Màng Chân không cơ sở Pbase Áp suất khí Ar Công suất phún Vận tốc quay của đế Chiều dày màng Ta 2*10-7 Torr 2,2 mTorr 25W 30 prm 3nm NiFe 2,2 mTorr 75W 30 prm 5,10,15,20,25 nm
Hình 3.4. Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off
3.1.2. Chế tạo các điện cực
Sau khi đã chế tạo được phần nhạy từ của cảm biến cầu (hình 3.3) hay các điện trở từ, chúng tôi tiến hành chế tạo điện cực bằng đồng để nối các điện trở với nhau. Quy trình chế tạo điện cực bao gồm các bước như quy trình chế tạo điện trở, chỉ khác khi quang khắc dùng mask chế tạo điện cực. Có hai loại mask điện cực: mask có thanh nối điện trở kích thước nhỏ (10 µm × 150 µm) dùng để nối các thanh trở có kích thước nhỏ (10 µm × 250 µm), mask có thanh nối điện trở kích thước lớn (50 µm × 150 µm) dùng để nối các thanh trở có kích thước lớn (50 µm × 250 µm). Khoảng cách lớn nhất giữa hai điện cực đối diện là 3529µm.
a. Điện cực loại to b. Điện cực loại nhỏ Hình 3.5. Ảnh chụp mask điện cực
Cấu trúc màng mỏng điện cực khi phún xạ có dạng: Ta(3nm)/Cu(45nm). Các thông số trong quá trình phún được cho trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Các thông số phún điện cực
Màng Chân không cơ sở Pbase Áp suất khí Ar Công suất phún Vận tốc quay của đế Chiều dày màng Ta 2.5*10-7 Torr 2,2 mTorr 25W 30 prm 3nm Cu 2,2 mTorr 30W 30 prm 45nm
a. Loại lớn
b. Loại nhỏ
Hình 3.7. Ảnh chụp sensor sau khi phún xạ và lift-off
Sau khi phún xạ và lift-off, ta thấy các điện trở mạch cầu và các điện cực có hình dạng rõ ràng giống hình dạng của mask mạch cầu và mask điện cực, kích thước điện trở và điện cực đồng đều, đường biên sắc nét (hình 3.7).
3.2 Kết quả và thảo luận
3.2.1 Kết quả khảo sát tính chất điện của sensor
Để khảo sát tính chất điện của sensor, chúng tôi đã chọn sensor có kích thước thanh điện trở (50 µm × 250 µm), cấu trúc màng phần nhạy từ (chính là cấu trúc màng của các điện trở) là Ta(3nm)/NiFe(5nm). Chúng tôi đã dùng phương pháp bốn mũi dò để khảo sát tính chất điện của sensor. Trong phương pháp này, hai mũi dò đặt tiếp xúc với hai cực đối diện của sensor, hai mũi dò khác đặt tiếp xúc với hai cực còn lại. Trong
khi dòng một chiều 5mA được cấp vào hai điện cực đối diện, cặp điện cực còn lại dùng để lấy thế ra. Hai dây cấp dòng đặt vuông góc với phương từ hóa dễ của sensor. Các sensors được khảo sát trong từ trường một chiều, từ -200 Oe đến 200 Oe (hình 3.8).
Hình 3.8. Mô hình thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc thế ra của sensor vào từ trường ngoài
Để dễ hình dung trong quá trình thảo luận, chúng tôi đưa ra hình vẽ mô tả sự tương quan về phương của dòng cấp trong các điện trở khác nhau. Sơ đồ này được đưa ra trên hình 3.9.
Hình 3.9. Sơ đồ mô tả tương quan dòng cấp trong các điện trở
Theo sơ đồ này, cấu trúc của một mạch cầu gồm bốn điện trở có kích bằng nhau, trong đó hai điện trở liền kề sẽ được cấp dòng vuông góc với nhau. Cụ thể, dòng cấp của các điện trở R1 và R3 vuông góc với dòng cấp của các điện trở R2 và R4.
Thế lối ra của sensor phụ thuộc vào từ trường ngoài được biểu diễn trên hình 3.10. Khi từ trường ngoài, H = 0, về lý thuyết, giá trị điện trở của bốn điện trở (R1, R2, R3 và R4) bằng nhau nên mạch cầu cân bằng, tín hiệu ra của sensor đạt giá trị nhỏ nhất (có thể bằng 0). Khi từ trường ngoài, H ≠ 0, cấu trúc cân bằng của mạch cầu bị phá vỡ, do hai điện trở liền kề có phương của dòng điện khác nhau, nên sự biến đổi điện trở không như nhau khi có mặt của từ trường ngoài, khi đó sẽ xuất hiện tín hiệu lối ra của sensor.
a.-200 Oe ≤ H ≤ 200 Oe b.-80 Oe ≤ H ≤ 80 Oe
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào từ trường ngoài
Thế lối ra của sensor đạt giá trị lớn nhất, 36mV, tại giá trị từ trường 100 Oe. Quá trình bão hòa xảy ra khi từ trường ngoài vượt quá giá trị 100 Oe. Điều này phù hợp khá tốt với kết quả khảo sát đường cong từ hóa của màng mỏng từ dùng để chế tạo sensor (xem thêm trên hình 3.25).
