TR Ư Ờ N G ĐẠI H Ọ C s u PHẠM HÀ N Ộ I 2 K H O A VẶT LÝ ĐẶNG T H Ị THUỲ NG H IÊN CỨU CHẾ TẠO CĂM BIÉN TỪ D ự A TRÊN M ẠCH CÀU W H EA TSTO N E CÓ CẤU TRÚC CÁC NHÁNH TRÒN Chuyên ngành: V ật lý chất rắn KH O Á LUẬN T Ố T N G H IỆ P ĐẠI H Ọ C Người hướng dẫn khoa học: ThS. Lê Khắc Quynh HÀ NỘI - 2015 L Ờ I CĂM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Lê Khắc Ọuynh, người đã giúp đỡ định hướng nghiên cứu, cung cấp cho em những tài liệu quý báu, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô, anh chị cán bộ tại Khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano và Phòng thí nghiệm công nghệ Micro và nano, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm quý báu cũng như hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình làm thực nghiệm. Tiếp theo, em xin cảm ơn tất cả các thầy, các cô thuộc Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảng khoa học từ kiến thức cơ bản đến nhũng kiến thức chuyên sâu, cũng như kĩ năng thực hành, thực nghiệm trong suốt bốn năm học qua. Cuối cùng, em xin gửi nhũng lời tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ, động viên em vưọt qua khó khăn, hoàn thành khóa luận một cách tốt đẹp. Sinh Viên Đặng Thị Thuỳ L Ờ I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cún khoa học trong khoá luận là hoàn toàn trung thực và chưa tùng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác. Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều được trích dẫn một cách rõ ràng. Sinh Viên Đặng Thị Thùy DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ minh hoạ hiệu úng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/ áp đ iệ n ........................................................ 5 Hình 1.2. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ được biếu diễn bằng tỉ số R/R (H=0) của các màng mỏng đa lóp {Fe/Cr}................................................ 6 Hình 1.3. a) Trạng thái điện trở cao và b) trạng thái điện trở thấp của GM R........7 Hình 1.4. Cảm biến cấu trúc van-spin phát hiện hạt từ .............................................. 7 Hình 1.5. Sơ đồ hoạt động của cảm biến TMR phát hiện hạt từ...............................8 Hình 1.6. Nguồn gốc vật lý của A M R ........................................................................10 Hình 1.7. Giá trị điện trở phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hóa....................................................................................................11 Hình 1.8. Sơ đồ của mạch cầu W heatstone.................................................................11 Hình 2.1. Buồng xử lý mẫu........................................................................................... 18 Hình 2.2.Máy cắt laser................................................................................................ 19 Hình 2.3.Mặt nạ dùng để chế tạo cảm biến dạng tròn mạch cầu Wheatstone đường kính d = 3mm a) mặt nạ điện trở b)mặt nạ điện c ự c ................. 20 Hình 2.4. Nguyên lý tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ c a to t.............. 21 Hình 2.5. Thiết bị phún xạ catot...................................................................................23 Hình 2.6. Mặt nạ tạo màng điện tr ở ............................................................................ 23 Hình 2.7. Mặt nạ tạo điện cự c......................................................................................24 Hình 2.8. Cảm biến đã được đóng g ó i......................................................................25 Hình 2.9. Thiết bị từ kế mẫu rung V S M .................................................................... 26 Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị V SM .......................................................... 