1. Lý do chọn đề t ài
2.2.Các phươngpháp khảo sát tính chất cảm biến
2.2.1. Khảo sát tính chất từ của cảm biến
Từ kế mẫu rung là thiết bị quan trọng và phổ biến cho các phép đo từ tổng cộng M của một mẫu vật liệu từ trong từ trường ngoài. Từ kế mẫu rung hoạt động trên nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ. Sự biến thiên từ thông Лф qua cuộn dây cảm úng gây bởi sự dịch chuyển của mẫu. Mau đo được gắn vào một thanh rung không có tù' tính, và được đặt vào một vùng tù' trường đều tạo bởi hai cực của nam châm điện. Mau là vật liệu từ nên trong từ trường thì nó được từ hóa và tạo ra từ trường cảm ứng. Khi mẫu được rung với tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ thuận với momen từ M của mẫu:
V~4.Tc.n.S.M V ớ i :
- M là momen từ của mẫu đo - s là tiết diện vòng dây
- n là số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu
Trong các hệ tù’ kế phổ thông, người ta sử dụng cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil) để thu tín hiệu. Đây là hệ hai cuộn dây đối xứng nhau được cuốn ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềmxem trên hình .
Đe khảo sát tính chất từ và quá trình từ hóa của màng mỏng, chúng tôi sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7430 ở nhiệt độ phòng tại phòng thí nghiệm Micro - nano, trường đại học Công nghệxem hình 2.9. Trong khóa luận này các cảm biến được ứng dụng trong từ trường thấp, do đó các khảo sát tính chất từ của cảm biến được đo trong vùng từ trường từ -200 Oe đến 200 Oe.
Hình 2.9. Thiết bị từ kế mãu rung VSM
Mang runfi (Tin hiệu chuin) Cuộn H*lmholtz
Lệo tữ truđrvg 1 chtíu
m w Ị 0*0 d$ng B*p Khuyèch đạj LocMn í ĩ \ U 1 Tlín khuyiíh dạl>
Cuộn ttiu ttn hiệu Ị--- Ị— (píck-up cotl) Buđng mỉu Miu
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị VSM
2.2.2. Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến
Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu ở đây được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi điện thế lối ra (hoặc điện trở) cảm biến dưới tác dụng của
từ trường. Chúng ta sẽ dùng phương pháp 4 mũi dò để đo từ trở của các màng mỏng chế tạo cảm biến. Phương pháp đo điện trở bằng 4 mũi dò là một phương pháp chính xác, thuận tiện. Phương pháp này có thể được sử dụng để đo cả vật liệu dạng khối lẫn dạng mỏng. 2.1 lm inh họa sơ đồ bố trí bốn mũi dò. Các mũi dò được bố trí cách đều nhau một khoảng cách s trên một đường thẳng dọc theo theo chiều dài hình học của mẫu. Các mũi dò được làm bằng kim loại mạ vàng, đầu tiếp xúc với về mặt mẫu có hình chỏm cầu đảm bảo tiếp xúc với mẫu là tiếp xúc điểm. Ở phía còn lại của mũi dò đều được thiết kế với một lò xo đàn hồi để đảm bảo các mũi dò tiếp xúc chặt với mẫu nhung không phá hủy bề mặt mẫu.
г Nguốn dòng j—. jị t/ : rê ị rê Î ГС: Mũi dò Giá mẫu Mầu Hình 2.1 ỉ.S ơ đồ bố trí bốn mũi dò
Hiệu ứng từ điện trở của cảm biến được nghiên CÚ01 trong khóa luận nhờ vào hê đo đươc bố trí như trên hình 2.12:
: à / — J Keidiléy 2000 j i ï j <=*1 » ■/ DC CujTtnt -Sttwcc Snm pleof PHE m casorcmciỉt DC Powei ?ii|>|tly Ke[iC*
Hình 2.12. Sơ đồ khối của hệ đo từ điện trở
+ 4 chân được nối với cảm biến: hai chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một chiều (DC Curent Source). Hai chân còn lại để lấy thế lối ra và được đo bằng máy Keithley 2000.
+ Nam châm điện tạo từ trường một chiều lên tới 1T.
+ Bộ phận đo từ trường là một Gausmeter với đầu đo từ trường sử dụng biến tử Hall. Tín hiệu lối ra của Gausmeter được đưa vào đồng hồ vạn năng Keithley 2000.