Trên đồ thị hình 3.10, chúng ta cũng quan sát thấy sự bất thuận nghịch trên hai đường đo đi và đường đo về của sensor. Kết quả này, có thể có nguồn gốc từ hiện tượng từ trễ - một tính chất đặc trưng của hầu hết vật liệu sắt từ. Độ trễ từ này có thể được hạn chế, thậm chí là loại bỏ khi kích thước của sensor được giảm tới cấu trúc đơn đômen.
Ngoài ra còn tồn tại một thực tế rằng, khi chưa tác dụng từ trường ngoài, tín hiệu lối ra của sensor cũng không bằng 0 (thế khác 0 này được gọi là thế offset). Hiện tượng này là kết quả thuần túy của lỗi kỹ thuật trong quá trình chế tạo sensor, thật khó để có thể chế tạo được các điện trở trong mạch cầu đẳng giá trị về mọi phương diện
vật lý cũng như cơ học. Bên cạnh đó, phương cấp dòng điện cũng rất khó được thiết lập tuyệt đối vuông góc hay song song với phương dễ từ hóa của sensor.
Vượt qua những tồn tại đó, một kết quả rất đáng được ghi nhận là, thế lối ra của sensor đã đạt được giá trị 36 mV khi dòng điện song song với từ trường ngoài; giá trị này là 5 mV khi dòng điện vuông góc với từ trường ngoài. Giá trị cực đại của tín hiệu thu được (36 mV) cao hơn rất nhiều so với giá trị được công bố bởi Richard J. Gambino và cộng sự [14], 5 mV tại dòng cấp 5 mA, trên các hệ tương tự (cùng sử dụng cấu hình cầu mạch cầu Wheatstone và vật liệu NiFe). Bên cạnh đó, từ trường bão hòa mà các tác giả này công bố cũng cao hơn nhiều (500 Oe) so với giá trị nhận được (100 Oe) trong mẫu nghiên cứu của luận văn. Sự khác biệt này, một lần nữa ghi nhận kinh nghiệm chế tạo và đặc biệt là khả năng tạo dị hướng vật liệu trong phòng thí nghiệm của chúng tôi.
Sự phụ thuộc thế lối ra của sensor vào góc giữa dòng điện và phương từ hóa dễ của sensor cũng được thể hiện rất rõ trên hình 3.11. Khi dòng điện vuông góc với từ trường ngoài, tín hiệu ra của sensor nhỏ nhất 5mV, khi dòng điện song song với từ trường ngoài thì tín hiệu ra của sensor lớn nhất 36mV, khi dòng điện hợp với phương của từ trường ngoài một góc 450 thì tín hiệu ra của sensor 26mV, nhỏ hơn tín hiệu sensor khi dòng điện song song với từ trường và lớn hơn khi dòng điện vuông góc với từ trường.
Gọi θ là góc giữa phương dễ từ hóa của sensor và phương dòng điện. Khi góc θ thay đổi, từ công thức (1.2) đã trình bày trong phần hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR, ta có thế lối ra của sensor được tính bằng công thức sau:
cos(2 ) 2 2 ) ( V V V (3.2) Từ (3.2) ta thấy, thế ra của sensor là một hàm của góc giữa phương của dòng điện và phương dễ từ hóa của sensor hay góc giữa phương của dòng điện và phương của từ trường ngoài. Thế ra lớn nhất khi cos(2θ) = 1, tương ứng θ = 00, nhỏ nhất khi cos(2θ) = -1, tương ứng θ = 900
,hay thế ra của sensor lớn nhất khi chiều của dòng điện song song với từ trường ngoài, và thế ra nhỏ nhất khi chiều của dòng điện vuông góc với từ trường ngoài. Theo cách hiểu này, chúng ta nhận thấy có sự phù hợp khá tốt giữa kết quả thực nghiệm thu được và lý thuyết.
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào từ trường ngoài khi góc giữa phương từ hóa của sensor và dòng điện thay đổi
Trong dải từ trường thấp, H < 20 Oe, đáp ứng thế ra của sensor là một đường thẳng tuyến tính theo từ trường ngoài. Chúng tôi đã chọn dải từ trường khảo sát là -0,8 Oe đến 0,8 Oe (cường độ từ trường trái đất nằm trong dải từ trường này) (xem trên hình 3.12). Trong dải tuyến tính này, độ nhạy của sensor có thể được đánh giá từ số liệu thực nghiệm theo công thức (3.3):
S = ∆V/∆H (3.3)
Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào từ trường trong dải tuyến tính
Kết quả tính toán cho thấy, độ nhạy của sensor chế tạo được vào cỡ 1,13 mV/Oe. Độ nhạy này khá tốt đối với một sensor hoạt động trong vùng từ trường thấp.
