Ở chương này chúng tôi đã trình bày tổng quan về từ trường trái đất, giới thiệu các loại cảm biến đo từ trường phổ biến. Giới thiệu cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở, các tính chất đặc trưng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng và mạch cầu Wheatstone.
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ca-tốt
2.1.1. Thiết bị phún xạ ATC-2000FC
Thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính là: buồng phún xạ còn gọi là buồng chính, buồng đệm hay buồng phụ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không. Toàn bộ thiết bị được điều khiển thông qua hệ thống máy tính được ghép nối để điều khiển các thông số trong quá trình lắng đọng màng (hình 2.1).
Hình 2.1. Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC
Chân không của buồng phún xạ (buồng thứ cấp) có thể đạt đến 10-8 Torr, buồng đệm (buồng sơ cấp) là 10-6 Torr. Nhờ có buồng đệm mà chân không trong buồng chính luôn được giữ ổn định trong quá trình phún và quá trình thao tác mẫu. Chính vì vậy sự ổn định về tính chất của các mẫu luôn được đảm bảo ở các lần chế tạo khác nhau. Bên cạnh đó, trạng thái chân không cao trong buồng chính có thể đạt được trong thời gian ngắn nhờ hiệu suất cao của hệ thống bơm sơ cấp và thứ cấp nên hạn chế rất nhiều khả năng nhiễm bẩn trong buồng phún xạ.
Hai buồng chính và phụ được ngăn cách nhau bởi một vách ngăn. Trong quá trình chế tạo mẫu, đế được đưa vào buồng phụ trước, sau đó buồng phụ được hút chân không đến khi áp suất chênh lệch khoảng hai bậc so với buồng chính (áp suất buồng phụ cỡ 2,5×10-5 Torr) thì hệ thống vách ngăn mới được mở và mẫu được chuyển vào buồng chính.
Bia là các tấm vật liệu có chiều dày từ 3-6 mm và đường kính 5.08 mm (2 inch). Thiết bị phún xạ ATC-2000FC gồm 6 “súng” cho phép lắp đặt 6 bia vật liệu khác nhau. Các bia vật liệu được sử dụng trong khóa luận gồm có:
- Hợp kim sắt từ Ni80Fe20
- Kim loại không từ Cu (99,99%), Ta (99,99%) - Vật liệu cách điện bảo vệ SiO2
Bia vật liệu từ NiFe được phún xạ với các nguồn RF, còn các bia vật liệu không từ được được phún xạ với các nguồn DC.
2.1.2. Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng
Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng bao gồm các bước: Chuẩn bị đế, phún xạ màng mòng, cách bố trí và quy trình cụ thể được mô tả (bảng 2.1).
Bảng 2.1: Quy trình làm sạch đế Si/SiO2
Thứ tự Nội dung Thời gian (phút)
Bước 1 Rung siêu âm trong axeton 5
Bước 2 Rung siêu âm trong cồn 5
Bước 3 Rung siêu âm trong nước DI 5
Bước 4 Xì khô và sấy bề mặt 5
Các lớp màng mỏng khác nhau trong các cấu trúc màng ba lớp Ta/NiFe/Ta và Ta/Cu/Ta nghiên cứu được chế tạo sử dụng nguồn một chiều cho lớp Ta và Cu,
nguồn xoay chiều cho lớp NiFe. Để đảm bảo cho màng đồng nhất trong suốt quá trình chế tạo, đế giữ mẫu được quay tròn với tốc độ 30 vòng/phút, khoảng cách từ bia tới đế là 5 cm. Các thông số về công suất, áp suất, chiều dày màng được liệt kê cụ thể dưới bảng 2.2.
Bảng 2.2. Thông số phún xạ của các lớp Ta/NiFe/Ta
Vật liệu màng Chân không cơ sở Pbase (Torr) Áp suất khí Ar (mTorr) Vận tốc quay của đế (prm) Công suất phún (W) Chiều dày màng (nm) Ta 25 10 NiFe 1.310-7 2,2 30 75 5 Cu 30 60
2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo linh kiện
2.2.1. Quy trình chế tạo linh kiện
Trên cơ sở thực nghiệm chế tạo màng mỏng có hiệu ứng từ điện trở ở mục 2.1.2, chúng tôi chế tạo linh kiện dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR theo các quy trình bao gồm từ khâu chuẩn bị đế, quay phủ, quang khắc, phún xạ, đến khâu cuối cùng là hàn điện cực để hoàn thiện linh kiện.
