Cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm được khảo sát tính chất từ nhờ thiết bị từ kế mẫu rung VSM. Hình 3.10 là đường cong từ hóa tỉ đối M/MS của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm với từ trường nằm trong mặt phẳng màng và đươc khảo sát theo 2 phương song song và vuông góc với phương ghim của cảm biến. Từ đường cong từ hóa tỉ đối M/MS chúng ta thấy khi thay đổi cấu trúc của cảm biến từ đơn thanh điện trở thành phần trong mạch cầu sang 3 thanh điện trở với kích thước các thanh điện trở là khác nhau cảm biến vẫn thể hiện được tính dị hướng tốt theo phương ghim (xem bảng 3.6). Ngoài ra, cảm biến 3 thanh cũng thể hiện được tính chất từ mềm rất tốt với lực kháng từ nhỏ HC = 1.54 Oe
Hình 3.10: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của cảm biến cảm biến 3 thanh theo phương vuông góc và song song với trục từ hóa dễ
Bảng 3.6: Thông số từ đường từ hóa tỉ đối M/MS của cảm biến 3 thanh
Cảm biến
Happly // Hbias Happly ﬩ Hbias
HS HC HS HC
3 thanh 2.76 1.45 11.1 1.45
1×5 mm 3 1.5 10 1.5
3.4.1.2 Khảo sát tính chất từ - ện trở của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm
Trong suốt quá trình khảo sát, 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. Hình 3.11 a là sự phụ thuộc điện áp của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm vào từ trường ngoài trong các dải từ trường – 60 ÷ 60 Oe, hình 3.11 b là sự phụ thuộc điện áp của cảm biến trong vùng từ trường mà cảm biến nhạy với từ trường nhất 6 ÷ 16 Oe. Chúng ta nhận thấy với cùng một chiều dày màng NiFe 15nm nhưng cảm biến 3 thanh cho giá trị độ biến thiến điện áp lối ra ΔV = 22.3 mV tương ứng với độ nhạy S
= 1.53 (mV/Oe) giá trị này lớn hơn gấp 10 lần so với cảm biến dạng đơn thanh 1×5 mm trong một thành phần của mạch cầu. Điều này được giải thích một phần là do thay vì chỉ có đơn thanh trở như cảm biến 1×5 mm, cảm biến 3 thanh có 3 thanh điện trở mắc nối tiếp trong một thành phần mạch cầu điều này giúp cho điện trở nội trong 1 thành phần của mạnh cầu tăng đột biến. Như đã trình bày ở phần 3.3 điện trở nội của cảm biến tăng dẫn tới tín hiệu lối ra của cảm biến tăng. Ngoài ra, do thiết kế thanh điện trở trong thành phần mạch cầu của cảm biến có kích thước chiều rộng W = 0.3 mm, chiều dài L1 = 4.2 mm, L2 = 7 mm cho ta tỉ số chiều dài/chiều rộng (L/W) lần lượt là 14 và 23 lớn hơn rất nhiều so với thiết kế của cảm biến 1×5 mm dẫn đến sự tăng cường dị hướng đơn trục trên các thanh điện trở, như ta biết trong thiết kế của mạch cầu Wheatstone dị hướng hình dạng trên các nhánh điện trở 1 và 3 chịu ảnh hưởng theo xu hướng ngược với nhánh điện trở 2 và 4. Do đó, sự thay đổi điện trở gây ra bởi hiệu ứng từ trở dị hướng AMR khi có tác dụng của từ trường ngoài sẽ càng tạo ra sự khác biệt lớn giữa cặp nhánh điện trở (nhánh 1, nhánh 3) và (nhánh 2, nhánh 4). Như vậy so với cảm biến 1×5 mm, cảm biến 3 thanh giúp ta vừa tăng được điện trở nội, lại giúp ta tăng được sự khác nhau về dị hướng đơn trục trên các nhánh điên trở.
Hình 3.11: Sự thay đổi điện áp lối ra của cảm biến 3 thanh và 1×5 mm theo từ trường Bảng 3.7: Thông số độ biến thi n và độ nhạy của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5
mm
Cảm biến ΔV (mV) S (mV/Oe)
3 thanh 22.3 1.53
3.4.2 Khảo sát bề dày màng NiFe tới tính chất của cảm biến 3 thanh
Với mục đích khảo sát ảnh hưởng bề dày lớp màng NiFe tới tính chất của cảm biến 3 thanh, cảm biến 3 thanh với chiều dày màng NiFe là 5 và 15 nm được chế tạo. Cảm biến được cấp dòng một chiều có cường độ 1 mA, từ trường tác dụng vuông góc với phương ghim của cảm biến. Kết quả ở hình 3.12 a và 3.12 b cho thấy cũng giống như trường hợp của cảm biến đơn thanh điện trở, chiều dày màng NiFe càng mỏng thì độ biến thiên điện áp lối ra của cảm biến càng lớn. Cảm biến có chiều dày màng NiFe là 5 nm có độ biến thiên điện áp lối ra ΔV = 17.6 mV tương ứng với độ nhạy cảm biến S = 0.963 (mV/Oe), tín hiệu lối ra này lớn gần gấp 3.8 lần tín hiệu lối ra của cảm biến với chiều dày màng NiFe là 15 nm. Điều này được lý giải một phần là do khi giảm chiều dày màng NiFe dẫn đến sự tăng điện trở nội trong từng thanh điện trở, cùng với đó là sự tăng lên rất nhiều của điện trở nội trong 1 thành phần của mạch cầu vì một thành phần của mạch cầu có sự đóng góp điện trở của 3 thành phần được mắc nối tiếp nhau, sự sai khác này là rất lớn so với cảm biến 3 thanh có chiều dày lớp màng NiFe là 15 nm. Ngoài ra, với hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR về bản chất lại phụ thuộc mạnh vào chiều dày lớp sắt từ theo quy luật tỉ số AMR tăng khi giảm chiều dày lớp màng NiFe. Ở đây hiệu ứng từ trở dị hướng cũng được tăng cường nhờ vào sự đóng góp của 3 thanh điện trở trong 1 thành phần của mạch cầu.
Hình 3.12: Sự phụ thuộc điện áp lối ra vào từ trường ngoài của cảm biến 3 thanh với chiều dày lớp àng NiFe thay đổi
Bảng 3.8: Độ biến thi n điện thế lối của cả biến 5 mm, cảm biến 3 thanh 5 và cảm biến 3 thanh 15
Cảm biến 3 thanh ΔV (mV) S (mV/Oe)
15 nm 4.7 0.247
5 nm 17.6 0.963
Kết hợp các nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng cấu hình cảm biến và chiều dày lớp màng NiFe lên tính chất của cảm biến. Chúng tôi đưa ra kết luận, để có cảm biến có độ nhạy lớn chúng ta nên chế tạo cảm biến theo các tiêu chí sau:
Chiều dày lớp màng NiFe mỏng
Tỉ số chiều dài/chiều rộng của thanh điện trở lớn
Điện trở của các nhánh cầu Wheatstone lớn
Ở đây, chúng tôi đã lựa chọn được cảm biến 3 thanh với chiều dày lớp màng NiFe là 5 nm là cảm biến có cấu hình và chiều dày màng NiFe tối ưu. Khi cảm biến được cấp dòng điện 1 chiều có cường độ 1 mA và có từ trường tác dụng vuông góc với phương ghim của cảm biến, cảm biến có độ biến thiên điện áp ΔV = 17.6 mV tương ứng với độ nhạy S = 0.963 (mV/e).
3.5 Khả á áp ứng góc của cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR với từ rƣờ rá ất
Để khảo sát đáp ứng góc của cảm biến với từ trường trái đất chúng ta phải lựa chọn cảm biến có độ nhạy cao và có tính từ mềm tốt, do đó chúng tôi lựa chọn cảm biến 3 thanh có chiều dày lớp màng NiFe là 5 nm.
3.5.1 Khảo sát từ rƣờng làm việc của cảm biến
Mục đích của việc khảo sát từ trường làm việc của cảm biến là xác định từ trường mà tại đó cảm biến thể hiện được độ nhạy tốt và tính từ mềm tốt (đường tín hiệu đo đi và đo về trùng lên nhau) dưới tác động của từ trường ngoài. Hình 3.13 a là sự phụ thuộc điện áp lối ra vào từ trường ngoài trong vùng từ trường 10 ÷ 20 Oe là vùng từ trường cảm biến nhạy từ nhất. Hình 3.13 b là đường cong chỉ sự phụ thuộc điện áp lối ra của cảm biến theo từ trường trong vùng từ trường – 60 ÷ 60 Oe. Từ 2 đồ thị trên ta nhận thấy tại từ trường H = 15.5 Oe, là từ trường mà tại đó cảm biến rất nhạy với tác động của từ trường. Ngoài ra, trong đường cong chỉ sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào từ trường ngoài trong dải từ trường - 60 ÷ 60 Oe cũng chỉ ra rằng trong vùng từ trường xung quanh từ trường H = 15.5 Oe thì đường tín hiệu khi đo đi và đo
về gần như trùng khít lên nhau (tính từ mềm được thể hiện tốt nên hiện tượng trễ trong vùng này gần như bị triệt tiêu).
