TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN TỪ DỰA TRÊN MẠCH CẦU WHEATSTONE CÓ CẤU TRÚC CÁC NHÁNH DÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI – 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN TỪ DỰA TRÊN MẠCH CẦU WHEATSTONE CÓ CẤU TRÚC CÁC NHÁNH DÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Người hướng dẫn khoa học: ThS.LÊ KHẮC QUYNH HÀ NỘI – 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Lê Khắc Quynh người giúp đỡ định hướng nghiên cứu, cung cấp cho em tài liệu quý báu, tận tình hướng dẫn, bảo, tạo điều kiện tốt trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, anh chị cán Khoa Vật lý kỹ thuật công nghệ nano Phòng thí nghiệm công nghệ Micro - nano, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm quý báu hỗ trợ em nhiều trình làm thực nghiệm. Tiếp theo, em xin cảm ơn tất thầy, cô Trường Đại học Sư phạm Hà Nội giảng dạy, dìu dắt cung cấp cho em tảng khoa học từ kiến thức đến kiến thức chuyên sâu, kĩ thực hành, thực nghiệm suốt bốn năm học qua. Cuối cùng, em xin gửi lời tốt đẹp đến bố mẹ, gia đình bạn bè bên cạnh, kịp thời giúp đỡ, động viên em vượt qua khó khăn, hoàn thành khóa luận cách tốt đẹp. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Thị Phương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu khoa học khóa luận hoàn toàn trung thực chưa công bố nơi khác. Mọi nguồn tài liệu trích dẫn rõ ràng. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Thị Phương MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN . 1.1 Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến 1.1.1 Cảm biến dựa hiệu ứng Hall . 1.1.2 Cảm biến dựa hiệu ứng từ - điện 1.2 Nhiễu cảm biến 1.3 Cảm biến đo từ trường hiệu ứng từ - điện trở dị hướng (AMR) 1.3.1 Hiệu ứng từ - điện trở dị hướng . 1.3.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone . 11 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 14 2.1 Phương pháp chế tạo cảm biến 14 2.1.1 Xử lý bề mặt mẫu . 14 2.1.2 Chế tạo mặt nạ hốc chứa cảm biến 15 2.1.3 Phún xạ tạo màng . 19 2.1.3.1 Thiết bị phún xạ catot 19 2.1.3.2 Phún xạ tạo màng điện trở . 22 2.1.3.3 Phún xạ tạo màng điện cực . 23 2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất cảm biến . 23 2.2.1 Khảo sát tính chất từ cảm biến 23 2.2.2 Khảo sát tính chất từ - điện trở cảm biến 25 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 27 3.1 Tính ưu việt cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone 27 3.2 Tính chất cảm biến 29 3.3 Tính chất từ - điện trở cảm biến 30 3.3.1 Sự ảnh hưởng chiều dày lớp màng NiFe tới tín hiệu cảm biến . 30 3.3.2 Tín hiệu lối phụ thuộc vào tỉ số dài/rộng trở . 32 KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật máy . 17 Bảng 2.2: Thông số cắt mặt nạ máy . 18 Bảng 2.3: Thông số phún xạ lớp Ta/NiFe/Ta . 22 Bảng 2.4: Các thông số phún xạ điện cực 23 Bảng 3.1: Độ lệch độ nhạy cảm biến 1×5mm bề dày thay đổi 28 Bảng 3.2: Độ lệch độ nhạy cảm biến thay đổi tỉ số dài/rộng trở 32 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ minh họa hiệu ứng điện từ thuận ngược vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện . Hình 1.2: Liên kết từ điện vật liệu từ điện, (a) thay đổi phân cực điện gây từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa điện trường . Hình 1.3: Sơ đồ thể nguồn gốc vật lý AMR . Hình 1.4: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc dòng điện hướng vectơ từ hóa . 