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 1×5 mm được chế tạo. Hai cảm biến này có cùng chiều dày lớp màng NiFe 15 nm. Phép đo được thực hiện với dòng cấp có cường độ 5 mA 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 5 mA, 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 từ 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 đường tín hiệu không trùng lên nhau, điều này sẽ được chúng tôi giải thích ở phần tiếp theo của luận văn.
Ngoài về mặt hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR, với cảm biến dạng đơn thanh hiệu ứng từ trở được xác định bởi công thức 1.10 ta có tỉ số MR = (778 – 776)/778 ≈ 0.0026. Với cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone hiệu ứng từ điện trở được xác định tỉ số MR = (5.5 – 3.1)/5.5 = 0.4364. Như vậy hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến có dạng mạch cầu Wheatstone lớn hơn cảm biến dạng đơn thanh trở.
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 vào 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 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 [8]
3.2 Khảo sát ả ƣở íc ƣớc ơ r mạch cầu Wheatstone lên tích chất của cảm biến.
Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước đơn thanh trở tới tính chất của cảm biến, chúng tôi chế tạo cảm biến có kích thước thanh điện trở thành phần trong mạch cầu Wheatstone có kích thước khác nhau là 1×3 mm và 1×5 mm. Các cảm biến này được chế tạo với cùng chiều dày lớp màng NiFe là 15 nm
3.2.1 Tính chất từ của cảm biến 1×5 mm và cảm biến 1×3 mm
Quá trình khảo sát tính chất từ và đo đường cong từ hóa của cảm biến được thực hiện nhờ vào hệ thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) trình bày ở phần 2.1.2. Hình 3.4a và hình 3.4b là đường cong từ hóa tỉ đối (M/MS) của cảm biến 1×3 mm và cảm biến 1×5 mm. Từ trường ngoài tác dụng nằm trong mặt phẳng màng theo phương song song và vuông góc với phương ghim của cảm biến (phương từ hóa dễ). Đường cong từ hóa cho thấy sự khác biệt rõ nét về dị hướng theo phương ghim của cảm biến.
Hình 3.4: Đường cong từ hóa theo phương song song và vuông góc với phương ghi của từ độ (a) cảm biến 1×3 mm (b) cảm biến 1×5 mm
Đường cong từ hóa theo phương vuông góc với phương ghim có sự thay đổi từ độ dần dần theo từ trường ngoài và đạt trạng thái bão hòa tại từ trường lớn với cảm biến 1×5 mm HS = 12 Oe, cảm biến 1×3 mm HS = 10 Oe. Điều này được giải thích là do quá trình quay của các momen từ theo phương của từ trường ngoài trong trường
hợp này là khó. Trong khi đó, theo phương song song với phương ghim có sự thay đổi đột ngột và dễ dàng đạt trạng thái bão hòa do ban đầu các momen từ trong lòng vật liệu đã được định hướng gần với phương của từ trường ngoài (do có quá trình tạo từ trường ghim) nên chỉ cần một từ trường nhỏ (xem bảng 3.1) cũng có thể định hướng các momen từ định hướng theo từ trường ngoài. Ngoài ra, chúng ta nhận thấy cả hai cảm biến đều thể hiện tính từ mềm tốt với lực kháng từ nhỏ (xem bảng 3.1). Tính từ mềm này được trông đợi sẽ cho thế lối ra của cảm biến lớn trong vùng từ trường nhỏ. Thông số về từ trường bão hòa và lực kháng từ của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm được nêu ra ở bảng 3.1
Bảng 3.1: Thông số tính chất từ của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm
Cảm biến HS)GV( HS(//) HC
1×3 mm 12 Oe 5.8 Oe 3 Oe
1×5 mm 10 Oe 3 Oe 1.5 Oe
Hình 3.5 là đường cong từ hóa so sánh tính chất từ của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm theo phương song song và phương vuông góc với trục từ hóa dễ. So sánh đường cong từ hóa của 2 thiết kế này ta thấy rất rõ vai trò của dị hướng hình dạng đóng góp vào việc tăng cường dị hướng hình dạng đơn trục của thanh điện trở thể hiện ở thiết kế 1×5 mm với tỉ số kích thước chiều dài/rộng là L/W = 5 cho tính chất từ mềm với lực kháng từ nhỏ hơn mẫu có thiết kế L/W = 3. Với kết quả này, cảm biến được chế tạo khi kết hợp với tưởng tăng cường dị hướng đơn trục theo hướng này được trong đợi sẽ cho tín hiệu cảm biến nhạy trong vùng từ trường thấp.