26 Hình 2.11. Sơ đồ bố trí bốn mũi dò............................................................................. 27 Hình 2.12. Sơ đồ khối của hệ đo từ điện trở ..............................................................28 Hình 3.1. Mô hình phép khảo sát 4 mũi dò trên màng m ỏ n g .................................30 Hình 3.2. Sự thay đổi điện áp của màng mỏng theo từ trường với I = 5mA trong dải từ -50 H- 50 Oe............................................................................30 Hình 3.3. Đường cong tỉ đối M/Ms theo lần lượt a) phương song song và b) vuông góc với trục từ hóa d ễ ................................................................... 32 Hình 3.4. Mô hình lấy tín hiệu của cảm biến...........................................................33 Hình 3.5. Sự thay đổi điện áp của cảm biến theo từ trường với I = lm A trong dải -80 -r- 80 Oe.............................................................................. 34 Hình 3.6. Sự thay đổi điện áp lối ra của cảm biến theo từ trường với I = lmA (a) 3mA,(b) 5mA,(c) 10 mA........................................................ 34 Hình 3.7. Đường phụ thuộc của thế lối ra vào dòng cấp tại từ trường H = 20 Oe.............................................................................................................35 DANH M ỤC CÁC BĂNG BIỂU Bảng 2.1. Thông số cắt mặt nạ của máy laser.......................................................... 19 Bảng 2.2. Thông số quá trình phún xạ điện trở........................................................24 Bảng 2.3. Thông số phún xạ điện cực....................................................................... 24 Bảng 3.1. Thông số trong đường cong tỉ đối M/Ms theo phương song song và vuông góc với trục dễ............................................................................. 32 Bảng 3.2. Sự phụ thuộc của AU theo dòng cấp........................................................35 MỤC LỤC MỞĐẰU ..................................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề t à i ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN..................................................................................................... 3 1.1. Các loại cảm biến đo từ trưò’ng phổ biến......................................................................3 1.1.1 .Cảm biến dựa trên hiệu ứng H all.........................................................................3 1.1.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - đ i ệ n ............................................................................... 4 1.2. Cảm biến từ điện trở khổng l ồ .............................................................................................. 5 1.3. Cảm biến từ điện trở xuyên n g ầ m .........................................................................................8 1.4. Cảm biến từ điện trở dị h ư ớ n g .............................................................................................. 8 1.4.1. Hiệu ứng từ điện trở dị h ư ớ ng..............................................................................................8 1.5. Nhiễu cảm b i ế n .........................................................................................................................14 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỤC N G H IỆ M ......................................................... 17 2.1 .Phương pháp chế tạo cảm b iế n ............................................................................17 2.1.1. Xử lý bề mặt m ẫ u ..................................................................................................................17 2.1.2. Các phương pháp chế tạo mặt nạ cho cảm b iến ............................................................18 2.1.3. Phún xạ tạo m àng..................................................................................................................20 Thiết bị phún xạ catot...................................................................................................................... 