Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo cảm biến từ dựa trên mạch cầu wheatstone có cấu trúc các nhánh tròn

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 trường

Từ trường
Ị
Mômen từ <£301\ từ

Hình 1.1: Sơ đổ minh họa hiệu ứng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu
muỉtỉỊeroics kỉếu từ gỉảo/ảp điện
Hiệu úng điện từ là hiện tượng vật liệu chịu tác dụng của một từ trường
ngoài H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh ra ứng suất tác
dụng lên pha áp điện. Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật
liệu sẽ bị thay đổi và do đó trên hai mặt đối diện của vật liệu sẽ xuất hiện các
điện tích trái dấu nhau như hình 1.1. Hiệu ứng từ điện thuận được đặc chung
bởi hệ số từ điện: Oe = dE/dH.
Hiệu ứng từ-điện có sự chuyển hóa trực tiếp từ năng lượng điện thành
năng lượng từ và ngược lại.Nhờ tính chất này, hiệu ứng này đã và đang được
nghiên cún và khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại
đây. Đe hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo cảm biến đo từ trường, hiệu ứng
từ - điện 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. Cảm biến từ điện trở khổng lồ
Hiệu úng từ điện trở khổng lồ (Giant Magneto resistance - GMR) là một
hiệu ứng cơ lượng tử và thường được quan sát thấy trên màng tổ hợp của các

lớp kim loại sắt từ và các lớp kim loại không từ tính xen kẽ. Hiệu ứng này
được biểu hiện dưới dạng điện trở của mẫu giảm cực mạnh từ trạng thái điện

5


trở cao khi không có từ trường ngoài tác dụng sang trạng thái điện trở thấp
khi có từ trường ngoài tác dụng vào. c ấ u trúc của một GMR chuẩn bao gồm 3
lóp vật liệu (Lóp sắt từ (FM)/Lóp phi từ (NM)/Lớp sắt từ (FM)). Ở trang thái
ban đâu (khi chưa từ hóa theo từ trường bên ngoài),do tương tác RKKY giữa
các lớp sắt từ lân cận trở nên tương tác phản sắt từ nên các mô-men từ của 2
lóp sắt từ định hướng phản song song với nhau. Ở trạng thái này các điện tử
bị tán xạ nhiều khi đi qua lớp vật liệu cảm biến do điện trở của cảm biến lớn.
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ có xu hướng định
hướng lại song song với nhau theo phương của từ trường. Đồng thời với quá
trình quay đó của vectơ từ độ, điện trở của mẫu giảm mạnh.

Từ trirdmg (kC)
Hình 1.2. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ được biểu diễn bằng tỉ số R/R
(H=0) của các màng mỏng đa lớp {Fe/Cr}

6


FM

NM

FM

FM

NM

FM
Happ^O

î

i

î

H app = 0

a)

î
b)

Hình ỉ.3.a) Trạng thải điện trở cao và b) trạng thải điện trở thấp của GMR
Spin - valve GM R : chịu tác dụng của từ trường ngoài.Do đó, trạng thái song
song hay phản song song khi đi qua lần lượt đi qua các lớp này. Điện tử sẽ ít bị tán
xạ hơn nếu spin của điện tử có định hướng song song với mômen từ trong lớp này
và do đó, điện trở suất sẽ nhỏ hơn. Ngược lại, sự tán xạ sẽ nhiều hơn và điện trở
suất sẽ lớn hơn khi định hướng của spin 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 ngầm

Hình 1.5. Sơ đồ hoạt 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 ngoài tác dụng, từ độ của 2 lóp sắt từ sẽ định hướng song song với
nhau, điện tử ít bị tán xạ và có thể xuyên qua các lớp cảm biến, tạo ra sự thay
đổi tín hiệu điện, Trong cảm biến từ điện trở xuyên ngầm, dòng điện chay qua
cảm biến được giới hạn bởi thế đánh thủng. Chỗ tiếp xúc phải được tối ưu hóa
sao cho tích RxA( trong đó R là điện trở của cảm biến, A là diện tích tiếp xúc)
thấp và duy trì được tỉ số từ điện trở xuyên hầm cao trong khi mức độ nhiễu là
thấp n h ấ t.

