Từ cỏc điều kiện đĩ trỡnh bày trong nghiờn cứu ở trờn, những điều kiện cú thể đạt được độ nhạy cảm biến PHE lớn trong cỏc cấu trỳc van-spin với với lớp sắt từ bị ghim (PFM) mỏng, lớp sắt từ tự do (FFM) dày và lớp khụng từ mỏng. Trong cỏc cấu trỳc van-spin, PHE lớn được cung cấp bởi lớp sắt từ tự do (FFM). Bằng sự tăng chiều dày của lớp này và tối ưu húa chiều dày của những lớp khỏc, dũng rẽ nhỏnh (shunting current) cú thể được giảm qua cỏc lớp khỏc dẫn đến quan sỏt thấy độ nhạy cao trong cỏc cảm biến của chỳng tụi. Thứ 2, độ nhạy của cảm biến PHE tăng cao liờn quan đến cấu trỳc xoắn của spin cũng như sự quay của từ độ trong mỗi lớp sắt từ. Điều này cú thể hiểu như sau: trong lớp sắt từ bị ghim (PFM), cỏc spin sắp xếp tốt ở gần lớp tiếp xỳc giữa hai lớp sắt từ bị ghim và lớp phản sắt từ (AFM). Khi tăng chiều dày lớp ghim sẽ dẫn đến sự mở rộng cấu trỳc xoắn nơi mà từ độ được ghim
theo phương khỏc với trục dễ (tức là θP ≠ 0) (Hỡnh 3.34).
Trong trường hợp này, cấu trỳc xoắn cú thể đĩ được loại bỏ trong cấu trỳc từ
của cảm biến khi chiều dày của lớp sắt từ bị ghim là tp≤ 2 (nm). Thực tế, ta đĩ quan
sỏt được thế PHE cực đại và độ nhạy của cảm biến cao nhất trong cấu hỡnh này. Lớp phản s ắt từ cú tỏc dụng như lớp lọc điện tử. Dũng điện tử cú cỏc spin phõn cực khi dịch chuyển trong cỏc lớp sắt từ, cỏc điện tử sẽ chịu tỏc dụng của trường trao đổi do cỏc mụ-men trong đú gõy nờn. Cỏc điện tử với spin thuận (đa số) cú mức độ truyền qua lớn hơn cỏc điện tử với spin nghịch (thiểu số). Nếu lớp sắt từ bị ghim càng mỏng thỡ cỏc điện tử truyền qua càng nhiều, tăng mật độ dũng dẫn tới lớp sắt từ tự do dẫn đến tăng độ nhạy của cảm biến.
Đối với lớp sắt từ tự do, trường ảnh hưởng và sau đú tạo ra cấu trỳc xoắn chỉ ở gần bề mặt lớp tiếp xỳc khụng từ và sắt từ tự do (NM/FFM). Lớp tự do
mỏng sẽ ảnh hưởng lớn tới sự sắp xếp spin cộng tuyến trong vựng sắt từ và tăng
thế PHE. Khi tăng chiều dày của lớp sắt từ tự do NiFe (tf) s ẽ cú hiện tượng như
sau: Thứ nhất năng lượng dị hướng (Ku = HkMstNi Fe/2) tăng lờn, kộo theo trường
tương tỏc trao đổi g iữa ha i lớp sắt từ tự do và lớp sắt từ b ị ghim (He x) giảm
xuống, dẫn đến quỏ trỡnh đảo từ của lớp sắt từ tự do dễ hơn (Vựng spin cộng tuyến lớn, thế PHE tăng nhanh). Nguyờn nhõn do cỏc mụ-men từ của lớp sắt từ tự do (FFM) ở gần vựng tiếp xỳc với lớp sắt từ bị ghim (PFM) s ẽ chịu ảnh hưởng của trường tương tỏc trao đổi sắt từ- sắt từ (FFM và PFM) - t rong tương tỏc này sẽ hỡnh thành một vựng xoắn nhỏ của cỏc mụ-men từ trong vựng khụng gian tiếp xỳc (kiểu tương tỏc này cũn gọi là tương tỏc trao đổi trực tiếp kiểu Heisenberg [73]. Vựng xoắn này sẽ bị thu hẹp lại như mụ tả trờn Hỡnh 3.34a, khi năng lượng
dị hướng Ku của lớp sắt từ tự do (FFM) tăng lờn (tăng chiều dày lớp sắt từ tự do).
