4. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.2.2. Tính từđiện trở trên cảm biến cầu Wheatstone
3.2.2.1. Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài
Hiệu ứng từ - điện trở của cảm biến đƣợc nghiên cứu thông qua phép khảo sát sự thay đổi của điện áp lối ra theo từ trƣờng ngoài sử dụng hệ đo từ - điện trở. Trong quá trình đo, cảm biến đƣợc cấp dòng một chiều có cƣờng độ 1mA, từ trƣờng ngoài tác dụng theo phƣơng vuông góc với phƣơng ghim của cảm biến. Đƣờng cong ở hình 3.7 (trái) là sự thay đổi liên tục của điện áp lối ra theo từ trƣờng ngoài tác dụng vào cảm biến trong dải từ trƣờng – 120 Oe ÷ 120 Oe. Từ đồ thị chúng ta nhận thấy ở vùng từ trƣờng nằm ngoài 50 Oe và - 50 Oe tín hiệu lối ra của các cảm biến gần nhƣ không thay đổi. Điều này có thể đƣợc giải thích là do trong vùng từ trƣờng này từ độ của toàn bộ các thanh
25
điện trở trong mạch cầu đạt trạng thái bão hòa hay các momen từ trong các thanh trở gần nhƣ hƣớng hoàn toàn theo từ trƣờng ngoài và giữa ổn định ở trạng thái đó. Vì vậy mà điện áp lối ra của cảm biến trong vùng từ trƣờng này gần nhƣ không thay đổi. Khi giảm dần từ trƣờng về không các momen từ có xu hƣớng trở lại trạng thái ban đầu của nó dẫn tới việc các điện trở thành phần của mạch cầu có sự thay đổi kéo theo sự biến đổi của điện áp lối ra. Ngoài ra trên đƣờng cong tín hiệu, chúng ta có thể thấy đƣờng tín hiệu khi đo đi và đo về không trùng khít lên nhau trong vùng từ trƣờng nhỏ, điều này đƣợc lý giải là do hiện tƣợng từ trễ trong vật liệu. Hình 3.7 (phải) là sự phụ thuộc của điện áp lối ra trong vùng từ trƣờng 18÷ 28 Oe của các cảm biến, đây là vùng từ trƣờng mà cảm biến có sự biến thiên điện áp lối ra mạnh nhất. Nhờ vào việc khảo sát này chúng tôi có thể xác định đƣợc độ nhạy của cảm biến.
26
Hình 3.7: Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều, đo tại 1mA, (Trái) trong thang đo từ trường lớn, (Phải) trong thang đo từ trường nhỏ
Độ lệch thế của cảm biến đạt giá trị ΔV = 4 mV. Với mục đích ứng dụng cảm biến trong việc đo từ trƣờng thấp thì độ nhạy của cảm biến đƣợc quan tâm hơn cả, độ nhạy của cảm biến đƣợc xác định theo biểu thức S = ∆V
∆H (mV/ Oe), ta tính đƣợc SH = 0,2 mV/Oe.
3.2.2.2. Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài với các dòng cấp khác nhau
Thế lối ra của cảm biến phụ thuộc vào dòng điện đƣợc cấp. Để khảo sát sự phụ thuộc này, chúng tôi đã tiến hành đo thế lối ra của cảm biến theo từ trƣờng ngoài với các dòng cấp 1mA, 2mA, 3mA các điều kiện khác đƣợc giữ nguyên. Kết quả đo đƣợc biểu diễn trên hình 3.8
27
Hình 3.8: 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.
Từ đồ thị trên hình 3.8, ta thấy độ lệch thế và độ nhạy của cảm biến tăng khi dòng cấp tăng. Kết quả đƣợc thể hiện dƣới bảng
Bảng 3.4: Độ lệch thế và độ nhạy của cảm biến
Từ bảng số liệu 3.4 ta thấy, độ lệch thế tăng tuyến tính theo dòng điện. Sƣ phụ thuộc tuyến tính này thực ra hoàn toàn có thể suy luận từ lý thuyết. Theo công thức tín hiệu lối ra của sensor phụ thuộc vào dòng điện
) 2 cos( 2 2V V V Dòng cấp I (mA) Độ lệch thế ∆V (mV) Độ nhạy S (mV/Oe) 1 4,0 0,2 2 8,00 0,22 3 12,2 0,28
28
V = ΔV cos2(θ) = I R cos2(θ)
Nếu giả thiết điện trở (R) không thay đổi trong khoảng dòng khảo sát, thì rõ ràng, thế lối ra (V) của cảm biến là hàm bậc nhất của cƣờng độ dòng cấp. Kết quả này cho chúng ta một cái nhìn trực quan hơn về mạch cầu Wheatstone có tín hiệu lối ra ít bị ảnh hƣởng của nhiễu nhiệt. Điều này tạo ra cơ sở thực tế để lựa chọn chế độ cấp dòng nếu các cảm biến này đƣợc ứng dụng.
Cảm biến chế tạo đƣợc có độ nhạy lớn nhất 0,28 mV/Oe, giá trị này tuy còn nhỏ so với hiệu ứng AMR trên mạch cầu Wheatstone đã công bố trên thế giới [4] nhƣng so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu trúc phức tạp nhƣ Hall, van-spin thì tín hiệu lớn hơn rất nhiều [3, 5].
29
KẾT LUẬN
Trong thời gian ngắn nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệp, đề tài đã thu đƣợc một số kết quả sau:
- Đã nghiên cứu đƣợc tổng quan về các hiệu ứng từ và điện, nguyên lý và hoạt động của các loại cảm biến từ
- Chế tạo đƣợc cảm biến hoạt động dựa trên mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng kích thƣớc 4,0 x 0,45mm, dày 5nm
- Khảo sát tín hiệu lối ra của cảm biến theo từ trƣờng ngoài với các dòng khác nhau cho giá trị lớn nhất ∆V = 12,2mV, độ nhạy S = 0,28 mV/Oe, tại dòng cấp 3mA
- Tín hiệu cảm biến này nhỏ hơn so với hiệu ứng AMR trên mạch cầu Wheatstone đã công bố trên thế giới nhƣng so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu trúc phức tạp nhƣ Hall, van-spin thì tín hiệu lớn hơn rất nhiều.
30
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, NXB DHQG Hà Nội.
[2] Thân Đức Hiền, Lƣu Tuấn Tài (2008), Từ học và vật liệu từ, NXB Bách Khoa – Hà Nội.
Tiếng Anh
[3]. Tran Quang Hung, Jong-Ryul Jeong, Dong-Young Kim, Nguyen Huu Duc and CheolGi Kim, Hybrid planar Hall-magnetoresistance sensor based
on tilted cross-junction, J. Phys. D: Appl. Phys. 42,055007, 2009.
[4]. M. J. Haji-Sheikh and Y. Yoo, “An accurate model of a highly ordered
81/19 Permalloy AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ring- magnet”, IJISTA, 3, No (1/2), 95–105, 2007.
[5]. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGiKim, Optimization of spin-