6. Cấu trúc của đề tài
2.4. Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng
Để khảo sát tính chất điện của cảm biến, chúng tôi tiến hành đo hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến. Sơ đồ bố trí hệ đo đƣợc minh họa trên hình 2.4. Dòng điện không đổi đƣợc cấp bởi một nguồn dòng một chiều và thế nối ra đƣợc đo bằng máy đo.
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở
Khi từ trƣờng thay đổi lúc này xảy ra hiệu ứng Hall phẳng làm thay đổi tín hiệu nối ra.
29
Trong quá trình tiến hành đo, cảm biến đƣợc đặt trong từ trƣờng một chiều đƣợc tạo ra bởi một nam châm hoặc cuộn dây. Cƣờng độ từ trƣờng đƣợc đo bằng máy đo từ trƣờng Gaussmeter. Các thiết bị hiển thị từ trƣờng và thế ra của cảm biến đều đƣợc ghép nối với máy tính cho phép ghi nhận số liệu một cách chính xác và đầy đủ, ảnh chụp hệ đo thực tế nhƣ hình 2.5.
30
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất từ của lớp màng NiFe
3.1.1. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào từ trường ghim
Để tạo ra tính dị hƣớng từ đơn trục của cảm biến, chúng tôi đặt một từ trƣờng HBias tạo bởi 2 thanh nam châm vĩnh cửu dọc theo trục cảm biến trong suốt quá trình phún xạ tạo màng. Chúng tôi khảo sát tính chất từ của cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài với 3 giá trị từ trƣờng ghim khác nhau là
HBias = 900, 600, 0 Oe. Kết quả nghiên cứu trên các cảm biến ở cùng một điều kiện cho thấy, với giá trị từ trƣờng ghim bằng 900 Oe, cảm biến cho tính dị hƣớng từ mạnh nhất, thể hiện thông qua lực kháng từ nhỏ nhất và đƣờng cong từ trễ dốc nhất so với hai đƣờng còn lại. Kết quả nghiên cứu này phù hợp với các kết quả đã đƣợc công bố trƣớc đây của Nhóm. Đƣờng cong từ trễ khi đo theo phƣơng từ hóa dễ của các mẫu đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.1. Từ kết quả thu đƣợc, ta sẽ chọn từ trƣờng ghim là 900 Oe cho các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 3.1. Đường cong từ trễ tỉ đối của các cảm biến được chế tạo với các từ trường ghim khác nhau: 900, 600 và 0 Oe.
31
3.1.2. Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến
Các cảm biến đƣợc khảo sát có cùng một điều kiện từ trƣờng ghim 900 Oe và cùng bề dày t = 5 nm nhƣng có tỉ số dài/rộng khác nhau. Các thanh điện trở của cảm biến có bề rộng W = 1 mm nhƣng chiều dài thay đổi L = 5, 7 và 10 mm. Đƣờng cong từ trễ của các mẫu đƣợc thực hiện với từ trƣờng theo phƣơng song song với trục cảm biến đƣợc mô tả trên hình 3.2.
So sánh đƣờng cong từ trễ của 3 mẫu, ta thấy rất rõ vai trò của dị hƣớng hình dạng đóng góp vào việc tăng cƣờng dị hƣớng đơn trục của thanh điện trở thể hiện ở thiết kế 1×10 mm2 với tỉ số kích thƣớc dài/rộng là L/W = 10 cho tính chất từ mềm với lực kháng từ nhỏ nhất. Với kết quả này, cảm biến đƣợc chế tạo khi kết hợp với ý tƣởng tăng cƣờng dị hƣớng đơn trục theo hƣớng này đƣợc trông đợi sẽ cho tín hiệu cảm biến rất nhạy trong vùng từ trƣờng thấp. Tính từ mềm này đƣợc trông đợi sẽ cho thế lối ra của cảm biến lớn trong vùng từ trƣờng nhỏ.
Hình 3.2. Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của các cảm biến có cùng chiều rộng 1 mm nhưng chiều dài khác nhau 5, 7 và 10 mm với từ trường ngoài
32
3.1.3. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào bề dày
Tính chất từ đƣợc nghiên cứu trên loại cảm biến có kích thƣớc 1×10 mm2, các điều kiện công nghệ giống nhau nhƣng bề dày lớp màng NiFe khác nhau là t = 5, 10, 15, 20 nm. Đƣờng cong từ trễ tỉ đối M/MS đo theo phƣơng từ hóa dễ của các mẫu đƣợc thể hiện trên hình 3.3.