1.4. Cảm biến từ điện trở dị hướng
1.4.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng
Hiệu ứng từ điện trở xuất hiện trong vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ
trường. Hiệu ứng từ điện (MaganetoResistance - MR) là sự thay đổi điện trở
của một vật dẫn gây bởi từ trường. Nguồn gốc của MR từ sự kết hợp cặp spin


-q u ỹ đạo giữa các điện tử và các mô-men từ của các nguyên tủ’ mạng.Thông
thường MR được định nghĩa bằng tỉ số :

MR

=

— =
p

P W -P W

=

* (0 )-* Ơ O

n3)

R( 0)

p ( 0)

Với p (0 ), p(H ), R(0), R(H) lần lượt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn
khi không có từ trường ngoài và có tù’ trường đặt vào.
Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR - Anisotropic Magneto resistance)
cũng bắt nguồn từ kết cặp spin - quỹ đạo, nhung tồn tại trong các vật liệu có
mô-men từ dị hướng.Hiệu ứng AMR phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của vật
liệu và spin của các nguyên tử tron tinh thế, phụ thuộc vào cấu trúc đô-men
của vật liệu sắt từ .v ề bản chất, hiệu ứng từ điện trở dị hướng chính là sự phụ
thuộc điện trở vào góc giữa vectơ từ độ và chiều dòng điện.Nguyên nhân xuất
hiện hiệu ứng này là do xác suất tán xạ điện tử s-d sẽ khác nhau theo phương
khác nhau của từ trường tác dụng. Ta có thể hiểu đon giản như sau : Neu từ
trường được định hướng vuông góc với chiều dòng điện thì khi đó quỹ đạo

chuyển động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện và như vậy
sẽ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ điện tử,dẫn đến vật dẫn có điện trở
nhỏ.Ngược lại,khi từ trường áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ đạo
chuyến động của điện tử được định hướng vuông góc với chiều dòng điện,và
mặt cắt đối với tán xạ của điện tử tăng lên, dẫn đến vật dẫn có điện trở
cao.Hiệu ứng này có trên các kim loại sắt từ như Fe, Co, Ni .... và hợp kim
của chúng thường khá lớn hơn so với các kim loại không từ. Nguyên nhân
chủ yếu là do 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 mặt quay theo từ trường ngoài,
mặt khác thể tích của các đô-men có các véc tơ từ độ từ hóa cùng chiều với từ
trường ngoài lớn dần lên. Ket quả là từ trường tổng họp bên trong mẫu có thể
có cường độ hang nghìn lần lớn hơn so với từ trường tác dụng bên ngoài.
Dòng điện trong mẫu chịu ảnh hưởng trục tiếp của từ trường nội rất mạnh do
hiệu ứng từ điện trở của chúng là khá lớn.
Điện trỡ lóm

Điện trờ nhỏ

Hình 1.6. Nguồn gốc vật lý của AMR
Đe giải thích hiệu ứng từ trở dị hướng (AMR) trong màng mỏng của vật
liệu từ, giả định rằng, vectơ từ hóa trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão
hòa Ms , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của

vectơ từ hóa này. Ngoài ra, ta có thể xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh đơn
giản nhất, đó là mối quan hệ giữa điện trở và hướng của vectơ từ độ (vectơ từ
hóa) và mối quan hệ giữa hướng của vectơ từ độ và từ trường ngoài. Điện trở
của màng mỏng có thể xác định thông qua thông qua góc ỡ - góc giữa chiều
dòng điện và vectơ từ độ :
R (ỡ) =

1
Po n T j

ru’n bd

1
A p - —- c o s ớ =

bd

R0v + ầ R c o s в
,p

Д D

= R0iP + -Ệ- [co s(2 ỡ ) + 1]

Д D

Д D

= R0iP + Y + y c o s(2 ớ ) (l4 )

Trong đó :
•

p 0 n và ầp là hằng số của vật liệu

•

l là độ dài của màng mỏng

10


•

z? là độ rộng của màng mỏng

•

d là độ dày của màng mỏng

•

R0p và p 0n là điện trở và điện trở 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 sử dụng để đo một điện trở
chưa xác định bằng cách so sánh hai nhánh của một mạch cầu, trong đó một
nhánh chứa thành phần điện trở chưa xác định, c ấ u trúc của một mạch cầu
Wheastone bao gồm bốn điện trở Rlf R2, R3, R4 được mắc song song với
nhau. Một điện kế rất nhạy G đo thế mạch ra. Nguồn điện mộtchiều được sử
dụng cấp vào 2 điểm A, c tạo ra dòng điện trong mạch và điện kế G đo chênh
lệch điện thế lối ra giữa 2 điểm B,D của cầu.
Khi ta cấp một điện thế vin vào trong mạch thì ta có :

Vịn — Vabc — Vadc

(1-5)

Suy ra

U b c Í ^ i + ^ 2 ) — U d c Í^3 + ^ 4 )
Vab = IabcR 1 = R
Vad = U d c ^4 = R

(1-6)
(1-7)

Ri

(1-8)

^4

Khi đó :

Vr. =

VAB - VAD = - ^ 2 - R i - - ^ — R 4 =
Atí
AD
r 1+ r2 1
R3 + ÍỈ4 4

y
(R1 +R2 ) (R3 +R4 )
(1.9)

Dưới tác dụng của từ trường ngoài, do sự đóng góp của từ điện trở dị
hướng trên các điện trở nên sẽ thay đổi điện trở thành phần của mạch (ARị).
Sự biến đổi này dẫn tới sự thay đổi điện thế lối ra :

