TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ THU NGỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRỞ DỊ HƢỚNG CẤU TRÚC Ta/NiFe(5nm)/Ta KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC LỜI CAM ĐOAN LỜI CAM ĐOAN HÀ NỘI , 2015 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ THU NGỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRỞ DỊ HƢỚNG CẤU TRÚC Ta/NiFe(5nm)/Ta Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS BÙI ĐÌNH TÚ HÀ NỘI , 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu khoa học khóa luận hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố nơi khác Mọi nguồn tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn cách rõ ràng Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên Trần Thị Thu Ngọc LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Bùi Đình Tú hƣớng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian em làm khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô anh chị Phòng Thí nghiệm công nghệ Micro - Nano trƣờng Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ, tạo điều kiện suốt thời gian em làm việc phòng Trong trình thực khóa luận em nhận đƣợc nhiều giúp đỡ thầy cô bạn trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội Em xin trân thành cảm ơn giúp đỡ thầy cô bạn Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên Trần Thị Thu Ngọc DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Nguồn gốc vật lý AMR Hình 1.2: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc dòng điện hƣớng vectơ từ hoá Hình 2.1: Thiết bị quay phủ SussMicroTec bảng điều khiển Hình 2.2: Thiết bị quang khắc MJB4 10 Hình 2.3: Buồng xử lí mẫu 12 Hình 2.4: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC 13 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của thiế t bi ̣tƣ̀ kế mẫu rung (b) Thiế t bi ̣tƣ̀ kế mẫu rung VSM 15 Hình 2.6: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 15 Hình 3.1: Sơ đồ chung quy trình chế tạo cảm biến 17 Hình 3.2: Ảnh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone 20 Hình 3.3: Mạch cầu điện trở sau phún xạ lift- off 21 Hình 3.4: Ảnh chụp mask điện cực 22 Hình 3.5: Ảnh chụp cảm biến sau phún xạ lift-off 23 Hình 3.6: (Trái) Đƣờng cong từ hóa màng có bề dày khác nm đo theo phƣơng song song từ trƣờng ghim (Hbias), (Phải) phụ thuộc tín hiệu điện áp lối vào từ trƣờng màng tƣơng ứng, dòng cấp 5mA 24 Hình 3.7: Sự phụ thuộc lối theo từ trƣờng chiều, đo 1mA: (Trái) thang đo từ trƣờng lớn, (Phải) thang đo từ trƣờng nhỏ 26 Hình 3.8: Sự phụ thuộc lối theo từ trƣờng chiều, đo dòng 1, 2, 3mA: (Trái) thang đo từ trƣờng lớn, (Phải) thang đo từ trƣờng nhỏ 27 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các thông số trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E 19 Bảng 3.2: Thông số phún xạ tạo điện trở cấu trúc cầu 21 Bảng 3.3: Các thông số phún điện cực 22 Bảng 3.4: Độ lệch độ nhạy cảm biến 27 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu khóa luận Đối tƣợng nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng 1.