Chương 1. Tổng quan về cảm biến từ dạng sóng âm bề mặt
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Qua khảo sát, dải đo của cường độ từ trường là rất rộng từ 10-14 (Oe) đến 1012 (Oe) có thể chia ra thành ba vùng: vùng thấp [10-14 102] (Oe), vùng trung binh [102 106] (Oe) và vùng cao [106 1012] (Oe). Với ưu điểm của cảm biến SAW là rất nhạy với tín hiệu nhỏ, do đó luận án thực hiện nghiên cứu và chế tạo cảm biến từ trường hoạt động trong vùng từ trường thấp và tìm cách nâng cao độ nhạy cho cảm biến.
Cảm biến từ dạng SAW thường được nghiên cứu và phát triển trên các cấu trúc SAW với ba dạng: Dạng thứ nhất là loại SAW-Transponder (Tải phát vấn) dùng vật liệu từ tổng trở khổng lồ GMI để làm vật liệu nhạy từ, loại nguyên lý này cho phép đo được từ trường xoay chiều và cho phép phát triển các loại cảm biến không dây và thụ động, thông tin đo của cảm biến dạng biên độ; Dạng thứ hai là loại SAW delay- line (bộ phận nhạy từ nằm ở giữa hai bộ điện cực IDT) dùng vật liệu nhạy từ có tính chất từ giảo (hay hiệu ứng delta-E: Tác động của cường độ từ trường làm thay đổi giá trị module Young), dạng nguyên lý này gọi là cảm biến SAW-MO, thông tin đo của cảm biến được thể hiện ở các dạng biên độ, pha hoặc tần số; Và dạng thứ ba, cũng dùng vật liệu từ giảo nhưng lại kết hợp với bộ cộng hưởng SAW (hay thiết bị SAW một cổng). Loại cảm biến này, lớp nhạy từ được phủ toàn bộ lên trên bề mặt của cảm biến và cần có lớp cách điện để không làm ngắn mạch các bộ điện cực. Hoặc các bộ điện cực IDT nằm ở mặt trên đế áp điện, lớp nhạy từ nằm ở mặt dưới đế áp điện (áp dụng cho loại đế áp điện dạng màng mỏng), thông tin đo của cảm biến dạng tần số [51, 53, 58]. Có thể nhận thấy hầu hết các nghiên cứu từ năm 1975 đến nay, vật liệu đế áp điện dùng cho nghiên cứu và chế tạo cảm biến từ chủ yếu dùng hai loại Quartz (SiO2) và Nithium Niobate (LiNbO3) [53, 58-61]. Gần đây, một số nhóm nghiên bắt đầu chuyển sang đế áp điện AlN (Alumium Nitride) với ưu điểm là vận tốc sóng âm bề mặt lớn [62-64].
Lần đầu tiên năm 1969, F. W. Voltmer và cộng sự nghiên cứu đề xuất cấu trúc của cảm biến từ dựa trên sự kết hợp giữa sóng đàn hồi bề mặt xảy ra trên vật liệu áp điện với hiệu ứng từ giảo. Cấu trúc sử dụng vật liệu YIG (Yttrium Iron Garnet), trên vật liệu này xảy ra cà hai hiệu ứng áp điện và từ giảo. Cảm biến có tần số trung tâm là 60 (MHz). Cấu trúc của hai bộ điện cực (IDT) vào-ra có dạng đường uốn khúc (meander line) dùng vật liệu nhôm và được chế tạo bằng công nghệ lắng đọng hơi hóa học [65].
Các cảm biến từ dạng SAW sử dụng đế áp điện Quartz được xây dựng ở dạng hai cổng [59, 66-72] và dạng một cổng [73-78]. Các công bố này sử dụng sóng âm bề mặt loại sóng Rayleigh [59, 67, 68, 70, 73-75] hoặc sóng LOVE [66, 69, 71, 72, 76-79]. Vật liệu từ giảo bao gồm: Fe, Ni [73-75], FeB [69], CoFeB [78, 79], FeCoSiB [59, 66, 68,
70-72, 76, 77] và sự kết hợp giữa vật liệu sắt từ FeCoNi và phản sắt từ MnIr [67].
Nghiên cứu [69] sử dụng cấu trúc SAW hai cổng đã chỉ ra phương pháp chế tạo các bộ điện cực IDT để phát và nhận sóng âm bề mặt ở dạng sóng LOVE với lớp nhạy từ sử dụng FeB (hợp chất Sắt và Boron), cảm biến hoạt động tại tần số trung tâm là 70 (MHz) và dải từ trường tác động là 0 đến 120 (Oe). Nghiên cứu chưa xem xét đến các yếu tố tác động đến đặc tính của cảm biến.