20 2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất cảm biến.................................................. 25 2.2.1. Khảo sát tính chất từ của cảm b i ế n ..................................................................................25 2.2.2. Khảo sát tính chất từ điện trở cảm b i ế n ......................................................................... 26 Kết lu ận ........................................................................................................................... 29 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LU ẬN ..................................................................... 30 3.1. Nghiên cứu tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm b iế n .............30 3.2. Khảo sát tính chất từ của cảm b iế n ......................................................................31 3.3. Kết quả chế tạo cảm b iế n ......................................................................................33 Khảo sát tính chất từ -điện trở của mạch cầu Wheatstone dạng tròn đường kính d = 3mm........................................................................................................................... 33 KÉT L U Ậ N .................................................................................................................................37 TÀI LIỆU THAM K H Ả O ......................................................................................................38 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiệu úng từ - điện trở dị hướng (AMR- Anisotropic magnetoresistance) là sự thay đổi điện trở của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài, phụ vào góc giữa véc tơ từ độ và chiều dòng điện. Các kết quả công bố cho thấy, hiệu ứng từ - điện trở dị hướng thường tồn tại trên các màng mỏng sử dụng vật liệu từ mềm theo cả hai phương dễ và khó từ hóa. Có nhiều cảm biến đã được chế tạo dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhằm mục đích đo tù’ trường thấp đã được công bố. Tuy vậy, các cảm biến này thường có kích thước khá cồng kềnh và gặp phải các loại nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu. Ngoài ra, một số cảm biến hoạt động tốt hơn nhung lại có cấu trúc dạng màng đa lớp khá phức tạp như cảm biến dựa trên hiệu úng spin-van, T M R ... Việc tối ưu hóa kích thước, đon giản hóa qui trình công nghệ, giảm chi phí chế tạo mà vẫn đáp ứng được đòi hỏi của cảm biến đo từ trường thấp đang là mục tiêu của nhiều nhóm nghiên cún. Lợi dụng tính chất từ mềm của vật liệu NiFe và tính ổn định nhiệt rất tốt của mạch cầu Wheatstone, chúng tôi chế tạo các cảm biến đo từ trường thấp dạng mạch cầu Wheatstone với cấu trúc màng đơn lớp Ni8()Fe20 dựa trên hiệu ứng AMR. Các cảm biến chế tạo giảm được tối đa ảnh hưởng các loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt. Do đó, kết quả tỉ số tín hiệu/nhiễu của cảm biến sẽ lớn. Bước đầu làm quen với việc nghiên cún khoa học, tôi chọn đề tài “Nghiên cún chế tạo cảm biến từ dựa trên mạch cầu Wheatstone có cấu trúc các nhánh tròn” . 2. Mục đích nghiên cứu - Chế tạo cảm biến dạng mạch cầu tròn dựa trên hiệu ứng AMR. - Khảo sát các tính chất từ, từđiện trở của cảm biến. 1 3. Đối tượng nghiên cứu Cảm biến mạch cầu tròn dựa trên hiệu úng AMR. 4. Phương pháp nghiên cún Sử dụng phương pháp thực nghiệm: - Chế tạo cảm biến với vật liệu Ni8()Fe2(). - Khảo sát tính chất với cảm biến đã chế tạo 5.NỘÌ dung khóa luận Đe tài gồm 3 chương : C hư ong 1: Trình bày tổng quan về cảm biến từ và hiệu ứng từ điện trở C hương 2: Trình bày các phương pháp, quy trình chế tạo cảm biến mạch cầu Wheatstone dạng tròn C hư ong 3: Trình bày kết quả và thảo luận từ đó rút ra kết luận 2 CHƯƠNG 1: TÖNG QUAN 1.1. Các ỉoại cảm biến đo từ trường phổ biến l.l.l.C ảm biến dựa trên hiệu ửng Hall Cảm bien Hall có thế đo được cả từ trường một chiều DC và tù’ trường xoay chiều AC trong dải tần số lên đến 30kHz. Ngoài việc đo từ trường, cảm bien Hall còn được phát