HIệu ứng từ điện trở trên cảm biến dạng cầu wheatstone cấu trúc hỗn hợp nối tiếp song song

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ KIM DUNG HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ TRÊN CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE CẤU TRÚC HỖN HỢP NỐI TIẾP - SONG SONG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

TRẦN THỊ KIM DUNG

HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ TRÊN CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE CẤU TRÚC HỖN HỢP NỐI TIẾP - SONG SONG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

HÀ NỘI - 2017

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy

giáo ThS Lê Khắc Quynh, người thầy đã tận tình chỉ bảo, tạo mọi điều kiện

tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian

em hoàn thành khóa luận

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các cán bộ, các thầy cô giáo trong khoa Vật lý - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện giúp

đỡ em trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp Cảm ơn các bạn sinh viên đã cổ vũ, động viên và đóng góp những ý kiến quý báu cho bài khóa luận này

Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian và kiến thức nên khóa luận của em không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn sinh viên để khóa luận của em được hoàn thiện hơn

Khóa luận được thực hiện bởi sự hỗ trợ của Quỹ KHCN Trường ĐHSP

Hà Nội 2, đề tài mã số C.2017-18-01

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017

Sinh viên

Trần Thị Kim Dung

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận

là hoàn toàn trung thực và chƣa từng công bố ở bất kì nơi nào khác Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn một cách rõ ràng

Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017

Sinh viên

Trần Thị Kim Dung

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu khóa luận 1

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN 3

1.1 Một số loại hiệu ứng từ điện trở dị hướng 3

1.1.1 Hiệu ứng từ trở khổng lồ 3

1.1.2 Hiệu ứng Hall phẳng 4

1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR 5

1.2 Nhiễu cảm biến 8

1.2.1 Nhiễu nhiệt 8

1.2.2 Nhiễu 1/f 9

1.2.3 Nhiễu Barkhausen 9

1.3 Mạch cầu điện trở Wheatstone 10

1.4 Kết luận chương 1 12

CHƯƠNG 2 13

CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 13

2.1 Thiết bị quay phủ 13

2.2 Hệ quang khắc 14

2.3 Buồng xử lý mẫu và rung siêu âm 15

2.4 Thiết bị phún xạ 16

2.5 Kính hiển vi quang học 17

2.6 Quy trình chế tạo cảm biến 17

2.6.1 Quá trình quang khắc điện trở 18

2.6.2 Quá trình chế tạo điện cực 21

2.7 Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến 22

2.8 Kết luận chương 2 23

CHƯƠNG 3 24

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

3.1 Tính chất từ trên màng NiFe 24

3.2 Tính chất từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone 24

3.3 Kết luận chương 3 27

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E 19 Bảng 2.2: Thông số phún xạ màng điện trở 21 Bảng 2.3: Các thông số phún điện cực 21 Bảng 3.1: Bảng so sánh độ lệch tín hiệu và độ nhạy lớn nhất của 2 cảm biến S1 và S2, tại dòng cấp 0,1 mA 26

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: (a) Trạng thái điện trở cao và (b) Trạng thái điện trở thấp của linh

kiện GMR 3

Hình 1.2: Mô hình hiệu ứng Hall phẳng 4

Hình 1.3: Nguồn gốc vật lý của AMR 6

Hình 1.4: Sự thay đổi của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài 6

Hình 1.5: (a) Minh họa hiệu ứng AMR phụ thuộc vào các thông số màng và (b) Mô tả điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vector từ hoá 7

Hình 1.6: (a) Mạch cầu Wheatstone (b) Mạch cầu Wheatstone dưới tác dụng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng 10

Hình 2.1: Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển 13

Hình 2.2: Thiết bị quang khắc MJB4 14

Hình 2.3: (a) Buồng xử lý mẫu và (b) Thiết bị rung siêu âm 15

Hình 2.4: Thiết bi phún xạ catot ATC – 2000FC 16

Hình 2.5: Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến 18

Hình 2.6: Ảnh chụp mask điện trở (a) và mask điện cực (b) của mạch cầu Wheatstone cấu trúc nội tiếp – song song 20