Nhóm Kadota và cộng sự [74, 75], sử dụng cấu trúc dạng bộ cộng hưởng SAW (loại một cổng), trong đó sử dụng kim loại Ni vừa đóng vai trò là bộ điện cực IDT, vừa đóng vai trò là vật liệu nhạy từ. Nghiên cứu thực nghiệm trên ba cấu trúc: Cấu trúc A có đặc điểm là khoét các rãnh trên bề mặt đế Quartz và phủ Ni vào đó; Cấu trúc B điện cực Ni được phủ một phần nằm ở dưới bề mặt và một phần nằm nổi lên trên bề mặt đế áp điện; Và cấu trúc C điện cực Ni được phủ lên trên bề mặt của đế áp điện. Kết quả là cấu trúc A và B cho độ nhạy tốt hơn cấu trúc C, nhưng hệ số phẩm chất (the Quality factor) Q lại không đủ lớn và cấu trúc B đạt độ nhạy lớn nhất. Cảm biến chỉ thực hiện được ở dải đo B = [10 25] (mT) với độ nhạy là 2.17 (ppm/mT). Các nghiên cứu này tập trung xem xét sự ảnh hưởng cách chế tạo của 3 mẫu điện cực đến hệ số phẩm chất và hệ số phản xạ sóng âm tại các ngón tay của bộ điện cực.
Eckhard Quandt và cộng sự sử dụng vật liệu nhạy dị hướng từ FeCoSiB với cấu trúc SAW hai cổng ở chế độ sóng LOVE [66] với mục đích nâng cao ngưỡng nhạy khi phát hiện từ trường sinh học có tần số thấp. Nghiên cứu nhận thấy quá trình lắng đọng và ủ nhiệt cao trong giai đoạn hậu xử lý gây ảnh hưởng đến ứng xuất một trục của các lớp màng, điều này đồng nghĩa với việc gây ra khó kiểm soát chính xác tính dị hướng của các lớp màng và do đó làm giảm ngưỡng nhạy của cảm biến. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng chỉ ra khi thực hiện lắng đọng lớp nhạy ở nhiệt độ thấp thì tạo ra được cảm biến có ngưỡng nhạy cao, cụ thể là với từ trường sinh học có tần số 10 (Hz) thì ngưỡng nhạy đạt được là 70 (pT/√𝐻𝑧), và tại 100 (Hz), ngưỡng nhạy đạt là 25 (pT/√𝐻𝑧). Ngoài ra, [70] cũng sử dụng nguyên lý SAW hai cổng nhưng sóng âm bề mặt là sóng Rayleigh để phát hiện tín hiệu từ trường có tần số thấp. Những yếu tố nhiễu tác động đến giới hạn phát hiện tín hiệu tần số thấp (LOD: Low-frequency limit Off Detection) là tổn hao bên trong cảm biến và từ trễ. Nghiên cứu cho thấy
không thể giảm ảnh hưởng của nhiễu bằng cách tăng độ nhạy (do giới hạn tăng độ nhạy) mà phải thực hiện giảm tổn hao trong vật liệu nhạy từ, cảm biến hoạt động tại tần số trung
tâm là 144.8 (MHz) đạt ngưỡng nhạy 70 (pT/√𝐻𝑧). Cũng là nhằm tăng ngưỡng nhạy cho cảm biến đo từ trường thấp ở vùng tần số thấp, công bố [67] nghiên cứu thành công phương pháp giảm số lượng tồn tại các vách đômen trong lớp nhạy từ bằng cách là ghép vật liệu sắt từ với vật liệu phản sắt từ (MnIr). Bằng cách này, một
lớp nhạy từ rất phức tạp được tạo ra là
Ta/MnIr/NiFe/FeCoSiB/Ta/Ta/MnIr/NiFe/FeCoSiB/Ta. Cảm biến được thiết kế ở tần số trung tâm 142.6 (MHz) và giới hạn phát hiện là 28
(pT/√𝐻𝑧) với tín hiệu có tần số 10 (Hz), 10 (pT/√𝐻𝑧) với tín hiệu có tần số 100 (Hz). Nhóm Kittmann và các cộng sự, cũng sử dụng cấu trúc cảm biến SAW dạng hai cổng và sóng âm bề mặt cũng dùng chế độ sóng LOVE, nhóm thực hiện hai