11 Hình 1.5: Mạch cầu điện trở Wheatstone 11 Hình 2.1: Buồng xử lý mẫu . 14 Hình 2.2: Cấu tạo chung máy cắt laser 16 Hình 2.3: Máy cắt laser VLS3.60 17 Hình 2.4: Hệ mask cảm biến 1× 3mm: Với (a)là mặt nạ điện trở, (b)là mặt nạ điện cực, (c) hình dạng cảm biến hoàn thiện 18 Hình 2.5: Mặt nạ cảm biến . 19 Hình 2.6: Nguyên lý trình hình thành màng mỏng phún xạ catot 20 Hình 2.7: Thiết bị phún xạ catot 21 Hình 2.8: Thanh điện trở mạch cầu Wheatstone sau phún xạ tạo màng Ta/NiFe/Ta 22 Hình 2.9: Cảm biến thu sau trình phún xạ điện cực 23 Hình 2.10: (a) Sơ đồ nguyên l thiết bị từ kế mẫu rung. (b) Thiết bị từ kế mẫu rung SM 24 Hình 2.11: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ - điện trở . 25 Hình 2.12: (a) Cảm biến đóng gói hoàn chỉnh. (b) Cảm biến kết nối với hệ đo điện từ 26 Hình 3.1: Sự phụ thuộc điện áp lối theo từ trường cảm biến (a) dạng điện trở, (b) dạng mạch cầu Wheatstone . 28 Hình 3.2: Sự biến thiên điện trở thành phần mạch cầu Wheatstone . 28 Hình 3.3: Sự phụ thuộc điện trở suất vào từ trường với trường hợp từ trường song song vuông góc với dòng điện . 29 Hình 3.4: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms cảm biến với từ trường nằm mặt phẳng màng, theo phương song song vuông góc vối từ độ ghim . 29 Hình 3.5: (a) Sự thay đổi lối cảm biến cảm biến 1×5mm phụ thuộc vào từ trường với bề dày khác nhau, (b) Độ nhạy cảm biến 1x5mm ứng với bề dày khác trở 31 Hình 3.6: Sự phụ lối cảm biến theo từ trường thay đổi tỉ số dài/rộng trở với thang từ trường lớn (a) nhỏ (b) 32 MỞ ĐẦU 1. Lí chọn đề tài Trên giới có nhiều loại cảm biến dựa hiệu ứng khác sử dụng để đo từ trường thấp, chủ yếu cảm biến dựa hiệu ứng quang từ cảm biến giao thoa lượng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa hiệu ứng điện - từ, cảm ứng điện từ (Flux-Gate), hiệu ứng Hall .Mặc dù cảm biến hoạt động dựa hiệu ứng khác cảm biến dựa nguyên tắc đo đạc phân tích hiệu điện lối từ cảm biến thay đổi phụ thuộc vào cường độ từ trường tác dụng lên cảm biến. Mỗi loại cảm biến có đặc thù riêng, có ưu điểm nhược điểm riêng tùy thuộc vào mục đích phạm vi lĩnh vực ứng dụng. Tuy vậy, cảm biến thường có kích thước cồng kềnh gặp phải loại nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu. Ngoài ra, số cảm biến hoạt động tốt lại có cấu trúc dạng màng đa lớp phức tạp cảm biến dựa hiệu ứng Spin-van, TMR… Việc tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa qui trình công nghệ, giảm chi phí chế tạo mà đáp ứng đòi hỏi cảm biến đo từ trường thấp mục tiêu nghiên cứu nhóm. Lợi dụng tính chất từ mềm vật liệu NiFe tính ổn định nhiệt tốt mạch cầu Wheatstone, chế tạo cảm biến đo từ trường thấp dạng mạch cầu Wheatstone với cấu trúc màng đơn lớp Ni80Fe20 dựa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng. Các cảm biến chế tạo giảm tối đa ảnh hưởng loại nhiễu đặc biệt nhiễu nhiệt. Do đó, kết tỉ số tín hiệu/nhiễu cảm biến lớn. Với hướng nghiên cứu này, nội dung nghiên cứu thực khóa luận bao gồm: - Chế tạo, khảo sát tính chất từ cảm biến. - Chế tạo cảm biến với bề dày màng khác nhau, khảo sát tìm bề dày màng cảm biến có tín hiệu độ nhạy cao. khiển, hệ thống van