Hình 2.7: Ảnh chụp mask điện cực của mạch cầu Wheatstone 21

Hình 2.8: Ảnh chụp cảm sau khi hoàn thiện dạng cấu trúc tổ hợp nối tiếp – song song (a) đem so sánh với cảm biến cấu trúc đơn giản đã được công bố bởi nhóm GS Nguyễn Hữu Đức (b) 22 Hình 2.9: (a) Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở (b) Thực nghiệm khảo

sát sự phụ thuộc thế ra vào từ trường ngoài 23Hình 3.1: Đường cong từ hóa trên màng có bề dày 5, 10, 15 nm đo theo phương song song từ trường ghim 24Hình 3.2: Đường cong tín hiệu từ điện trở và độ nhạy của cảm biến cầu Wheatstone cấu trúc nối tiếp – song song (S1), đo tại dòng cấp I = 0,1 mA 25Hình 3.3: Đường cong so sánh độ lệch thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều trên các cảm biến S1 và S2, đo tại dòng cấp 0,1mA 26

1

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Hiệu ứng từ-điện trở dị hướng (Anisotropic magnetoresistance - AMR)

là một trường hợp riêng của hiệu ứng từ điện trở (MagnetoResistance - MR)

là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường ngoài phụ thuộc vào góc tương đối giữa chiều dòng điện và từ độ của mẫu, được giáo sư William Thomson, Đại học Glasgow (Scotland, Vương quốc Anh) phát hiện vào năm

1856 William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là Ni, Fe dưới tác dụng của từ trường ngoài của một nam châm điện có thể đạt tới 3-5% ở nhiệt độ phòng [8,7] Kể từ khi phát hiện, người ta đã tìm cách nâng cao hiệu ứng và ứng dụng nó vào trong thực tiễn cuộc sống Các cảm biến dựa trên hiệu ứng AMR đã được nghiên cứu như cảm biến AMR dạng vòng được công bố bởi Miller vào năm 2002 sử dụng để

dò tìm các hạt từ [12] Cảm biến AMR dạng mạch cầu Wheatstone được công

bố bởi M J Haji-Sheikh vào năm 2007 [9, 10] Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của mạch cầu Wheatstone là tính ổn định nhiệt độ và chế tạo đơn giản Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Nguyễn Hữu Đức đã bước đầu thành công trong việc chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone có cấu trúc đơn giản dựa trên hiệu ứng AMR và ứng dụng trong việc phát hiện từ trường của trái đất, từ trường hạt từ, ứng dụng phát hiện phần tử sinh học Với mục đích tăng cường hớn tín hiệu cảm biến đồng thời không làm tăng nhiều giá trị điện trở nội của cảm biến, chúng tôi thiết kế cảm biến cấu trúc mà mỗi nhánh cầu gồm tổ hợp nhiều thanh điện trở mắc nối tiếp – song song

Do đó, tên đề tài khóa luận được nghiên cứu là: “Hiệu ứng từ điện trở

trên cảm biến dạng cầu Wheatstone cấu trúc hỗn hợp nối tiếp- song song.”

2 Mục tiêu khóa luận

- Chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ - điện trở

2

dị hướng AMR có cấu trúc mỗi nhánh điện trở dạng nối tiếp – song song, kích thước 0,15 x 4 mm, bề dày màng NiFe 5 nm

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

3 Đối tượng nghiên cứu

- 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 Ni80Fe20

- Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Một số loại hiệu ứng từ điện trở dị hướng

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:

(1.1)

1.1.1 Hiệu ứng từ trở khổng lồ

Hiệu ứng từ-điện trở (MagnetoResistance - MR) là sự thay đổi điện trở

của một vật dẫn gây bởi từ trường ngoài và được xác định thông qua công thức (1.1)