triển thành các cảm biến đo vị trí, đo góc, đo vận tốc và đo tốc độ quay . Cảm bien Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall. Hiệu úng này được phát hiện vào năm 1879 do giáo sư Edwin Hall khi ông đang làm việc tại đại học Jonhs Hopkins ở Baltimore, Maryland . Khi cho một dòng điện chạy qua một vật dẫn là chất bán dẫn được đặt trong từ trường ngoài, ở hai mặt đối diện vuông góc với chiều dòng điện sẽ xuất hiện chênh lệch điện áp trên vật liệu này. Các điện tích chuyển động trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài, chúng sẽ chịu tác dụng của lực Lorent hướng vuông góc với chiều dòng điện và từ trường ngoài: F = q.EH+ q [ v X B] J. Trong đó: q : Điện tích của điện tử (q = 1.6 X 10‘19c ) V \ Tốc độ chuyển động của electron. B : Cảm ứng từ. E : Là điện trường Hall. Dưới tác dụng của lực Lorent các điện tích sẽchuyển động theo hai hướng ngược nhau về hai mặt của vật dẫn và tạo ra ở haimặt đối diện của vật dẫn các điện tích trái dấu làm xuất hiện một điện trường Hall E H hướng vuông 3 góc với chiều dòng điện. Lực tĩnh điện do điện trường này gây ra sẽ ngược hướng với lực Lorent. Trạng thái cân bằng nhanh chóng được hình thành cùng với sự tăng dần của lực điện cho đến khi bù trù' hoàn toàn với lực từ. Khi đạt đến trạng thái cân bằng, lực gây ra do từ trường B sẽ cân bằng với lực điện trường E gây ra. Khi đó, the Hall được cho bởi công thức: VI = ^ - 1 3 t (1.2) Trong đó, RH là điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là chiều dày tấm vật liệu 1.1.2. Cám biến dựa trên hiệu ứng từ - điện Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cún một loại cảm biến đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu Metglas/PZT dạng tấm. Nhũng cảm biến này có thể xác định chính xác cả độ lớn và góc định hướng của từ trường. Ngoài ra, chúng hoạt động không cần tù’ trường làm việc (bias) và được kích thích bởi một dòng xoay chiều nhỏ 10 mA, có độ phân giải từ trường cao 10"9 Tesla và độ phân giải góc 1CT5 độ. Hiệu ứng điện - từ đầu tiên được dựa đoán bởi p.Curie vào năm 1894. Thuật ngữ “điện - từ” được đưa ra bởi p. Debye năm 1926 . Một dựa đoán chặt chẽ hơn về sự liên kết giữa pha sắt từ và sắt điện được xây dựng bởi L.D.Landau và E. Lifshitz . Vào năm 1959 Dzyaloshinskii đã dựa đoán rằng hiệu ứng điện - từ có thể quan sát được trong vật liệu đon pha Cr20 3. Sự phân cực cảm ứng bởi từ trường của Cr20 3 được quan sát lần đầu tiên vào năm 1960 bởi Astrov . Hiệu úng điện - từ thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Hiệu úng điện - từ được chia thành hiệu ứng điện từ thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng điện từ nghịch (converse magnetoelectric effect) (hình 1.3) trong đó, hiệu ứng 4 thuận là hiệu úng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (AP) khi đặt trong từ trường ngoài (H) và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (AM) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E). Hiệu ửng thuận RỊm 1* ^ Phản cực điện [...]... điện tử với mômen từ trong lớp từ tính là phản song song .Có thể minh họa sơ đồ mạch điện trở tương ứng cho cấu trúc spinvalve trong trường hợp các lớp sắt từ song song và phản song song Hình ì 4 Cảm biến cấu trúc van-spin phát hiện hạt từ Hiệu ứng GMR trên các vật liệu có cấu trúc spin-valve được ứng dụng rất rộng rãi trong ngành công nghiệp như chế tạo 0 cứng máy tín h 7 1.3 Cảm biến từ điện trơ xuyên... Các phương pháp chế tạo mặt nạ cho cảm biến Tạo hình cho cảm biến ta sử dụng mặt nạ là hình dạng mà cảm biến sẽ được chế tạo. Đe chế tạo mặt nạ cho cảm biến dạng cầu điện trở hiện nay có rất nhiều phương pháp.Tuy nhiên với quy mô phòng thí nghiệm và trên cơ sở các thiết bị sẵn có, chúng tôi sử dụng máy cắt laser tạo mặt nạ Mặt nạ được làm bằng băng dính chân không và hốc chứa cảm biến làm bằng thủy tinh... ngầm Các phép đo ở tần số cao về mặt cơ bản có thể được sử dụng để nhận biết hạt từ có kích thước nhỏ được gắn vào từng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy cực đại cho cảm biến Kết ỉuận : Trong chương này chúng tôi đã trình bày một cách tổng quát về lý thuyết, nguyên lý hoạt động của một số loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ và từ điện Lựa chọn cấu hình cảm biến và lựa chọn vật liệu để chế tạo cảm biến. .. 