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Các thiết bị sử dụng khóa luận 2.1.1 Thiết bị quay phủ 2.1.2 Hệ quang khắc 10 2.1.3 Kính hiển vi quang học 11 2.1.4 Buồng xử lý mẫu 12 2.1.5 Thiết bị phún xạ 13 2.2 Các phƣơng pháp khảo sát tính chất cảm biến 14 2.2.1 Khảo sát tính chất từ cảm biến 14 2.2.2 Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến 15 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 17 3.1 Quy trình chế tạo cảm biến 17 3.1.1 Chế tạo điện trở dạng cầu Wheatstone 18 3.1.2 Chế tạo điện cực 21 3.2 Kết thảo luận 23 3.2.1 Tính chất từ từ điện trở màng 23 3.2.2 Tính từ điện trở cảm biến cầu Wheatstone 24 3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng 24 3.2.2.2 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng với dòng cấp khác 26 KẾT LUẬN 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trên giới có nhiều loại cảm biến dựa hiệu ứng khác đƣợc sử dụng để đo từ trƣờng thấp cỡ từ trƣờng Trái đất đƣợc công bố Tuy vậy, cảm biến thƣờng có kích thƣớc cồng kềnh gặp phải loại nhiễu ảnh hƣởng tới tín hiệu Ngoài ra, số cảm biến hoạt động tốt nhƣng lại có cấu trúc dạng màng đa lớp phức tạp nhƣ cảm biến dựa hiệu ứng Spin-van, TMR Với mục tiêu chế tạo cảm biến đo từ trƣờng thấp giảm thiểu ảnh hƣởng loại nhiễu đặc biệt nhiễu nhiệt, tối ƣu hóa kích thƣớc, đơn giản hóa qui trình công nghệ , giảm chi phí sản xuất, lựa chọn thiết kế cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone hoạt động dựa hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (AMR) Với thiết kế dạng mạch cầu Wheatstone này, ảnh hƣởng nhiễu nhiệt lên tín hiệu cảm biến đƣợc giảm tối đa tăng cƣờng đƣợc độ nhạy cảm biến Trong khóa luận này, vật liệu đƣợc lựa chọn để chế tạo cho điện trở cảm biến Ni80Fe20 – vật liệu từ mềm có lực kháng từ Hc nhỏ, độ từ thẩm cao phù hợp cho việc chế tạo cảm biến có độ nhạy cao ổn định vùng từ trƣờng thấp Vì khả đo đƣợc từ trƣờng trái đất, cảm biến đƣợc kỳ vọng phát triển ứng dụng lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trƣờng, khoa học kỹ thuật quân sự, phƣơng tiện giao thông, theo mục đích em chọn đề tài nghiên cứu khóa luận “Nghiên cứu chế tạo cảm biến cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng cấu trúc Ta/NiFe(5nm)/Ta” làm đề tài nghiên cứu khóa luận Mục tiêu khóa luận - Chế tạo cảm biến dạng cầu dựa hiệu ứng AMR - Khảo sát tính chất từ, từ điện trở cảm biến Đối tƣợng nghiên cứu - Cảm biến dạng cầu dựa hiệu ứng AMR Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm - Chế tạo cảm biến với vật liệu Ni80Fe20 - Khảo sát tính chất cảm biến chế tạo Cấu trúc khóa luận gồm chƣơng Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 3: Thực nghiệm thảo luận Bốn chân đƣợc nối với cảm biến: chân để cấp dòng không đổi nguồn chiều DC, chân lại để lấy lối đƣợc đo máy đo Keithley Nam châm điện tạo từ trƣờng chiều lên tới 1T Bộ phận đo từ trƣờng Gausmeter Tín hiệu lối Gausmeter đƣợc đƣa vào đồng hồ vạn Keithley Tín hiệu lối Keithley đƣợc truyền sang máy tính điện tử thông qua Card IEEE-488 Toàn trình thu thập số liệu hệ đo đƣợc thực dƣới điều khiển tự động chƣơng trình phần mềm viết ngôn ngữ Passcal Kết phép đo