+ Tín hiệu lối ra của Keithley được truyền sang máy tính điện tử thông qua Card IEEE-488. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu của hệ đo được thực hiện dưới sự điều khiển tự động của chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Mathlab.
Ket quả phép đo được hiển thị ra màn hình dưới dạng đồ thịtrục tung là hiệu điện thế lối ra của cảm biến u (mV) và trục hoành là từ trường ngoài
ịi0H(T) và được ghi trên đĩa cứng máy tính ở dạng tệp số liệu.
Để thực hiện phép đo từ - điện trở, ban đầu chúng tôi đưa cảm biến vào hốc cảm biến bằng meca (được chế tạo bằng máy cắt laser như đã được trình bày mục 2.1.2) và hàn dây, gắn điện cực cho cảm biến.
Kết ỉuận
Như vậy trongchương này đã nêu ra các phương pháp thực nghiệm chế tạo màng bằng phương pháp phún xạ, quy trình chế tạo linh kiện, mặt nạ cảm biến bằng máy laser. Các thông số trong quá trình chế tạo màng và linh kiện, mặt nạ cũng được đưa ra trong phần này. Ngoài ra các thiết bị và phương pháp khảo sát tính chất vật lý của mẫu đã được đưa ra bao gồm hệ đo tính chất từ (VSM) và hệ đo 4 mũi dò khảo sát tính chất từ - điện trở.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu tính chất từ điện trỏ’ của màng mỏng chế tạo cảm biến (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sau khi lựa chọn vật liệu chế tạo cảm biến là NiFe, chúng tôi khảo sát tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm biến thông qua phép khảo sát 4 mũi dò như hình 3.2
<J>
Hình 3.1. Mô hình phép khảo sát 4 mũi dò trên màng mỏng
Quan sát hình 3.2 ta thấy đường đi và đường về không hoàn toàn trùng khít lên nhau, đây là do hiện tượng từ trễ trong vật liệu sắt từ. Màng mỏng có sự thay đổi điện áp AU = 0,3 mV, giá trị này rất nhỏ do giá trị điện trở của mảng mỏng nhỏ. Ngoài ra do ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài, đặc biệt là nhiễu nhiệt mà màng mỏng có tín hiệu nhiễu nền lớn. Do đó, đế hạn chế nhiễu nền, chúng tôi lựa chọn cấu hình mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cho cảm biến.
Hình 3.2. Sự thay đổi điện áp của màng mỏng theo từ trường với I - 5mA trong dải từ -50+ 50 Oe.
3.2. Khảo sát tính chất từ của cảm biến
Quá trình khảo sát tính chất từ và đường cong từ hóa của cảm biến được thực hiện nhờ thiết bị từ kế mẫu rung VSM. Hình 3.31à đường cong từ hóa của cảm biến cầu tròn đường kính d = 3 mm khi khảo sát tính chất từtheohai phương:
1. Từ trường ngoài (H) song song với phương ghim (phương từ hóa dễ). 2. Từ trường ngoài vuông góc với phương từ hóa dễ.
3. Qua đường cong ta nhận thấy rõ được sự khác biệt về dị hướng theo phương ghim của cảm biến. Đường cong từ hóa theo phương vuông góc với phương ghim có sự thay đổi dần dần theo từ trường ngoài và đạt giá trị bão hòa tại từ trường lớn Hs = 20 Oe. Điều này là do quá trình quay moment từ theo phương của từ trường ngoài trong trường họp vuông góc là khó. Trong khi đó, theo phương song song với phương ghim có sự đảo từ rất rõ nét thông qua sự thay đổi đột ngột và dễ dàng đạt giá trị bão hòa. Đó là do các moment từ trong lòng vật liệu lúc đầu đã được định hướng gần với phương từ trường ngoài (do quá trình ghim với từ trường cao trong khi phún xạ, chế tạo màng) nên chỉ cần với từ trường nhỏ cũng đủ để định hướng các moment từ theo hướng từ trường ngoài.
