2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến
Hình 2.10a là sơ đồ nguyên l của thiết bị từ kế mẫu rung. Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) là thiết bị cho phép đo từ độ tổng
24
cộng M của mẫu vật liệu từ, hoạt động trên nguyên lý thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu đo trong từ trường. Mẫu đo được gắn vào một cần rung không có từ tính và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi hai cực nam châm điện. Mẫu bị từ hóa trong từ trường đều, do đó khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên 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 từ độ tổng cộng M
của mẫu cho bởi công thức:
V = 4. π.N.Sm.M (2.1) Với M là từ độ của mẫu đo, Sm là tiết diện vòng dây, N là số vòng dây của của thu tín hiệu.
Nam châm điện trong từ kế mẫu rung là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra từ trường từ hóa vật liệu cần đo. Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng điện một chiều thì từ trường tạo ra là từ trường một chiều ổn định, nhưng thường không lớn do bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và sự tỏa nhiệt làm nóng cuộn dây. Nam châm kiểu này chỉ tạo được từ trường cực đại cỡ một vài Tesla.
Hình 2.10: (a) Sơ đồ nguy n của thiết bị từ kế mẫu rung. (b) Thiết bị từ kế mẫu rung VS
25
Để khảo sát tính chất từ và quá trình từ hóa của màng mỏng từ chúng tôi sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7430 ở nhiệt độ phòng tại PTN Micro - Nano, Trường Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN (xem hình 2.12b).
2.2.2 Khảo sát tính chất từ - điện trở của cảm biến
Hiệu ứng từ - điện trở nghiên cứu trong khóa luận được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra (hoặc điện trở) của cảm biến dưới tác dụng của từ trường. Trong khóa luận, hiệu ứng từ - điện trở của cảm biến được nghiên cứu nhờ vào hệ đo được bố trí như hình 2.11.
Hình 2.11: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ - điện trở.
4 chân được nối với cảm biến: 2 chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một chiều DC Current Source, 2 chân còn lại để lấy thế lối ra và được đo bằng máy đo Keithley 2000.
Nam châm điện tạo từ trường một chiều lên tới 1T.
Bộ phận đo từ trường là một Gausmeter. Tín hiệu lối ra của Gausmeter được đưa vào đồng hồ vạn năng Keithley.
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 Passcal.
26
Kết quả phép đo được hiển thị ra màn hình dưới dạng đồ thị trục tung là hiệu điện thế lối ra của cảm biến U(mV), trục hoành là từ trường ngoài µ0H(T) và được ghi trên ổ cứng máy tính ở dạng tệp số liệu.
Để thực hiện được phép đo từ - điện trở, ban đầu chúng tôi đưa cảm biến vào hốc chứa cảm biến bằng meca (hốc meca này được tạo bởi máy cắt laser như trình bày ở phần 2.1.2) và hàn dây, điện cực cho cảm biến. Cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh như ảnh chụp hình 2.12a. Cảm biến sau khi được đóng gói được kết nối với hệ đo điện từ như thiết kế hình 2.12b.
(a) (b)
Hình 2.12: (a) Cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh. (b) Cảm biến được kết nối với hệ đo điện từ.
27
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính ưu việt của cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone
Với mục đích l giải tại sao chúng tôi lựa chọn mạch cầu Wheatstone là cấu hình của cảm biến. Cảm biến có dạng đơn thanh điện trở có kích thước 1×5 mm và cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone gồm 4 thanh điện trở có cùng một kích thước 1×5mm được chế tạo. Hai cảm biến này có cùng chiều dày lớp màng NiFe 15nm. Phép đo được thực hiện với dòng cấp có cường độ 5mA và từ trường ngoài tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim của cảm biến. Hình 3.1a là đường cong của sự phụ thuộc điện áp lối ra vào từ trường ngoài của cảm biến dạng đơn thanh điện trở, đường cong cho thấy nhiễu nền của cảm biến rất lớn, ngoài ra đường tín hiệu đo đi và đo về của cảm biến bị trôi đi nhiều. Trong khi đó ở hình 3.1b là đường tín hiệu điện áp lối ra theo từ trường ngoài của cảm biến có dạng mạch cầu Wheatstone thì là cho kết quả hoàn toàn khác. Cảm biến dạng mạch cầu không có nhiễu nền, đường tín hiệu đo đi và đo về gần như trùng lên nhau. Điều này có thể được giải thích là với cảm biến dạng đơn thanh trở xảy ra hiện tượng nhiễu. Do cảm biến là dạng đơn thanh thuần trở nên nhiễu chủ yếu ở đây là nhiễu nhiệt, nhiễu nhiệt được sinh ra là do trong quá trình khảo sát ta cấp cho cảm biến một dòng không đổi có cường độ 5mA, dòng điện này làm cho cảm biến sinh nhiệt, đặc biệt là khi ta khảo sát trong một thời gian dài nhiệt trong cảm biến dần tăng lên dẫn tới hiện tượng trôi của tín hiệu lối ra. Còn với trường hợp cảm biến có dạng mạch cầu Wheatstone gồm có 4 thanh điện trở thành phần được mắc đối xứng nhau, nhờ vào thiết kế đối xứng này giúp cho cảm biến dạng cầu có khả năng tự bù trừ và triệt tiêu nhiễu nhiệt do các thanh trở thành phần sinh ra. Nhờ vậy mà với cảm biến có dạng mạch cầu Wheatstone không có nhiễu nền, ngoài ra đường tín hiệu khi khảo sát đo đi và đo về gần như trùng lên nhau. Chỉ có một phần trong vùng từ trường nhỏ 2
28
đường tín hiệu không trùng lên nhau, điều này được giải thích do tính chất từ trễ của vật liệu.
