- Máy khuấy từ gia nhiệt Van điều chỉnh
4.3.1Nghiên cứu chết ạo phần tử nhạy từ trường sử dụng vật liệu GMR
T tr ng ngoài
4.3.1Nghiên cứu chết ạo phần tử nhạy từ trường sử dụng vật liệu GMR
Trong đề tài nghiên cứu này, từ trường siêu nhỏ (~ pT – 100 nT) của các lưỡng cực từ - là các hạt nano đặt trong từ trường ngoài - sẽ được đo đạc nhờ một loại cảm biến sử dụng phần tử nhạy là vật liệu từ trở khổng lồ - GMR. Với hàm lượng khiêm tốn cũng như kích thước nhỏ của các mẫu sinh học cần đo, đầu cảm biến cần phải có kích thước nhỏ, dễ dịch chuyển (linh động) và ít tiêu hao năng lượng. Vì vậy, việc chế tạo phần tử nhạy cần phải sử dụng đến công nghệ MEMS hoặc NEMS. Đó là lý do đề tài chọn phương pháp chế tạo là đặt hàng (thuê) chế tạo phần tử nhạy từ trường sử dụng vật liệu GMR. Qua khảo sát trên thị trường, các đầu cảm biến GMR đã được rất nhiều công ty trên thế giới sản xuất. Tuy nhiên, đa số các loại cảm biến có sẵn trên thị trường hiện nay đều có kích thước tương đối lớn và thường được đóng gói dưới dạng chip với lõi phần tử nhạy đặt bên trong và một lớp polymer vỏ bọc dày bên ngoài [106]. Điều này không đáp ứng yêu cầu đặt ra cho sensor từ sinh học có đầu cảm biến kích thước nhỏ và linh động. Để giải quyết tốt vấn đề này, đề tài đã xây dựng hợp tác với 2 PTN cảm biến sinh học (biosensor): Life Science Lab tại Đài Loan và KAER – Biosensor tại Hàn Quốc. Cả hai PTN này đều được trang bị thiết bị công nghệ MEMS và NEMS với khả năng chế tạo được những phần tử nhạy tốt nhất theo đúng thiết kế.
4.3.1.1 Thiết kế cấu hình phần tử nhạy kích thước từ nm đến µm. Nguyên lý cơ bản của hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR
Hiệu ứng GMR (Nobel Vật lý – 2007): là sự thay đổi lớn trong giá trị điện trở của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài.
Nguyên nhân chính của hiệu ứng GMR là do sự tán xạ spin của các điện tử với các lượng tử từ (mômen từ) qua lớp chuyển tiếp của các lớp vật liệu khác nhau. Do vậy, theo cách này bất kỳ vật liệu nào có lớp chuyển tiếp
104
từ-kim loại đều có GMR. Nói chung, vật liệu có từ trở khổng lồ là các màng mỏng có cấu trúc đa lớp bao gồm 2 hoặc nhiều hơn 2 màng siêu mỏng (~ vài nano met) có từ tính và không từ tính ngăn cách bởi một lớp phi từ tính (~ 1 nano mét). Có nhiều loại màng vật liệu có GMR với các tên gọi khác nhau theo đặc điểm của mỗi loại vật liệu. Có thể tóm tắt mô hình đơn giản của các loại màng mỏng GMR trên Hình 4.10.
Hình 4.11 trình bày cấu trúc các lớp vật liệu đặc trưng của một màng GMR cho giá trị từ trở từ 20 – 50% trong từ trường tương đối nhỏ 10 – 30 Oe
Hình 4.10. Mô hình của các loại màng mỏng GMR. (a) đa lớp từ; (b) Spin-valve;
(c) MTJ; (d) màng hợp kim dạng hạt.
Từ trường ngoài Dòng điện
105
(800 A/m – 2,4 kA/m). Cấu trúc này được sử dụng phổ biến để tạo ra các vật liệu nhạy từ trường nhỏ [107].