Điều này cũng sẽ dẫn đến quỏ trỡnh truyền dũng spin điện tử giữa cỏc lớp sẽ dễ dàng hơn (điện trở sẽ g iả m đỏng kể).
Hỡnh 3.34. Sự hỡnh thành vựng spin xoắn trong cấu trỳc van-spintại vựng tiếp xỳc sắt từ-sắt từ ( FM/FM) (a) cấu trỳc khi lớp sắt từ tự do cú chiều dày tăng dần (b) .
Đối với lớp khụng từ Cu, chiều dày của lớp này khụng làm ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến, tuy nhiờn nú ảnh hưởng lớn đến thế ra PHE của cảm biến.
Khi chiều dày lớp khụng từ càng mỏng thỡ mật độ dũng spin điện tử Jx qua lớp sắt
từ tự do (FFM) càng lớn, theo cụng thức định luật ễm (1.1) thỡ là m tăng điện thế
Kết hợp cỏc kết quả trong cỏc phần nghiờn cứu ở trờn trong cỏc cảm biến dựa trờn cấu trỳc van-spin, cấu trỳc van-spinTa(5 nm)/NiFe(26 nm)/Cu(1,2 nm)/NiFe(1
nm)/IrMn(15 nm)/Ta(5 nm) với tf = 26 n m và tp = 1 nm đĩ được lựa chọn là cấu hỡnh
tối ưu để chế tạo cảm biến vỡ nú thỏa mĩn cỏc yờu cầu sau:
Chiều dày lớp sắt từ tự do NiFe dày cho thế Hall phẳng và độ nhạy cảm biến lớn.
Lớp đệm khụng từ mỏng để mật độ dũng spin điện tử J qua lớp sắt từ tự do
(FFM) càng lớn cho thế Hall phẳng lớn.
Lớp ghim là vật liệu từ mềm NiFe rất mỏng để đảm bảo trường tương tỏc trao đổi giữa lớp sắt từ tự do và sắt từ ghim đủ nhỏ trong khi tương tỏc giữa lớp sắt từ bị ghim với lớp phản sắt từ IrMn đủ lớn để tạo trạng thỏi đơn đụ-men.
3.5. Kết luận
Cỏc vật liệu cho cảm biến dựa trờn hiệu ứng Hall phẳng đĩ được nghiờn cứu một cỏch hệ thống từ cấu trỳc ba lớp FM/NM/FM, tới cấu trỳc hai lớp cú trao đổi AFM/FM và tổ hợp của GMR và AFM/FM trong cấu trỳc van-spin.
Cỏc tớnh chất vật lý của cỏc cấu trỳc vật liệu này cũng đĩ được nghiờn cứu khỏ đầy đủ, bao gồm phõn tớch cấu trỳc tinh thể, từ độ, hiệu ứng từ điện trở và hiệu ứng Hall phẳng, giỳp cho cú cỏch nhỡn tổng thể về cỏc cơ chế vật lý và ảnh hưởng của cỏc cấu trỳc lờn đặc trưng của vật liệu; kết hợp mụ tả cỏc kết quả thực nghiệm với mụ phỏng lý thuyết dựa trờn mụ hỡnh Stoner-Wohlfarth. Cỏc cấu hỡnh tối ưu của vật liệu cho thấy hiệu ứng Hall phẳng cú độ nhạy tăng dần từ cấu trỳc hai lớp AFM/FM (2,5
Chươ ng 4
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN VÀ THỬ NGHIỆM PHÁT HIỆN HẠT TỪ
4.1. Thiết kế cảm biến
Trong mục này chỳng tụi mụ tả việc thiết kế cảm cảm biến Hall mặt phẳng, ứng dụng phần mềm đồ họa AutoCad để thiết kế mặt nạ. Sử dụng mặt nạ Crụm để tạo hỡnh cảm biến. Hỡnh ảnh cảm biến sau khi chế tạo bằng cụng nghệ quang khắc trong phũng sạch và cụng nghệ phỳn xạ được quan sỏt dưới kớnh hiển vi quang học và hiển vi điện tử quột, vật liệu cảm biến, vật liệu hoạt tớnh s inh học để gắn cỏc phần tử sinh học.
Với cảm biến hoạt động dựa trờn hiệu ứng Hall phẳng, tớn hiệu điện ỏp lối ra (tỉ lệ với điện trường) dọc theo phương Ox sẽ vuụng gúc với dũng điện một chiều chạy qua vật liệu dọc theo phương Oy theo cụng thức:
(4.1)
Hỡnh 4.1. Thiết k ế (sử dụng phần mềm AutoCad) cảm biến hall mặt phẳng (PHE) dạng chữ thập cú kớch thước 50 50 μm2 và điện cỏc điện cực của cảm biến.
