Thiết kế cảm biến từ trường 3D độ nhạy cao kết hợp với bộ khuếch đại từ tính

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Thiết kế cảm biến từ trường 3D độ nhạy cao
kết hợp với bộ khuếch đại từ tính
Đào Đình Hà1, Hồng Ngọc Tùng2
1

Khoa Vơ tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự
Khoa Kỹ thuật Tác chiến Điện tử, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Thông tin
Email: ,

2

của cảm biến từ trường Hall là sử dụng các màng mỏng
chế tạo từ vật liệu n-InSb có độ linh động điện tử cao,
kết quả độ nhạy thu được lên đến 500 μV/mT và
ngưỡng từ trường nhỏ nhất là 0,01 mT. Sử dụng vật
liệu GaAs cũng làm tăng độ nhạy lên khoảng 2-3 lần so
với các giải pháp dựa trên vật liệu tiêu chuẩn Si
(Silicon) [2]. Trong [3] trình bày các phần tử từ trở
màng mỏng chế tạo từ vật liệu sắt từ Permalloy có độ
nhạy vào khoảng 10 V/T, hoạt động trong dải tần số lên
đến 1 MHz ở nhiệt độ phịng, tỷ số của tín hiệu trên tạp
nhiễu xấp xỉ 97 dB, độ nhạy thu được cao hơn 20 lần
so với độ nhạy của phần tử Hall cổ điển trên cấu trúc
vật liệu dị thể nInSb/GaAs, tuy nhiên nhược điểm trong
các trường hợp này là hoạt động không ổn định theo
thời gian và tăng mức tạp nhiễu của cảm biến. Có
nghĩa là, việc sử dụng cảm biến theo thiết kế truyền
thống để đo từ trường yếu là không hiệu quả.

Abstract— Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của
Internet kết nối vạn vật (IoT) mở ra các hướng khoa học
mới, đó là thiết kế, chế tạo các thiết bị cảm biến vi điện
tử tích hợp cho các mục đích ứng dụng khác nhau, cung
cấp khả năng kiểm sốt một loạt các thơng số vật lý, hóa
học và sinh học. Các cảm biến được sử dụng để đo cảm
ứng từ trường có độ nhạy và dải đo bị giới hạn bởi vật
liệu sử dụng, bên cạnh đó ứng dụng chủ yếu của chúng
dùng để đo từ trường trong mặt phẳng, các ứng dụng
trong không gian ba chiều cịn nhiều hạn chế. Vì vậy,
nghiên cứu thiết kế vi mạch cảm biến từ trường kết hợp
với bộ khuếch đại từ tính ứng dụng cho cảm biến từ
trường 3D có tính cấp thiết cao. Kết quả nghiên cứu cho
thấy độ nhạy tương đối của cảm biến thu được ở mức
cao nhất là S = 15,21%/T khi khơng có bộ khuếch đại từ
tính. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại từ tính đạt
được khoảng 400 lần. Cảm biến tính hợp với bộ khuếch
đại từ tính cho phép đo từ trường trong dải từ trường
yếu từ 0,01 μT đến 2 mT và có khả năng ứng dụng đo từ
trường 3D trong khơng gian.

Bộ khuếch đại từ tính ngày càng được sử dụng rộng
rãi trong thiết kế các thiết bị vi điện tử hiện đại [4, 5]
nhằm đảm bảo khả năng đo từ trường yếu trong dải từ
0,01 μT đến 2,0 mT. Việc sử dụng bộ khuếch đại từ
tính tích hợp (IMC, Integrated Magnetic Concentrator)
được làm bằng vật liệu sắt từ có thể phát triển ứng
dụng cho các cảm biến từ trường 3D, có độ nhạy từ cao
hơn cảm biến Hall truyền thống và tăng tỉ số tín hiệu
trên tạp nhiễu. Vấn đề quan trọng được giải quyết trong

nghiên cứu này là sử dụng các phương pháp mơ hình
hóa máy tính hiện đại để mơ phỏng và tối ưu hóa các
thông số thiết kế cảm biến từ trường kết hợp với bộ
khuếch đại từ tính ứng dụng trong vi mạch tích hợp.