đƣợc hiển thị hình dƣới dạng đồ thị trục tung hiệu điện lối cảm biến U(mv), trục hoành từ trƣờng µ0H(T) đƣợc ghi ổ cứng máy tính dạng tệp số liệu Kết luận chƣơng Trong chƣơng 2, trình bày thiết bị hóa chất dùng để chế tạo cảm biến thiết bị quay phủ chất cản quang, hệ quang khắc, kính hiển vi, thiết bị phún xạ, hóa chất nhƣ cồn, axeton, chất cản quang, dung dịch developer Chúng trình bày phƣơng pháp đo hiệu ứng từ điện trở phƣơng pháp đo từ kế mẫu rung để khảo sát tính chất điện từ cảm biến 16 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1 Quy trình chế tạo cảm biến (1) Làm đế Si/Si02 (6) Phủ chất cản quang (2) Phủ chất cản quang (7) Quang khắc (UV) (3) Quang khắc (UV) (8) Phủ điện cực Cu (4) Phủ màng NiFe (5) Lift – off (9) Lift – off Hình 3.1: Sơ đồ chung quy trình chế tạo cảm biến Nhƣ trình bày phần mạch cầu điện trở Wheatstone, chọn mạch cầu điện trở Wheatstone làm cấu hình chế tạo cảm biến Mục đích lựa chọn mạch cầu Wheatstone có khả giảm tối đa nhiễu môi trƣờng Theo đó, mạch cầu có bốn điện trở, bốn điện trở có kích thƣớc 0,45 x 4mm với bề dày 5nm Chúng lựa chọn vật liệu chế tạo điện trở Ni80Fe20 - loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ Oe ÷ Oe), thích hợp để chế tạo cảm 17 biến có độ nhạy cao ổn định vùng từ trƣờng nhỏ Để nối trở điện trở để nối điện trở với nhau, chọn Cu Cu dẫn điện tốt Do điện trở mạch cầu có kích thƣớc nhỏ nên tiến hành chế tạo điện cực Cu để hàn dây đo tín hiệu cảm biến Chúng sử dụng công nghệ quang khắc công nghệ phún xạ để chế tạo cảm biến Toàn quy trình chế tạo biến đƣợc thực Phòng Thí nghiệm Micro - Nano trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội Quy trình chế tạo cảm biến trải qua hai giai đoạn chế tạo mạch cầu điện trở Wheatstone chế tạo điện cực, bao gồm bƣớc đƣợc minh họa hình 3.1 mẫu đƣợc phủ lớp cản quang, sau đem quang khắc phún màng, cuối tiến hành lift – off 3.1.1 Chế tạo điện trở dạng cầu Wheatstone 3.1.1.1 Quá trình quang khắc Làm bề mặt mẫu (bước 1) Đế đƣợc dùng để chế tạo cảm biến đế Si, mặt đƣợc oxi hóa thành lớp SiO2 (có chiều dày khoảng từ 500 nm đến 1000 nm) để cách điện đế với màng đế Trên đế Si có nhiều chất bẩn chất hữu nên ta phải làm đế để không ảnh hƣởng tới chất lƣợng màng - Chuẩn bị đế Si/SiO2 - Cho đế vào dung dịch axeton, rung siêu âm phút để loại bỏ hết chất chất bẩn chất hữu đế - Sau rung siêu âm, cho đế vào dung dịch cồn, lắc để loại bỏ hết axeton bám đế - Cho đế vào nƣớc DI để rửa cồn bám dính - Xì khô khí N2, cho lên bếp nung 1000 thời gian phút để bốc bay hết nƣớc bề mặt đế Quay phủ mẫu với chất cản quang AZ5214-E (bước 2) 18 - Các mẫu đƣợc phủ lớp cản quang cách cho mẫu quay thiết bị quay phủ (spin coater) SussMicroTec - Chất cản quang sử dụng AZ5214-E (AZ5214-E chất cản quang đặc biệt, đƣợc sử dụng cho trình quang khắc dƣơng âm) Quá trình quay phủ gồm bƣớc với thông số cho bảng 3.1 Độ dày chất cản quang đƣợc tính theo công thức (3.1): 𝑇𝑃𝑅 ~ (3.1) 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 Với tốc độ quay phủ cho bảng 3.1 chiều dày chất cản quang sau nung khoảng 3µm Bảng 3.1: Các thông số trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E Bƣớc Tốc độ quay phủ (v/p) Số lần gia tốc Thời gian(s) 600 3500 30 Chiếu tia UV (có mask)(bước 3) Trong trình quang khắc, đặt máy quang khắc với thông số: cƣờng độ chiếu sáng 1,1mW/cm2, công suất chiếu sáng 240W Các mẫu sau sấy đƣợc chiếu tia UV khoảng 180s với mask sử dụng mask dành cho chế tạo mạch cầu Wheatstone hình 3.2 19 Hình 3.2: Ảnh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone Cho mẫu vào dung dịch developer AZ300MIF để tráng rửa hình Lắc mẫu khoảng phút đến phần cản quang phủ điện trở cần tạo hình bị rửa trôi hết Cho vào nƣớc DI khuấy cho trôi hết developer bề mặt mẫu Quan sát mẫu dƣới kính hiển vi, thấy đế xuất điện trở mạch cầu Wheatstone, chứng tỏ trình quang khắc thành công 3.1.1.2 Quá trình phún xạ Sau tạo hình cho điện trở mạch cầu Wheatstone, mẫu đƣợc đem phún xạ lớp vật liệu nhạy từ trƣờng NiFe Lấy mẫu sau tráng rửa gắn vào giá giữ mẫu có từ trƣờng ghim 900Oe, ta phún màng có cấu trúc dạng: Ta/Ni80Fe20 Mục đích việc phún lớp Ta lớp Ni80Fe20 bám vào đế tăng cƣờng dị hƣớng cho lớp Ni80Fe20 Các thông số trình phún đƣợc cho bảng 3.2 Khi phún xong, tiến hành lift-off Lấy mẫu cho vào cốc đựng axeton rung siêu âm khoảng phút Phần màng phún chất cản quang bị trôi hết trình rung siêu âm, lại phần màng phún dạng mạch cầu Wheatstone (hình 3.3) 20 Bảng 3.2: Thông số phún xạ tạo điện trở cấu trúc cầu Màng Chân không Áp suất Công suất Vận tốc quay sở Pbase khí Ar phún Ta đế Chiều dày màng 2,2 mTorr 25W 30 prm 5nm 2,2 mTorr 75W 30 prm 5nm 2*10-7 Torr NiFe Hình 3.3: Mạch cầu điện trở sau phún xạ lift- off 3.1.2 Chế tạo điện cực Sau chế tạo đƣợc phần nhạy từ cảm biến cầu (hình 3.3) hay điện trở từ, tiến hành chế tạo điện cực đồng để nối điện trở với Quy trình chế tạo điện cực bao gồm bƣớc nhƣ quy trình chế tạo điện trở, khác quang khắc dùng mask chế tạo điện cực 21 Hình 3.4: Ảnh chụp mask điện cực Cấu trúc màng mỏng điện cực phún xạ có dạng: Ta(5nm)/Cu(15nm) Các thông số trình phún đƣợc cho bảng 3.3 Bảng 3.3: Các thông số phún điện cực Màng Ta Chân không Áp suất Công suất Vận tốc quay sở Pbase khí Ar phún đế Chiều dày màng 2,2 mTorr 25W 30 prm 5nm 2,2 mTorr 30W 30 prm 15nm 2.5*10-7 Torr Cu 22 Hình 3.5: Ảnh chụp cảm biến sau phún xạ lift-off Sau phún xạ lift-off, ta thấy điện trở mạch cầu điện cực có hình dạng rõ ràng giống hình dạng mask mạch cầu mask điện cực, kích thƣớc điện trở điện cực đồng đều, đƣờng biên sắc nét (hình 3.5) 3.2 Kết thảo luận 3.2.1 Tính chất từ từ điện trở màng Hình 3.6 (bên trái ) đƣờng cong từ trễ tỉ đối M/MS màng mỏng NiFe với bề dày khác 5nm đƣợc thực theo từ trƣờng nằm mặt phẳng màng song song với từ trƣờng ghim ban đầu Kết cho thấy màng thể tính chất từ mềm với lực kháng từ mômen từ bão hòa từ trƣờng nhỏ, đƣờng cong tỉ đối dốc Tính chất đƣợc trông đợi chế tạo cảm biến cho lối lớn vùng từ trƣờng nhỏ 23 Hình 3.6 (Trái) Đường cong từ hóa màng có bề dày khác nm đo theo phương song song từ trường ghim (Hbias), (Phải) Sự phụ thuộc tín hiệu điện áp lối vào từ trường màng tương ứng Ta thấy màng cho ta tín hiệu lối phụ thuộc vào từ trƣờng nhỏ, tín hiệu nhiễu, không ổn định (hình 3.6 phải) Điều đƣợc giải thích loại nhiễu nhƣ nhiễu nhiệt ảnh hƣởng đến tín hiệu từđiện trở màng 3.2.2 Tính từ điện trở cảm biến cầu Wheatstone 3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường Hiệu ứng từ - điện trở cảm biến đƣợc nghiên cứu thông qua phép khảo sát thay đổi điện áp lối theo từ trƣờng sử dụng hệ đo từ - điện trở Trong trình đo, cảm biến đƣợc cấp dòng chiều có cƣờng độ 1mA, từ trƣờng tác dụng theo phƣơng vuông góc với phƣơng ghim cảm biến Đƣờng cong hình 3.7 (trái) thay đổi liên tục điện áp lối theo từ trƣờng tác dụng vào cảm biến dải từ trƣờng – 120 Oe ÷ 120 Oe Từ đồ thị nhận thấy vùng từ trƣờng nằm 50 Oe 50 Oe tín hiệu lối cảm biến gần nhƣ không thay đổi Điều đƣợc giải thích vùng từ trƣờng từ độ toàn 24 điện trở mạch cầu đạt trạng thái bão hòa hay momen từ trở gần nhƣ hƣớng hoàn toàn theo từ trƣờng ổn định trạng thái Vì mà điện áp lối cảm biến vùng từ trƣờng gần nhƣ không thay đổi Khi giảm dần từ trƣờng không momen từ có xu hƣớng trở lại trạng thái ban đầu dẫn tới việc điện trở thành phần mạch cầu có thay đổi kéo theo biến đổi điện áp lối Ngoài đƣờng cong tín hiệu, thấy đƣờng tín hiệu đo đo không trùng khít lên vùng từ trƣờng nhỏ, điều đƣợc lý giải tƣợng từ trễ vật liệu Hình 3.7 (phải) phụ thuộc điện áp lối vùng từ trƣờng 18÷ 28 Oe cảm biến, vùng từ trƣờng mà cảm biến có biến thiên điện áp lối mạnh Nhờ vào việc khảo sát xác định đƣợc độ nhạy cảm biến 25 Hình 3.7: Sự phụ thuộc lối theo từ trường chiều, đo 1mA, (Trái) thang đo từ trường lớn, (Phải) thang đo từ trường nhỏ Độ lệch cảm biến đạt giá trị ΔV = mV Với mục đích ứng dụng cảm biến việc đo từ trƣờng thấp độ nhạy cảm biến đƣợc quan tâm cả, độ nhạy cảm biến đƣợc xác định theo biểu thức S = ∆V ∆H (mV/ Oe), ta tính đƣợc SH = 0,2 mV/Oe 3.2.2.2 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường với dòng cấp khác Thế lối cảm biến phụ thuộc vào dòng điện đƣợc cấp Để khảo sát phụ thuộc này, tiến hành đo lối cảm biến theo từ trƣờng với dòng cấp 1mA, 2mA, 3mA điều kiện khác đƣợc giữ nguyên Kết đo đƣợc biểu diễn hình 3.8 26 Hình 3.8: Sự phụ thuộc lối theo từ trường chiều, đo dòng 1, 2, 3mA: (Trái) Trong thang đo từ trường lớn, (Phải) Trong thang đo từ trường nhỏ Từ đồ thị hình 3.8, ta thấy độ lệch độ nhạy cảm biến tăng dòng cấp tăng Kết đƣợc thể dƣới bảng Bảng 3.4: Độ lệch độ nhạy cảm biến Dòng cấp I Độ lệch ∆V Độ nhạy S (mA) (mV) (mV/Oe) 4,0 0,2 8,00 0,22 12,2 0,28 Từ bảng số liệu 3.4 ta thấy, độ lệch tăng tuyến tính theo dòng điện Sƣ phụ thuộc tuyến tính thực hoàn toàn suy luận từ lý thuyết Theo công thức tín hiệu lối sensor phụ thuộc vào dòng điện V  V V  cos(2 ) 2 27 V = ΔV cos2(θ) = I R cos2(θ) Nếu giả thiết điện trở (R) không thay đổi khoảng dòng khảo sát, rõ ràng, lối (V) cảm biến hàm bậc cƣờng độ dòng cấp Kết cho nhìn trực quan mạch cầu Wheatstone có tín hiệu lối bị ảnh hƣởng nhiễu nhiệt Điều tạo sở thực tế để lựa chọn chế độ cấp dòng cảm biến đƣợc ứng dụng Cảm biến chế tạo đƣợc có độ nhạy lớn 0,28 mV/Oe, giá trị nhỏ so với hiệu ứng AMR mạch cầu Wheatstone công bố giới [4] nhƣng