Như vậy, cảm biến có cấu hình dạng mạch cầu Wheatstone cho hiệu ứng từ - điện trở dị hướng AMR lớn, giảm được tối đa nhiễu cảm biến đặc biệt là nhiễu nhiệt. Đây chính là l do chúng tôi lựa chọn mạch cầu Wheatstone là cấu hình cho cảm biến.
Hình 3.1: Sự phụ thuộc điện áp lối ra theo từ trường ngoài của cảm biến (a) dạng thanh điện trở, (b) dạng mạch cầu Wheatstone.
Hình 3.2: Sự biến thiên của các điện trở thành phần trong mạch cầu Wheatstone.
Hình 3.2 là xu hướng thay đổi điện trở của các thanh điện trở thành phần trong mạch cầu Wheastone dưới tác dụng của từ trường ngoài. Trong mạch cầu này, dưới tác dụng của từ trường ngoài nếu 2 thanh điện trở R1 và R3 là sự thay đổi điện trở theo hiệu ứng AMR với chiều dòng điện song song với chiều từ trường ngoài tác dụng thì 2 thanh điện trở còn lại R2 và R4 là sự thay điện trở theo hiệu ứng AMR với chiều dòng điện vuông góc với chiều tác dụng của từ
29
trường ngoài. Như vậy, sự thay đổi điện trở của cặp điện trở (R1 và R3) có xu hướng ngược với sự thay đổi điện trở của cặp điện trở (R2 và R4) như hình 3.3. Do đó, sai khác giữa tích R1.R3 và R2.R4 sẽ tăng lên dẫn tới tín hiệu lối ra của cảm biến dạng cầu sẽ tăng mạnh hơn.
Hình 3.3: Sự phụ thuộc của điện trở suất vào từ trường ngoài với trường hợp từ trường song song và vuông góc với dòng điện.
3.2. Tính chất từ của cảm biến
Tính chất từ của các cảm biến đã được khảo sát theo phương mặt phẳng màng NiFe. Các cảm biến đều thể hiện tính chất từ mềm và tính dị hướng theo phương từ độ ghim ban đầu. Hình 3.1 là đường cong từ hóa tỉ đối (M/MS) của cảm biến 1×5mm với bề dày màng NiFe 5nm điển hình theo hai phương song song và vuông góc với phương ghim.
Hình 3.4: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của cảm biến 1×5mm với từ trường nằm trong mặt phẳng màng, theo phương song song và vuông góc với từ độ
30
Đường cong từ hóa theo phương vuông góc có sự thay đổi từ độ dần dần theo từ trường ngoài và đạt trạng thái bão hòa tại từ trường HS = 10Oe. Trong khi, từ độ theo phương song song có sự thay đổi đột ngột và dễ dàng đạt trạng thái bão hòa tại HS = 3Oe. Điều này được lý giải do khi đo theo phương song song các monmen từ trong lòng vật liệu đã được ghim định hướng gần với phương của từ trường ngoài. Như vậy, cảm biến có tính dị hướng từ tinh thể tốt. Ngoài ra, lực kháng từ cũng rất nhỏ (HC = 1,5Oe). Tính từ mềm này sẽ hứa hẹn thế lối ra của cảm biến thay đổi mạnh trong vùng từ trường nhỏ.
