2.2 Các p ƣơ p áp ảo sát tính chất của cảm biến 2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến
Hình 2.12a là sơ đồ nguyên l của thiết bị từ kế mẫu rung. Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) là thiết bị cho phép đo từ độ tổng cộng M của mẫu vật liệu từ, hoạt động trên nguyên lý thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu đo trong từ trường. Mẫu đo được gắn vào một cần rung không có từ tính và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi hai cực nam châm điện. Mẫu bị từ hóa trong từ trường đều, do đó khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận với từ độ tổng cộng M của mẫu cho bởi công thức:
V = 4. π.N.Sm.M (2.1) Với M là từ độ của mẫu đo, Sm là tiết diện vòng dây, N là số vòng dây của của thu tín hiệu.
Nam châm điện trong từ kế mẫu rung là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra từ trường từ hóa vật liệu cần đo. Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng điện một chiều thì từ trường tạo ra là từ trường một chiều ổn định, nhưng thường không lớn do bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và sự tỏa nhiệt làm nóng cuộn dây. Nam châm kiểu này chỉ tạo được từ trường cực đại cỡ một vài Tesla.
Hình 2.12: (a) Sơ đồ nguy n của thiết bị từ kế ẫu rung (b) Thiết bị từ kế ẫu rung VSM
Để khảo sát tính chất từ và quá trình từ hóa của màng mỏng từ chúng tôi sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7430 ở nhiệt độ phòng tại PTN Micro- Nano, Trường Đại Học Công Nghệ-ĐHQGHN (xem hình 2.12b).
2.2.2 Khảo sát tính chất từ ện trở của cảm biến
Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu trong luận văn được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra (hoặc điện trở) của cảm biến dưới tác dụng của từ trường. Trong luận văn, hiệu ứng từ điện trở của cảm biến được nghiên cứu nhờ vào hệ đo được bố trí như hình 2.13.
Hình 2.13: Sơ đồ thí nghiệ đo hiệu ứng từ điện trở
4 chân được nối với cảm biến: 2 chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một chiều DC Current Source. 2 chân còn lại để lấy thế lối ra và được đo bằng máy đo Keithley 2000.
Bộ phận đo từ trường là một Gausmeter. Tín hiệu lối ra của Gausmeter được đưa vào đồng hồ vạn năng Keithley.
Tín hiệu lối ra của Keithley được truyền sang máy tính điện tử thông qua Card IEEE-488. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu của hệ đo được thực hiện dưới sự điều khiển tự động của chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Passcal.
Kết quả phép đo được hiển thị ra màn hình dưới dạng đồ thị trục tung là hiệu điện thế lối ra của cảm biến U (mv), trục hoành là từ trường ngoài µ0H (T) và được ghi trên ổ cứng máy tính ở dạng tệp số liệu.
Để thực hiện được phép đo từ - điện trở, ban đầu chúng tôi đưa cảm biến vào hốc chứa cảm biến bằng meca (hốc meca này được tạo bởi máy cắt laser như trình bày ở phần 2.1.2) và hàn dây, điện cực cho cảm biến. Cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh như ảnh chụp hình 2.14a. Cảm biến sau khi được đóng gói được kết nối với hệ đo điện từ như thiết kế hình 2.14b.
(a) (b)
Hình 2.14: (a) Cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh. (b) Cảm biến được kết nối với hệ đo điện từ
2.2.3 Hệ khả á áp ứng góc của cảm biến từ rƣờng
Để khảo sát đáp ứng góc của cảm biến với từ trường trái đất, chúng sử dụng mâm quay phương vị, mâm được sử dụng để thay đổi góc định hướng từ độ của cảm biến so với phương bắc nam của từ trường trái đất. Cuộn Hemlholtz được nuôi bởi Keithley 2400 – LV tạo ra một từ trường làm việc cho phép cảm biến có thể hoạt động trong dải tuyến tính (xem hình 2.15).
CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LU N 3.1 Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone
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