nghiên cứu. Nghiên cứu thứ nhất [71], tác giả đã khảo sát về giới hạn ảnh hưởng của độ dày lớp nhạy từ (25nm đến 400nm) sử dụng vật liệu vô định hình FeCoSiB đến độ nhạy của cảm biến. Kết qủa cho thấy, với mẫu cảm biến có độ dày lớp nhạy 25 (nm) cho độ nhạy rất thấp là 1 (rad/T). Cũng chỉ ra rằng, độ dày lớp nhạy tăng thì độ nhạy cũng tăng với giới hạn tốt nhất độ dày lớp nhạy là từ 50 (nm) đến 300 (nm). Tuy nhiên, nghiên cứu chưa chỉ ra được với độ dày lớp nhạy là bao nhiêu thì cảm biến cho độ nhạy tốt nhất. Nghiên cứu thứ hai [72] xem xét sự thay đổi độ nhạy khi khảo sát đáp ứng của cảm biến ở sóng cơ bản và sóng bậc 2. Cảm biến có cấu trúc FeCoSiB/SiO2/IDT/ST-Quartz với độ dày lớp nhạy cố định là 200 (nm). Kết quả cho thấy sóng cơ bản cho độ nhạy tốt hơn. Cả hai nghiên cứu này, thông số đầu ra của cảm biến dạng dịch pha và cho độ nhạy lần lượt là 0.035 (rad/mT) với tần số trung tâm là 145.5 (Mhz) và 21.82 (rad/mT) tại tần số trung tâm là 263 (MHz). Bên cạnh đó, nghiên cứu [68] cũng sử dụng cấu trúc FeCoSiB/SiO2/IDT/ST-Quartz nhưng là loại một cổng, trong đó tác giả phân tích sự ảnh hưởng của hiệu ứng delta- E đến các đặc tính (Tần số trung tâm, hệ số phẩm chất Q và hệ số cơ điện k) của cảm biến. Trong một công bố khác, vẫn dùng vật liệu nhạy từ FeCoSiB và lớp cách điện SiO2 [59], Lars Thormọhlen và cộng sự thực hiện khảo sỏt sự ảnh hưởng của tính chất (tính chất hóa học, cấu trúc tinh thể, ứng suất dị hướng tại lớp ghép) vật liệu nhạy từ vô định hình FeCoSiB đến độ nhạy của cảm biến. Nghiện cứu chỉ ra phương pháp phún xạ RF và phún xạ DC ảnh hưởng đến tính chất của lớp nhạy. Hai mẫu cảm biến được tạo ra bằng hai phương pháp phún xạ trên. Kết quả cho thấy phún xạ DC có độ nhạy tốt hơn vì tỷ lệ mật độ lắng đọng đều và cao hơn phún xạ RF, cảm biến đạt dải đo
.H = [0 1] (mT) và độ nhạy là 500 (deg/mT).
Nhóm Elmazria và cộng sự, ban đầu [78], tập trung khảo sát tần số trung tâm ba mẫu cảm biến gồm: IDT/ST-Quartz, ZnO/IDT/ST-Quartz và CoFeB/ZnO/IDT/ST- Quartz, cảm biến được thiết kế ở tần số trung tâm là 433 (MHz) và đạt độ nhạy 1.55 (kHz/Oe) với dải đo từ 117 (Oe) đến 259 (Oe). Kết quả cho thấy càng bổ sung thêm các lớp thì tần số trung tâm càng giảm. Đồng thời nghiên cứu cũng khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến độ nhạy của cảm biến, khoảng nhiệt độ được khảo sát là từ 25 (oC) đến 60 (oC). Nhiệt độ càng cao thì độ nhạy càng tăng, nhưng
khi nhiệt độ tăng sai số cảm biến lại càng lớn. Trong nghiên cứu tiếp theo [79], nhóm tiến hành nghiên cứu sự tác động của nhiệt độ môi trường trên cấu trúc CoFeB/SiO2/ZnO/IDT/ST-Quartz với hi vọng khi bổ sung thêm lớp SiO2, cảm biến
sẽ làm việc ổn định hơn. Kết quả cho thấy khi cảm biến có thêm lớp SiO2 thì tần số trung tâm hầu như không thay đổi hay hệ số TCF 0 (ppm/oC) khi nhiệt độ môi trường thay đổi từ 25 (oC) đến 60 (oC).