so với cảm biến có chức dựa cấu trúc phức tạp nhƣ Hall, van-spin tín hiệu lớn nhiều [3, 5] 28 KẾT LUẬN Trong thời gian ngắn nghiên cứu đề tài khóa luận tốt nghiệp, đề tài thu đƣợc số kết sau: - Đã nghiên cứu đƣợc tổng quan hiệu ứng từ điện, nguyên lý hoạt động loại cảm biến từ - Chế tạo đƣợc cảm biến hoạt động dựa mạch cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng kích thƣớc 4,0 x 0,45mm, dày 5nm - Khảo sát tín hiệu lối cảm biến theo từ trƣờng với dòng khác cho giá trị lớn ∆V = 12,2mV, độ nhạy S = 0,28 mV/Oe, dòng cấp 3mA - Tín hiệu cảm biến nhỏ so với hiệu ứng AMR mạch cầu Wheatstone công bố giới nhƣng so với cảm biến có chức dựa cấu trúc phức tạp nhƣ Hall, van-spin tín hiệu lớn nhiều 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano điện tử học spin, NXB DHQG Hà Nội [2] Thân Đức Hiền, Lƣu Tuấn Tài (2008), Từ học vật liệu từ, NXB Bách Khoa – Hà Nội Tiếng Anh [3] Tran Quang Hung, Jong-Ryul Jeong, Dong-Young Kim, Nguyen Huu Duc and CheolGi Kim, Hybrid planar Hall-magnetoresistance sensor based on tilted cross-junction, J Phys D: Appl Phys 42,055007, 2009 [4] M J Haji-Sheikh and Y Yoo, “An accurate model of a highly ordered 81/19 Permalloy AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ringmagnet”, IJISTA, 3, No (1/2), 95–105, 2007 [5] Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGiKim, Optimization of spinvalve structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for planar Hall effect based biochips 30 [...]... tính chất từ điện trở của cảm biến Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu trong khóa luận đƣợc thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra (hoặc điện trở) của cảm biến dƣới tác dụng của từ trƣờng Trong khóa luận, hiệu ứng từ điện trở của cảm biến đƣợc nghiên cứu nhờ vào hệ đo đƣợc bố trí nhƣ hình 2.6 Hình 2.6: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 15 Bốn chân đƣợc nối với cảm biến: 2... 3.1.2 Chế tạo các điện cực Sau khi đã chế tạo đƣợc 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 bƣớc nhƣ quy trình chế tạo điện trở, chỉ khác khi quang khắc dùng mask chế tạo điện cực 21 Hình 3.4: Ảnh chụp mask điện cực Cấu trúc màng mỏng điện cực khi phún xạ có dạng: Ta( 5nm)/Cu(15nm)... chƣơng 1, chúng tôi đã trình bày các hiệu ứng từ điện trở và cảm biến dạng cầu Wheatstone Ở chƣơng này, chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết của hiệu ứng từ điện trở và chọn hiệu ứng này làm cơ sở chế tạo cảm biến Qua nghiên cứu về một số loại nhiễu thì cảm biến nào cũng bị ảnh hƣởng bởi nhiễu nhiệt, do đó chúng tôi đã lựa chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm nhiễu nhiệt 8 CHƢƠNG 2 PHƢƠNG... rất nhỏ, tín hiệu nền rất nhiễu, không ổn định (hình 3.6 phải) Điều này có thể đƣợc giải thích do các loại nhiễu nhƣ nhiễu nhiệt ảnh hƣởng đến tín hiệu từ iện trở của màng 3.2.2 Tính từ điện trở trên cảm biến cầu Wheatstone 3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài Hiệu ứng từ - điện trở của cảm biến đƣợc nghiên cứu thông qua phép khảo sát sự thay đổi của điện áp lối ra theo từ trƣờng