Dựa theo nguyờn lý này, cảm biến cú vựng hoạt động được thiết kế cú dạng hỡnh chữ thập (dấu +) được chỉ ra trờn Hỡnh 4.1. Khi phỏt hiện hạt từ, tồn bộ vựng hoạt động sẽ cảm nhận sự cú mặt của hạt từ này thụng qua xỏc định từ trường trung bỡnh tỏn xạ đến bề mặt vựng cảm nhận.
Hỡnh 4.2. (a) Ảnh hiển vi điện tử quột của cảm biến sau khi chế tạo với kớch thước mỗi đơn cảm biến là 3ì3àm2, (b) dĩy vi chớp gồm 24 cảm biến PHE với 12 cảm biến ở giữa và mỗi cạnh gồm 6 cảm biến đơn và (c) vi chớp được hàn dõy trờn vi
mạch để nghiờn cứu [15].
Tựy thuộc vào kớch thước hạt từ được sử dụng mà kớch thước vựng cảm nhận
(activation sensing) được thiết kế cho phự hợp. Trong khuụn khổ nghiờn cứu của
luận ỏn này, hạt siờu thuận từ Dynabeads M-280 với đường kớnh 2,8 m đĩ được sử
Hỡnh 4.3. Hỡnh bờn phải (a) Ảnh hiển vi điện tử quột của cảm biến sau k hi chế tạo với k ớch thước mỗi đơn cảm biến là 50::24ấ17::m2. (b) Dĩy vi chớp gồm 24 cảm biến PHE với 12 cảm biến ở giữa và mỗi cạnh gồm 6 cảm biến đơn. Dũng một chiều đặt
vào cảm biến Ix vuụng gúc với trục dễ và từ trường ngồi Hy. Tớn hiệu lối ra được lấy theo phương y và (c) cấu trỳc từ của cảm biến [14].
kiểu thiết kế khỏc nhau với vựng cảm nhận cú kớch thước nhỏ 33m2và kớch thước
lớn 5050m2đĩ được sử dụng. Cảm biến 33 àm2cú nhược điểm khú chế tạo
nhưng ưu điểm cú thể chế tạo cựng lỳc nhiều đơn cảm biến trờn một chớp để ứng
dụng phỏt hiện đồng thời nhiều bệnh. Cả m biến 5050 àm2cú ưu điểm dễ chế tạo
nhưng s ố lượng đơn cảm biến sẽ bị giới hạn khi chế tạo trờn một chớp. Trờn Hỡnh
kế này diện tớch vựng cảm nhận chỉ cho phộp chứa một hạt từ (bead) phớa trờn cảm biến được sử dụng chế tạo cảm biến Hall dựa trờn cấu trỳc màng 2 lớp và van-spin.
Với cả m biến cú kớch thước lớn 5050 m2cho phộp đo đếm được số lượng hạt từ
và do đú cú thể đỏnh giỏ được nồng độ cú mặt của đầu dũ sinh học.Ảnh hiển vi điện
tử quột của vi dĩy cảm biến cú vựng cảm nhận33 m2sau khi được chế tạo thành
cụng được đưa ra trờn Hỡnh 4.2.
Hỡnh 4.4. Hỡnh bờn phải. (a) Ảnh hiển vi điện tử quột của đơn cảm biến k ớch thước 50ì50 àm2, phương của dũng và từ trường ngồi được chỉ ra trờn hỡnh vẽ. (b) Vi
dĩy đếm hạt từ bao gồm 10 cảm biến PHE đơn ( với 8 cảm biến đơn hai đường ở giữa và mỗi cạnh một cảm biến đơn để đối chiếu tớn hiệu với cỏc cảm biến ở giữa
trong nghiờn cứu với hạt từ và (c) cấu trỳc từ của cảm biến [12].
Cựng chung với thiết kế thứ nhất với 24 cảm biến được chứa trong ba dĩy,
trong kiểu thiết kế thứ 2 cú vựng cảm nhận với kớch thước lớn hơn 50ì50 àm2được
chụp ảnh trờn Hỡnh 4.3. Với kớch thước này, cảm biến sẽ đồng thời cảm nhận sự cú mặt của nhiều hạt từ và từ trường đo được là trung bỡnh húa tất cả cỏc đúng gúp từ
trường của tất cả cỏc hạt từ gửi đến bề mặt cảm biến.Thiết kế này được sử dụng với cảm biến dựa trờn cấu trỳc 3 lớp từ NiFe/Cu/NiFe.