Hình 3.3. Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của màng NiFe đo theo phương từ hóa dễ trên các cảm biến có bề dày khác nhau t = 5, 10, 15, 20 nm
Kết quả cho thấy, các cảm biến đều thể hiện tính chất từ mềm rất tốt thể hiển bởi đƣờng cong từ trễ tỉ đối dốc, từ trƣờng bão hòa nhỏ (HS ~ 5 Oe), lực kháng từ nhỏ (Hc ˂ 5 Oe). Tính chất từ mềm trên các màng có bề dày khác nhau thì khác nhau. Lớp màng NiFe có bề dày thấp nhất t = 5 nm cho tính chất từ tốt nhất thể hiện bởi đƣờng cong từ trễ tỉ đối dốc nhất, mômen từ bão hòa nhỏ nhất và lực kháng từ thấp nhất. Tính chất dị hƣớng từ phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc và chiều dày lớp màng NiFe đã chỉ ra phù hợp với các nghiên cứu trên cùng hệ vật liệu đã đƣợc công bố bởi Nhóm [12,13]. Kết quả này là cơ sở cho việc tối ƣu chiều dày lớp màng NiFe để chế tạo các cảm biến cho độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng nhỏ. Do đó, khi chế tạo cảm biến,
33
chúng tôi cố định chiều dày lớp màng NiFe, t = 5 nm trong các nghiên cứu của mình.
3.2. Khảo sát tín hiệu Hall của cảm biến có kích thƣớc tối ƣu
Từ việc nghiên cứu tính chất từ điện trở trên một thanh điện trở với các chiều dày và kích thƣớc khác nhau chúng tôi chế tạo và nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến tối ƣu với cấu trúc cầu Wheatstone có kích thƣớc các thanh điện trở 1×10 mm2
, bề dày màng NiFe là t = 5 nm. Dòng điện cấp cho các cảm biến đƣợc chọn là 1mA. Phƣơng từ trƣờng ghim dọc theo trục của cảm biến và đặt vuông góc với từ trƣờng ngoài.
Hình 3.4. (a) Đường cong độ lệch thế và (b) Đường cong độ nhạy của các cảm biến 1×10 mm, t = 5 nm, tại dòng cấp 1 mA
Hình vẽ 3.4(a) là đƣờng cong tín hiệu thế lối ra phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài. Ta thấy đƣờng cong tín hiệu rất trơn, mịm chứng tỏ cảm biến có độ ổn định cao, độ lệch tín hiệu thế lối ra khi đo trên cảm biến lớn hơn nhiều so với khi đo trên một thanh điện trở tƣơng ứng. Đây chính là ƣu điểm của mạch cầu điện trở Wheatstone nhƣ đã trình bày trong phần lý thuyết ở trên. Kết quả cho thấy độ lệch thế của cảm biến ∆V = 4,1 mV. Từ giá trị độ lệch thế của cảm biến, ta xác định đƣợc độ nhạy của cảm biến bằng cách đạo hàm độ lệch thế theo từ trƣờng ngoài, xác định bởi công thức =
34
cong độ nhạy của cảm biến theo từ trƣờng đƣợc biểu diễn bởi đồ thị hình 3.4(b). Độ nhạy lớn nhất của các cảm biến xác định đƣợc Smax = 2,25 mV/ Oe.
Với mục đích khai thác các khả năng ứng dụng đo từ trƣờng thấp, độ nhạy của cảm biến là quan trọng và đƣợc quan tâm hơn cả. Cảm biến đòi hỏi phải có độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng thấp. Kết quả nghiên cứu cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall với cùng vật liệu và kích thƣớc nhƣng ở dạng chữ thập thì cảm biến này có tín hiệu lớn hơn 20 lần và độ nhạy lớn hơn cỡ 2 bậc. Cảm biến này so với cảm biến AMR cùng kích thƣớc và điều kiện tƣơng tự thì kết quả nhỏ hơn cỡ một nửa. Hạn chế của cảm biến này là kích thƣớc hơi cồng kềnh. Chƣa phù hợp với các hệ vi cơ điện tử.