Mainuddin và cộng sự [73] lại đi theo một hướng khác là sử dụng lớp cách điện PVA rồi rắc các hạt từ Fe và Ni lên trên để tạo ra lớp nhạy (hay nói cách khác là vật liệu nhạy từ là hạt nano Fe và hạt nano Ni), nghiên cứu sử dụng bộ cộng hưởng SAW với cấu trúc nanoFe/PVA/IDT/ST-Quartz và nanoNi/PVA/IDT/ST-Quartz.
Kết quả cho thấy mật độ bột nano càng cao thì tần số trung tâm càng giảm, tuy nhiên nghiên cứu chưa tìm ra các điểm tới hạn của mật độ bột nano. Cảm biến cho độ nhạy lớn nhất là 0.583 (kHz/Oe) tại điểm có cường độ từ trường là 1200 (Oe) và tần số cộng hưởng là 433.92 (MHz), nghiên cứu chưa chỉ ra được dải đo của cảm biến.
Trong một công bố khác [77], Xiaofei Yang và cộng sự sử dụng cấu trúc FeCoSiB/SiO2/IDT/ST-Quartz loại SAW một cổng để khao sát ảnh hưởng của hướng (hướng khó từ hóa W: từ trường song song với bề mặt và vuông góc với hướng truyền sóng âm, hướng dễ từ hóa L: từ trường hướng song song với chiều truyền sóng âm) tác động của từ trường đến độ nhạy của cảm biến. Kết quả đạt được là độ nhạy của cảm biến theo hướng W tốt hơn hướng L và đạt 36.428 (kHz/Oe) trên dải đo từ 0 đến 30 (Oe) với tần số trung tâm là 221.76 (MHz).
Với đế áp điện LiNbO3, đa số các nghiên cứu thực hiện trên đế áp điện dùng cấu trúc SAW hai cổng và sóng Rayleigh [16, 17, 55, 58, 80-87], các công bố này sử dụng kim loại Ni hoặc là hợp kim FeNi, FeCo, FeGa, TbCo2/FeCo và TbDyFe làm lớp nhạy từ. Về vật liệu dùng cho lớp cách điện hay lớp dẫn sóng (wave guide layer) thì chủ yếu vẫn sử dụng SiO2 [55, 80-82, 85] và ZnO [16, 58, 86, 88], một số dùng Al2O3
và Cr [16, 58, 80, 82].
Nhóm Abdelkrim Talbi và cộng sự công bố hai nghiên cứu (bao gồm cả mô phỏng và thực nghiệm) cảm biến từ làm việc theo nguyên lý SAW hai cổng với cấu trúc TbCo2/FeCo/IDT/LiNbO3 có tần số trung tâm là 232 (MHz), cảm biến có dải đo từ 0 đến 90 (Oe), độ nhạy đạt 0.01 (m/s.Oe) hay 0.625 (kHz/Oe) và [17, 87].
Nhóm nghiên cứu khác, Elhosni và cộng sự thực hiện ba công bố khác nhau với việc khảo sát sự ảnh hưởng các yếu tố về loại lớp cách điện và các bậc sóng cộng hưởng của tần số trung tâm đến độ nhạy của cảm biến, tín hiệu đầu ra của các cảm biến là dịch tần số. Các công bố [16, 58] thực hiện cả mô phỏng FEM và thực nghiệm trên hai mẫu cảm biến có cấu trúc Ni/ZnO/IDT/LiNbO3 và Ni/Al2O3/IDT/LiNbO3, kết quả đều cho độ nhạy cao hơn khi thay thế lớp cách điện ZnO bởi Al2O3 và bằng
16.67 (ppm/mT) với tần số trung tâm là 170.5 (MHz). Bên cạnh đó, tác giả đã tiến hành khảo sát các đáp ứng làm việc cả hai mẫu cảm biến trên ở các bậc khác nhau của tần số trung tâm là 159 (MHz), 460 (MHz) và 815 (MHz). Kết quả là tại các tần số trung càng cao thì độ nhạy cũng càng cao và lớn nhất ở 815 (MHz) là 315 (ppm/
mT) [86].