bơm, hút chân không. Thiết bị ghép nối với hệ thống máy tính để điều khiển thông số trình lắng đọng tạo màng. Hình 2.7: Thiết bị phún xạ catot. Chân không buồng đạt đến 10-8Torr, buồng phụ 10-7 Torr. Nhờ có buồng phụ mà chân không buồng giữ ổn định trình phún xạ. Chính vậy, ổn định tính chất mẫu đảm bảo chế độ khác nhau. Bên cạnh đó, chân không cao buồng đạt thời gian ngắn nhờ vào hệ thống bơm sơ cấp thứ cấp hiệu suất cao hạn chế nhiều khả nhiễm bẩn buồng phún xạ. Buồng chân không đệm (buồng phụ) buồng trung gian sử dụng để vận chuyển mẫu vào từ buồng chân không chính. Hai buồng buồng phụ ngăn cách vách ngăn. Trong trình chế tạo mẫu, đế đưa vào buồng phụ trước sau buồng phụ hút chân không đến áp suất chênh lệch khoảng bậc (5x10-5Torr) so với buồng hệ thống vách ngăn mở mẫu đưa vào buồng chính. Bia sử dụng khóa luận bao gồm vật liệu Cu, Ta NiFe hình tròn chiều dày từ 3-6mm có đường kính 2inch. Màng vật liệu từ NiFe được chế tạo sử dụng nguồn RF màng vật liệu phi từ Cu Ta chế tạo sử dụng nguồn DC. 21 2.1.3.2 Phún xạ tạo màng điện trở Khi mặt nạ chế tạo thành công, chúng phủ lên bề mặt đế SiO2 làm đưa vào máy phún xạ để tạo điện trở. Trong trình phún xạ, mẫu đặt từ trường ghim 600Oe (từ trường ta tạo dị hướng cho cảm biến). Màng có cấu trúc ba lớp Ta/Ni80Fe20/Ta đó, lớp Ta đóng vai trò lớp đệm, giúp cho Ni80Fe20 bám dính vào đế tốt hơn. Lớp Ta đóng vai trò lớp phủ bảo vệ cho lớp Ni80Fe20 chống lại trình oxi hóa đặt không khí. Thông số trình phún xạ tạo lớp điện trở nêu bảng 2.3. Bảng 2.3: Thông số phún xạ lớp Ta/NiFe/Ta. Vật liệu Chân không Áp suất Công suất Vận tốc sở Pbase khí Ar phún quay đế (Torr) (mTorr) (W) (prm) 1.3×10-7 Ta 2,2 25 30 Chiều dày màng (nm) NiFe 1.3×10-7 2,2 75 30 10 15 Kết thúc trình phún xạ, gỡ bỏ mặt nạ điện trở ta thu trở có cấu trúc Ta/NiFe/Ta hình 2.8. Hình 2.8: Thanh điện trở mạch cầu Wheatstone sau phún xạ tạo màng Ta/NiFe/Ta. 22 2.1.3.3 Phún xạ tạo màng điện cực Với mục đích kết nối điện trở tạo mạch cầu tạo điện cực, điện cực vật liệu Cu chế tạo. Quy trình tương tự quy trình phún xạ tạo màng điện trở cho cảm biến, điểm khác sử dụng mặt nạ điện cực phún xạ lớp vật liệu có cấu trúc: Ta/Cu. Trong đó: Ta lớp vật liệu sử dụng để tạo bám dính tốt cho lớp vật liệu Cu, Cu lớp vật liệu có độ dẫn cao (σ = 58×106S/m). Thông số sử dụng trình phún xạ bảng 2.5. Bảng 2.4: Các thông số phún xạ điện cực. Chân không Áp suất Công suất Vận tốc Chiều dày sở Pbase khí Ar phún quay đế màng (Torr) (mTorr) (W) (prm) (nm) Ta 2.2×10-7 2.2 25 30 Cu 2.2×10-7 2.2 30 30 60 Vật liệu Kết thúc trình phún xạ tạo màng điện cực, gỡ bỏ lớp mặt nạ điện cực thu cảm biến hoàn chỉnh hình 2.9. Hình 2.9: Cảm biến thu sau trình phún xạ điện cực. 2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất cảm biến 2.2.1 Khảo sát tính chất từ cảm biến Hình 2.10a sơ đồ nguyên l thiết bị từ kế mẫu rung. Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) thiết bị cho phép đo từ độ tổng 23 cộng M mẫu vật liệu từ, hoạt động nguyên lý thu tín hiệu cảm ứng điện từ rung mẫu đo từ trường. Mẫu đo gắn vào cần rung từ tính đặt vào vùng từ trường tạo hai cực nam châm điện. Mẫu bị từ hóa từ trường đều, ta rung mẫu với tần số định, từ thông mẫu tạo xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu biến thiên sinh suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận với từ độ tổng cộng M mẫu cho công thức: V = 4. π.N.Sm.M (2.1) Với M từ độ mẫu đo, Sm tiết diện vòng dây, N số vòng dây của thu tín hiệu. Nam châm điện từ kế mẫu rung phận quan trọng để tạo từ trường từ hóa vật liệu cần đo. Nếu nam châm điện cuộn dây tạo từ trường dòng điện chiều từ trường tạo từ trường chiều ổn định, thường không lớn bị hạn chế từ độ bão hòa lõi thép tỏa nhiệt làm nóng cuộn dây. Nam châm kiểu tạo từ trường cực đại cỡ vài Tesla. Hình 2.10: (a) Sơ đồ nguy n thiết bị từ kế mẫu rung. (b) Thiết bị từ kế mẫu rung VS 24 Để khảo sát tính chất từ trình từ hóa màng mỏng từ sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7430 nhiệt độ phòng PTN Micro - Nano, Trường Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN (xem hình 2.12b). 2.2.2 Khảo sát tính chất từ - điện trở cảm biến Hiệu ứng từ - điện trở nghiên cứu khóa luận thực thông qua việc khảo sát thay đổi hiệu điện lối (hoặc điện trở) cảm biến tác dụng từ trường. Trong khóa luận, hiệu ứng từ - điện trở cảm biến nghiên cứu nhờ vào hệ đo bố trí hình 2.11. Hình 2.11: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ - điện trở. chân nối với cảm biến: chân để cấp dòng không đổi nguồn chiều DC Current Source, chân lại để lấy lối đo máy đo Keithley 2000. Nam châm điện tạo từ trường chiều lên tới 1T. Bộ phận đo từ trường Gausmeter. Tín hiệu lối Gausmeter đưa vào đồng hồ vạn Keithley. Tín hiệu lối Keithley truyền sang máy tính điện tử thông qua Card IEEE - 488. Toàn trình thu thập số liệu hệ đo thực điều khiển tự động chương trình phần mềm viết ngôn ngữ Passcal. 25 Kết phép đo hiển thị hình dạng đồ thị trục tung hiệu điện lối cảm biến U(mV), trục hoành từ trường µ0H(T) ghi ổ cứng máy tính dạng tệp số liệu. Để thực phép đo từ - điện trở, ban đầu đưa cảm biến vào hốc chứa cảm biến meca (hốc meca tạo máy cắt laser trình bày phần 2.1.2) hàn dây, điện cực cho cảm biến. Cảm biến đóng gói hoàn chỉnh ảnh chụp hình 2.12a. Cảm biến sau đóng gói kết nối với hệ đo điện từ thiết kế hình 2.12b. (a) (b) Hình 2.12: (a) Cảm biến đóng gói hoàn chỉnh. (b) Cảm biến kết nối với hệ đo điện từ. 26 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính ưu việt cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone Với mục đích l giải lựa chọn mạch cầu Wheatstone cấu hình cảm biến. Cảm biến có dạng đơn điện trở có kích thước 1×5 mm cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone gồm điện trở có kích thước 1×5mm chế tạo. Hai cảm biến có chiều dày lớp màng NiFe 15nm. Phép đo thực với dòng cấp có cường độ 5mA từ trường tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim cảm biến. Hình 3.1a đường cong phụ thuộc điện áp lối vào từ trường cảm biến dạng đơn điện trở, đường cong cho thấy nhiễu cảm biến lớn, đường tín hiệu đo đo cảm biến bị trôi nhiều. Trong hình 3.1b đường tín hiệu điện áp lối theo từ trường cảm biến có dạng mạch cầu Wheatstone cho kết hoàn toàn khác. Cảm biến dạng mạch cầu nhiễu nền, đường tín hiệu đo đo gần trùng lên nhau. Điều giải thích với cảm biến dạng đơn trở xảy tượng nhiễu. Do cảm biến dạng đơn trở nên nhiễu chủ yếu nhiễu nhiệt, nhiễu nhiệt sinh trình khảo sát ta cấp cho cảm biến dòng không đổi có cường độ 5mA, dòng điện làm cho cảm biến sinh nhiệt, đặc