Keywords- Cảm biến từ trường 3D, vi mạch tích hợp,
bộ khuếch đại từ tính, độ nhạy cao.

I.

GIỚI THIỆU

Cảm biến từ trường có thể được chế tạo dựa trên
các hiệu ứng từ trường và các loại vật liệu bán dẫn
khác nhau, trong đó phổ biến nhất là cảm biến Hall
hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, đó là hiệu ứng vật lý
được thực hiện khi áp dụng một từ trường vng góc
lên một thanh Hall đang có dịng điện chạy qua. Khi
dòng điện chạy qua vật liệu dẫn điện, các electron di
chuyển theo một đường thẳng. Khi đặt vật liệu trong từ
trường và cho dịng điện chạy qua, thì lực Lorentz tác
dụng lên các hạt mang điện làm cho chúng lệch khỏi
đường thẳng ban đầu và dòng electron sẽ bị uống cong,
từ đó tạo ra hiệu điện thế Hall. Các tham số cơ bản của
cảm biến từ trường đó là độ nhạy, dải đo, sai số, dải
nhiệt độ và tần số hoạt động,…. Trong đó hai tham số
là độ nhạy và dải đo rất quan trọng khi thiết kế cũng
như sử dụng các cảm biến này trong thực tế. Các tham
số này phụ thuộc rất lớn vào vật liệu chế tạo cảm biến,
với mỗi loại vật liệu sẽ cho ngưỡng giá trị về độ nhạy

và dải đo tương ứng.

Nghiên cứu này nhằm phát triển một bộ khuếch đại
từ tính hình nón với độ lợi từ thơng cao kết hợp với
cảm biến Hall, có thể được sử dụng trong các hệ thống
cảm biến từ trường 3D có độ nhạy cao. Khi thiết kế bộ
khuếch đại từ tính cần đảm bảo các yêu cầu:
- thứ nhất, tăng hệ số khuếch đại của cảm biến
nhằm tăng mức tín hiệu đầu ra;
- thứ hai, tăng mức giá trị bão hòa để đảm bảo
vùng hoạt động tuyến tính rộng;
- thứ ba, giảm độ trễ cảm biến nhằm giảm sai số
trong các phép đo từ trường yếu.

Phân tích các tài liệu khoa học [1, 2, 3] cho thấy
rằng giải pháp hiệu quả nhất hiện nay để tăng độ nhạy

ISBN 978-604-80-5958-3

Yêu cầu thứ nhất được đảm bảo bằng cách tối ưu
hóa hình dạng bộ khuếch đại từ tính và yêu cầu thứ ba

17


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

bằng cách lựa chọn vật liệu chế tạo bộ khuếch đại từ
tính, yêu cầu thứ hai phụ thuộc vào cả vật liệu và hình
dạng của bộ khuếch đại từ tính.

S

Phần cịn lại của bài báo được tổ chức như sau:
trong phần II, miêu tả cấu trúc cảm biến kết hợp với bộ
khuếch đại từ tính. Phần III cung cấp các kết quả mơ
phỏng và phân tích lý thuyết. Cuối cùng, kết luận bài
báo được trình bày trong phần IV.
II.

2.1 Nghiên cứu cấu trúc cảm biến
Trong bài báo này, nghiên cứu về cấu trúc cảm biến từ
trường dựa trên nền tảng transistor có độ linh động điện
tử cao (HEMT, High Electron Mobility Transistor) và
vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn GaN. Tiến hành khảo
sát các đặc tuyến và tính tốn giá trị độ nhạy cảm biến
ở các điều kiện phân cực khác nhau. Ngồi ra, cảm
biến được chế tạo có kênh dẫn dài để nâng cao hệ số
hiệu chỉnh hình học Hall (GH) kết hợp với một bộ
khuếch đại từ tính hình nón được tích hợp với cảm biến
để nâng cao hệ số chuyển đổi.
W
Y

L
B

X

 I D1  I D 2  B

 100%.