Hình 2.2 là sơ đồ mô tả quy trình chế tạo linh kiện AMR. Đây là một loạt các quy trình kết hợp giữa công nghệ quang khắc trong phòng sạch và công nghệ chế tạo màng mỏng từ bằng phương pháp phún xạ. Cuối cùng là bước hàn các dây điện cực của linh kiện vào mạch in, đóng gói và hoàn thiện linh kiện.
Hình 2.2. Sơ đồ mô tả các bước cơ bản trong quy trình chế tạo linh kiện
2.2.2. Thiết bị quang khắc MJB4
Hình 2.3. (a) Sơ đồ hệ quang khắc và (b) Thiết bị quang khắc MJB4
Khi chế tạo linh kiện chúng tôi sử dụng máy quang khắc MJB4 (Model suss microtech). Hình 2.3 là thiết bị quang khắc MJB4 có thể tạo ra những vi linh kiện có độ chính xác cao. Máy được trang bị cấu hình quang học cao, có thể thực hiện quang khắc với nhiều bước sóng khác nhau. Cường độ chiếu cực đại khoảng 80 mW/cm2, độ phân giải tối đa là 0,5 µm.
Tiếp theo, ta phún xạ thêm một lớp bảo vệ SiO2 trên bề mặt linh kiện để chống các tác nhân hóa học với mặt nạ bảo vệ phủ kín linh kiện và chỉ để lại phần diện tích hàn điện cực.
Các linh kiện sau khi chế tạo xong như hình 2.4 được hàn dây nối với mạch in bằng thiết bị hàn dây siêu âm.
Hình 2.4. Mặt nạ của cảm biến AMR và cảm biến sau khi hoàn thiện
Trong khóa luận này, chúng tôi đã chế tạo cảm biến có kích thước thanh điện trở (50 µm × 250 µm), cấu trúc màng các điện trở là Ta(3nm)/NiFe(5nm).
2.3. Khảo sát tính chất từ điện trở của linh kiện
Đo tín hiệu từ điện trở của linh kiện được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra phụ thuộc vào từ trường ngoài. Có hai hệ đo tín hiệu AMR của linh kiện là hệ đo trong từ trường lớn và hệ đo AMR trong từ trường nhỏ.
Hệ đo trong từ trường lớn có sơ đồ nguyên lý như đo trên màng AMR được mô tả như hình 2.5. Trong bốn chân của linh kiện: 2 chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một chiều thông qua thiết bị Keithley 6220, 2 chân còn lại để lấy thế lối ra qua thiết bị đo Keithley 2000. Tín hiệu thế lối ra phụ thuộc vào từ trường ngoài được thể hiện trên màn hình. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu của hệ đo được thực hiện dưới sự điều khiển tự động bằng phầm mềm Labview 14.0 và dữ liệu lấy được đưa xử lý qua phần mềm Origin 8.51.
Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo AMR trong thang đo từ trường lớn tại PTN Micrô-Nanô, Trường Đại học Công nghệ.
2.4. Kết luận chương 2
Trong chương này chúng tôi đã trình bày các phương pháp thực nghiệm chế tạo màng bằng phương pháp phún xạ, các quy trình công nghệ chế tạo linh kiện trong phòng sạch bằng công nghệ quang khắc. Các thông số trong quá trình chế tạo màng và linh kiện. 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 và hệ đo 4 mũi dò khảo sát tính chất từ điện trở của màng và một số các thiết bị khác. Các thiết bị đảm bảo tính đồng bộ, phù hợp với mục đích khóa luận và có tính tin cậy cao.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến
Để khảo sát tính chất điện của cảm biến, chúng tôi đã dùng phương pháp bốn mũi dò. Trong phương pháp này, hai mũi dò đặt tiếp xúc với hai cực đối diện của cảm biến, hai mũi dò khác đặt tiếp xúc với hai cực còn lại. Trong khi dòng một chiều 5mA được cấp vào hai điện cực đối diện, cặp điện cực còn lại dùng để lấy thế ra. Cảm biến được khảo sát trong từ trường một chiều, từ -200 Oe đến 200 Oe.
a.-200 Oe ≤ H ≤ 200 Oe b.-80 Oe ≤ H ≤ 80 Oe Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến
vào từ trường ngoài
Thế lối ra của cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài được biểu diễn trên hình 3.1. Khi từ trường ngoài, H = 0, về lý thuyết, giá trị điện trở của bốn điện trở (R1, R2, R3 và R4) bằng nhau nên mạch cầu cân bằng, tín hiệu ra của cảm biến đạt giá trị nhỏ nhất (có thể bằng 0). Khi từ trường ngoài, H ≠ 0, cấu trúc cân bằng của mạch cầu bị phá vỡ, do hai điện trở liền kề có phương của dòng điện khác nhau, nên sự biến đổi điện trở không như nhau khi có mặt của từ trường ngoài, khi đó sẽ xuất hiện tín hiệu lối ra của cảm biến.