biệt ta khảo sát thời gian dài nhiệt cảm biến dần tăng lên dẫn tới tượng trôi tín hiệu lối ra. Còn với trường hợp cảm biến có dạng mạch cầu Wheatstone gồm có điện trở thành phần mắc đối xứng nhau, nhờ vào thiết kế đối xứng giúp cho cảm biến dạng cầu có khả tự bù trừ triệt tiêu nhiễu nhiệt trở thành phần sinh ra. Nhờ mà với cảm biến có dạng mạch cầu Wheatstone nhiễu nền, đường tín hiệu khảo sát đo đo gần trùng lên nhau. Chỉ có phần vùng từ trường nhỏ 27 đường tín hiệu không trùng lên nhau, điều giải thích tính chất từ trễ vật liệu. Như vậy, cảm biến có cấu hình dạng mạch cầu Wheatstone cho hiệu ứng từ - điện trở dị hướng AMR lớn, giảm tối đa nhiễu cảm biến đặc biệt nhiễu nhiệt. Đây l lựa chọn mạch cầu Wheatstone cấu hình cho cảm biến. Hình 3.1: Sự phụ thuộc điện áp lối theo từ trường cảm biến (a) dạng điện trở, (b) dạng mạch cầu Wheatstone. Hình 3.2: Sự biến thiên điện trở thành phần mạch cầu Wheatstone. Hình 3.2 xu hướng thay đổi điện trở điện trở thành phần mạch cầu Wheastone tác dụng từ trường ngoài. Trong mạch cầu này, tác dụng từ trường điện trở R1 R3 thay đổi điện trở theo hiệu ứng AMR với chiều dòng điện song song với chiều từ trường tác dụng điện trở lại R2 R4 thay điện trở theo hiệu ứng AMR với chiều dòng điện vuông góc với chiều tác dụng từ 28 trường ngoài. Như vậy, thay đổi điện trở cặp điện trở (R1 R3) có xu hướng ngược với thay đổi điện trở cặp điện trở (R2 R4) hình 3.3. Do đó, sai khác tích R1.R3 R2.R4 tăng lên dẫn tới tín hiệu lối cảm biến dạng cầu tăng mạnh hơn. Hình 3.3: Sự phụ thuộc điện trở suất vào từ trường với trường hợp từ trường song song vuông góc với dòng điện. 3.2. Tính chất từ cảm biến Tính chất từ cảm biến khảo sát theo phương mặt phẳng màng NiFe. Các cảm biến thể tính chất từ mềm tính dị hướng theo phương từ độ ghim ban đầu. Hình 3.1 đường cong từ hóa tỉ đối (M/MS) cảm biến 1×5mm với bề dày màng NiFe 5nm điển hình theo hai phương song song vuông góc với phương ghim. Hình 3.4: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms cảm biến 1×5mm với từ trường nằm mặt phẳng màng, theo phương song song vuông góc với từ độ ghim. 29 Đường cong từ hóa theo phương vuông góc có thay đổi từ độ theo từ trường đạt trạng thái bão hòa từ trường HS = 10Oe. Trong khi, từ độ theo phương song song có thay đổi đột ngột dễ dàng đạt trạng thái bão hòa HS = 3Oe. Điều lý giải đo theo phương song song monmen từ lòng vật liệu ghim định hướng gần với phương từ trường ngoài. Như vậy, cảm biến có tính dị hướng từ tinh thể tốt. Ngoài ra, lực kháng từ nhỏ (HC = 1,5Oe). Tính từ mềm hứa hẹn lối cảm biến thay đổi mạnh vùng từ trường nhỏ. 3.3. Tính chất từ - điện trở cảm biến 3.3.1. Sự ảnh hưởng chiều dày lớp màng NiFe tới tín hiệu cảm biến Tín hiệu lối phụ thuộc vào từ trường cảm biến 1×5mm với bề dày khác nhau: 3; 5; 10; 15nm khảo sát. Dòng làm việc cấp cho cảm biến chọn 5mA cho tất mẫu. Với dòng làm việc tín hiệu lối cảm biến có độ ổn định cao, độ nhạy lớn tỉ số tín hiệu/nhiễu cao đồng thời vùng từ trường làm việc nhỏ. Các cảm biến khảo sát thể tính dị hướng theo phương vuông góc với phương từ trường từ hóa ban đầu trở. Kết lối theo phương dị hướng cảm biến theo từ trường thể hình 3.5a. Từ hình vẽ ta thấy, vùng làm việc (vùng tuyến tính) cảm biến nhỏ (< 15Oe). Độ lệch ΔU phụ thuộc