(2)

trong đó:
- ID1, ID2: dịng điện cực máng Drain 1 và Drain 2;
- Ioff: sự chênh lệch dòng điện cực máng khi khơng có
từ trường.
Cảm biến được chế tạo dựa trên cấu trúc vật liệu dị thể
GaN/AlxGa1-xN/GaN với các lớp trung gian AlGaN
trên nền vật liệu đế bán dẫn Si với thành phần x = 0,25.
Độ dày của lớp bề mặt GaN, lớp rào cản AlGaN và lớp
đệm GaN lần lượt là 2 nm, 25 nm và 1,8 µm. Sử dụng
quy trình khắc khơ để tạo ra lớp cách ly để cách điện
các vùng hoạt động của thiết bị trên tấm GaN. Các lớp
kim loại Ti/Al/Ti/Au được sử dụng cho các tiếp điểm
cực nguồn và cực máng tạo ra bằng phương pháp lắng
đọng bay hơi vật lý (PVD, Physical Vapor Deposition).
Các lớp kim loại này sau đó được ủ ở 800 oC trong hệ
thống ủ nhiệt nhanh (RTA, Rapid Thermal Processing)
trong môi trường N2 để tạo thành các tiếp điểm Ohmic.
Tiếp điểm cực cổng Schottky Ni/Au được lắng đọng
bằng phương pháp PVD. Cuối cùng, lớp thụ động SiN
được lắng đọng bằng cách sử dụng q trình lắng đọng
hơi hóa chất tăng cường plasma (PECVD, Plasma
Enhanced Chemical Vapor Deposition), nhằm bảo vệ
lớp bề mặt của cảm biến.

CẤU TRÚC CẢM BIẾN

Z

I D1  I D 2  I off

Source

LG
φ BZ

BX
Drain 1

BY

Gate

2.2 Bộ khuếch đại từ tính
Cấu trúc của bộ khuếch đại từ tính bao gồm hai thanh
hình trụ ở dạng hình nón cụt với các đầu nhọn đối diện
nhau cách nhau một khoảng d (Hình 2). Góc giữa hình
nón cụt và trục của nó được ký hiệu là ω, chiều dài mỗi
thanh L, khe hở giữa hai thanh d và đường kính của đáy
lớn, đáy nhỏ của hình nón cụt lần lượt là 2R và 2r.
Khoảng cách d bị giới hạn bởi độ dày của phần tử cảm
biến Hall (khoảng 0,15 mm).

Drain 2

Hình 1. Cấu trúc cảm biến từ trường

Hình 1 biểu diễn cấu trúc cảm biến từ trường với các
thành phần từ trường trong khơng gian, trong đó φ là
góc giữa thành phần từ trường BZ đặt vng góc với bề
mặt cảm biến và từ trường hiệu dụng B. Dưới sự tác
động của thành phần từ trường BZ dẫn đến sự chênh
lệch dòng điện giữa các điện cực máng Drain 1 và
Drain 2 gọi là dòng điện Hall (IH) và được biểu thị
bằng [6]:
I H  H BZ  L W  I D GH .

B

2r

B0

2R
ω

(1)
L

trong đó:
- µH: độ linh động điện tử Hall;
- BZ: từ trường vng góc với bề mặt cảm biến;
- L, W: chiều dài và chiều rộng cảm biến;
- ID: dòng điện cực máng;
- GH: hệ số hiệu chỉnh hình học Hall, đây là tỷ số của
điện áp Hall trong một tấm vật liệu bán dẫn thực tế

với tấm Hall lý tưởng có chiều dài vơ hạn [2].
Sự chênh lệch dịng điện của cảm biến có thể được đo
trên các cực máng và độ nhạy của cảm biến S được tính
tốn theo biểu thức sau [7]:

ISBN 978-604-80-5958-3

Cảm biến

d

L

Hình 2. Bộ khuếch đại từ tính dạng hình nón cụt

Hệ số khuếch đại từ trường K = B/B0, đây là tỉ số giữa
cảm ứng từ trường trong khe hở của bộ khuếch đại từ
tính nơi lắp đặt cảm biến Hall B và từ trường ngoài B0,
đây là tham số chính của bộ khuếch đại từ tính. Nhiệm
vụ chính trong thiết kế bộ khuếch đại từ tính là đạt
được giá trị khuếch đại K cao trong khi giảm kích
thước hình học của chúng. Trong trường hợp này, các
yêu cầu sau được áp dụng cho bộ khuếch đại từ tính:

18


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

- Giá trị hệ số khuếch đại từ trường trong dải từ

trường yếu đạt giá trị tối đa trong khi kích thước hình
học ở mức tối thiểu;
- Độ lớn của cảm ứng từ trường B khơng đổi tại vị trí
đặt phần tử cảm biến Hall, tức là cảm biến Hall nằm
trong một từ trường đều;
- Hệ số khuếch đại từ thơng cao, địi hỏi sử dụng vật
liệu có lực kháng từ thấp, cũng như với giá trị từ
thẩm ban đầu cao;
- Cường độ cảm ứng từ trường bên ngoài đạt giá trị
lớn nhất (tại đó bộ khuếch đại từ tính đi vào chế độ
bão hòa);
- Cho phép hoạt động trong dải tần số rộng khi từ
trường thay đổi.
Theo yêu cầu khi thiết kế bộ khuếch đại từ tính, vật liệu
bộ khuếch đại từ tính phải có từ trễ thấp (Br ≈ 0) và giá
trị từ trường bão hòa cao (BS). Trong bảng 1 giới thiệu
các tham số từ tính của vật liệu từ mềm Thép 1117 [8].
Ngoài ra, vật liệu của bộ khuếch đại từ tính phải đảm
bảo hình thành màng vơ định hình với lực kháng từ HC
thấp, nhiệt độ Curie TK cao và độ từ thẩm µH cao nhằm
đạt được các giá trị cao của cảm ứng từ bão hòa và độ
tuyến tính của các đặc tính cảm biến.

vectơ điện thế. Thành phần tiếp tuyến A = 0 tại biên
nằm ở vô cùng (tức là đủ xa để năng lượng từ trường
có thể được giả định bằng khơng). Trên trục đối xứng,
điều kiện A = 0 được lấy và trong các mặt phẳng của
đối xứng hình học dA/dn = 0, tức là các đường sức
vng góc với các mặt phẳng này.
III.

KẾT QUẢ

3.1 Kết quả mơ phỏng tham số cảm biến
Hình 3, a mô phỏng cấu trúc của cảm biến Hall với
chiều dài cực cổng là LG = 5 µm, chiều dài cảm biến là
L = 65 µm và chiều rộng là W = 20 µm. Khoảng cách
giữa các điện cực máng là 10 µm. Hình 3, b biểu diễn
đặc tính truyền đạt của cảm biến dưới tác động của từ
trường vuông góc với bề mặt cảm biến
giá trị B = 25 mT.

Bảng 1. Tính chất từ tính của vật liệu sắt từ mềm
Vật liệu
µН, 103
TK,°С
BS, Т
HC
Thép 1117
0,4 –
0,17% C, 1,20%
1,5
750
2,1 – 2,3
0,6
Mn

