4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.8. Kết luận chƣơng 2
Trong chƣơng 2, chúng tôi đã trình bày các thiết bị dùng để chế tạo cảm biến là thiết bị quay phủ chất cản quang, hệ quang khắc, kính hiển vi, thiết bị phún xạ. Chúng tôi cũng đã trình bày phƣơng pháp đo hiệu ứng từ điện trở và phƣơng pháp đo từ kế mẫu rung để khảo sát tính chất điện và từ của cảm biến. Chúng tôi đã trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm chế tạo cảm biến. Đã chế tạo thành công cảm biến dạng cầu Wheatstone.
24
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất từ trên màng NiFe
Hình 3.1 là đƣờng cong từ trễ tỉ đối M/MS của màng mỏng NiFe với bề dày 5, 10, 15 nm đƣợc thực hiện theo từ trƣờng nằm trong mặt phẳng màng và song song với từ trƣờng ghim ban đầu.
Hình 3.1: Đường cong từ hóa trên màng có bề dày 5, 10, 15 nm đo theo phương song song từ trường ghim
Kết quả màng cho thấy, màng NiFe thể hiện tính chất từ mềm với lực kháng từ và mômen từ bão hòa trong vùng từ trƣờng nhỏ (< 5 Oe), đƣờng cong tỉ đối dốc. Tính chất từ tốt nhất thể hiện trên màng có bề dày 5 nm. Đƣờng cong từ trễ tỉ đối dốc nhất, lực kháng từ nhỏ nhất. Tính chất này đƣợc trông đợi khi chế tạo cảm biến sẽ cho thế lối ra lớn trong vùng từ trƣờng nhỏ và cảm biến có bề dày 5 nm sẽ cho tín hiệu từ điện trở lớn nhất trong vùng từ trƣờng nhỏ.
3.2. Tính chất từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone
Từ kết quả khảo sát tính chất từ trên màng NiFe ở trên làm cơ sở cho việc chế tạo cảm biến với mục đích tăng cƣờng tín hiệu thế lối ra phụ thuộc
25
vào từ trƣờng. Cảm biến đƣợc thiết kế phải có tín hiệu từ điện trở lớn, rất nhạy trong vùng từ trƣờng nhỏ, do đó, bề dày cảm biến trong khóa luận đƣợc chọn là 5 nm.
Kết quả sự thay đổi tín hiệu từ điện trở và độ nhạy ( =
) của cảm biến đƣợc nghiên cứu tại dòng cấp I = 0,1 mA đƣợc chỉ ra trên hình 3.2.
Hình 3.2: Đường cong tín hiệu từ điện trở và độ nhạy của cảm biến cầu Wheatstone cấu trúc nối tiếp – song song (S1), đo tại dòng cấp I = 0,1 mA
Từ đồ thị hình vẽ trên ta thấy, độ lệch tín hiệu điện thế lớn nhất đạt đƣợc ΔV = 1.18 mV và độ nhạy lớn nhất đạt đƣợc SH = 0,32 mV/Oe, tại dòng cấp
0,1 mA.
Kết quả nghiên cứu trƣớc đây trên cảm biến cầu Wheatstone cấu trúc đơn thanh điện trở S2 (có cùng kích thƣớc trên một thành phần nhỏ tƣơng tự nhƣ cảm biến đang nghiên cứu, kích thƣớc 0,15 × 4 mm, chiều dày 5 nm) đã đƣợc công bố, tín hiệu lối ra và độ nhạy cảm biến tại dòng cấp I = 1 mA đạt đƣợc lần lƣợt là ΔV = 7.6 mV and SH = 2.15 mV/Oe [14].
Nếu đem so sánh kết quả của cảm biến S1 với cảm biến S2 đƣợc quy về cùng dòng cấp I = 0,1 mA, ta có thể vẽ đƣợc đồ thị so sánh nhƣ hình 3.3.
26
Hình 3.3: Đường cong so sánh độ lệch thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều trên các cảm biến S1 và S2, đo tại dòng cấp 0,1mA.
So sánh giá trị độ lệch tín hiệu và độ nhạy lớn nhất của 2 cảm biến S1 và S2 ta có số liệu đƣợc liệt kê tại bảng 3.1.
