.4 Một số thông số của sensor khi dòng cấp thay đổi

Dòng điện I (mA) ΔV (mV) 1 4.46 2 8.24 3 13.13 4 16.72 5 29.5 6 22.3 7 25.43

3.2.3 So sánh sensor có chiều dày màng của điện trở khác nhau

Hình 3.17 và 3.18 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu ra của các sensor có chiều dày màng NiFe khác nhau: 5nm, 10nm, 15nm, 20nm, 25nm. Kết quả khảo sát cho thấy khi chiều dày màng NiFe của sensor t = 5nm thì tín hiệu ra lớn nhất 36mV, khi chiều dày màng NiFe của sensor lớn t = 25nm thì tín hiệu ra của sensor nhỏ nhất

15.9 mV (hình 3.17). Điều đó chứng tỏ khi chiều dày màng NiFe tăng lên thì tín hiệu ra giảm đi và ngược lại. Thật vậy theo lý thuyết, tín hiệu ra của sensor là hàm phụ thuộc vào chiều dày của màng NiFe theo công thức sau [3]:

V = I R cos2(θ) = I cos2(θ) (// - )/t (3.6) với //,  lần lượt là điện trở suất của mẫu đo theo phương song song và vuông góc với từ độ, t là chiều dày tổng cộng của màng. Các sensor đều được khảo sát trong cùng một điều kiện: dòng cấp 5mA, phương của dòng điện vuông góc với phương từ hóa dễ của sensor, tín hiệu lối ra được đo tại vị trí phương của dòng điện song song với phương của từ trường ngoài, vùng từ trường khảo sát -100 Oe đến 100 Oe do đó tín hiệu lối ra của sensor V là hàm tỉ lệ nghịch với chiều dày t. Điều đó có nghĩa là khi chiều dày màng t tăng lên thì tín hiệu lối ra của sensor V sẽ giảm xuống và ngược lại.

Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của các sensor có chiều dày khác nhau vào từ trường ngoài

Trong dải từ trường nhỏ -1.8 Oe < H < -1 Oe, tín hiệu ra của sensor là hàm phụ thuộc tuyến tính theo từ trường ngoài (hình 3.18), khi đó độ nhạy của sensor được tính theo công thức:

S = ∆V / ∆H (3.7)

Như vậy, khi chiều dày của màng NiFe tăng lên, tín hiệu ra ∆V giảm đi, do đó độ nhạy S giảm xuống. Bảng 3.5 liệt kê một số giá trị tín hiệu ra và độ nhạy của sensor khi chiều dày sensor thay đổi. Từ đó, chúng ta thấy rằng khi chiều dày màng NiFe tăng lên thì tín hiệu ra và độ nhạy giảm đi, và sensor có chiều dày màng NiFe t = 5nm có

tín hiệu ra và độ nhạy lớn nhất. Điều này có ý nghĩa rất lớn khi tối ưu hóa cấu hình để chế tạo được sensor có độ nhạy cao tín hiệu lớn.

Bảng 3.5. Một số thông số của sensor có chiều dày màng NiFe khác nhau

Chiều dày t (nm) Tín hiệu ra V (mV) Độ nhạy S (mV/Oe)

5 36 4.40 10 31.7 3.34 15 25.3 2.46 20 18.3 3.31 25 15.9 2.53

Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của các sensor có chiều dày khác nhau vào từ trường ngoài trong dải tuyến tính

3.2.4 So sánh sensor có kích thước điện trở khác nhau

Chúng tôi đã chế tạo hai loại sensor có kích thước điện trở khác nhau trên cùng một đế silic. Loại sensor mà mỗi điện trở trong mạch cầu gồm 18 thanh điện trở có kích thước (10 μm  250 m), quy ước là sensor loại nhỏ. Loại sensor mà mỗi điện trở có 6 thanh điện trở có kích thước (50 μm  250 m), quy ước là sensor loại lớn.

Hình 3.19 và 3.20 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu ra của sensor loại nhỏ và lớn vào từ trường ngoài. Điện trở của hai sensor này đều có cấu trúc màng Ta(3nm)/NiFe(5nm). Khảo sát tín hiệu lối ra của hai sensor tại vị trí phương của dòng

điện song song với phương của từ trường ngoài và trong dải từ trường từ -200 Oe đến 200 Oe. Khi cấp dòng 3 mA, tín hiệu ra của sensor nhỏ khoảng 30 mV, tương đương điện trở thay đổi 10 Ω, dạng đường tín hiệu ra của sensor loại nhỏ tương tự dạng đường tín hiệu lối ra của sensor loại lớn. Tín hiệu ra của sensor loại nhỏ tại từ trường H = 0 lớn hơn sensor loại lớn vì mạch cầu của sensor loại nhỏ có nhiều thanh điện trở hơn mạch cầu của sensor loại lớn nên sự sai khác về kích thước của bốn điện trở trong mạch cầu càng lớn.