_|_

Y

Ạ

Y

___

G

( i ^ 1 + A J R 1 ) ( j [? 3 + A j [? 3 ) - ( j [? 2 + A ^ 2 ) ( ^ 4 + ^ ^ 4 )

Y

(/?! + A R ± + R 2 + A R 2) ( R 3 + A R 3 + /?4 + A/?4)

in

(1.10)

Trong trường hợp lý tưởng,nếu mạch ban đầu cân bằng, điện thế lối ra sẽ
được biểu diễn như sau:

12


T7

VG

=

-

^ 1^

T7

^ 2 ^ 4*

. ""

(«!+ R 2)(R3+ R 4)

i~\

v in = 0
m

(1.11)

=> Rt R3 = #2^4 hay
— = — = R2

R4

r

(1.12)

Khi đó, chúng ta 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 cầu Wheatstone được ứng dụng
nhiều trong lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong các mạch điện tử như:
dùng để đo trở kháng, điện cảm, điện dung trong mạch xoay chiều (AC).
Trong mộtsố bộ điều khiển động cơ, mạch cầu Heaviside (một dạng khác của
mạch

cầu Wheatstone) được sử dụng để điều khiển hướng quay của động cơ.

Một ứng dụng 1'ất phổ biến trong ngành công nghiệp là để giám sát các thiết bị

cảm biến, chẳng hạn như đồng hồ đo dòng. Ngoài ra, mạch cầu còn được ứng
dụng để xác định chính xác vị trí phá vỡ một đường dây điện.Phương pháp
này nhanh và chính xác không đòi hỏi công nghệ hỗ trợ cao.
Với các ưa điểm nêu ở trên và để phù họp với điều kiện của phòng thì
nghiệm, chúng tôi lựa chọn mạch cầu Wheatstone để chế tạo cảm biến dựa
trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng với mong đợi sẽ giảm được tối đa ảnh
hưởng của các nhiễu do môi trường, đặc biệt là nhiễu nhiệt, do đó sẽ thu được
tỉ số tín hiệu/nhiễu lớn. Vật liệu được lựa chọn làm cảm biến là N i80Fe20 là
vật liệu từ mềm (Hc = 3 -i- 5 Oe), vật liệu này rất thích họp đế chế tạo cảm
biến có độ nhạy cao trong vùng từ trường thấp. Mạch cầu điện trở Wheatstone

13


gồm 4 điện trở bằng nhau nhung được thiết kế 2 điện trở đối diện có dị hướng
hình dạng giống nhau và 2 điện trở liền kề khác nhau. Nhờ vậy, dưới tác dụng
của từ trường ngoài tín hiệu lối ra của cảm biến thu được sẽ lớn hơn.

1.5. Nhiễu cảm biến
Tín hiệu lối ra của cảm biến luôn bị tác động bởi các nhân tố của môi
trường bên ngoài như nhiệt độ, tần số ... những ảnh hưởng này được gọi
chung là nhiễu. Đe đánh giá các cảm biến, người ta dựa vào thông số tỉ số
tínhiệutrên nhiễu (signal/noise).
Việc đánh giá nhiễu dựa trên 3 loại chủ yếu là l/f, nhiễu nhiệt và nhiễu
lượng tử, được xác định bởi:
ầVy _

7Ã7

1

Vĩ

P J x jY H (n cf )

J 4 k BTP ^ ; + p j 2 e J x w

(1.14)

Với AVy là biên độ nhiễu, A/ là dải thông tần số, nc là hạt tải mang điện,
f là tần số đo, kB là hang so Boltzmann, T là nhiệt độ của mẫu, L là chiều dài
của mẫu, e là điện tích cơ bản.
Các loại nhiễu cơ bản thường gặp:
♦

Nhiễu nhiệt : thường ở tần số cao (trên 1 kHz), là thành phần nhiễu sinh

ra do các thành phần điện trở. Trong dải tần A/ , độ lớn của nhiễu nhiệt:
^Nmrs

/ 4 KBTR D C A /

Trong đó :
-

T là nhiệt độ tuyệt đối (K).

-

Rdclà nhiệt độ của cảm biến (trong dòng DC).

-

A/ là dải tần số đo.

-

kBlà hang so Boltzmann.