mạnh vào bề dày cảm biến: bề dày trở mỏng tín hiệu lối lớn. Giá trị cụ thể ΔU theo bề dày cảm biến thống kê bảng 3.1. Ta thấy bề dày cảm biến giảm từ 15nm xuống 3nm độ lệch tăng từ 2,3m đến 13,1mV tức tăng lên gần lần. Ngoài để đánh giá khả làm việc cảm biến, người ta quan tâm đến độ nhạy cả. Độ nhạy (độ dốc) xác định theo biểu thức (mV/Oe). Hình 3.5b bảng 3.1 cho ta đồ thị giá trị độ nhạy cảm biến tương 30 ứng theo bề dày màng NiFe. Ta thấy độ nhạy cảm biến phụ thuộc mạnh vào bề dày màng NiFe. Độ nhạy tăng bề dày màng giảm. Độ nhạy S tăng gần 12 lần bề dày giảm từ 15nm xuống 3nm. Từ đây, ta nghĩ đến việc giảm bề dày trở để tăng tín hiệu lối độ nhạy cảm biến điều khó thực điều kiện công nghệ không đồng màng NiFe dẫn đến cân cấu trúc cầu điện trở chế tạo. Hình 3.5: (a) Sự thay đổi lối cảm biến 1×5mm theo từ trường với bề dày khác nhau. (b) Độ nhạy cảm biến 1×5mm ứng với bề dày khác trở. Bảng 3.1: Độ lệch độ nhạy cảm biến 1×5mm bề dày thay đổi. Bề dày Độ lệch ΔU (nm) (mV) Độ nhạy (mV/ Oe) 15 2.3 0.09 10 3.45 0.22 0.37 13,1 1,05 31 3.3.2. Tín hiệu lối phụ thuộc vào tỉ số dài/rộng trở Từ kết nghiên cứu tín hiệu lối phụ thuộc vào bề dày cảm biến, ta lựa chọn màng chế tạo 3nm để khảo sát phụ thuộc tín hiệu lối vào tỉ số kích thước dài/rộng trở. Ở đây, chiều rộng trở giữ không đổi 1mm chiều dài thay đổi ứng với giá trị 3; 5; 7mm. Sự phụ thuộc tín hiệu cảm biến độ nhạy cảm biến tương ứng thể hình 3.6a 3.6b. Hình 3.6: Sự phụ thuộc lối cảm biến theo từ trường thay đổi tỉ số dài/rộng trở với thang từ trường lớn (a) nhỏ (b). Từ hình vẽ ta thấy tín hiệu lối cảm biến phụ thuộc mạnh vào tỉ số dài/rộng trở. Độ lệch độ nhạy tăng lên tăng tỉ số dài/rộng thanh: ΔU tăng từ 3,2mV ứng với mẫu 1x3mm lên đến 18mV ứng với mẫu 1x7mm, tức tăng lên lần; độ nhạy S cảm biến tăng tương ứng 0,15 m /Oe lên đến 1,07 mV/Oe. Giá trị cụ thể độ lệch độ nhạy tương ứng với cảm biến bảng 3.2. 32 Bảng 3.2. Độ lệch độ nhạy cảm biến thay đổi tỉ số dài/rộng trở. Loại cảm biến Độ lệch ΔU Độ nhạy (mV) (mV/ Oe) 1x3mm 3,2 0,15 1x5mm 13,1 1,05 1x7mm 18 1,07 Từ kết nghiên cứu ta kết luận, tín hiệu lối cảm biến phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng bao gồm bề dày tỉ số dài/rộng trở. Từ đây, ta suy tính dị hướng hình dạng lớn điện trở trở NiFe lớn. Điều dẫn tới việc thay đổi mạnh điện trở theo cặp trở đặt từ trường làm cho hiệu tăng mẫu có tính dị hướng cao. Với công nghệ chế tạo đơn giản sử dụng mặt nạ Polymer màng đơn lớp kết đạt ΔU = 18m độ nhạy S = 1,07mV/Oe cảm biến có cấu hình 1x7mm bề dày 3nm dòng điện 5mA so sánh với cảm biến chức sử dụng công nghệ phức tạp quang khắc, chế tạo màng đa lớp . dựa hiệu ứng spin-van hay TMR . công bố [5]. 33 KẾT LUẬN Với việc ứng dụng công nghệ chế tạo cảm biến nhờ vào hệ thống thiết bị máy phún xạ catot, máy cắt laser, thiết bị từ kế mẫu rung hệ đo điện từ phòng thí nghiệm Micro - nano, nghiên cứu chế tạo cảm biến có cấu hình mạch cầu Wheastones hoạt động dựa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng (AMR). Trong khóa luận, thực số công việc sau: - Nghiên cứu lựa chọn cảm biến có cấu hình dạng mạch cầu Wheatstone - Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước trở mạch cầu lên tính chất cảm biến. - Nghiên cứu ảnh hưởng bề dày màng NiFe lên tính chất cảm biến Với công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, cảm biến chế tạo có độ nhạy cao so sánh với thiết bị cảm biến công bố. 