Khi cấp cùng một dòng điện I =1 mA, tín hiệu lối ra cực đại của sensor lớn là 7.2 mV (tương ứng điện trở thay đổi 7.2 Ω), còn tín hiệu lối ra cực đại của sensor loại nhỏ là 10 mV (tương ứng điện trở thay đổi 10 Ω) (hình 3.20). Độ nhạy thực nghiệm của hai loại sensor được xác định trong vùng từ trường mà đáp ứng thế ra là đường tuyến tính. Với cách xác định như vậy, chúng tôi đã xác định được độ nhạy của sensor loại nhỏ là S = 870 mΩ/Oe, độ nhạy của sensor loại lớn là S = 880 mΩ/Oe. Như vậy, sensor loại lớn có tín hiệu ra nhỏ hơn tín hiệu ra của sensor loại nhỏ nhưng độ nhạy của hai loại sensor tương đương nhau. Nguyên nhân của hiện tượng này được giải thích như sau: do tín hiệu lối ra của sensor là sự tổ hợp tín hiệu lối ra của nhiều thanh điện trở trong hai điện trở liền kề của một nhánh mạch cầu điện trở. Nếu một nhánh mạch cầu điện trở càng có nhiều thanh điện trở thì tín hiệu ra càng lớn, do đó sensor loại nhỏ có tín hiệu lối ra lớn hơn sensor loại lớn vì một nhánh mạch cầu điện trở của sensor loại nhỏ có 36 thanh điện trở, nhiều hơn một nhánh mạch cầu của sensor loại lớn (12 thanh điện trở).

a. -200Oe ≤ H ≤ 200Oe b.-80Oe ≤ H ≤ 80Oe Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu ra của sensor có kích

Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu ra của các sensor có kích thước điện trở khác nhau vào từ trường ngoài

Bảng 3.6. Một số thông số của sensor có kích thước điện trở khác nhau

Kích thước điện trở Sự thay đổi điện trở ΔR (Ω) Độ nhạy S (mΩ/Oe)

10μm  250m 10 870

50μm  250m 7.2 880

3.2.5 So sánh tính chất điện của sensor và màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm)

Mục đích của việc giảm kích thước từ màng có kích thước lớn xuống linh kiện là để giảm ảnh hưởng nhiễu của môi trường nhưng tính chất đặc trưng vẫn không thay đổi. Để khẳng định điều này, khi phún xạ chúng tôi đặt một đế silic có kích thước (1cm × 1cm)trên cùng một giá giữ mẫu với điện trở mạch cầu Wheatstone.

Chúng tôi đã tiến hành khảo sát hiệu ứng từ điện trở MR của 5 mẫu Ni80Fe20 với chiều dày màng thay đổi từ t = 5 nm đến t = 25 nm bằng phương pháp bốn mũi dò. Bốn mũi dò được sắp xếp thẳng hàng với nhau, 2 mũi dò ngoài cùng dùng để cấp dòng, 2 mũi dò bên trong dùng để lấy thế ra. Cấp dòng 5mA, đặt từ trường ngoài song song với phương của dòng điện, khảo sát hiệu ứng từ điện trở MR của 5 mẫu màng Ni80Fe20 trong dải từ trường từ -220 Oe tới 220 Oe (hình 3.21). Kết quả cho thấy với màng Ni80Fe20 có chiều dày t = 5 nm thì tín hiệu ra và hiệu ứng MR lớn nhất (ΔV = 0.24 mV, MR = 0.098), khi t = 25 nm thì tín hiệu ra và hiệu ứng MR nhỏ nhất (ΔV = 0.02 mV, MR = 0.024), điều đó có nghĩa là màng Ni80Fe20 càng dày thì tín hiệu ra càng

nhỏ (xem trên bảng 3.7). Kết quả này phù hợp với kết quả khi khảo sát tín hiệu ra của sensor theo chiều dày màng Ni80Fe20.

Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của màng mỏng

Ni80Fe20 có chiều dày khác nhau vào từ trường ngoài

Từ đồ thị trên hình 3.21 và đồ thị trên hình 3.10 cho thấy, sự phụ thuộc tín hiệu ra của sensor và màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) vào từ trường ngoài cùng dạng, nhưng tín hiệu ra của sensor lớn hơn nhiều lần so với màng Ni80Fe20, cùng chiều dày t = 5nm, thì tín hiệu sensor lớn hơn màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) khoảng 150 lần. Tín hiệu lối ra của màng mỏng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) cũng bị nhiễu hơn sensor. Điều đó chứng tỏ mạch cầu Wheatstone có khả năng khử nhiễu môi trường rất tốt, đặc biệt là nhiễu nhiệt. Tín hiệu lối ra của sensor lớn hơn nhiều lần so với màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) có thể giải thích là do hai yếu tố: thứ nhất đó là tín hiệu lối ra của sensor là sự tổng hợp tín hiệu lối ra của nhiều thanh điện trở trong một điện trở; thứ hai là do cấu trúc đặc biệt trong mạch điện trở dạng cầu Wheatstone, sự lệch cầu sẽ sinh ra tín hiệu lối ra lớn khoảng 2 lần đối với tín hiệu trên từng điện trở riêng rẽ. Đối với màng mỏng Ni80Fe20 (1cm ×

1cm),tín hiệu lối ra chỉ tương tự như tín hiệu thu được trên một thanh điện trở nên tín hiệu ra là rất nhỏ. Thông qua kết quả thực nghiệm khảo sát tín hiệu ra của màng mỏng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) vào từ trường ngoài và một số kết quả tính toán, chúng tôi đã liệt một số giá trị của màng mỏng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) trong bảng 3.7.

Bảng 3.7. Một số thông số của màng Ni80Fe20 với chiều dày khác nhau

Chiều dày màng NiFe t

(nm) Tín hiệu ra ∆V (mV) MR(%) 5 0.24 0.098 10 0.075 0.039 15 0.04 0.035 20 0.03 0.034 25 0.02 0.024

3.2.6 Khảo sát đáp ứng của sensor với từ trường trái đất

Ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất của sensor là để đo và phát hiện từ trường. Để khảo sát tính chất này, chúng tôi đã chọn sensor loại lớn (kích thước thanh điện trở: 50 μm  250 m, chiều dày màng NiFe: 5nm) - là sensor có độ nhạy và tín hiệu ra lớn. Mô hình thực nghiệm khảo sát đáp ứng thế ra của sensor vào từ trường trái đất được minh họa trong hình 3.22. Sensor được đặt tại tâm của một vòng tròn có chia 360 độ, vòng tròn thứ hai (nằm trong mặt phẳng vuông góc với vòng tròn thứ nhất tại tâm của vòng tròn thứ nhất) dùng để thay đổi góc giữa phương của dòng điện và phương bắc nam của từ trường trái đất bằng cách quay sensor từng 50

một. Phương bắc nam của từ trường trái đất được xác định bằng la bàn. Cấp dòng điện 5mA cho sensor. Hệ khảo sát cách nguồn nam châm khoảng 2 m để đảm bảo rằng chỉ có từ trường trái đất tác dụng lên sensor.

Hình 3.23 là đồ thị biểu diễn tín hiệu ra của sensor theo các góc khác nhau giữa phương của dòng điện và phương của từ trường trái đất trong một chu kì 3600

. Kết quả cho thấy tín hiệu đường đi và đường về của sensor trùng khít nhau, không bị trễ góc. Điều này đảm bảo rằng khi đo góc, tính trùng lặp của kết quả đo cao. Đây là một yếu tố cần thiết để sensor có thể ứng dụng đo góc được. Trên hình 3.24 là đồ thị minh họa sự phụ thuộc tín hiệu ra của sensor vào góc giữa phương của dòng điện và phương của từ trường trái đất trong 3 chu kì. Tín hiệu ra của sensor khá lớn khoảng 0.924mV. Kết

quả cho thấy tín hiệu ra của sensor thay đổi tuần hoàn theo hàm cos, chu kì 2 được cho bởi công thức:

Vra = V0cos(α) (3.8) Với V0 là giá trị tín hiệu ra lớn nhất của sensor và V0 = 0.462mV, α = 2θ, θ là góc giữa phương của dòng điện với phương bắc nam của từ trường trái đất.

Hình 3.22. Mô hình thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc tín hiệu ra của sensor vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất

Khi dòng điện vuông góc với phương bắc nam của từ trường trái đất thì α = 1800 tương ứng θ = 900, tín hiệu ra của sensor nhỏ nhất, khi dòng điện song song với phương bắc nam của từ trường trái đất thì α = 00

tương ứng θ = 00, tín hiệu ra của sensor lớn nhất. Từ kết quả này, ta thấy sensor có thể đo được cường độ từ trường trái đất. Giá trị cường độ trái đất mà chúng tôi nhận được từ kết quả thực nghiệm là 0,41 Oe. Kết quả này có sai khác so với giá trị cường độ trái đất đã được công bố tại Hà Nội là 0,399 Oe bởi sai số trong các phép đo thực nghiệm.

Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu đi và về của sensor vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất

Hình 3.24. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu của sensor vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất

3.2.7 Kết quả khảo sát tính chất từ của màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm)

Vì phần nhạy từ của sensor rất nhỏ, nằm trong độ phân giải của thiết bị đo VSM nên chúng tôi không thể khảo sát trực tiếp tính chất từ của sensor. Thay vào đó, chúng tôi đã khảo sát tính chất từ của 5 mẫu màng Ni80Fe20 kích thước (1cm × 1cm)với chiều dày khác nhau.Kết quả đo VSM cho thấy khi chiều dày của màng tăng lên thì moment từ bão MS và lực kháng từ HC cũng tăng lên (hình 3.25).

Hiện tượng tăng lực kháng từ của các mẫu trên cùng một loại vật liệu thường được biết đến do sự hình thành cấu trúc khác nhau khi thay đổi điều kiện chế tạo. Ở đây, khi chiều dày lớp NiFe tăng lên, có thể đã có sự hình thành của các vi hạt, các vi hạt này là nguyên nhân làm tăng lực kháng từ. Các hiện tượng tương tự quan sát được trong quá trình chế tạo vật liệu siêu thuận từ có cấu trúc nano là khá phổ biến.

Từ kết quả đo đường cong từ trễ, chúng tôi đã thu được một số thông số của màng NiFe được liệt kê trong bảng 3.8.

Bảng 3.8. Một số thông số khi khảo sát đường cong từ hóa của màng mỏng

Ni80Fe20 với chiều dày thay đổi

Chiều dày màng (nm) MS (emu) HC (Oe)

5 0.11* 10-3 3.12 10 0.6* 10-3 3.57 15 1.05* 10-3 3.82 20 1.5* 10-3 4.24 25 1.99* 10-3 8.17 3.3 Kết luận chương 3

Trong chương 3, chúng tôi đã trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm chế tạo sensor. Chúng tôi đã chế tạo thành công sensor dạng cầu Wheatstone có kích thước điện trở khác nhau: sensor loại lớn (là loại mà mỗi điện trở trong mạch cầu gồm 6 thanh điện trở có kích thước 50µm  250 µm) và sensor loại nhỏ (là loại mà mỗi điện trở trong mạch cầu gồm 18 thanh điện trở có kích thước 10µm  250 µm). Thông qua quá trình khảo sát tính chất điện của sensor, chúng tôi thấy rằng sensor nhỏ có tín hiệu ra lớn hơn sensor lớn và độ nhạy tương đương độ nhạy của sensor loại lớn. Trong dải từ trường nhỏ (H < 5Oe), thế ra của sensor là đường tuyến tính theo từ trường ngoài, độ nhạy sensor khá cao khoảng 880 mΩ/Oe. Khi khảo sát đáp ứng của sensor với từ trường trái đất, chúng tôi thấy sensor có khả năng đo được cường độ từ trường trái đất, giá trị cường độ từ trường chúng tôi xác định được 0,41Oe.

Kết luận

Trong quá trình thực hiện luận văn, chúng tôi đã đạt được các kết quả sau: Đã trình bày chi tiết tổng quan về các loại vật liệu và các hiệu ứng từ điện trở dị hướng và hiệu ứng Hall phẳng nghiên cứu các tính chất đặc trưng của hiệu ứng từ điện trở và mạch cầu Wheatstone. Từ đó chúng tôi đã chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor và Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo điện trở mạch cầu.

Đã chế tạo thành công các sensor cầu Wheatstone trên nền vật liệu Ni80Fe20 với chiều dày lớp Ni80Fe20 khác nhau (t = 5 nm, 10 nm, 15 nm, 20 nm, 25 nm), và hai loại kích thước 50 µm  250 µm và 10 µm  250 µm.

Đã khảo sát các tính từ, điện của các sensor chế tạo được. Sự phụ thuộc của thế lối ra vào cường độ dòng cấp, vào phương giữa từ trường và dòng điện cũng như ảnh hưởng của nhiễu nhiệt và vai trò của mạch cầu Wheatstone trong việc loại bỏ tác động của nhiễu nhiệt lên tín hiệu lối ra của sensor cũng đã được nghiên cứu và thảo luận.

Thành công đặc biệt của luận văn là đã chế tạo được các sensor có kích thước 50 µm  250 µm dựa trên cấu hình cầu Wheatstone cho tín hiệu lối ra cực đại ΔV = 36 mV tại dòng cấp 5 mA và độ nhạy S = 880 mΩ/Oe trong dải từ trường mà thế lối ra là đường tuyến tính theo từ trường. Giá trị này cao hơn nhiều tín hiệu thu được từ các sensor cùng loại đã được công bố bởi Richard J. Gambino và cộng sự. Chúng tôi cũng