a
ID, mA

2.3 Phương pháp mơ phỏng cảm biến tích hợp
Vấn đề khó khăn trong việc tạo ra cảm biến vi điện tử
với bộ khuếch đại sắt từ đó là sự giảm đáng kể hệ số
khuếch đại của từ trường K với sự giảm chiều dài hình
học của bộ khuếch đại. Để có được giá trị hệ số khuếch
đại từ trường cao với yêu cầu kích thước nhỏ, cần phải
tối ưu hóa kích thước hình học của bộ khuếch đại và
khoảng cách khe hở của chúng dựa trên các đặc tính từ
tính của vật liệu chế tạo. Điều này có thể thực hiện nhờ
vào ứng dụng tính tốn mơ phỏng và tối ưu hóa cảm
biến tích hợp được thực hiện bằng cách sử dụng mơ
phỏng máy tính. Mơ phỏng máy tính về hoạt động của
cảm biến từ trường được thực hiện bằng phần mềm
Silvaco [9], bộ khuếch đại từ tính thực hiện bằng phần
mềm FEMM [8, 10].
Vì các bộ khuếch đại từ tính được coi là đối xứng trục,
nên vấn đề tính tốn cảm ứng từ được đưa về mặt
phẳng qua trục của bộ khuếch đại từ tính. Sử dụng
chương trình mơ phỏng máy tính FEMM, giải phương
trình Poisson: B = rotA trong đó A - vectơ từ trường,
B - cảm ứng từ trường. Để xác định hoàn toàn hàm A
sử dụng điều kiện divA = 0. Phương trình mơ tả tính
chất từ tính của vật liệu sắt từ được viết dưới dạng:
B = μ·Н + Br biểu thị mối quan hệ phi tuyến giữa B và
H, trong đó Н là cường độ từ trường, μ là giá trị từ
thẩm (là một hàm của |B|, tức là 1/μ = f|B|). Đối với mơ
hình này, các điều kiện biên được thể hiện dưới dạng

ISBN 978-604-80-5958-3

VDS = -2V

0,20
0,15

0,15

VDS = -1V

0,10
0,05
VDS = 0V

0,05

0
0

0,1

0,2

0,3

0,4

VGS, V

b
Hình 3. Mô phỏng cấu trúc và đặc tuyến của cảm biến

Dòng điện đầu ra từ hai điện cực máng phụ thuộc vào
điện áp đầu vào (VGS) thể hiện sự chênh lệch trong
trường hợp có từ trường bên ngồi tác động vng góc
với bề mặt cảm biến. Độ nhạy tương đối của cảm biến
thu được ở mức cao nhất là S = 15,21%/T và thấp nhất
là S = 5,69%/T ở VGS = –2V và VGS = 0V, tương ứng.
3.2 Kết quả mơ phỏng bộ khuếch đại từ tính
Vấn đề khó khăn đặt ra là lựa chọn vật liệu và kích
thước cho bộ khuếch đại từ tính cho cảm biến từ
trường, nhưng điều quan trọng là phải thiết lập các
mối quan hệ và ảnh hưởng của kích thước hình học
đến sự đồng nhất của từ trường vng góc với bề mặt

19


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

cảm biến, từ đó đưa ra các nguyên tắc thiết kế và tối
ưu hóa cảm biến.

Vì vậy, cần đảm bảo diện tích của phần đáy của hình
nón càng nhỏ càng tốt để chứa được phần tử Hall,
đồng thời đáp ứng được các yêu cầu trên.

B, T

B, mT

0,20

0,20

1

2

0,15

0,15

0,10

4
0,10

0,05

0,05

0
0

0,5

1,0

1,5

L, mm

0

Hình 4. Phân bố cảm ứng của từ trường dọc theo
trục bộ khuếch đại

0

0,4

0,3

L, mm

Hình 5 cho thấy các phụ thuộc của cảm ứng từ trường
trong khe hở của bộ khuếch đại từ trường với các đặc
tính của thép 1117 tương ứng với từ trường bên ngồi
B0 = 0,001 mT và các kích thước hình học của bộ
khuếch đại: L = 30 mm, 2R = 3 mm, d = 0,15 mm,
r = 0,25 mm, cho phép đặt phần tử Hall có kích thước
0,3×0,3×0,15 mm, trong đó I ứng với ω = 10°, II ứng
với ω = 20°, III ứng với ω = 45°; IV ứng với ω = 90°.

