7. Nội dung của khóa luận
1.7.2. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng từđiện trở
Hiệu ứng từ - điện trở là hiện tƣợng dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài
điện trở của vật liệu thay đổi. Hiệu ứng này đƣợc đặc trƣng bởi công thức:
(1.8)
Hiệu ứng từ - điện trở đƣợc chia thành các loại khác nhau nhƣ: hiệu ứng
từ - điện trở khổng lồ, hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng, hiệu ứng từ - điện trở
xuyên ngầm ... Về cơ bản thì nguyên lí hoạt động của các cảm biến từ trƣờng
dựa trên hiệu ứng từ - điện trở là xác định sự biến đổi điện trở của vật liệu để
suy ra cƣờng độ từ trƣờng tác dụng. Dựa trên các hiệu ứng từ - điện trở khác
nhau thì các cảm biến có cấu tạo và đặc trƣng riêng biệt tƣơng ứng với hiệu
ứng cụ thể. Mặc dù khác nhau về hiệu ứng và cấu tạo nhƣng các cảm biến từ trƣờng này nói chung có độ nhạy cao (< 0,1 mOe), vùng từ trƣờng làm việc
trong khoảng từ 10-2 Oe đến 10 Oe và đặc biệt phải cần đến từ trƣờng kích
24
Với điều kiện công nghệ Việt Nam, một nhóm nghiên cứu của GS.
Nguyễn Hữu Đức trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã
phát triển thành công cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị
hƣớng (Anisotropic MagnetoResistance - AMR). Nguyên tắc hoạt động của
cảm biến này là dựa trên sự tán xạ của điện tử theo hƣớng mômen từ của vật liệu làm cảm biến. Sự thay đổi điện trở không chỉ phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng mà còn phụ thuộc vào góc định hƣớng giữa véc tơ từ độ và vec tơ
dòng điện chạy qua cảm biến. Hiệu ứngtừ - điện trở dị hƣớng có thể đƣợc mô
tả nhƣ trong hình 1.19.
Hình 1.19. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng
Vật liệu sắt từ (thông thƣờng có dạng là các màng mỏng) có dị hƣớng từ
đơn trục (trục dễ) - Ox đƣợc tạo ra nhờ dị hƣớng hình dạng hoặc nhờ quá
trình phún xạ trong từ trƣờng HBias (Hx). Khi có từ trƣờng ngoài hƣớng dọc
theo trục Oy(Hy), các mômen từ của vật liệu sẽ có xu hƣớng quay một góc θ
với trục Ox. Góc quay θ đƣợc xác định bởi công thức:
(1.9)
Công thức (1.9) chỉ đúng ứng với trƣờng hợp màng mỏng sắt từ đƣợc coi
là lý tƣởng (là màng mỏng có sự từ hóa tự phát thay đổi bởi sự quay đồng bộ).
25
năng lƣợng. Sự biến đổi của điện trở vào góc quay θ đƣợc xác định thông qua
công thức:
(1.10)
Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng có ƣu điểm
là: độ nhạy cao, vùng nhiệt độ làm việc rộng (bao gồm cả nhiệt độ phòng), độ ổn định tín hiệu tốt (cao hơn so với cảm biến từ trƣờng Hall), có thể làm việc với từ trƣờng xoay chiều có tần số lên đến 10 MHz. Tuy nhiên cảm biến loại này vẫn còn một nhƣợc điểm đó là công nghệ chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao và khó có thể chế tạo đại trà với số lƣợng lớn.
Mặc dù cảm biến từ trƣờng AMR đã đƣợc nghiên cứu và phát triển ứng
dụng, tuy nhiên hiệu ứng từ - điện trở chƣa cao (< 6 ) vẫn là một cản trở
không dễ khắc phục. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant
MagnetoResistance - GMR) cho thấy đây là một giải pháp khắc phục tốt (
MR(%) = 101 – 102 ). Nhờ có hiệu ứng lớn nên cảm biến từ trƣờng GMR cho tín hiệu lối ra lớn hơn và đặc biệt là có công suất tiêu thụ thấp, kích thƣớc nhỏ và giá thành rẻ hơn. Vật liệu GMR có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu từ (màng mỏng từ NiFe) xen giữa là các lớp vật liệu không từ (thông thƣờng là màng mỏng Cu).
Hình 1.20. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ: khi không có từ trường ngoài (a) vàcó từ trường ngoài (b)
26
Khi không có từtrƣờng ngoài, mômen từ của 2 lớp sắt từ liền kề có định
hƣớng phản song song với nhau. Ở trạng thái này, các điện tử bị tán xạ nhiều
khi đi qua các lớp vật liệu và do đó điện trở lớn nên tín hiệu điện ở mạch
ngoài là nhỏ (hình 1.20a). Khi có từ trƣờng ngoài tác dụng, mômen từ của 2
lớp sắt từ liền kề có xu hƣớng định hƣớng lại song song với nhau và định hƣớng theo phƣơng của từtrƣờng (hình 1.20b).
Ở trạng thái này, các điện tử ít bịtán xạ khi đi qua các lớp vật liệu và do
đó điện trở giảm mạnh dẫn đến tín hiệu điện ở mạch ngoài là tăng đáng kể.