4. Ngoài ra chúng ta còn thấy được cảm biến có lực kháng từ nhỏ (Hc =
5 Oe), do đó thể hiện được tính từ mềm, điều này rất quan trọng vì tính từ mềm sẽ trông đợi được độ nhạy của cảm biến lớn trong vùng từ trường nhỏ.
n B # ■
(
® nipMy ■*
-60 -30 0 30 60
H (Oe)
Hình 3.3. Đường cong tỉ đoi M/Ms theo lẩn lượt a) phương song song và b) vuông góc với trục từ hóa dê
Bảng 3.1. Thông số trong đường cong tỉ đối M/Mstheo phương song song và vuông góc với trục d ễ
Cảm biên câu tròn d =3 mm
H apply/ ì H b i a s n applyH -1- 1 n biasH
Hs tie Hs Mc
Chiêu dày màng 5nm
3.3. Kết quả chế tạo cảm biến
Khảo sát tính chất từ - điện trở của mạch cầu Wheatstone dạng tròn đường kính d = 3mm.
Hiệu ứng từ - điện trở của cảm biến được nghiên cứu ở đây khảo sát thông qua phép đo sự thay đổi điện áp lối ra theo từ trường ngoài sử dụng hệ đo từ điện trở như đã được trình bày. Trong quá trình đo, cảm biến được cấp dòng một chiều có cường độ lần lượt là 1,3,5 và 10 mA. Từ trường ngoài tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim của cảm biến hình 3.4.
Đường cong của với dòng cấp là 1 mA thế hiện sự thay đổi điện áp lối ra theo từ trường ngoài trong dải -80 Oe -T- 80 Oe(hình 3.5).Từ đồ thị ta thấy ở ngoài khoảng từ -60 -T- 60 Oe thì tín hiệu lối ra của cảm biến gần như không thay đổi (vùng bão hòa). Đó là do trong vùng từ trường này xảy ra quá trình bão hòa từ độ của màng mỏng từ dùng trong chế tạo cảm biến (các moment từ đều quay về cùng một hướng và giữ ổn định trạng thái đó). Khi đó góc giữa phương từ độ và dòng cấp cho cảm biến không bị ảnh hưởng của từ trường ngoài dẫn đến điện trở lối ra cảm biến không thay đổi (bão hòa). Khi giảm từ trường về thì các moment từ có xu hướng quay về vị trí ban đầu (theo phương ghim nhân tạo) nên dẫn tới sự thay đổi về góc giữa từ độ M và phương của dòng cấp I. Điều này dẫn tới một sự thay đổi điện trở của từng phần tử cấu thành mạch cầu. Từ đó làm thay đổi của điện áp lối ra.Mặc khác trên đường cong tín hiệu, ta thấy đường đi và đường về không hoàn toàn trùng khít với nhau, đó là do hiện tượng từ trễ, hiện tượng này đã được mô tả trong đường cong từ hóa ởhình 3.3. Sự phụ thuộc của điện áp lối ra trong vùng từ trường -
10 -T- -20 Oe của cảm biến(vùng được khoanh đỏ ở hình 3.5), đây là vùng từ trường mà cảm biến có sự biến thiên lối ra điện áp lối ra mạnh nhất, qua đó chúng tôi khảo sát được độ nhạy của cảm biến trong vùng này.
H (Oe)
Hình 3.5. Sự thay đối điện ảp của cảm biến theo từ trường với I = ỉmẢ trong dải -80 -T- 80 Oe.
Dựa vào hình 3.5, ta nhận thấy cảm biến có sự thay đổi điện áp AV = 0,25 mV tương ứng với độ nhạy từ trường s = 0,015 (mV/Oe) (trong vùng khoanh đỏ). Ngoài ra, với các giá trị nguồn dòng lần lượt là I = 3, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5, 10 mA ta có các đồ thị sau:
-40 0 40
H (Oe)
Hình 3.6. Sự thay đoi điện áp lối ra của cảm biến theo từ trường với các giả trị của I:lmA, 3mA, 5mA, 10 mA
Từ hình vẽ trên, ta thấy khi dòng cấp I được tăng dần thì giá trị AƯ(mV) cũng tăng tỉ lệ (bảng 3.2)
Bảng 3.2. Sự phụ thuộc của AU theo dòng cấp
Dòng câp I (mA) AU (mV) Độ nhạy (mV/Oe)
1 0,25 0,08
3 0,75 0,11
5 1,25 0,13
10 2,5 0,18
Như vậy với dòng cấp từ 1 -ỉ- 10 mA thì cảm biến vẫn hoạt động ổn định dựa trên các tín hiệu lối. Điều này khẳng định sự cân bằng trong mạch cầu (giảm được nhiễu nhiệt và các nhiễu khác trong môi trường), độ nhạy trong dải tuyến tính cũng tăng dần từ 0,08 -ỉ- 0,18 mV/Oe. Trên hình 3.7 biễu diễn sự phụ thuộc thế lối ra của cảm biến tại từ trường H = - 20 Oe, khi dòng cấp một chiều (I) cho cảm biến thay đổi từ 1 -í- 10 mA. Ta có đường phụ thuộc tuyến tính của thế lối ra vào dòng cấp.