Thế lối ra của cảm biến đạt giá trị lớn nhất là 36mV, tại giá trị từ trường 100 Oe. Quá trình bão hòa xảy ra khi từ trường ngoài vượt quá giá trị 100 Oe. Trên đồ thị hình 3.1, chúng ta cũng quan sát thấy sự bất thuận nghịch trên hai đường đo đi và đường đo về của cảm biến. Kết quả này, có thể có nguồn gốc từ hiện tượng từ trễ, một tính chất đặc trưng của hầu hết vật liệu sắt từ. Độ trễ từ này có thể được hạn chế, thậm chí là loại bỏ khi kích thước của cảm biến được giảm tới cấu trúc đơn đômen.
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào từ trường trong dải tuyến tính
Giá trị cực đại của tín hiệu thu được cao hơn rất nhiều so với giá trị 5 mV tại dòng cấp 5 mA được công bố bởi Richard J. Gambino và cộng sự trên các hệ tương tự. Bên cạnh đó, từ trường bão hòa mà các tác giả này công bố cũng cao hơn nhiều (500 Oe) so với giá trị nhận được (100 Oe) trong mẫu nghiên cứu của khóa luận. Sự khác biệt này là khả năng tạo dị hướng vật liệu trong quá trình chế tạo.
Trên đồ thị hình 3.1, khi dải từ trường thấp, H < 20 Oe, đáp ứng thế ra của cảm biến là một đường thẳng tuyến tính theo từ trường ngoài như hình 3.2. Chúng tôi đã chọn dải từ trường khảo sát là -0,8 Oe đến 0,8 Oe (cường độ từ trường trái đất nằm trong dải từ trường này). Trong dải tuyến tính này, độ nhạy
của cảm biến có thể được đánh giá từ số liệu thực nghiệm theo công thức S = ∆V/∆H.
Kết quả tính toán cho thấy, độ nhạy của cảm biến chế tạo được vào cỡ 1,13 mV/Oe. Độ nhạy này khá tốt đối với một cảm biến hoạt động trong vùng từ trường thấp.
3.2. Sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào dòng điện một chiều
Thế lối ra của cảm biến là một đại lượng phụ thuộc vào dòng điện được cấp. Chúng tôi đã tiến hành đo thế lối ra của cảm biến theo từ trường tại các dòng cấp khác nhau chạy từ 1 đến 7 mA. Khảo sát cảm biến trong dải từ trường (-100 Oe ÷ 100 Oe), đặt cảm biến sao cho phương của dòng điện vuông góc với phương từ hóa dễ của cảm biến, cố định phương của dòng điện song song với phương của từ trường ngoài.
Từ kết quả khảo sát thực nghiệm, chúng tôi đã vẽ lại hàm phụ thuộc của thế lối ra vào dòng điện một chiều như hình 3.3.
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào dòng một chiều
Từ đồ thị trên hình 3.3, ta thấy thế lối ra của cảm biến hầu như là một hàm tuyến tính vào dòng điện trong phạm vi khảo sát. Khi dòng cấp thay đổi từ 1 mA đến 7 mA, thế lối ra biến đổi tương ứng từ 7,2 mV đến 50,3 mV. Sự phụ
thuộc tuyến tính này thực ra hoàn toàn có thể suy luận từ lý thuyết. Tín hiệu lối ra của cảm biến phụ thuộc vào dòng điện theo công thức:
) 2 cos( 2 2V V 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 cường độ dòng cấp.
Ý nghĩa thực nghiệm ở đây là nó cho chúng ta một cái nhìn trực quan, một bộ giá trị thực nghiệm có thực, được khảo sát trên một cảm biến cụ thể trong một dải cường độ dòng cấp. Điều này tạo ra cơ sở thực tế để lựa chọn chế độ cấp dòng nếu các cảm biến này được ứng dụng.