Hiệu ứng thường xuất hiện trong một vật liệu sắt từ dưới tác dụng của

từ trường Nguồn gốc của MR từ sự kết cặp spin-quỹ đạo giữa các điện tử

và các mô-men từ của các nguyên tử mạng

Hình 1.1: (a) Trạng thái điện trở cao và (b) Trạng thái điện trở thấp của linh

kiện GMR

Hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magneto resistance – GMR) là hiệu ứng

từ điện trở được phát hiện vào năm 1988 bởi Baibich và các đồng nghiệp Hiệu

𝑀𝑅 = ∆𝜌

𝜌 = 𝜌 0 − 𝜌 𝐻

𝑅 0

4

ứng từ điện trở khổng lồ thường được quan sát thấy trên màng tổ hợp của các lớp kim loại sắt từ và các lớp kim loại không từ tính xen kẽ Hiệu ứng này được biểu hiện dưới dạng điện trở của mẫu giảm cực mạnh từ trạng thái điện trở cao khi không có từ trường ngoài tác dụng sang trạng thái điện trở thấp khi có từ trường ngoài tác dụng

1.1.2 Hiệu ứng Hall phẳng

Hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall effect - PHE) cũng tương tự như hiệu ứng AMR đó là Hiệu điện thế lối ra phụ thuộc vào góc giữa từ độ và dòng qua

linh kiện Dựa vào sự tán xạ của điện tử theo phương từ độ của lớp sắt từ, khi

cho dòng điện I chạy qua linh kiện theo hướng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ M tạo ra điện trường E theo hướng của từ độ M Điện trường

E này tạo ra hiệu điện thế V theo hướng y vuông góc với dòng điện (hình 1.2)

Hình 1.2: Mô hình hiệu ứng Hall phẳng

Dưới tác dụng của dòng I x đặt theo phương x, nếu từ trường ngoài H

hợp với dòng điện I x một góc θ thì véctơ từ độ của mẫu M nằm trong mặt phẳng của linh kiện sẽ lệch một góc θ so với phương của dòng điện I x , khi đó

sẽ có thế ra V y xuất hiện theo phương vuông góc với dòng điện I x

V y = I x Rsinθcosθ (1.2)

Với R = (// - )/t, // và  lần lượt là điện trở suất của mẫu đo theo

phương song song và vuông góc với phương từ hóa, t là chiều dày tổng cộng

5

của màng Để nghiên cứu về hiệu ứng Hall phẳng trong các linh kiện Hall, người ta thường sử dụng mô hình Stonner Wohlfarth Vật liệu sử dụng cho hiệu ứng Hall phẳng là vật liệu permalloy

1.1.3 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR

Hiệu ứng từ điện trở (Anisotropic magnetoresistance - AMR) được giáo

sư William Thomson, Đại học Glasgow (Scotland, Vương quốc Anh) phát hiện vào năm 1856 William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là Ni, Fe dưới tác dụng của từ trường ngoài

của một nam châm điện có thể đạt tới 3-5% ở nhiệt độ phòng Hiệu ứng AMR

là sự thay đổi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào góc tương đối giữa cường

độ dòng điện và từ trường ngoài hay chiều của độ từ hóa của mẫu, phát hiện đầu tiên này bởi J Smit vào năm 1951 Lý thuyết về hiệu ứng AMR lần đầu tiên được giải thích vào năm 1971 bởi mô hình tán xạ điện tử trên các điện tử dẫn của G T Meaden

Nguồn gốc vật lý của hiệu ứng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo Các đám mây điện tử bao quanh mỗi hạt nhân, đám mây này thay đổi hình dạng phụ thuộc vào định hướng 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: Nếu 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 phẳng 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 Ngược lại, khi từ trường áp vào song song với chiều dòng điện, và mặt cắt đối với tán

xạ điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao (xem hình 1.3)

6

Hình 1.3: Nguồn gốc vật lý của AMR

Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng màng mỏng sao cho trên màng tồn tại hai phương từ hóa: phương dễ và phương khó Phương dễ từ hoá là phương mà sự từ hoá đạt đến trạng thái bão hoà dễ dàng nhất (bão hoà ở từ trường thấp) Phương khó từ hóa là phương

mà sự từ hóa khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (bão hoà ở từ trường cao) [1]