Để cụ thể, nguyên lý của hiệu ứng GMR được trình bày qua Hình 4.12 với 1 màng mỏng đa lớp bao gồm các lớp vật liệu phản sắt từ, sắt từ ghim cố định, vật liệu dẫn, và sắt từ tự do (mô-men từ có thể quay dễ dàng trong từ trường ngoài).
Hình 4.12. Cấu trúc từ của màng mỏng GMR. a) khi không có từ trường ngoài; b)
và c) khi có từ trường ngoài, các lớp sắt từ có mômen từ tự do sẽđịnh hướng theo từ
trường ngoài, các lớp sắt từ ghim mômen không quay trong từ trường.
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự thay đổi lớn điện trở của vật liệu phụ thuộc vào sự định hướng của các lớp sắt từ là song song hay phản song song so với từ trường ngoài do sự tán xạ spin của các điện tử dẫn: điện trở tổng cộng có giá trị thấp cho định hướng song song và có giá trị tương đối cao cho định hướng phản song song. Hình 4.13 trình bày mối liên hệ giữa điện trở và từ trường ngoài đặc trưng cho 1 màng đa lớp Fe/Cr làm ví dụ.
Phản sắt từ Sắt từ ghim Vật liệu dẫn Sắt từ tự do Đế Phản sắt từ Sắt từ ghim Vật liệu dẫn Sắt từ tự do Đế Từ trường ngoài Phản sắt từ Sắt từ ghim Vật liệu dẫn Sắt từ tự do Đế Từ trường ngoài a) b) c) Từ trường ngoài H = 0 H H
106
Hình 4.13. Sự phụ thuộc đặc trưng cho vật liệu GMR của điện trở vật liệu màng đa
lớp Fe/Cr vào từ trường ngoài
Theo sự phụ thuộc này, với mỗi giá trị của từ trường ngoài đặt vào vật liệu sẽ có một giá trị điện trở tương ứng. Đây chính là hiệu ứng cơ sở được sử dụng làm nguyên tắc đo từ trường của bộ cảm biến trong nghiên cứu. Sự thay đổi điện trở của vật liệu GMR tạo ra sự chênh lệch điện thế ở mạch ngoài và hiệu điện thế này có thể đo đạc được nhờ các tầng khuếch đại tín hiệu.
Một cách mô hình hóa, hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp được giải thích bằng mô hình hai dòng điện của Mott đề ra từ năm 1936 (Hình 4.14).
Hình 4.14. Mô hình hai dòng điện của Mott (1936)
FMNMFM ρ ρ ρ ρ spin spin spin spin FMNMFM ρ ρ ρ ρ spin spin spin spin
107
Có thể nhận thấy trên mô hình Mott các điện tử có spin song song với mômen từ của các lớp trong màng vật liệu GMR thì dịch chuyển qua màng một cách dễ dàng, tương ứng với điện trở nhỏ trên mô hình. Ngược lại, các điện tử có spin phản song song với mômen của các lớp trong màng GMR thì khó dịch chuyển qua màng, tương ứng với điện trở lớn trên mô hình.
Cho tới nay có nhiều mô hình mạch cầu khác nhau đã được ứng dụng thực tế. Hình 4.15 đưa ra 3 loại mạch cầu cơ bản sử dụng trong chế tạo các đầu cảm biến GMR. Có thể nhận thấy mạch cầu toàn phần, Hình 4.15c), là lựa chọn tốt nhất ở khía cạnh tuyến tính và mức tín hiệu.
Hình 4.15. Các mô hình mạch cầu được sử dụng cho chế tạo các đầu cảm biến
GMR. (a) Mạch cầu một thành phần; (b) mạch nửa cầu; (c) mạch cầu toàn phần
Tuy nhiên, trên thực tế khó có thể chế tạo theo cấu trúc mạch toàn phần này. Do sự phụ thuộc định hướng (mô-men từ) trong quá trình chế tạo, cấu hình mạch nửa cầu với 2 điện trở tích cực và 2 điện trở được bao bọc bởi màn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
108
chắn từ thường được sử dụng. Đó cũng là cấu hình được sử dụng trong chế tạo sensor GMR trong nghiên cứu này.