Hình 3.5 : Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm (a) Khi từ trường ngoài vuông góc với trục từ hóa dễ (b) hi từ trường song song với trục từ
3.1.2 Khảo sát tính chất từ ện trở của cảm biến 1×5 mm và cảm biến 1×3 mm
Hiệu ứng từ - điện trở của cảm biến được nghiên cứu thông qua phép khảo sát sự thay đổi của điện áp lối ra theo từ trường ngoài sử dụng hệ đo từ - điện trở như đã trình bày ở phần 2.2.2. Trong quá trình đo, cảm biến được cấp dòng một chiều có cường độ 5 mA, từ trường ngoài tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim của cảm biến. Đường cong ở hình 3.6 a là sự thay đổi liên tục của điện áp lối ra theo từ trường ngoài tác dụng vào cảm biến trong dải từ trường – 60 Oe ÷ 60 Oe, sự thay đổi này phù hợp với đường cong từ hóa đo theo phương vuông góc được khảo sát và chỉ ra ở hình 3.5a. Từ đồ thị chúng ta nhận thấy ở vùng từ trường nằm ngoài 40 Oe và - 40 Oe tín hiệu lối ra của các cảm biến gần như không thay đổi. Điều này có thể được giải thích là do trong vùng từ trường này từ độ của toàn bộ các thanh điện trở trong mạch cầu đạt trạng thái bão hòa hay các momen từ trong các thanh trở gần như hướng hoàn toàn theo từ trường ngoài và giữa ổn định ở trạng thái đó. Vì vậy mà điện áp lối ra của cảm biến trong vùng từ trường này gần như không thay đổi. Khi giảm dần từ trường về không các momen từ có xu hướng trở lại trạng thái ban đầu của nó dẫn tới việc các điện trở thành phần của mạch cầu có sự thay đổi kéo theo sự biến đổi của điện áp lối ra. Ngoài ra trên đường cong tín hiệu, chúng ta có thể thấy đường tín hiệu khi đo đi và đo về không trùng khít nên nhau trong vùng từ trường nhỏ, điều này được lý giải là do hiện tượng từ trễ trong vật liệu từ, hiện tượng này đã được chúng tôi minh chứng trong đường cong từ hóa của cảm biến hình 3.5a và 3.5b. Hình 3.6b là sự phụ thuộc của điện áp lối ra trong vùng từ trường 10 ÷ 20 Oe của các cảm biến, đây là vùng từ trường mà cảm biến có sự biến thiên điện áp lối ra mạnh nhất. Nhờ vào việc khảo sát này chúng tôi có thể xác định được độ nhạy của cảm biến.
Hình 3.6: Sự thay đổi điện áp lối ra cảm biến phụ thuộc vào từ trường tác dụng trong dải (a) – 60 Oe ÷ 60 Oe (b) 10 ÷ 20 Oe
Hình 3.6 chỉ ra rằng, với cùng chiều dày lớp màng NiFe 15 nm, tín hiệu lối ra của cảm biến tăng khi tăng tỉ số chiều dài/chiều rộng của thanh điện trở. Cảm biến 1×5 mm có sự thay đổi điện áp ΔV = 2.34 mV tương ứng với độ nhạy từ trường S = 0.09 mV/Oe lớn gấp đôi so với giá trị tín hiệu thu được trên cảm biến 1×3 mm (xem bảng 3.2). Điều này được giải thích là do cảm biến 1×5 mm có tỉ số L/W lớn hơn dẫn đến sự tăng cường dị hướng đơn trục do đóng góp của dị hướng hình dạng trên các thanh điện trở R1 và R3 trong khi đó với các thanh điện trở còn lại (R2 và R4) thì sẽ chịu ảnh hưởng theo xu hướng ngược lại. Nhờ vậy, sự thay đổi điện trở (ΔRi) gây ra bởi hiệu ứng AMR khi có từ trường ngoài sẽ tạo ra sự khác biệt lớn hơn giữa các cặp (R1, R3) và (R2,R4). Vì vậy, đóng góp vào điện áp lối ra cảm biến nhiều hơn trên mẫu 1×5 mm. Theo quy luật thay đổi này, tín hiệu cảm biến sẽ lớn hơn khi ta tăng cường dị hướng hình dạng trên các thanh điện trở khi ta tăng tỉ số chiều dài/chiều rộng của nó.