2,2 30 30 15 24 Hình 2.8 Cảm biến đã được đóng gói 2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất cảm biến 2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến Từ kế mẫu rung là thiết bị quan trọng và phổ biến cho các phép đo từ tổng cộng M của một mẫu vật liệu từ trong từ trường ngoài Từ kế mẫu rung hoạt động trên nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ Sự biến thiên từ thông Лф qua cuộn dây cảm úng gây bởi sự dịch... trong chất sắt từ có các miền từ hóa tự nhiên (đô-men) Mô-men của các nguyên tử trong từ đô-men nằm song song và cùng chiều tạo ra véc tơ từ độ từ hóa của từng đô-men khá lớn.Tuy nhiên, khi không có từ trường ngoài, các véc tơ từ độ của đô-men định hướng hỗn loạn nên véc tơ từ độ tổng cộng của mẫu bằng không Khi có từ trường ngoài tác dụng theo một phương 9 nào đó, véc tơ từ độ từ hóa các đô-men một... biến là thủy tinh hữu cơ a) b) Hình 2.3 Mặt nạ dùng đế chế tạo cảm biến dạng tròn mạch câu Wheatstone đường kính d = 3mm a) mặt nạ điện trở b)mặt nạ điện cực 2.1.3 Phún xạ tạo màng Thiết bị phún xạ catot Hiện nay có rất nhiều phươngpháp được sử dụng đế chế tạo màng mỏng như bốc bay nhiệt, bốc bay laze xung.Trong khóa luận này, phương pháp phún xạ được sử dụng để chế tạo màng và cảm biến mạch cầu Wheatstone. .. động của cảm biến TMR phát hiện hạt từ Cảm biến hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling Magneto resistance - TMR) bao gồm 3 lớp vật liệu (lớp sắt từ/ lớp điện môi/ lóp sắt từ) .Hoạt động của cảm biến TMR cũng giống như cảm biến GMR Khi chưa có từ trường ngoài thì từ độ của 2 lớp sắt từ ban đầu là phản song song với nhau, do đó điện tử bị tán xạ nhiều và không thể truyền qua cảm biến Khi có từ trường...CHƯƠNG 1: TÖNG QUAN 1.1 Các ỉoại cảm biến đo từ trường phổ biến l.l.l.C ảm biến dựa trên hiệu ửng Hall Cảm bien Hall có thế đo được cả từ trường một chiều DC và tù’ trường xoay chiều AC trong dải tần số lên đến 30kHz Ngoài việc đo từ trường, cảm bien Hall còn được phát triển thành các cảm biến đo vị trí, đo góc, đo vận tốc và đo tốc độ quay Cảm bien Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall Hiệu úng... có thể đon giản hóa phương trình khi có sự thay đổi của điện trở của các điện trở thành phần trong mạch cầu, với sự thay đổi điện trở là nhỏ hơn 5% như công thức : Vq = u ( 1+ r ) 2 v — + r2 R3 - — W in R4 (1.13) Từ công thức ta thấy sự thay đổi điện trở của hai nhánh liền kề trong mạch cầu tự triệt tiêu nhau nên mạch cầu có thế dùng làm mạch ổn định nhiệt độ và chế tạo các thiết kế đặc biệt khác Mạch. .. suất khi vectơ từ độ vuông góc với trục từ hóa dễ • AR và Ap là độ thay đổi của điện trở và điện trở cực đại khi có tác dụng của từ trường ngoài Ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào 6 như hình Hình 1.7 Giá trị điện trở phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hóa 1.4.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone B Hình ỉ 8 Sơ đồ của mạch cầu Wheatstone 11 Mạch cầu Wheatstone là mạch điện được ... với việc nghiên cún khoa học, chọn đề tài Nghiên cún chế tạo cảm biến từ dựa mạch cầu Wheatstone có cấu trúc nhánh tròn Mục đích nghiên cứu - Chế tạo cảm biến dạng mạch cầu tròn dựa hiệu ứng... động số loại cảm biến dựa hiệu ứng từ từ điện Lựa chọn cấu hình cảm biến lựa chọn vật liệu để chế tạo cảm biến Cảm biến dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR lựa chọn để nghiên cứu khóa luận 16 CHƯƠNG... Khảo sát tính chất từ, từ iện trở cảm biến Đối tượng nghiên cứu Cảm biến mạch cầu tròn dựa hiệu úng AMR Phương pháp nghiên cún Sử dụng phương pháp thực nghiệm: - Chế tạo cảm biến với vật liệu