ω, độ
K

Bảng 4. Hệ số khuếch đại K phụ thuộc vào
sự thay đổi góc hình nón ω
10

20
30
45
183
175
168
156

90
82

Bảng 4 cho thấy các giá trị tính tốn của hệ số khuếch
đại K ở các giá trị khác nhau của góc ω, giúp tối ưu
hóa phạm vi giá trị của góc ω, tại đó các yêu cầu cơ
bản về hệ số khuếch đại được đáp ứng. Phân tích dữ
liệu thu được cho thấy khoảng tối ưu của góc ω bằng
từ 15 đến 25°, tương ứng với góc ở đỉnh của hình nón
2ω = 30 ... 50°. Kết quả tính tốn được sử dụng trong
việc chế tạo cảm biến ba chiều trong không gian đối
với dải từ trường yếu từ 0,01 μT đến 2 mT.

Bảng 2. Hệ số khuếch đại K khi chiều dài L = 100 mm
d, mm
0,15
0,25
0,5
1,0
2,0
4,0
K

401
202
118
65
32
14
Bảng 3. Hệ số khuếch đại K phụ thuộc
vào giá trị điện trường ngoài B0
Tham số hình học
L = 100 mm, d = 0,15 mm
2,5
5,0
7,5
10
25
401
170
125
100
50

0,2

0,1

Hình 5. Từ trường khuếch đại B phụ thuộc vào góc ω

Hình 4 biểu diễn sự phân bố của cảm ứng từ trường B,
bắt đầu từ trục đối xứng dọc theo bán kính được làm
từ thép 1117 với kích thước L = 100 mm, d = 1 mm,

R = 1 mm tại B0 = 2,5 mT. Nhận thấy cảm ứng từ
trường giảm dọc theo bán kính, giá trị lớn nhất
B = 0,16 T (đạt được tại tâm bộ khuếch đại), đạt giá trị
0,158 T (giảm 1,25 %) và 0,155 T (giảm 3,0 %) tại các
vị trí cách tâm 0,5 và 0,7 mm. Như vậy có thể coi từ
trường phân bố đều (sai lệch dưới 3%) trong đường
trịn bán kính 0,7 mm.
Giá trị hệ số khuếch đại K phụ thuộc vào kích thước
hình học khác nhau của bộ khuếch đại được trình bày
trong Bảng 2. Kết quả bằng tính tốn chỉ ra rằng với
chiều dài của mỗi thanh là 100 mm và khoảng cách
0,15 mm, có thể đạt được độ khuếch đại từ thông lên
khoảng 400 lần.

B0, mT
K

3

250
5

Z
Cảm biến

Giá trị hệ số khuếch đại K phụ thuộc vào giá trị từ
trường được cho trong Bảng 3. Từ các tính tốn đã
thực hiện, kết quả là hệ số khuếch đại K không đổi ở
các giá trị thấp của từ trường ngoài B0. Trong trường
hợp tổng quát, K là một hàm của cả thơng số hình học

và B0, có xu hướng bằng 1 ở các giá trị lớn của B0,
tương ứng với trạng thái bão hòa của bộ khuếch đại
(khi B = K·B0 tiến đến giá trị từ trường bão hòa của vật
liệu Bs).
Ngoài sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào các tham
số trên, một tham số quan trọng không kém đó là góc
hình nón ω (Hình 2). u cầu cần thiết về mặt công
nghệ để đặt phần tử Hall trong khoảng trống có giá trị
cảm ứng từ trường xấp xỉ bằng nhau (từ trường đều).

