cách nam châm ở trong khoảng 3mm tương ứng vùng từ trường thấp nhất giá trị điện trở cảm biến lớn nhất không cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua Đường đặc tính tương đối tuyến tính trong khoảng 0.0175 mm đến 3 mm

(a)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0

50 100 150 200 250 300

Hình 2.2.2 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách

Theo hình 2.2.3(a) Cảm biến để cố định thay đổi phương dịch chuyển nam châm

theo phương trục X Cơ chế hoạt động của van-spin dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ mà ở đó điện trở của hệ màng mỏng từ đa lớp gồm các lớp sắt từ ngăn cách bởi lớp phi từ có thể thay đổi rất lớn dưới tác dụng của từ trường ngoài làm thay đổi điện trở của hệ (giá trị điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào sự định hướng

tương đối của từ độ của các lớp sắt từ Hình 2.2.3 (b) khi khoảng cách nam châm

cách cảm biến ở khoảng cách 0.343mm từ trường H (Oe) đạt 1504Oe mật độ đường sức từ tập trung lớn cấu trúc từ độ có chiều hướng xắp xếp đảo chiều song song giá

trị điện trở cảm biến lúc này nhỏ cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua ứng với khoảng cách 0.343mm đến 5.252mm

Khoảng cách từ 5.252 mm cường độ từ trường đạt 101.4 Oe từ từ giảm dần

sự xắp xếp trật tự của các đô men từ dần bị đảo chiều từ độ theo từ trường ngoài cho đến khi bão hòa, có chiều hướng phản song ngược chiều khi khoảng cách nam châm

ở trong khoảng 6mm đến 30mm tương ứng vùng từ trường thấp nhất ,mật độ đường sức từ tập trung nhỏ nhất dẫn đến giá trị điện trở cảm biến lớn nhất không cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua Đường đặc tính tương đối tuyến tính

trong khoảng 0.343 mm đến 5mm

( a)

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Hình 2.2.3 :Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách

Theo hình 2.2.4(a) Cảm biến để cố định thay đổi phương dịch chuyển nam

châm theo góc khoảng 450 Hình2.2.4(b) khi khoảng cách nam châm cách cảm biến

ở khoảng cách 0.090 mm từ trường H(Oe) đạt 93.47 Oe cấu trúc từ độ có chiều hướng mật độ đường sức từ tập trung có thể lớn nhất dẫn đến cấu trúc từ độ xắp xếp đảo chiều song song giá trị điện trở cảm biến lúc này nhỏ nhất cho phép dòng điện

tử (dòng spin) được truyền qua ứng với khoảng cách 0.090 mm đến 6.592 mm Khoảng cách từ 6.592 mm cường độ từ trường đạt 7.607 Oe mật độ đường sức từ tập trung có thể nhỏ nhất từ trường giảm dần dẫn đến sự xắp xếp trật tự của các đô men từ dần bị đảo chiều từ độ theo từ trường ngoài cho đến khi bão hòa, có

chiều hướng phản song ngược chiều khi khoảng cách nam châm ở trong khoảng 6.592 mm đến 10 mm, mật độ đường sức từ tập trung tại đây rất nhỏ giá trị điện trở cảm biến lớn nhất không phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua Đường đặc tính tương đối tuyến tính trong khoảng 1.482 mm đến 6.592 mm

(a)

0 100 200 300 400 500

Theo hình 2.2.5(a) Cảm biến để cố định thay đổi phương dịch chuyển nam châm theo phương trục X Hình 2.2.5(b) khi khoảng cách nam châm cách cảm biến

ở khoảng cách 25.33mm từ trường H(Oe) đạt 2.870 Oe mật độ đường sức từ tăng dần ứng với cấu trúc từ độ xắp xếp có chiều hướng đảo chiều phản song giá trị điện trở cảm biến lúc này lớn nhất ứng với khoảng cách 25.33mm đến 23.01mm

Khoảng cách từ 23.01mm cường độ từ trường đạt 999.1Oe mật độ đường sức từ giảm dần, sự xắp xếp trật tự của các đô men từ dần bị đảo chiều từ độ theo từ trường ngoài cho đến khi bão hòa, có chiều hướng song song cùng chiều khi khoảng cách nam châm ở trong khoảng 14 mm đến 0mm tương ứng vùng từ trường thấp nhất giá trị điện trở cảm biến nhỏ nhất cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua Đường đặc tính tương đối tuyến tính trong khoảng 23.01mm đến 25.33mm

( a)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Hình 2.2.5 : Cấu hình xác định H(Oe) theo khoảng cách

Theo hình 2.2.6(a) Cảm biến để cố định thay đổi phương dịch chuyển nam

châm theo phương trục X Hình 2.2.6(b) khi khoảng cách nam châm cách cảm biến

ở khoảng cách 0.52mm từ trường H(Oe) đạt 304.7 Oe mật độ đường sức từ tập trung ứng cấu trúc từ độ có chiều hướng xắp xếp đảo chiều song song giá trị điện trở cảm biến lúc này nhỏ nhất cho phép dòng điện tử Spin đi qua ứng với khoảng cách 0.52

mmđến 2.05 mm

Khoảng cách từ 2.05 mm cường độ từ trường đạt 38.97 Oe và giảm dần sự xắp xếp trật tự của các đô men từ dần bị đảo chiều từ độ theo từ trường ngoài cho đến khi có chiều hướng phản song ngược chiều khi khoảng cách nam châm ở trong khoảng 2 mm đến 2.1 mm tương ứng vùng từ trường thấp nhất giá trị điện trở cảm biến lớn nhất không cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua Đường đặc tính tương đối tuyến tính trong khoảng 0.52 mm đến 2.05 mm