Một kiểu thiết kế thứ 3 cũng được nghiờn cứu trong luận ỏn trờn cảm biến cú vựng cảm nhận lớn được đưa ra trờn ảnh chụp SEM trờn Hỡnh 4.4. Ảnh hiển vi điện
tử quột của vi dĩy gồm 10 cả m biến, mỗi cả m biến đơn cú kớch thước 50ì50 àm2.
Trong đú hạt từ sẽ đưa vào vựng khụng gian của 8 cảm biến ở giữa, 2 cả m biến ở bờn cạnh cú nhiệm vụ so sỏnh tớn hiệu với 8 cảm biến để phỏt hiện sự chờnh lệch thế ở tớn hiệu lối ra trờn vi dĩy chớp.
Bức ảnh của linh kiện hoạt động đầu tiờn được biểu diễn trong Hỡnh 4.2. Chỉ ra một cảm biến chữ thập với 4 chõn hàn, 2 cho cấp dũng và 2 cho thế ở trờn chip.
Vựng nhạy cảm là 33m2. Mỗi cảm biến đơn cú thể dũ tỡm một đơn hạt từ thương
mại đường kớnh 2,8 m đĩ được chức năng húa bề mặt “Dynabeads M-280”.
Trong thiết kế cảm biến cuối cựng (cảm biến hai lớp đĩ được phỏt triển thành cảm biến cấu trỳc van-spin. Cảm biến đĩ tăng diện tớch vựng hoạt động của mỗi đơn
cảm biến thành 5050 μm2. Tuy nhiờn vẫn giữ nguyờn ý tưởng thiết kế cỏc cảm
biến ở hai bờn cạnh cú thể sử dụng để đối chiếu, so sỏnh tớn hiệu với cỏc cảm biến ở giữa. Cấu hỡnh đảm bảo rằng phần lớn sự sụt giảm điện ỏp nằm ở cỏc cả m biến ở giữa của vi dĩy.
4.2. Phương phỏp thực nghiệm khảo sỏt hoạt động của cảm biến
Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng sử dụng để khảo sỏt hoạt động của cảm biến về cơ bản cú cựng sơ đồ nguyờn lý với hệ đo hiệu ứng Hall của màng như đĩ được trỡnh bày trong Chương 2 phần 2.2.3. Từ trường trong nghiờn cứu hoạt động của cảm biến được tạo ra nhờ một cuộn Helmholtz (xe m ảnh chụp Hỡnh 4.5). Từ trường của cuộn Helmholtz cú thể thay đổi được nhờ điều khiển dũng điện DC cấp cho cuộn dõy. Để đảm bảo cuộn Helmholz tạo từ trường ổn định ớt chịu ảnh hưởng do bị núng lờn, nguồn dũng ổn định Midec Type SK 150-2 với cường độ dũng nhỏ hơn 2
Ampe. Dũng qua cảm biến được cung cấp bởi nguồn dũng một chiều khụng đổi I =
cảm biến được đo bằng Nanụ vụn kế model Ke ithley 2182A.Mỏy tớnh điều khiển cả việc cấp dũng, lấy thế ra và điều khiển dũng cấp cho cuộn Helmholtz tạo từ trường. Cỏc thớ nghiệm được điều khiển bằng chương trỡnh viết dựa trờn phần mềm Lab View.
Phương của từ trường ghim được biễu diễn theo phương Ox (Hex). Cấu hỡnh
phộp đo được bố trớ với dũng qua cảm biến Ix theo phương của trục dễ, từ trường
ngồi Hy tỏc dụng lờn cảm biến được đặt theo phương Oy vuụng gúc với phương
của dũng và trục từ húa dễ của cảm biến.
Hỡnh 4.5. Hỡnh ảnh của cuộn Helmholtz tạo từ trường trong nghiờn cứu tớnh chất cảm biến Hall phẳng.
4.3. Khảo sỏt đặc trưng của cảm biến Hall phẳng
Trong phần này chỳng tụi sẽ trỡnh bày kết quả đo khảo sỏt hiệu ứng Hall phẳng đỏp ứng theo từ trường ngồi trờn từng loại cảm biến dựa trờn cỏc cấu trỳc màng khỏc nhau bao gồm cỏc cảm biến Hall mặt phẳng dựa trờn cấu trỳc hai lớp, cấu trỳc GMR dạng ba lớp và cấu trỳc van-spin tương ứng với 3 loại cấu trỳc vật liệu đĩ nghiờn cứu trong chương 3.