Như vậy, để đảm bảo cho cảm biến luôn hoạt động ở trạng thái nhạy với từ trường và thể hiện được tính từ mềm tốt trong quá trình khảo sát đáp ứng góc của cảm biến với từ trường trái đất. Chúng tôi sử dụng cuộn Helmholtz tạo ra từ trường có cường độ 15.5 Oe để nuôi cho cảm biến
Hình 3.13: Sự phụ thuộc hiệu điện thế lối ra của cảm biến 3 thanh theo từ trường (a) 10 Oe ÷ 20 Oe (b) -60 Oe ÷ 60 Oe.
3.5.2 Sự phụ thuộc tín hiệu cảm biế ị ƣớng của từ rƣờ rá ất
Sự phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào góc định hướng giữa trục từ hóa dễ của cảm biến với phương bắc nam của từ trường trái đất được khảo sát khi cho cảm biến quay trong mặt phẳng nằm ngang theo chiều kim đồng hồ φ = 00 đến 3600, phép đo được thực hiện tại nơi cách các nguồn phát từ trường và các vật có tính chất sắt từ khoảng 1 m để đảm bảo tại vị trí đo chỉ có ảnh hưởng của từ trường trái đất. Trong phép đo này, cảm biến được cấp dòng điện 1 chiều có cường độ 1 mA, từ trường bias cấp cho cảm biến có cường độ là 15.5 Oe và được đặt vuông góc với phương ghim của cảm biến. Trên hình 3.14 là đường cong sự phụ thuộc điện áp lối ra vào góc định hướng giữa phương ghim của cảm biến với phương bắc nam của từ trường trái đất. Từ đồ thị hình 3.14 ta nhận thấy, điện áp lối ra phụ thuộc vào góc định hướng tuần hoàn theo quy luật hàm V = V0.sinφ. Thế lối ra đạt giá trị lớn nhất V0 = 1.1 V khi phương ghim của cảm biến vuông góc với phương bắc nam của từ trường trái đất. Ở đây, cực bắc nam từ được chuẩn hóa nhờ sử dụng la bàn quân sự thương mại.
Hình 3.14: Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào góc định hướng giữa phương ghi của cảm biến và phương bắc nam của từ trường trái đất
Khi phương ghim của cảm biến trùng với phương bắc nam của từ trường trái đất hay φ = 00
, lúc này phương của từ trường nuôi (Hbias) trùng với phương đông tây của từ trường trái đất (H = 0 Oe) do đó tại vị trí này gần như không có sự thay đổi về từ trường tác động vuông góc với phương ghim của cảm biến mà chỉ đơn thuần là từ trường nuôi, do đó điện áp lối ra của cảm biến không có sự biến thiên. Khi phương ghim của cảm biến vuông góc với phương bắc nam của từ trường trái đất tương ứng với φ = 900 đồng nghĩa với việc phương bắc nam trùng với phương của từ trường nuôi (Hbias). Do vậy, từ trường tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim của cảm biến được tăng cường cực đại hoặc bị giảm đi cực tiểu tùy thuộc vào hướng của phương bắc nam so với từ trường nuôi ( vì từ trường theo phương bắc nam có giá trị từ trường lớn nhất) nên độ biến thiên điện áp lối tại đây có thể đạt giá trị lớn nhất. Ở các vị trí khác, tín hiệu của cảm biến thu được phụ thuộc vào thành phần hình chiếu lên của từ trường này lên phương ghim của cảm biến (HHmax.Sinφ). Chính vì vậy mà đường cong thực nghiệm gần như trùng khít với đường Fit dạng hình Sin (xem hình 3.14).
Để đánh giá độ nhạy theo góc của cảm biến, chúng tôi khảo sát sự biến thiên điện áp lối ra trong dải góc φ = 1350
÷ 2250. Đây là dải góc có độ biến thiên điện áp lối ra của cảm biến có sự thay đổi lớn (xem hình 3.15). Từ đây ta có thể tính được độ nhạy góc Kφ = ΔU/Δφ = 3.6 (μV/độ).