ngoài... TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng Hiệu ứng từ điện trở xuất hiện trong một vật liệu sắt từ Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn dƣới tác động của từ trƣờng, đƣợc xác định bằng công thức [1] 𝑀𝑅 = ∆𝜌 𝜌 0 − 𝜌(𝐻) 𝑅 0 − 𝑅(𝐻) = = 𝜌 𝜌(0) 𝑅(0) (1.1) Trong đó, ρ(0), ρ(H), R(0), R(H) lần lƣợt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn khi không có từ trƣờng... trong phần mạch cầu điện trở Wheatstone, chúng tôi đã chọn mạch cầu điện trở Wheatstone làm cấu hình chế tạo cảm biến Mục đích của sự lựa chọn này là do mạch cầu Wheatstone có khả năng giảm tối đa nhiễu của môi trƣờng Theo đó, trong mạch cầu sẽ có bốn điện trở, bốn điện trở này sẽ có kích thƣớc bằng nhau là 0,45 x 4mm với bề dày 5nm Chúng tôi cũng đã lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là Ni80Fe20... loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ 3 Oe ÷ 5 Oe), rất thích hợp để chế tạo các cảm 17 biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trƣờng nhỏ Để nối các thanh trở trong một điện trở và để nối các điện trở với nhau, chúng tôi chọn Cu vì Cu dẫn điện tốt Do các điện trở trong mạch cầu có kích thƣớc nhỏ nên chúng tôi đã tiến hành chế tạo điện cực bằng Cu để hàn dây đo tín hiệu cảm biến Chúng tôi... cảm biến là Ni80Fe20 là vật liệu từ mềm (HC = 3÷5 Oe), vật liệu này rất thích hợp để chế tạo cảm biến có độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng thấp Mạch cầu điện trở Wheatstone gồm 4 điện trở bằng nhau nhƣng 7 đƣợc thiết kế 2 điện trở đối diện có dị hƣớng hình dạng giống nhau và 2 điện trở liền kề khác nhau Nhờ vậy, dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài tín hiệu lối ra của cảm biến thu đƣợc sẽ lớn hơn Kết luận... liệu từ, hoạt động trên nguyên lý thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu đo trong từ trƣờng Mẫu đo đƣợc gắn vào một cần rung không có từ tính và đƣợc đặt vào một vùng từ trƣờng đều tạo bởi hai cực nam châm điện Mẫu bị từ hóa trong từ trƣờng đều, do đó khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V... thay đổi điện trở và điện trở cực đại khi có tác dụng của từ trƣờng ngoài 4 Từ (1.2) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào  nhƣ hình 1.2 Hình 1.2: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hoá 1.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone Mạch cầu Wheatstone là mạch điện đƣợc sử dụng để đo một điện trở chƣa xác định, bằng cách so sánh hai nhánh của 1 mạch cầu, trong ... nghiên cứu khóa luận Nghiên cứu chế tạo cảm biến cầu Wheatstone dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng cấu trúc Ta/ NiFe(5nm) /Ta làm đề tài nghiên cứu khóa luận Mục tiêu khóa luận - Chế tạo cảm biến. .. trình bày hiệu ứng từ điện trở cảm biến dạng cầu Wheatstone Ở chƣơng này, nghiên cứu lý thuyết hiệu ứng từ điện trở chọn hiệu ứng làm sở chế tạo cảm biến Qua nghiên cứu số loại nhiễu cảm biến bị... hƣởng đến tín hiệu từ iện trở màng 3.2.2 Tính từ điện trở cảm biến cầu Wheatstone 3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường Hiệu ứng từ - điện trở cảm biến đƣợc nghiên cứu thông qua phép