l(mA)
Hình 3.7. Đường phụ thuộc của thế ỉối ra vào dòng cấp tại từ trường H = -20 Oe.
Sư phụ thuộc tuyến tính này có thể suy luận từ lý thuyết. Theo công thức tín hiệu lối ra của sensor phụ thuộc vào dòng điện:
AV AV
V = —— H— — cos(2Ể?)
2 2
v = A V COS2( 0 ) = I A R COS2( 0 )
Neu giả thiết điện trở (AR) không thay đổi trong khoảng dòng khảo sát, thì rõ ràng, thế lối ra (V) của sensor là hàm bậc nhất của cường độ dòng cấp. Ket quả này cho chúng ta một cái nhìn trục quan hơn về mạch cầu W heatstone 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 0,18 mV/Oe, giá trị này tuy còn nhỏ so với hiệu ứng AMR trên mạch cầu Wheatstone đã công bố trên thế giới và nhỏ hơn so với cảm biến cấu trúc dài nhung so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu trúc phức tạp như Hall, van-spin thì tín hiệu lớn hon rất nhiều.
K É T LUẬN
Trong quá trình nghiên cứu chúng tôi đã tìm hiểu được một cách tổng quan về nguyên lý, lý thuyết các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ và hiệu ứng từ - điện trở. Đe các cảm biến có thế đượcứng dụng cần phải hạn chế tối đa sai do nhiễu của cảm biến để có thể chuẩn đoán được chính xác. Chúng tôi đã chế tạo được cảm biến mạch cầu W heatstone dạng tròn đường kính d = 3mm, dày 5nm để khử nhiễu và đã đo được tín hiệu lớn với độ nhạy của cảm biến là O,18mv/Oe. Tín hiệu cảm biến này nhỏ hơn so với hiệu ứng AMR trên mạch cầu W heatstone đã công bố trên thế giới nhưng so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu trúc phức tạp như Hall, van-spin thì tín hiệu lớn hơn rất nhiều.
TÀI LIỆU THAM KHĂO
Tiếng Việt
1. Lê Đức Anh (2009), Anh hưỏng của trường tương tác lên độ nhạy của cảm biến Hall phang, khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.
2. Nguyễn Hũu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, NXB DHQG Hà Nội.
3. Nguyễn Năng Định (2005), Vật lý k ĩ thuật màng mỏng, NXB DHQG Hà Nội.
4. Cao Xuân Hữu (2013), “Cảm biến sinh học sử dụng hạt nano từ”, Tạp chí khoa học và công nghệ Việt Nam, tr. 50 - 54.
5. Bùi Đình Tú (2014), Chế tạo và nghiên cứu một so cấu trúc spin - điện tử micro - nano ứng dụng trong chip sinh học, luận án tiến sĩ, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
6. Đồng Quốc Việt (2013), ứng dụng công nghệ micro - nano chế tạo tố hợp cảm biến từ, luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.
1 .Tạp chí www.hoahocngaynay.com (2010), Cảm biến sinh học.
Tiếng Anh
8. Dieny, V.S.Speriosu, s . Metin, s. s. p. Parkin, в . A. Gurney, p. Baumgart, and D. R. W ilhoit (1991), “Magnetontransport properties o f magnetically soft spin-valve (invited)”, J. Appl. Phys. (69), 4774.
9. Robert c . O ’Handley (2000), Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, John Wiley & Sons.
10. JaniceNickel (1995), Magnetoresistance Overview, Hewlett-Packard Laboratories, Technical Publications Department.