Hình 3.15: Sự biến thi n điện áp lối ra của cảm biến trong dải góc 1350 ÷ 2250
Như vậy, bằng việc sử dụng cảm biến 3 thanh ta có thể xác định được độ lớn hình chiếu của từ trường trái đất lên phương ghim của cảm biến tại một vị trí bất kỳ. Ưu điểm của cảm biến 3 thanh là chế tạo đơn giản, gọn nhẹ, ít chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu.
Tuy nhiên với cảm biến 3 thanh, ta không thể xác định đồng thời cả cường độ từ trường trái đất và hướng của nó tại một vị trí tại một thời điểm bất kỳ. Ngoài ra, khi làm việc ở chế độ đo góc tại vị trí xung quanh góc 900 và 2700 (từ độ của cảm biến vuông góc với phương bắc nam của từ trường trái đất) thì độ nhạy của cảm biến rất thấp do các giá trị hiệu điện thế thay đổi rất nhỏ trong vùng này. Do đó định hướng nghiên cứu tiếp theo của nhóm là chế tạo cảm biến 3 thanh dạng 2 chiều để khắc phục nhược điểm đã nêu của cảm biến 1chiều.
KẾT U N
Với việc ứng dụng công nghệ chế tạo cảm biến nhờ vào hệ thống thiết bị máy phún xạ catot, máy cắt laser, thiết bị từ kế mẫu rung và hệ đo điện từ tại phòng thí nghiệm Micro – nano, chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo ra cảm biến có cấu hình mạch cầu Wheastones hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR). Trong luận văn, chúng tôi đã thực hiện một số công việc sau:
Nghiên cứu và lựa chọn ra cảm biến có cấu hình dạng mạch cầu Wheatstone Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước thanh trở trong mạch cầu lên tính chất của cảm biến
Nghiên cứu ảnh hưởng bề dày của màng NiFe lên tính chất của cảm biến
Khảo sát đáp ứng góc của cảm biến 1 chiều với từ trường trái đất, qua đó tìm ra cường độ từ trường trái đất
Với công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, cảm biến được chế tạo có độ phân giải có thể so sánh được với các thiết bị cảm biến đo góc và cảm biến đo từ trường có trên thế giới hiện nay.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LU N V N
[1]. Dinh Tu Bui, Thi Thuy Nguyen, Quoc Viet Đong, Mau Danh Tran, Huu Duc Nguyen, “The fabrication and studies Wheastones bridge sensor based on agnetoresistive effects for digita co pass app ication and biochip”, 6th International Woekshop on Advanced Materials Science and Nanotecchnology (IWAMSN 2012), Ha Long City – Viet Nam October 30 – Novembel 2.
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.
Tiếng Anh
[2]. Bridgeman, P. W. (1939), Biographical Memoir of Edwin Herbert Hall, National Academy of Sciences.
[3]. D. Astrov Sov (1960), Phys. JETP 11, 708.
[4]. Dieny, V.S.Speriosu, S. Metin, S. S. P. Parkin, B. A. Gurney, P. Baumgart, and D. R. Wilhoit (1991), “Magnetontransport properties of magnetically soft spin-valve (invited)”, J. Appl. Phys. (69), 4774.
[5]. Fred Hochgraf (1998), Materials Handbook, Ninth Edition, Vol.10.
[6]. Gould, R. Gordon (1959). “The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, In Franken, P.A. and Sands, R.H. (Eds.). The Ann Arbor Conference on Optical Pumping, the University of Michigan, p. 128. OCLC 02460155. [7]. I. Dzyaloshinskii Zh (1960), Exp. Teor. Fiz. 37, 881.
[8]. JaniceNickel (1995), Magnetoresistance Overview, Hewlett-Packard Laboratories, Technical Publications Department.
[9]. Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, (2007), Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters
123513.
[10]. L. Landau & E. Lifshitz (1960), "Electrodynamics of continuous media" Pergamon press
[11]. Michael, J. Caruso, Applications of meagnetoresistive sensors in navigation systems, Honey Well InC.
[12]. P. Curie J. Physique (1894), 3i`eme s'erie III. [13]. P. Debye Z. Phys (1926), 36, 300.
[14]. Robert C. O’Handley (2000), Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, John Wiley & Sons.
[15]. Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Vi1ehland (2006), Appl. Phys. Lett, 89 252904.
[16]. Siegman, Anthony E (1986), “Lasers”, University Science Books, p. 2. ISBN 0- 935702-11-3.