Hình 1.4: Sự thay đổi của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài

Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR trong các màng mỏng bằng vật liệu sắt từ rất phức tạp Để đơn giản, đầu tiên ta giả định rằng, vector

từ hóa trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hòa ⃗⃗⃗⃗⃗ , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của vector 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 vector từ độ (vector từ hóa) và mối quan hệ giữa hướng của vector từ độ và từ trường ngoài

7

Hình 1.5: (a) Minh họa hiệu ứng AMR phụ thuộc vào các thông số màng và (b) Mô tả điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện chạy qua và

hướng của vector từ hoá

Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua góc – góc giữa chiều dòng điện và vector từ độ

) 2 cos(

2

cos cos

) (

, 0 ,

0

2 ,

0 ,

R R

R R

bd

l bd

l R

p p

p n

8

+ là điện trở khi vector từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa

+ là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trường ngoài

Từ (1.3) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của và như hình 1.5

1.2 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 1/f, nhiễu nhiệt và nhiễu lượng tử, được xác định bởi[9]:

(1.4) Với ΔVy là biên độ nhiễu, Δf là dải thông tần số, nc là số hạt tải mang điện, f tần số đo, kB là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của mẫu, L là chiều dài của mẫu, e là điện tích cơ bản

Ở vùng tần số thấp (f <300Hz), nhiễu chủ yếu là nhiễu tần số 1/f, ở tần

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

1.2.1 Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt là thành phần nhiễu sinh ra do các thành phần điện trở

Trong dải tần số Δf, độ lớn của nhiễu nhiệt được tính theo công thức (1.5):

Trong đó:

+ T là nhiệt độ tuyệt đối (K)

+ RDC là điện trở của cảm biến (trong dòng DC )

p

R0,

R



It2 = 4kBT Δf /R (1.6)

1.2.2 Nhiễu 1/f

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

lệ nghịch với tần số 1/f Dòng nhiễu If trên căn bậc 2 của dải thông có được thể hiện như sau:

Từ công thức (1.5), 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 1/f (do từ trường gây

ra nhiễu từ) được biểu diễn bởi công thức:

Ifsqrt(B) ≈ K×IDC

sqrt(f)

10

V21/f = (γ/Nc) R2I2(1/f) ∆f (1.8) Trong đó γ 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 1/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 từng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy sinh học cực đại cho cảm biến

1.3 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 [6]

Hình 1.6: (a) Mạch cầu Wheatstone (b) Mạch cầu Wheatstone dưới tác dụng

của hiệu ứng từ điện trở dị hướng

Cấu trúc một mạch cầu Wheatstone cơ bản gồm có bốn điện trở R1,R2,

R3, R4 được mắc song song với nhau Một điện kế G có độ nhạy cao được dùng để đo thế ra của mạch Giả sử ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch, khi đó ta có:

11

Từ biểu thức (1.9), khi cung cấp một hiệu điện thế khác không vào mạch, nếu R1/R2 = R4/R3 (R1.R3 = R2.R4) thì số chỉ điện kế G bằng 0, mạch cầu cân bằng Nếu một điện trở bất kì trong mạch cầu điện trở thay đổi thì

R1/R2  R4/R3 (R1.R3  R2.R4), do đó số chỉ điện kế G khác 0, mạch cầu không cân bằng

Một đặc điểm nổi bật và quan trọng của mạch cầu Wheatstone đó là có thể đo được sự thay đổi của trở kháng với sự thay đổi điện trở không quá 10% và có thể tự bù trừ được nhiệt độ [5]:

Vg = Vin/4 (ΔR1/ R1 - ΔR2/R2 + ΔR3/R3 - ΔR4/ R4) (1.10)

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 [5]

Mạch cầu Wheatstone được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong các mạch điện tử như: dùng để đo trở kháng, điện cảm, điện dung 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