14

(1.15)


Nhiễu nhiệt có trong tất cả các loại cảm biến (hay còn được gọi là nhiễu
Johnson), phụ thuộc vào thành phần cấu tạo nên điện trở. Trong vài trường
họp, nó còn được thể hiện dưới dạng nhiễu dòng nguồn phát của cường độ:
(1.16)

It 2 = 4 k BT ầ f /R
♦

Nhiễu lượng tử: Khi dòng điện chạy qua một rào thế thì sẽ xuất hiện

nhiễu lượng tử, vì sự thăng giáng dòng qua một giá trị trung bình gây ra bởi
sự biến thiên điện tử và lỗ trống được phát ra. Dòng nhiễu được xác định :
(1.17)

ISH2 = 2qIDCB
Trong đó :

♦

q là điện tích.
IDC là dòng DC trung bình.
B là dải nhiễu.
Nhiễu l/f: thường xảy ra ở vùng tần số thấp (f < 300Hz) gây ra bởi

dao động độ dẫn do sự tiếp xúc không hoàn hảo giữa 2 lóp vật liệu. Nó xảy ra
bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp xúc nhau. Nhiễu l/f tỉ lệ thuận với giá trị dòng 1
chiều. Mật độ năng lượng biến thiên tỉ lệ nghịch với tần số l/f. Dòng nhiễu lf
trên căn bậc 2 của dải thông được thể hiện như sau :
If

v § =

K x IDC

V,

(L ,8 )

Với :

-

IDClà giá trị trung bình dòng DC.

-

/ l à tần số.

-

K là hằng số phụ thuộc vào vật liệu và hình dạng

-

Blà dải thông số.

♦

Nhiễu Barkhausen: Nhiễu Barkhausen được bắt

của nó.

nguồn từ hiệu ứng

Barkhausen. Nhiễu Barkhausen là hiện tượng điện tích biến đổi không liên tục

15


trong mật độ từ thông ở các vật liệu sắt từ khi tù’ trường thay đổi liên tục.
Nguồn phát Barkhausen bị ảnh hưởng lớn bởi sự thay đổi cấu trúc vi mô của
vật liệu từ và ứng suất. Gần đây, nhiễu Barkhausen được biết đến như hiệu
ứng phụ thuộc vào điện thế bên trong bởi các vách domain từ khi chúng di
chuyến qua vật liệu.
Từ công thức (phần nhiễu nhiệt), ta thấy nếu điện trở của cảm biến là
cực đại thì nhiễu đạt cực đại. Ở tần số thấp, nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu l/f
(do từ trường gây ra nhiễu từ) được biểu diễn như sau:

I2( V V 2i , f = ( Y / N c)R2f W

(1.19)

Trong đó:
-

ỵ ỉầ hằng số hiện tượng thuận từ (hằng số Hooge).

-

Nc là số hạt tải gây nhiễu trong cảm biến.

-

/là dòng điện qua cảm biến.

-

/ l à tần số đo.

Đe đạt được tỉ số SNR lớn nhất có thể, cảm biến phải hoạt động phía trên
l / f trong chế độ nhiễu nhiệt, thường xảy ra ở tần số vài trăm kHz với vanspin, trên 100MHz đối với tiếp xúc xuyên 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.
Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR được lựa chọn để
nghiên cứu của khóa luận này.

16


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỤC NGHIỆM

2.1.Phương pháp chế tạo cảm biến
2.1.1. Xử lý bề mặt mẫu
Hình 2.1 là buồng xử lý mẫu, nó được dùng để thực hiện thao tác làm
sạch bề mặt mẫu.Các thao tác làm sạch và xử lý bề mặt mẫu đều được thực
hiện trong buồng xử lý.Trong buồng xử lý bao gồm: Súng xì khô, các hóa
chất tẩy rửa như cồn,axeton,nước DI. Ngoài ra, bếp nung (hotplate) dùng để
sấy khô mẫu ở các nhiệt độ khác nhau với mục đích làm bay hơi hoàn toàn các
dung môi có trên bề mặt đế Si02. Khi dùng hotplate cần chú ý điểu chỉnh các
thông số như nhiệt độ cần đặt, tốc độ gia nhiệt.Đặc biệt, khi dùng hotplate để
nung mẫu, yêu cầu nhiệt độ phải luôn được giữ ổn định cho phép sai số ± 1°c.
Đe được dùng để chế tạo cảm biến là đế Si đã được ôxi hóa
m ộtlớpS i02có chiều dày 3 Ium để đảm bảo cách điện giữa đế và màng vật
liệu.Trước khi lắng đọng màng, đế được làm sạch theo quy trình sau:
•

Rung siêu âm axeton trong vòng 5 phút để loại bỏ hết chất bẩn và

chất hữu cơ bám trên bề mặt đế.
•

Rung siêu âm cồn trong vòng 5 phút để loại bỏ hết dung dịch

axeton còn bám lại trên bề mặt đế.
•

Lắc đều với dung dịch nước DI để làm sạch hoàn toàn cồn.

• Xì khô bằng máy nén khí với mục đích loại bỏ nước DI còn bám lại
trên mặt đế.
•

Nung mẫu ở nhiệt độ

100°c trên

toàn hơi có trên bề mặt đế.

17

hotplate 5 phút để bốc bay hoàn