Để hiểu rõ hơn cơ chế tạo thế lối ra của sensor, chúng ta cần phân tích sự biến đổi điện trở của các điện trở trên mạch cầu Wheatstone dưới tác dụng của từ trường ngoài (hình 3.13). Dưới tác dụng của từ trường ngoài, hai điện trở liền kề trong một nhánh mạch cầu bất kì luôn có sự biến đổi điện trở ngược nhau, trở kháng của một điện trở sẽ tăng lên còn trở kháng của một điện trở còn lại sẽ giảm và ngược lại.
Hình 3.13. Sơ đồ minh họa sự biến đổi điện trở của các điện trở trong mạch cầu dưới tác dụng của từ trường ngoài
Trong thực nghiệm này, chúng tôi đã tiến hành khảo sát tín hiệu ra của hai điện trở thành phần R1 và R2 (tín hiệu ra của điện trở R3, R4 sẽ giống tín hiệu ra của R1 và R2 vì R3 cùng phương dòng cấp với R1, R4 cùng phương dòng cấp với R2 ). Dòng một chiều cố định 5mA được cấp vào hai điện cực đối diện, trên hai điện cực còn lại (hai điện cực liền kề nhau) dùng để lấy thế ra. Trong mô hình này, điện trở R1 có phương dòng cấp vuông góc với điện trở R2. Kết quả khảo sát được đưa ra trên hình 3.14.
Ta thấy đường cong tín hiệu ra của hai điện trở cùng dạng, nhưng sự biến đổi điện trở trên hai điện trở ngược chiều nhau do hai điện trở có phương dòng cấp vuông góc với nhau, độ lớn tín hiệu ra hai điện trở bằng nhau nhưng trái dấu ∆V1 = -18 mV, ∆V2 = 18 mV.
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra điện trở thành phần của sensor vào từ trường ngoài
Từ công thức (1.14) đã trình bày trong phần mạch cầu điện trở Wheatstone, ta có biểu thức sự phụ thuộc tín hiệu ra của mạch cầu vào điện trở thành phần có dạng:
ΔV = I (R2 – R1) = ∆V2 - ∆V1 (3.4) vì R4 = R2, R3 = R1, I = Vin/ (R1+ R2)
Do đó, tín hiệu lối ra của sensor tính theo tín hiệu lối ra của điện trở thành phần là: ∆V = ∆V2 - ∆V1 = 18 mV - (-18 mV) = 36 mV, trùng với giá trị thực nghiệm tín hiệu lối ra của sensor như đã phân tích trên hình 3.10. Kết quả này một lần nữa khẳng định sự phù hợp giữa tính toán lý thuyết với kết quả thu được từ thực nghiệm. Như vậy, độ lớn tín hiệu ra của sensor bằng tổng đại số tín hiệu lối ra của hai điện trở liền kề trong cùng một nhánh của mạch cầu.
3.2.2 Sự phụ thuộc thế ra của sensor vào dòng điện một chiều
Thế lối ra của sensor là một đại lượng phụ thuộc vào dòng điện được cấp. Để khảo sát sự phụ thuộc này, chúng tôi đã tiến hành đo thế lối ra của sensor có kích thước thanh điện trở (50 µm × 250 µm), cấu trúc màng phần nhạy từ (cấu trúc màng của các điện trở): Ta(3nm)/NiFe(20nm). Khảo sát sensor trong dải từ trường (-100 Oe
÷ 100 Oe), đặt sensor sao cho phương của dòng điện vuông góc với phương từ hóa dễ của sensor, cố định phương của dòng điện song song với phương của từ trường ngoài. Thay đổi dòng cấp cho sensor từ 1 mA đến 7 mA, trong khi các điều kiện khác được giữ nguyên. Kết quả đo được biểu diễn trên hình 3.15.
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào từ trường ngoài khi dòng điện thay đổi
Từ kết quả khảo sát thực nghiệm, chúng tôi đã vẽ lại hàm phụ thuộc của thế lối ra vào dòng điện một chiều (xem trên hình 3.16).
Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào dòng một chiều
Từ đồ thị trên hình 3.16, ta thấy thế lối ra của sensor hầu như là một hàm tuyến tính vào dòng điện trong phạm vi khảo sát. Khi dòng cấp thay đổi từ 1 mA đến 7 mA, thế lối ra biến đổi tương ứng từ 4,46 mV đến 25,43 mV. Sự phụ thuộc tuyến tính này thực ra hoàn toàn có thể suy luận từ lý thuyết. Theo công thức (3.2), tín hiệu lối ra của sensor phụ thuộc vào dòng điện theo công thức:
) 2 cos( 2 2V V V = ΔV cos2(θ) = I R cos2(θ) (3.5) Như được trình bày ở trên, chúng tôi khảo sát sự phụ thuộc này ngoài sự thay đổi cường độ dòng cấp, các điều kiện khác như góc giữa phương dễ từ hóa và dòng điện (góc θ), cấu hình đo... được giữ nguyên. Từ công thức (3.5), nếu giả thiết điện trở (R) không thay đổi trong khoảng dòng khảo sát, thì rõ ràng, thế lối ra (V) của sensor là hàm bậc nhất của cường độ dòng cấp.
Ý nghĩa thực nghiệm ở đây là nó cho chúng ta một cái nhìn trực quan, một bộ giá trị thực nghiệm có thực, được khảo sát trên một sensor cụ thể trong một dải cường độ dòng cấp. Điều này tạo ra cơ sở thực tế để lựa chọn chế độ cấp dòng nếu các sensor này được ứng dụng.
Vấn đề cần được thảo luận ở đây là, thành phần nhiễu nhiệt sẽ ảnh hưởng như thế nào đến tín hiệu lối ra của sensor khi dòng cấp tăng lên? Trong các mạch thông thường, khi dòng cấp tăng lên, nhiệt lượng sinh ra trong mạch sẽ tăng lên (tỷ lệ với I2R), điều này sẽ làm tăng nhiệt độ toàn mạch. Khi nhiệt độ tăng, điện trở sẽ tăng lên và do đó tác động của nhiễu nhiệt lên tín hiệu lối ra của sensor sẽ tăng.
Ý nghĩa thực nghiệm ở đây là nó cho chúng ta một cái nhìn có thực, một bộ giá trị thực nghiệm có thực, được khảo sát trên một sensor cụ thể trong một dải cường độ dòng cấp. Điều này tạo cho chúng ta cơ sở thực tế để lựa chọn dòng cấp nếu các sensor này được ứng dụng khi I tăng lên, tín hiệu sensor tăng dần tuyến tính theo I (hình 3.16). Nhưng bản thân dòng điện sinh ra nhiệt, cường độ dòng điện càng lớn thì nhiệt sinh ra càng nhiều. Trong trường hợp cấp dòng điện 5mA, nhiệt sinh ra sẽ lớn gấp 25 lần so với sử dụng dòng điện 1mA vì nhiệt tỏa ra tỷ lệ với I2
R. Tín hiệu lối ra sẽ bị ảnh hưởng của nhiễu nhiệt. Tuy nhiên do mạch cầu là mạch ổn định nhiệt, nên nhiễu nhiệt ảnh hưởng rất nhỏ tới tín hiệu ra của sensor, do đó có thể cấp dòng tới 7 mA để tín hiệu ra của sensor lớn hơn. Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi thường cấp dòng điện 5mA cho sensor, vì với giá trị dòng điện này tín hiệu lối ra của sensor cũng đủ lớn để khảo sát tính chất của sensor. Từ kết quả khảo sát này, chúng ta thấy rằng sensor có thể làm việc ổn định trong dải cường độ dòng điện 1 mA ≤ I ≤ 7 mA.
Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm của chúng tôi (được đưa ra trên đồ thị hình 3.16) cho thấy, trong dải cường độ dòng khảo sát (từ 1 mA đến 7 mA), tín hiệu lối ra của sensor hầu như tuyến tính với dòng cấp. Điều này có nghĩa là, nhiễu nhiệt ở đây
không ảnh hưởng đến tín hiệu ra của sensor. Có hai khả năng lý giải cho hiện tượng này:
(i)- Trong khoảng dòng cấp (từ 1 mA đến 7 mA) tố độ phát nhiệt trong mạch thấp hơn hoặc cân bằng với tốc độ thoát nhiệt trên bề mặt sensor, do đó nhiệt độ trong mạch không tăng khi tăng dòng cấp.
(ii)- Khi dòng cấp tăng, nhiệt độ tăng, điện trở trong mỗi điện trở thành phần tăng lên, nhưng nhờ khả năng tự bù trừ điện trở trong mạch cầu Wheatstone, nên độ tăng điện trở (R) trong toàn mạch được ổn định, nhờ đó loại bỏ được nhiễu nhiệt.
Các thảo luận của chúng tôi thiên về khả năng thứ hai. Trên thực tế, rất khó để có thể đưa ra các bằng chứng thực nghiệm về tốc độ phát nhiệt cũng như thoát nhiệt trên bề mặt sensor chỉ trong giới hạn của các thực nghiệm này. Để đánh giá ảnh hưởng