Bảng 3.1: Bảng so sánh độ lệch tín hiệu và độ nhạy lớn nhất của 2 cảm biến S1 và S2, tại dòng cấp 0,1 mA
Từ kết quả trên đồ thị hình 3.3 và trên bảng 3.1 ta thấy tín hiệu của cảm biến có cấu trúc tổ hợp đƣợc nghiên cứu lớn hơn nhiều so với cảm biến có cấu trúc đơn giản. Cụ thể, độ lệch thế ΔV lớn hơn 1,475 lần, SH lớn hơn 1,524 lần. Điều này có thể đƣợc lý giải là do ta tăng cƣờng tính dị hƣớng hình dạng dẫn đến dị hƣớng từ đơn trục của cảm biến làm cho cảm biến có tỉ số dài/rộng càng lớn thì tín hiệu càng cao. Hiệu ứng AMR của mỗi thành phần điện trở nhỏ trên cảm biến tổ hợp đóng góp tổng hợp vào cảm biến S1 làm cho tín hiệu trên cảm biến này lớn hơn so với tín hiệu trên cảm biến đơn thanh S2.
Đem so sánh kết quả này với các kết quả đƣợc công bố trên cùng hiệu ứng AMR của Miller tín hiệu của cảm biến S2 lớn hơn 160 lần. Còn đem so
Cảm biến ΔV (mV) SH (mV/Oe)
S1 1.18 0.32
27
sánh với công bố bởi M. J. Haji-Sheikh thì cảm biến S2 đạt đƣợc gần tƣơng đƣơng nhƣng so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu trúc phức tạp nhƣ Hall, van-spin thì tín hiệu lớn hơn rất nhiều [2, 3].
3.3. Kết luận chƣơng 3
Thông qua quá trình khảo sát tính chất từ của màng NiFe, chúng tôi đã chế tạo và khảo sát tín hiệu từ điện trở trên các cảm biến S2 cho tín hiệu lớn nhất ∆V = 1,18 mV; SH = 0,32 mV/Oe tại dòng cấp 0,1 mA.
28
KẾT LUẬN
Trong thời gian ngắn nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệp, đề tài đã thu đƣợc một số kết quả sau:
- Đã nghiên cứu đƣợc tổng quan về các hiệu ứng từ và điện, nguyên lý và hoạt động của các loại cảm biến từ, từ điện trở.
- Chế tạo đƣợc cảm biến hoạt động dựa trên mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng cấu trúc tổ hợp nối tiếp – song song, kích thƣớc 0,15 x 4 mm, bề dày 5 nm
- Khảo sát tín hiệu lối ra của cảm biến theo từ trƣờng ngoài, Cảm biến cho tín hiệu lớn nhất ∆V = 1,18 mV; SH = 0,32 mV/Oe tại dòng cấp 0,1 mA.
29
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, NXB DHQG Hà Nội. Tiếng Anh
[2]. 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.
[3]. 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, Journal of applied Physics 104, 074701, 2008.
[4]. Http://en.wikipedia.org/wiki/Bridge_circuit//.
[5]. Http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/do-luc-va-ung-suat-chuong-2.375058.html//. [6]. Http://www.play-hookey.com/dc_theory/wheatstone_bridge.html//.
[7]. Kawamura et al. United States Petent, No 598217, (1999), Geomagnetic Direction Cảm biến, Nov.9.
[8]. L. Ejsing, M. F. Hansen, A. K. Menon, H. A. Ferreira, D. L. Graham, and P. P. Freitas (2005), Appl.Phys. Lett. 293, 677.
[9]. Michael J. Haji-Sheikh (2005), Anisotropic Magnetoresistive Model for Saturated Sensor Elements, IEEE Sensor Journal, Vol. 5, No. 6, 1258- 1263.
[10]. M. J. Haji-Sheikh and Y. Yoo (2007), 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.
[11]. Mc Guire, T.; Potter, R. "Anisotropic magnetoresistance in ferromagnetic 3d alloys". IEEE Transactions on Magnetics 11 (4):
30 1018–1038, 1975
[12]. M. M. Miller, G. A. Prinz, S. F. Cheng, S. Bounnak (2002), Detection of a micron-sized magnetic sphere using a ring-shaped anisotropic magnetoresistance-based sensor: A model for a magnetoresistance- based biosensor, Applied Physics Letters 81(12), pp. 2211-2213.
[13]. L.K. Quynh, B.D. Tu, D.X. Dang, D.Q. Viet, L.T. Hien, D.T. Huong Giang, N.H. Duc (2016), Detection of magnetic nanoparticles using simple AMR sensors in Wheatstone bridge, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 1 98-102 (ScienceDirect).