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano điện tử học spin, NXB ĐHQG Hà Nội. Tiếng Anh [2]. Bridgeman, P. W. (1939), Biographical Memoir of Edwin Herbert Hall, National Academy of Sciences. [3]. D. Astrov Sov (1960), Phys. JETP 11, 708. [4]. Dieny, V.S.Speriosu, S. Metin, S. S. P. Parkin, B. A. Gurney, P. Baumgart, and D. R. Wilhoit (1991), “Magnetontransport properties of magnetically soft spin-valve (invited)”, J. Appl. Phys. (69), 4774. [5]. Fred Hochgraf (1998), Materials Handbook, Ninth Edition, Vol.10. [6]. Gould, R. Gordon (1959). “The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, In Franken, P.A. and Sands, R.H. (Eds.). The Ann Arbor Conference on Optical Pumping, the University of Michigan, p. 128. OCLC 02460155. [7]. I. Dzyaloshinskii Zh (1960), Exp. Teor. Fiz. 37, 881. [8]. Janice Nickel (1995), Magnetoresistance Overview, Hewlett-Packard Laboratories, Technical Publications Department. [9]. Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, (2007), Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters 123513. [10]. L. Landau & E. Lifshitz (1960), "Electrodynamics of continuous media" Pergamon press [11]. Michael, J. Caruso, Applications of meagnetoresistive sensors in navigation systems, Honey Well InC. [12]. P. Curie J. Physique (1894), 3i`eme s'erie III. 35 [13]. P. Debye Z. Phys (1926), 36, 300. [14]. Robert C. O’Handley (2000), Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, John Wiley & Sons. [15]. Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jiefang Li, and D. Vi1ehland (2006), Appl. Phys. Lett, 89 252904. [16]. Siegman, Anthony E (1986), “Lasers”, University Science Books, p. 2. ISBN 0-935702-11 36 [...]...- Chế tạo cảm biến với kích thước khác nhau, khảo sát tín hiệu và độ nhạy của cảm biến 2 Mục đích nghiên cứu - Chế tạo cảm biến dạng mạch cầu tròn dựa trên hiệu ứng AMR - Khảo sát các tính chất từ, từ điện trở của cảm biến 3 Đối tượng nghiên cứu Cảm biến mạch cầu tròn dựa trên hiệu ứng AMR 4 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp thực nghiệm: - Chế tạo cảm biến với vật liệu Ni80Fe20... điện từ như thiết kế hình 2.12b (a) (b) Hình 2.12: (a) Cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh (b) Cảm biến được kết nối với hệ đo điện từ 26 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính ưu việt của cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone Với mục đích l giải tại sao chúng tôi lựa chọn mạch cầu Wheatstone là cấu hình của cảm biến Cảm biến có dạng đơn thanh điện trở có kích thước 1×5 mm và cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone. .. và đo về của cảm biến bị trôi đi nhiều Trong khi đó ở hình 3.1b là đường tín hiệu điện áp lối ra theo từ trường ngoài của cảm biến có dạng mạch cầu Wheatstone thì là cho kết quả hoàn toàn khác Cảm biến dạng mạch cầu không có nhiễu nền, đường tín hiệu đo đi và đo về gần như trùng lên nhau Điều này có thể được giải thích là với cảm biến dạng đơn thanh trở xảy ra hiện tượng nhiễu Do cảm biến là dạng đơn... cấp cho cảm biến một dòng không đổi có cường độ 5mA, dòng điện này làm cho cảm biến sinh nhiệt, đặc biệt