Nhóm Wen Wang và cộng sự thực hiện một loạt nghiên cứu về cảm biến đo dòng điện thông qua hiệu ứng delta-E của các vật liệu từ giảo dạng hợp kim FeNi, FeCo và FeGa nhằm tận dụng các ưu điểm của từng kim loại (Như: kim loại Fe và Co có
hệ số từ giảo và lực kháng từ lớn nên cảm biến cho độ nhạy cao nhưng lại cho sai số phi tuyến lớn, ngược lại kim loại Ni lại có lực kháng tự nhỏ nên ưu điểm là có sai số phi tuyến nhỏ và đặc tính tuyến tính hơn), lớp dẫn sóng hay lớp cách điện dùng SiO2 (Với ưu điểm là có độ ổn định nhiệt độ cao). Từ trường được tạo ra thông qua cuộn dây Helmholtz tuân theo định luật Biot-Savart, đáp ứng đầu ra được thể hiện ở dạng dịch tần số [55, 80-84]. Nghiên cứu đầu tiên [81], nhóm chế tạo thực nghiệm cảm biến dòng điện với lớp nhạy từ FeCo. Nghiên cứu khảo sát cả ba hướng (x, y, z) từ trường tác động, kết qủa cho độ nhạy cao nhất khi từ trường hướng theo chiều truyền của sóng âm bề mặt và đạt ~790Hz/A với tần số trung tâm 78.6 (MHz). Tiếp theo đó, các công bố [83, 84] thực hiện mô phỏng và chế tạo cảm biến với lớp nhạy FeCo được phún xạ dạng màng và dạng ma trận điểm, các bộ điện cực dạng SPUDT, đồng thời tiến hành bù sai số nhiệt độ bằng cách sử dụng thêm một thiệt bị SAW nhưng không phủ lớp nhạy. Với các cảm biến sử dụng lớp nhạy FeCo có điểm yếu là độ phi tuyến và lực kháng từ lớn dẫn đến cảm biến có sai số lớn khi hoạt động. Để khắc phục một phần của vần đề này, tác giả đã thay thế lớp nhạy FeCo bằng FeNi nhằm tần dụng ưu điểm của kim loại Ni có lực kháng từ nhỏ trong công bố [80]. Kết quả là sai số gây ra do lực kháng từ và độ phi tuyến giảm đi đáng kể, cảm biến làm việc ở tần số trung tâm 150 (MHz), dải đo 0 đến 10 (A) và độ nhạy là 10.7 (kHz/A) hay 0.535 (kHz/Oe). Một vấn đề nữa, nhóm cũng tiến hành giải quyết hiện tượng mỏi cơ khi cảm biến dùng lớp nhạy FeCo và lớp dẫn sóng SiO2, kết quả chỉ ra rằng sau một thời gian hoạt động, lớp nhạy sẽ bị mỏi cơ và dẫn đến không bám chắc và dễ bị bong. Do vậy, tác giả đề xuất bổ sung thêm lớp Cr (Crom) ở giữa lớp SiO2 và lớp nhạy FeCo và kết quả đã tăng được thời gian làm việc của cảm biến [82], với độ nhạy đạt được là 1.07 (kHz/Oe). Cuối cùng, nhằm tận dụng các kim loại Tb và Dy có tính từ giảo lớn. Nghiên cứu đề xuất cảm biến đo dòng điện trên cơ sở lớp nhạy từ giảo TbDyFe (vật liệu từ giảo khổng lồ) để cải thiện độ nhạy. Kết quả, cảm biến có độ tuyến tính tốt, đạt độ nhạy 12.3 (kHz/A) tại tần số trung tâm là 150 (MHz) [85].
Ngoài cách lựa chọn loại vật liệu cho lớp nhạy như của nhóm Wen Wang, lớp cách điện của nhóm Elhosni để cải thiện độ nhạy của cảm biến, nhóm Tao Han và cộng sự
[88] lại thực hiện khảo sát sự ảnh hưởng các góc cắt hướng tinh thể khác nhau của đế áp điện (41 YX-cut LiNbO3 và 128 YX-cut LiNbO3) và tỷ lệ hình dáng lớp nhạy đến đáp ứng làm việc của cảm biến có xét đến yếu tố ảnh hưởng của trường khử từ.
Và nghiên cứu cũng chỉ ra thêm cấu trúc bề mặt lớp nhạy khi có rãnh thì cho độ nhạy cao hơn trên cơ sở tính toán lý thuyết.
Gần đây, bên cạnh các nghiên cứu sử dụng các đế áp điện Quartz và LiNbO3 thì đế áp điện AlN dạng màng mỏng [89] hoặc dạng khối [90] cũng được một số nhóm nghiên cứu dùng cho cảm biến từ dạng SAW. Nhóm M. Rinaldi và cộng sự, sử dụng công nghệ MEMS để phát triển một số cảm biến từ dạng SAW một cổng với cấu trúc FeGaB/AlN/IDT/Si để đo từ trường thấp cỡ khoảng 0 đến 10 (Oe), mục tiêu là tăng độ nhạy và ngưỡng nhạy của cảm biến [91-93]. Với công bố [91], cảm