4.3.1. Cảm biến dựa trờn cấu trỳc hai lớp NiFe/IrM n
Cả m biến dựa trờn cấu trỳc hai lớp Ta(5)/NiFe(20)/IrMn(10)/Ta(5) (nm)
được chế tạo với kớch thước vựng cảm nhận 3ì3àm2 như trờn Hỡnh 4.2. Trờn cảm
biến này, sự phụ thuộc của thế Hall phẳng và từ trường tỏc dụng và vào cường độ dũng điện chạy qua cảm biến đĩ được đo đạc và khảo s ỏt để từ đú đỏnh giỏ cỏc
thụng s ố hoạt động của cảm biến và so sỏnh với cỏc cảm biến cú chức năng tương tự.
Đối với cảm biến dựa trờn cấu trỳc hai lớp này, cấu hỡnh phộp đo được bố trớ
với dũng qua cảm biến Iđược cấp vào 2 cực nằm dọc theo trục Ox, s ong song với
phương của trục dễ (phương từ trường ghim – Hex), từ trường ngồi Happ tỏc dụng
lờn cảm biến được đặt theo phương Oy vuụng gúc với phương của dũng và trục từ húa dễ của cảm biến (xe m minh họa Hỡnh 4.6).
Hỡnh 4.6. Bố trớ phộp đo khảo sỏt hoạt động của cảm biến dựa trờn cấu trỳc màng 2 lớp NiFe/IrMn: dũng điệnIđược cấp song song với phương từ trường ghim Hex nằm
dọc theo trục Ox và từ trường ngồi Happhướngtheo phương Oy [15]. 4.3.1.1. Sự phụ th uộ c của thế Hall phẳ ng vào từ trường ngồi
Đường cong sự phụ thuộc của thế Hall phẳng VPHE thay đổi theo từ trường
ngồi đo trờn cỏc cảm biến đơn ở cỏc vị trớ nằm ở giữa và nằ m ở cạnh bờn trong chuỗi 24 cảm biến được biễu diễn trờn Hỡnh 4.7. Trong phộp đo này, dũng điện cú cường độ là 2 mA được cấp chạy qua 2 cực cảm biến và thế Hall được lấy ra từ 2 cực cũn lại vuụng gúc với chiều dũng điện. Ta cú thể nhận thấy từ trờn cỏc hỡnh,
giỏ trị VP HE ban đầu tăng nhanh theo quy luật gần như tuyến tớnh ở từ trường thấp
và đạt đến giỏ trị cực đại khoảng 118àV ở từ t rường H~ 80 Oe. Tiếp tục tăng từ
trường, VP HEgiảm và tiến gần đến 0 ở từ trường rất lớn H~ 800 Oe.Kết quả này
hồn tồn lặp lại kết quả nghiờn cứu vật liệu đĩ trỡnh bày trong Chương 3, mục
hai vị trớ khỏc nhau, một cảm biến nằ m ở ch ớnh giữa (cả m biến 1) và một cảm biến nằm ở bờn cạnh (cảm biến 2) của vi chớp BARC là g iống nhau về hỡnh dỏng, độ sắc nột cũng như độ lớn (Hỡnh 4.7) khẳng định độ lặp lạ i và tớnh đồng nhất của cỏc cảm biến đơn trong vi chớp. Đường đặc trưng này đều cú hệ quả của quỏ trỡnh đảo từ với sự quay của từ độ của lớp sắt từ NiFe lệch ra khỏi phương từ húa dễ khi cú mặt của từ trường ngồi.
Hỡnh 4.7. Cỏc cảm biến đơn được k hảo sỏt trong dĩy 24 cảm biến (a) và đường đặc trưng VPHE(H) phụ thuộc vào từ trường ngồi của cỏc cảm biến với dũng qua cảm
biến I = 2 mA (b) [15].
Độ dốc của đường cong ở vựng từ trường thấp khỏc nhau khụng đỏng kể, chỉ cú một sự khỏc biệt về độ lớn tớn hiệu trong đú cảm biến ở chớnh giữa cho tớn hiệu tốt hơn so với cảm biến ở phớa ngồi. Điều này cú thể được lớ giải là do sự khỏc nhau về cấu trỳc đơn đụ-men và phương ghim của từ trường khụng đồng nhất trờn