35
KẾT LUẬN CHUNG
Trong quá trình thực hiện khoá luận, chúng tôi đã đạt đƣợc các kết quả sau:
1. Đã trình bày chi tiết tổng quan về các loại vật liệu từ và các hiệu ứng từ điện trở, từ điện trở dị hƣớng và hiệu ứng Hall phẳng nghiên cứu các tính chất đặc trƣng của hiệu ứng từ điện trở và mạch cầu Wheatstone. Từ đó chúng tôi quyết định chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến và chất Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo các điện trở của mạch cầu.
2. Đã khảo sát tính chất từ của màng vào: từ trƣờng ghim, tính dị hƣớng hình dạng cảm biến, bề dày của màng . Lớp màng NiFe có bề dày thấp nhất t = 5 nm cho tính chất từ tốt nhất giúp cảm biến cho độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng nhỏ.
3. Đã chế tạo cảm biến cầu Wheatstone có lớp màng từ tính là vật liệu Ni80Fe20 với các thanh điện trở có kích thƣớc giống nhau là 1×10 mm2 với chiều dày lớp màng từ tính NiFe là t = 5 nm.
4. Kết quả cho thấy độ lệch thế của cảm biến ∆V = 4,1 mV, độ nhạy lớn nhất của các cảm biến là Smax = 2,25 mV/ Oe. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall với cùng vật liệu và kích thƣớc nhƣng ở dạng chữ thập thì cảm biến này có tín hiệu lớn hơn 20 lần và độ nhạy lớn hơn cỡ 2 bậc. Cảm biến này so với cảm biến AMR cùng kích thƣớc và điều kiện tƣơng tự thì kết quả nhỏ hơn cỡ một nửa.
36
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Lê Khắc Quynh, Nguyễn Xuân Toàn, Bùi Đình Tú, Trần Tiến Dũng, Đỗ Thị Hƣơng Giang, Nguyễn Hữu Đức (2017) “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến từ dựa trên hiệu ứng hall phẳng (phe)”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc, Huế.
[2]. Vƣơng Văn Hiệp (và các tác giả khác), Báo cáo Hội nghị Vật lý Toàn quốc lần thứ 6, Hà Nội, 2005.
[3]. Bùi Đình Tú (2014), Chế tạo và nghiên cứu một số cấu trúc spin-điện tử micrô-nanô ứng dụng trong chíp sinh học, Luận án Tiến sĩ Vật liệu và linh kiện nano, Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. [4]. Anders Dahl Henriksen, Giovanni Rizzi, and Mikkel Fougt Hansen,
Planar Hall effect bridge sensors with NiFe/Cu/IrMn stack optimized for self-field magnetic bead detection, Jounal of applied physics, 119, 093910 (2016).
[5]. A. D. Henriksen, B. T. Dalslet, D. H. Skieller, K. H. Lee, F. Okkels, and M. F. Hansena, “Planar Hall effect bridge magnetic field sensors”, Journal of Applied Physics Letters. 97, pp. 013507-1 – 013507-3 (2012).
[6]. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim “Optimization of Spin-Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based Biochips”, IEEE Transactions on Magnetics 45, pp. 2378 – 2382 (2009). [7]. Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim “Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers”, J. Appl. Phys. 104, p. 074701, (2008).
37
[8]. Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen, Influence of CoFe and NiFe pinned layers on sensitivity of planar Hall biosensors based on van-spinstructures, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 3, pp. 045019 – 045022 (2012).
[9]. D. Henriksen, B. T. Dalslet, D. H. Lee, F. Okkels, and M. F. Hansena, “Planar Hall effect bridge magneticfield sensor”, J. Appl. Phys. Lett (97), p. 013507 (2012).
[10]. D. R. Baselt, G. U. Lee, M. Natesan, S. W. Metzger, P. E. Sheehan, R. J. Colton, “A biosensor based on magnetoresistance technology”, Biosensor and bioelectrics 13, pp. 731 – 739 (1998).
[11]. 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).
[12]. LT Hien, LK Quynh, VT Huyen, BD Tu, NT Hien, DM Phuong, PH Nhung, DTH Giang, NH Duc, DNA-magnetic bead detection using disposable cards and the anisotropic magnetoresistive sensor, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 7, pp.045006 (2016).
[13]. L.K. Quynh, B.D. Tu, D.X. Dang, D.Q. Viet, L.T. Hien, D.T. Huong Giang, N.H. Duc, Detection of magnetic nanoparticles using simple AMR sensors in Wheatstone bridge, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 1 98-102 (2016).
[14]. Ripka, Pavel, Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-London: Artech (2001).