Vấn đề cần được thảo luận ở đây là, thành phần nhiễu nhiệt sẽ ảnh hưởng như thế nào đến tín hiệu lối ra của cảm biến khi dòng cấp tăng lên? Trong các mạch thông thường, khi dòng cấp tăng lên, nhiệt lượng sinh ra trong mạch sẽ tăng lên (tỷ lệ với I2R), điều này sẽ làm tăng nhiệt độ toàn mạch. Khi nhiệt độ tăng, điện trở sẽ tăng lên và do đó tác động của nhiễu nhiệt lên tín hiệu lối ra của cảm biến sẽ tăng.
Ý nghĩa thực nghiệm ở đây là nó cho chúng ta một cái nhìn có thực, một bộ giá trị thực nghiệm có thực, được khảo sát trên một cảm biến cụ thể trong một dải cường độ dòng cấp. Điều này tạo cho chúng ta cơ sở thực tế để lựa chọn dòng cấp nếu các cảm biến này được ứng dụng khi I tăng lên, tín hiệu cảm biến tăng dần tuyến tính theo I. Nhưng bản thân dòng điện sinh ra nhiệt, cường độ dòng điện càng lớn thì nhiệt sinh ra càng nhiều. Trong trường hợp cấp dòng điện 5mA, nhiệt sinh ra sẽ lớn gấp 25 lần so với sử dụng dòng điện 1mA vì nhiệt tỏa ra tỷ lệ với I2R. Tín hiệu lối ra sẽ bị ảnh hưởng của nhiễu nhiệt. Tuy nhiên do mạch cầu là mạch ổn định nhiệt, nên nhiễu nhiệt ảnh hưởng rất nhỏ tới tín hiệu ra của cảm biến, do đó có thể cấp dòng tới 7 mA để tín hiệu ra của
cảm biến lớn hơn. Trong khuôn khổ khoá luận, chúng tôi thường cấp dòng điện 5mA cho cảm biến, vì với giá trị dòng điện này tín hiệu lối ra của cảm biến cũng đủ lớn để khảo sát tính chất của cảm biến. Từ kết quả khảo sát này, chúng ta thấy rằng cảm biến có thể làm việc ổn định trong dải cường độ dòng điện 1 mA ≤ I ≤ 7 mA. Điều này có nghĩa là, nhiễu nhiệt ở đây không ảnh hưởng đến tín hiệu ra của cảm biến. Có hai khả năng lý giải cho hiện tượng này:
(i) Trong khoảng dòng cấp từ 1 mA đến 7 mA tốc độ phát nhiệt trong mạch thấp hơn hoặc cân bằng với tốc độ thoát nhiệt trên bề mặt cảm biến, do đó nhiệt độ trong mạch không tăng khi tăng dòng cấp.
(ii) Khi dòng cấp tăng, nhiệt độ tăng, điện trở trong mỗi điện trở thành phần tăng lên, nhưng nhờ khả năng tự bù trừ điện trở trong mạch cầu Wheatstone, nên độ tăng điện trở (R) trong toàn mạch được ổn định, nhờ đó loại bỏ được nhiễu nhiệt.
Các thảo luận của chúng tôi thiên về khả năng thứ hai. Trên thực tế, rất khó để có thể đưa ra các bằng chứng thực nghiệm về tốc độ phát nhiệt cũng như thoát nhiệt trên bề mặt cảm biến chỉ trong giới hạn của các thực nghiệm này. Để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu nhiệu lên tín hiệu lối ra của cảm biến khi dòng điện thay đổi, cần có các thực nghiệm khác nữa, cũng như ảnh hưởng của thời gian đo là yếu tố không thể bỏ qua.
Bảng 3.1. Một số thông số của cảm biến khi dòng cấp thay đổi
I (mA) 1 2 3 4 5 6 7
ΔV (mV) 7,2 14,4 21,6 28,8 36 43,1 50,3
3.3. Khảo sát đáp ứng góc của cảm biến với từ trường trái đất
Ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất của cảm biến là để đo và phát hiện từ trường. Mô hình thực nghiệm khảo sát đáp ứng thế ra của cảm biến vào từ trường trái đất được minh họa trong hình 3.4. Cảm biến được đặt tại tâm của
một vòng tròn có chia 360 độ, vòng tròn thứ hai (nằm trong mặt phẳng vuông góc với vòng tròn thứ nhất tại tâm của vòng tròn thứ nhất) dùng để thay đổi góc giữa phương của dòng điện và phương bắc nam của từ trường trái đất bằng cách quay cảm biến từng 50 một. Phương bắc nam của từ trường trái đất được xác định bằng la bàn. Cấp dòng điện 5mA cho cảm biến. Hệ khảo sát cách nguồn nam châm khoảng 2 m để đảm bảo rằng chỉ có từ trường trái đất tác dụng lên