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 cảm biến.
Trên hình 3.5 là đồ thị minh họa sự phụ thuộc tín hiệu ra của cảm biến vào góc giữa phương của dòng điện và phương của từ trường trái đất trong 3 chu kì. Tín hiệu ra của cảm biến khá lớn khoảng 0.924 mV. Kết quả cho thấy tín hiệu ra của cảm biến thay đổi tuần hoàn theo hàm cosin, chu kì 2 được cho bởi công thức: Vra = Voffset + V0cos(α); V0 là giá trị tín hiệu ra lớn nhất của cảm biến và V0 = 0.462 mV, Voffset = 25,6 mV là thế nền của cảm biến khi từ trường ngoài bằng không, nguyên nhân là do sự không cân bằng tuyệt đối của mạch cầu khi chế tạo, α là góc giữa trục cảm biến với phương bắc nam của từ trường trái đất.
Hình 3.4. Mô hình thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc tín hiệu ra của cảm biến vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất
thì α = 900, tín hiệu ra của cảm biến nhỏ nhất. Khi trục cảm biến song song với phương bắc nam của từ trường trái đất thì α = 00, tín hiệu ra của cảm biến lớn nhất. Từ kết quả này, ta thấy cảm biến có thể đo được góc của từ trường trái đất. Kết hợp tính toán ta có thể xác định được giá trị cường độ trái đất. Kết quả chúng tôi nhận được từ kết quả thực nghiệm là 0,41 Oe. Kết quả này có sai khác so với giá trị cường độ trái đất đã được công bố tại Hà Nội là 0,399 Oe bởi sai số trong các phép đo thực nghiệm.
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu của cảm biến vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất
3.4. Kết luận chương 3
Trong chương 3, chúng tôi đã trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm chế tạo cảm biến. Thông qua quá trình khảo sát tính chất điện của cảm biến, chúng tôi thấy rằng cảm biến trong dải từ trường nhỏ (H < 5 Oe), thế ra của cảm biến là đường tuyến tính theo từ trường ngoài. Khi khảo sát đáp ứng của cảm biến với từ trường trái đất, chúng tôi thấy cảm biến có khả năng đo được cường độ từ trường trái đất, giá trị cường độ từ trường chúng tôi xác định được 0,41 Oe.
KẾT LUẬN
Trong quá trình thực hiện khóa luận, chúng tôi đã đạt được các kết quả sau: 1. Đã trình bày chi tiết tổng quan về các loại vật liệu và các hiệu ứng từ điện trở dị hướng và hiệu ứng Hall phẳng nghiên cứu các tính chất đặc trưng của hiệu ứng từ điện trở và mạch cầu Wheatstone. Từ đó chúng tôi đã chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor và Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo điện trở mạch cầu.
2. Đã chế tạo thành công các cảm biến cầu Wheatstone trên nền vật liệu Ni80Fe20 với chiều dày lớp Ni80Fe20 5 nm, kích thước 50 µm 250 µm.
3. Đã khảo sát các tín hiệu của cảm biến chế tạo được. Sự phụ thuộc của thế lối ra vào cường độ dòng cấp, vào phương giữa từ trường và dòng điện. Tín hiệu lối ra cực đại ΔV = 36 mV tại dòng cấp 5 mA.
4. Đã thử nghiệm dùng cảm biến chế tạo được để đo từ trường trái đất tại khu vực phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy từ trường trái đất tại khu vực này là 0,41 Oe và có độ ổn định tương đối tốt.
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. Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, NXB DHQG Hà Nội.
Tiếng Anh
3. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGiKim, Optimization of spin-valve structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for planar Hall effect based biochips.
4. Http://en.wikipedia.org/wiki/Bridge_circuit//.
5. Http://groups.mrl.uiuc.edu/dvh/pdf/AZ5214E.pdf//.
6. Http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/do-luc-va-ung-suat-chuong-2.375058.html//. 7. Http://www.play-hookey.com/dc_theory/wheatstone_bridge.html//.
8. Kawamura et al. United States Petent, No 598217, (1999), Geomagnetic Direction Sensor, Nov.9.
9. K.M Chui, A.O Adeyeye, Mo- Huang Li (2009), Detection of a single magnetic dot using a Planar Hall sensor.
10. K.T.Y. Kung, L.K. Louie (1991), J. Appl. Phys. 69, 5634.
11. L. Ejsing, M. F. Hansen, A. K. Menon, H. A. Ferreira, D. L. Graham, and P. P. Freitas (2005), Appl.Phys. Lett. 293, 677.
12. Michael J. Caruso, Tamara Bratland, A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Honeywell, SSEC, 12001 State Highway 55, Plymouth, MN 55441.
13. Michael J. Haji-Sheikh (2005), Accurate model of saturated AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ring – magnet,1st Interational conference on sensing technology, November 21-23 Palmerston North, New Zealand.
14. Richard J. Gambino, Muthuvel Manivel Raja, Sanjay Sampath, and Robert Greenlaw (2004), plasma-sprayed thick-film anisotropic magnetoresistive (AMR) sensors, IEEE sensors journal, vol. 4, no. 6.
15. Second Editon, D. Jiles (1998), Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Ames Laboratory, US Department of Energy, Great Britain by St Edumundsbury Press, Suffolk UK.
16. Susan Macmillan, Earth’s magnetic field, British Geological Survey, Edinburgh, UK.
17. Ton Tich Ai (2005) Geomagnetism and Magnetic Prospecting, Vietnam National University Publishers.
18. U. Gradmann, J. Magn. Magn (1986), Mater. 54, 733.
19. W. O. Henry (1998), Noise reduction techniques in electronic systems, Second edition, John Wiley & Sons, New York, Inc.