Bảng 3.2: Độ biến thiên điện áp và độ nhạy của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm
Cảm biến ΔV (mV) S (mV/Oe)
1×3 mm 1.18 0.05
1×5 mm 2.34 0.09
Ngoài ra, chúng tôi cũng khảo sát sự phụ thuộc điện áp lối ra của cảm biến vào từ trường ngoài trong trường hợp từ trường tác dụng song song với phương ghim của cảm biến. Với dòng cấp có cường độ 5 mA, đồ thị hình 3.7 là đường cong sự phụ thuộc của điện áp lối ra của cảm biến trong dải từ trường - 120 Oe ÷ 120 Oe, ta thấy điện áp lối ra của cảm biến tăng chậm dần theo từ trường ngoài và bắt đầu xảy ra hiện tượng bão hòa tại vùng từ trường nằm ngoài từ trường 100 Oe và - 100 Oe, chỉ trong vùng từ trường 10 Oe ÷ - 10 Oe điện áp giảm đột ngột. Sự thay đổi của điện áp lối ra theo từ trường ngoài hoàn toàn phù hợp với sự biến đổi cấu trúc từ khi có tác dụng của từ trường ngoài theo phương song song với phương ghim của cảm biến được khảo sát thông qua đường cong từ hóa tỉ đối hình 3.5 a
Hình 3.7: Sự thay đổi hiệu điện thế lối ra theo từ trường ngoài trong dải -120 ÷ 120 Oe với phương từ độ của cảm biến cùng phương với từ trường ngoài
Với trường hợp này cảm biến 1×5 mm cũng có sự thay đổi điện áp ΔV = 0.125 mV lớn gấp đôi so với giá trị thu được trên cảm biến 1×3 mm (xem bảng 3.3). Nhưng từ bảng 3.3 chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy với trường hợp từ trường ngoài tác dụng song song với từ độ ghim của cảm biến, sự biến thiên điện áp lối ra của cảm biến theo từ trường nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp từ trường ngoài tác dụng theo phương vuông góc với từ độ ghim của cảm biến. Sự biến thiên nhỏ của hiệu điện thế lối ra trong trường hợp từ độ của cảm biến song song với từ trường ngoài có thể được giải thích như sau: Khi từ trường tác dụng song song với phương ghim của cảm biến, các momen từ trong lòng vật liệu của cảm biến đã định hướng gần với hướng của từ trường ngoài (do các momen từ đã được định hướng theo phương ghim ban đầu) nên khi ta tăng dần từ trường ngoài lên thì định hướng của các momen từ không có sự thay đổi nhiều về định hướng, do đó mà điện trở nội của các thanh trở trong mạch cầu không có sự biến đổi nhiều điều này đồng nghĩa với độ biến thiên điện áp lối ra là không cao.
Qua các nghiên cứu trên, chúng ta nhận thấy trong cả hai trường hợp tác dụng từ trường ngoài song song hay vuông góc với phương ghim của cảm biến thì cảm biến 1×5 mm vẫn cho độ biến thiên điện áp lối ra và độ nhạy lớn gấp đôi so với cảm biến 1×3 mm. Nhưng khi từ trường ngoài tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim của cảm biến, thì cảm biến thể hiện được độ nhạy cao hơn nhiều khi từ trường ngoài tác dụng theo phương song song với phương ghim của cảm biến. Do đó, trong các khảo sát sau chúng tôi chỉ tập trung vào khảo sát tính chất của cảm biến có từ trường ngoài tác dụng vuông góc với phương ghim của cảm biến.
Bảng 3.3: Độ biến thiên thế lối ra của cảm biến theo 2 phương song song và vuông góc của từ độ với từ trường
Cảm biến ΔUss (mV) ΔUVg (mV)
1×3 mm 0.055 1.18
1×5 mm 0.125 2.34
3.3 K ả á ả ƣở củ c ề d m N Fe í c ấ củ cảm b ế 1×5 mm
Để khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp màng NiFe tới tính chất của cảm biến. Cảm biến dạng đơn thanh với cùng thiết kế 1×5 mm có chiều dày lớp màng NiFe khác nhau 5, 10 và 15 nm đã được chế tạo.
3.3.1 K ả á í c ấ ừ củ ệ cảm b ế 1×5 mm
Cảm biến được khảo sát tính chất từ nhờ vào hệ máy từ kế mẫu rung (VSM). Trong quá trình khảo sát, từ trường ngoài nằm trong mặt phẳng của màng theo 2 phương song song và vuông góc với phương ghim của cảm biến. Hình 3.8 a và 3.8 b là đường cong từ hóa tỉ đối M/MS của cảm biến 1×5 mm với chiều dày màng NiFe thay đổi lần lượt là 5, 10 và 15 nm. Từ đường cong từ hóa tỉ đối M/MS chúng ta có thể nhận thấy khi thay đổi chiều dày lớp màng NiFe cảm biến 1×5 mm vẫn thể hiện được tính dị hướng tốt theo phương ghim của cảm biến. Ngoài ra, cảm biến 1×5 mm cũng thể hiện được tính từ mềm tốt với lực kháng từ nhỏ (xem bảng 3.4).
Hình 3.8: Đường cong từ hóa tỉ đối M/MS của cảm biến 1×5 mm với chiều dày màng NiFe là 5, 10 và 15 nm (a) theo phương vuông góc với trục từ hóa dễ, (b) theo phương