là khi ta khảo sát trong một thời gian dài nhiệt trong cảm biến dần tăng lên dẫn tới hiện tượng trôi của tín hiệu lối ra Còn với trường hợp cảm biến có dạng mạch cầu Wheatstone gồm có 4 thanh điện trở thành phần được mắc đối xứng nhau, nhờ vào thiết kế đối xứng này giúp cho cảm biến dạng cầu có khả... được cảm biến hoàn chỉnh như hình 2.9 Hình 2.9: Cảm biến thu được sau quá trình phún xạ điện cực 2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến 2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến Hình 2.10a là sơ đồ nguyên l của thiết bị từ kế mẫu rung Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) là thiết bị cho phép đo từ độ tổng 23 cộng M của mẫu vật liệu từ, hoạt động trên nguyên lý thu tín hiệu cảm. .. lượng từ và ngược lại Nhờ tính chất này, hiệu ứng này đã và đang được nghiên cứu và khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại đây Để hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo cảm biến đo từ trường, hiệu ứng 5 điện từ thuận tỏ ra có nhiều ưu thế do khả năng chuyển đổi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lối ra 1.2 Nhiễu cảm biến Tín hiệu lối ra của cảm biến luôn bị tác động bởi các. .. ứng đã được sử dụng trong đó: 1 mặt nạ để chế tạo các thanh điện trở (phần nhạy từ) và 1 mặt nạ để chế tạo điện cực cho cảm biến Thiết kế mặt nạ của các cảm biến được chỉ ra ở hình 2.4 điển hình cho cảm biến 1×5mm Hình 2.4: Hệ mask của cảm biến 1× 5mm: Với (a) là mặt nạ điện trở, (b) là mặt nạ điện cực, (c) hình dạng cảm biến hoàn thiện Bảng 2.2 dưới đây là các thông số cắt mặt nạ của máy laser VLS3.60... các mặt nạ điện trở ta thu được các thanh trở có cấu trúc Ta/NiFe/Ta như hình 2.8 Hình 2.8: Thanh điện trở của mạch cầu Wheatstone sau khi được phún xạ tạo màng Ta/NiFe/Ta 22 2.1.3.3 Phún xạ tạo màng điện cực Với mục đích kết nối các thanh điện trở tạo mạch cầu và tạo các điện cực, các điện cực bằng vật liệu Cu đã được chế tạo Quy trình này tương tự như quy trình phún xạ tạo màng điện trở cho cảm biến, ... dụng để đo một điện trở chưa xác định, bằng cách so sánh hai nhánh của 1 mạch cầu, trong đó một nhánh chứa thành phần điện trở chưa xác định Mạch cầu Wheatstone được phát minh bởi Samuel Hunter Christe vào năm 1833 và được phát triển, đưa vào sử dụng rộng rãi bởi Sir Charles Wheatstone vào năm 1834 Cấu trúc của một mạch cầu Wheatstone (xem hình 1.5) bao gồm có bốn điện trở R1, R2, R3, R4 được mắc song... đầu mạch cầu cân bằng, điện thế lối ra được biểu diễn sẽ như sau: hay Khi đó, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình (1.13) khi có sự thay đổi của các điện trở thành phần trong mạch cầu, với sự thay đổi điện trở là nhỏ hơn 5% như công thức (1.14): (1.14) 12 Từ công thức (1.14) chúng ta thấy sự thay đổi điện trở của hai nhánh liền kề trong mạch cầu tự triệt tiêu nhau nên mạch cầu có thể dùng làm mạch . PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN TỪ DỰA TRÊN MẠCH CẦU WHEATSTONE CÓ CẤU TRÚC CÁC NHÁNH DÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ. PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN TỪ DỰA TRÊN MẠCH CẦU WHEATSTONE CÓ CẤU TRÚC CÁC NHÁNH DÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến 1.1.1 Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall Hiu ng Hall c phát hiEdwin