3.3. Tính chất từ - điện trở của cảm biến
3.3.1. Sự ảnh hưởng của chiều dày lớp màng NiFe tới tín hiệu của cảm biến
Tín hiệu lối ra phụ thuộc vào từ trường ngoài của cảm biến 1×5mm với các bề dày khác nhau: 3; 5; 10; 15nm đã được khảo sát. Dòng làm việc cấp cho cảm biến được chọn là 5mA cho tất cả các mẫu. Với dòng làm việc này thì tín hiệu lối ra của cảm biến sẽ có độ ổn định cao, độ nhạy lớn và tỉ số tín hiệu/nhiễu cao đồng thời vùng từ trường làm việc nhỏ. Các cảm biến được khảo sát đều thể hiện tính dị hướng theo phương vuông góc với phương từ trường từ hóa ban đầu của các thanh trở. Kết quả thế lối ra theo phương dị hướng của các cảm biến theo từ trường ngoài được thể hiện trên hình 3.5a. Từ hình vẽ ta thấy, vùng làm việc (vùng tuyến tính) của các cảm biến đều rất nhỏ (< 15Oe). Độ lệch thế ΔU phụ thuộc mạnh vào bề dày của cảm biến: bề dày của thanh trở càng mỏng thì tín hiệu lối ra càng lớn. Giá trị cụ thể của ΔU theo bề dày của các cảm biến được thống kê tại bảng 3.1. Ta thấy khi bề dày cảm biến giảm từ 15nm xuống còn 3nm thì độ lệch thế đã tăng từ 2,3m đến 13,1mV tức là tăng lên gần 6 lần. Ngoài ra để đánh giá khả năng làm việc của cảm biến, người ta quan tâm đến độ nhạy hơn cả. Độ nhạy (độ dốc) được xác định theo biểu thức
(mV/Oe). Hình 3.5b và bảng 3.1 cho ta đồ thị và giá trị độ nhạy của các cảm biến tương
31
ứng theo bề dày của màng NiFe. Ta thấy độ nhạy của cảm biến cũng phụ thuộc rất mạnh vào bề dày màng NiFe. Độ nhạy cũng tăng khi bề dày màng giảm. Độ nhạy S tăng gần 12 lần khi bề dày giảm từ 15nm xuống 3nm. Từ đây, ta có thể nghĩ đến việc giảm bề dày của các thanh trở hơn nữa để tăng tín hiệu lối ra và độ nhạy của cảm biến nhưng điều này rất khó thực hiện bởi do điều kiện công nghệ và sự không đồng đều của màng NiFe sẽ dẫn đến sự mất cân bằng trong cấu trúc cầu điện trở khi chế tạo.
Hình 3.5: (a) Sự thay đổi thế lối ra của cảm biến 1×5mm theo từ trường ngoài với các bề dày khác nhau. (b) Độ nhạy của cảm biến 1×5mm ứng với các bề
dày khác nhau của thanh trở.
Bảng 3.1: Độ lệch thế và độ nhạy của cảm biến 1×5mm khi bề dày thay đổi.
Bề dày (nm) Độ lệch thế ΔU (mV) Độ nhạy (mV/ Oe) 15 2.3 0.09 10 3.45 0.22 5 7 0.37 3 13,1 1,05
32
3.3.2. Tín hiệu lối ra phụ thuộc vào tỉ số dài/rộng của các thanh trở
Từ kết quả nghiên cứu tín hiệu lối ra phụ thuộc vào bề dày của các cảm biến, ta lựa chọn các màng chế tạo là 3nm để khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào tỉ số kích thước dài/rộng của các thanh trở. Ở đây, chiều rộng của các thanh trở được giữ không đổi là 1mm còn chiều dài thay đổi ứng với các giá trị là 3; 5; 7mm. Sự phụ thuộc tín hiệu của các cảm biến và độ nhạy của các cảm biến tương ứng được thể hiện trong hình 3.6a và 3.6b.
Hình 3.6: Sự phụ thuộc thế lối ra của cảm biến theo từ trường khi thay đổi tỉ số dài/rộng của các thanh trở với thang từ trường lớn (a) và nhỏ (b).