ISBN 978-604-80-5958-3

BX
Cảm biến
Cảm biến

BY
BZ

Y

Hình 6. Cảm biến từ trường 3D kết hợp
với bộ khuếch đại từ tính

20

X


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

Холла из гетероструктур n-InSb1-хBiх-i-GaAs. Материалы
конференции НАНО-2008. Минск, 2008.
[2] Dao Dinh Ha, Stempitsky V. R. Investigation of the Hall
Sensor Characteristics with Various Geometry of the Active
Area // Nano- i Mikrosistemnaya Tekhnika.– 2018.– Vol.20, N
3.– P. 174–186. />[3] Драпезо А. П., Прокошин В.И., Ярмолович В.А.
Нанотолщинные детекторы слабых магнитных полей из
плёнок пермаллоев. Сб. докладов ФТТ-2005. Т. 2. Минск,
2005.
[4] Ripka P., Janosek M. Advances in Magnetic Field Sensors //
Sensors.– 2010.– Vol. 10. N 6.– P. 1108–1116. –
/>[5] Popovic R. S., Drljaca P. M., Kejik P. CMOS magnetic
sensors with integrated ferromagnetic parts // Sensors and
Actuators.–
2006.–
A.
129.–
P.
94–99.
–
/>[6] S. Arulkumaran, T. Hibino, T. Egawa, and H. Ishikawa,
“Current collapse-free i-GaN⁄AlGaN⁄GaN high-electronmobility transistors with and without surface passivation,”
Appl. Phys. Lett., vol. 85, no. 23, pp. 5745–5747, Dec. 2004.
[7] A. Asgari, S. Babanejad, and L. Faraone, “Electron mobility,
Hall scattering factor, and sheet conductivity in
AlGaN/AlN/GaN heterostructures,” J. Appl. Phys., vol. 110,
no. 11, p. 113713, Dec. 2011.
[8] Stempitsky V. R., Dao Dinh Ha. Device-technological
simulation of the magnetosensitive sensor with integrated

magnetic concentrator. Tekhnologiya i Konstruirovanie v
Elektronnoi Apparature, 2018, no. 3, pp. 15-21.
/>[9] .
[10] Meeker D. Magnetics Finite Element Method (femm). version
4.2
[Electronic
resource].
Mode
of
access:
o/wiki/HomePage (date of access:
12.01.2016).

Hình 6 mơ tả cấu trúc của cảm biến từ trường 3D kết
hợp với bộ khuếch đại từ trường. Các đầu dò cảm biến
Hall kích thước 0,3×0,3×0,15 mm đặt trong các mặt
phẳng trong khơng gian, được tạo ra trên cơ sở cấu
trúc vật liệu dị thể AlGaN/GaN với bộ khuếch đại từ
tính. Các cảm biến này có khả năng tính tốn các
thành phần của từ trường theo các trục tọa độ trong
không gian.
IV.

KẾT LUẬN

Nghiên cứu cấu trúc và mơ phỏng các đặc tính của
cảm biến Hall dựa trên hoạt động của transistor có độ
linh động điện tử cao sử dụng vật liệu có cấu trúc dị
thể AlGaN/GaN. Kết quả mô phỏng cho thấy độ nhạy
tương đối của cảm biến thu được ở mức cao nhất là

S = 15,21%/T ở VGS = –2V.
Thực hiện tính tốn và mơ phỏng các tham số của bộ
khuếch đại từ tính nhằm tăng hệ số khuếch đại và giảm
kích thước của cảm biến. Kết quả mơ phỏng góp phần
lựa chọn cấu trúc bộ khuếch đại kết hợp với cảm biến
Hall đảm bảo các tham số về độ nhạy và dải đo phù
hợp. Khi sử dụng các vật liệu từ có từ trễ thấp (Br ≈ 0)
và giá trị từ trường bão hòa cao (BS) giúp tăng hệ số
khuếch đại và có thể đạt giá trị khoảng 400 lần.
Nghiên cứu cấu trúc cảm biến từ trường 3D kết hợp
với bộ khuếch đại từ tính nhằm tăng độ nhạy và dải đo
từ trường, từ đó có thể ứng dụng cảm biến trong không
gian cho dải đo từ trường yếu từ 0,01 μT đến 2 mT.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Драпезо А.П., Прокошин В.И., Ярмолович В.А. Групповая
технология изготовления тонкопленочных элементов

ISBN 978-604-80-5958-3

21