Từ hình vẽ ta thấy tín hiệu lối ra của cảm biến phụ thuộc rất mạnh vào tỉ số dài/rộng của các thanh trở. Độ lệch thế và độ nhạy tăng lên khi tăng tỉ số dài/rộng của các thanh: ΔU tăng từ 3,2mV ứng với mẫu 1x3mm lên đến 18mV ứng với mẫu 1x7mm, tức là tăng lên hơn 5 lần; độ nhạy S của cảm biến cũng tăng tương ứng 0,15 m /Oe lên đến 1,07 mV/Oe. Giá trị cụ thể độ lệch thế và độ nhạy tương ứng với từng cảm biến được chỉ ra tại bảng 3.2.
33
Bảng 3.2. Độ lệch thế và độ nhạy của các cảm biến khi thay đổi tỉ số dài/rộng của các thanh trở.
Loại cảm biến Độ lệch thế ΔU
(mV) Độ nhạy (mV/ Oe) 1x3mm 3,2 0,15 1x5mm 13,1 1,05 1x7mm 18 1,07
Từ các kết quả nghiên cứu ở trên ta có thể kết luận, tín hiệu lối ra của cảm biến phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng bao gồm cả bề dày và tỉ số dài/rộng của các thanh trở. Từ đây, ta có thể suy ra khi tính dị hướng hình dạng càng lớn thì điện trở của các thanh trở NiFe càng lớn. Điều này dẫn tới việc thay đổi mạnh điện trở theo cặp của các thanh trở khi đặt trong từ trường ngoài làm cho hiệu tăng ở các mẫu có tính dị hướng cao.
Với công nghệ chế tạo đơn giản là sử dụng mặt nạ Polymer và màng đơn lớp nhưng kết quả đạt được ΔU = 18m và độ nhạy S = 1,07mV/Oe trên cảm biến có cấu hình 1x7mm tại bề dày 3nm và dòng điện 5mA có thể so sánh được với các cảm biến cùng chức năng sử dụng công nghệ phức tạp như quang khắc, chế tạo màng đa lớp... dựa trên các hiệu ứng spin-van hay TMR... đã được công bố [5].
34
KẾT LUẬN
Với việc ứng dụng công nghệ chế tạo cảm biến nhờ vào hệ thống thiết bị máy phún xạ catot, máy cắt laser, thiết bị từ kế mẫu rung và hệ đo điện từ tại phòng thí nghiệm Micro - nano, chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo ra cảm biến có cấu hình mạch cầu Wheastones hoạt động dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hướng (AMR). Trong khóa luận, chúng tôi đã thực hiện một số công việc sau:
- Nghiên cứu và lựa chọn ra cảm biến có cấu hình dạng mạch cầu Wheatstone
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước thanh trở trong mạch cầu lên tính chất của cảm biến.
- Nghiên cứu ảnh hưởng bề dày của màng NiFe lên tính chất của cảm biến Với công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, cảm biến được chế tạo có độ nhạy cao có thể so sánh được với các thiết bị cảm biến đã công bố.
35
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, NXB ĐHQG Hà Nội.
Tiếng Anh
[2]. Bridgeman, P. W. (1939), Biographical Memoir of Edwin Herbert Hall, National Academy of Sciences.
[3]. D. Astrov Sov (1960), Phys. JETP 11, 708.
[4]. Dieny, V.S.Speriosu, S. Metin, S. S. P. Parkin, B. A. Gurney, P. Baumgart, and D. R. Wilhoit (1991), “Magnetontransport properties of magnetically soft spin-valve (invited)”, J. Appl. Phys. (69), 4774.
[5]. Fred Hochgraf (1998), Materials Handbook, Ninth Edition, Vol.10.
[6]. Gould, R. Gordon (1959). “The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, In Franken, P.A. and Sands, R.H. (Eds.). The Ann Arbor Conference on Optical Pumping, the University of Michigan, p. 128. OCLC 02460155.
[7]. I. Dzyaloshinskii Zh (1960), Exp. Teor. Fiz. 37, 881.
[8]. Janice Nickel (1995), Magnetoresistance Overview, Hewlett-Packard Laboratories, Technical Publications Department.
[9]. Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, (2007), Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters 123513.
[10]. L. Landau & E. Lifshitz (1960), "Electrodynamics of continuous media" Pergamon press
[11]. Michael, J. Caruso, Applications of meagnetoresistive sensors in navigation systems, Honey Well InC.
36 [13]. P. Debye Z. Phys (1926), 36, 300.
[14]. Robert C. O’Handley (2000), Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, John Wiley & Sons.
[15]. Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Vi1ehland (2006), Appl. Phys. Lett, 89 252904.
[16]. Siegman, Anthony E (1986), “Lasers”, University Science Books, p. 2. ISBN 0-935702-11