Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng cấu trúc tanife(10nm)ta

TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LY

LƯU THỊ LAN ANH

NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU
WHEATSTONE DựA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRỞ DỊ
HƯỚNG CẤU TRÚC Ta/NiFe(10nm)/Ta

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA
LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC • • • •

Người hưótig dẫn khoa học: TS. BÙI ĐÌNH TỦ

HÀ NỘI - 2015
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. BÙI ĐÌNH TÚ,
người thầy đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất,
truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em
làm khóa luận.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Vật lý trường
Đại học Sư phạm Hà Nội 2, tập thể các thầy cô, anh chị làm việc và


nghiên cứu tại phòng thí nghiệm micro - nano của trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN đã giúp
LỜIđược
CAM
đỡ và tạo điều kiện trong suốt thời gian em
họcĐOAN
tập nghiên cứu.
Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè, gia đình và bạn bè đã là
nguồn cổ vũ to lớn trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu của con.

Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Sinh viên

Lun Thị Lan Anh
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là hoàn toàn trung
thực và chưa từng công bố ở bất kì nơi nào khác. Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều được trích
dẫn một cách rõ ràng.

Hà Nội, ngày tháng
Sinh viên

Lun Thị Lan Anh

năm 2015


LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

(a)


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tàỉ
Trên thế giới có nhiều loại sensor khác nhau ứng dụng để đo và phát hiện từ
trường, trong đó chủ yếu là các sensor dựa trên hiệu ứng quang và từ như cảm biến
SQUID (giao thoa lượng tử siêu dẫn), sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa trên
từ điện trở dị hướng, Flux-Gate...được liệt kê trong bảng 1 [7].
Bảng 1.1: Các loại
DETECTABLE

FIELD

sensor đo từ trường và dải đo của chủng
Magnetic
Sensor
Technology

RANGE (gauss)* 10'8 10-* 10° 104 108

SQUID FIBER-OPTIC
OPTICALLY PUMPED
NUCLEAR PRECESSION SEARCH-COIL
ANISOTROPIC
MAGNETORESISTIVE FLUX GATE
MAGNETOTRANSISTOR
MAGNETODIODE MAGETOOPTICAL SENSOR GIANT
MAGNETORESISTIVE HALLEFFECT SENSOR

EARTH’S FIELD

ƯU điểm của các sensor quang là đáp ứng nhanh, độ chính xác cao nhưng
công nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng và bị ảnh hưởng bởi môi trường thời tiết[5].

4


Với mục tiêu chế tạo cảm biến đo từ trường thấp giảm thiểu ảnh hưởng các
loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt, tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa quy trình công
nghệ, giảm chi phí sản xuất, chúng tôi đã lựa chọn thiết kế cảm biến dạng mạch cầu

Wheatstone hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR). Với thiết kế
dạng mạch cầu Wheatstone này, các ảnh hưởng của nhiễu nhiệt lên tín hiệu cảm biến
sẽ được giảm tối đa và do đó sẽ tăng cường được độ nhạy của cảm biến. Trong khóa
luận này, vật liệu được lựa chọn để chế tạo cho điện trở cảm biến là Ni 80Fe2o - là vật
liệu từ mềm có lựckháng từ H c nhỏ, độ từ thẩm cao rất phù họp để chế tạo cảm biến
có độ nhạy cao và ổn định trong dải từ trường thấp. Vì vậy ngoài khả năng đo được
từ trường Trái đất, cảm biến còn được kì vọng phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực
y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân sự, phương tiện giao
thông, .... Với định hướng đó, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến
dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hướng cấu trúc
Ta/NỈFe(10nm)/Ta ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp của mình.
2. Mục tiêu khóa luận
-

Chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị
hướng AMR kích thước 4 X 0,45 mm, bề dày màng 10 nm.

-

Khảo sát các tính chất từ, từ điện trở của cảm biến

3. Đối tượng nghiên cún
-

Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR

4. Phương pháp nghiên cún
Sử dụng phương pháp thực nghiệm
-

Chế tạo cảm biến với vật liệu NÌ8oFe2o

-

Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo

5. Nội dung khóa luận bao gồm
Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THựC NGHIỆM

5


Chương 3: THựC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

6


CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN
1.1.

Hiệu ứng từ điện trở

Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một
vật dẫn dưới tác động của từ trường, được xác định bằng công thức: MR= A p / p
= [ p ( 0 ) - p ( H ) ] / p ( 0 ) = [R(0)-R(H)]/R(0)
1.1.1.

(1.1)

Hiệu ứng từ trở dị hướng AMR

Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR - Anisotropic magnetoresistance) xảy ra
trong các kim loại từ tính, đó là hiện tượng thay đổi điện trở dưới tác dụng của từ
trường do lực Lorentz tác dụng lên các hạt tải điện, sự thay đổi điện trở này sẽ phụ
thuộc vào góc giữa vector từ độ và chiều dòng điện[l]. Nguồn gốc vật lý của hiệu
ứng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo. Các đám mây điện tử bao quanh
mỗi hạt nhân, đám mây này thay đổi hình dạng phụ thuộc vào định hướng của
momen từ và sự biến dạng của các đám mây điện tử làm thay đổi lượng tán xạ của
điện tử dẫn khi nó đi qua mạng tinh thể.

Điện trở nhỏ Điện trở lớn

Từ trường —^
Hình 1.1: Nguồn gốc vật lý của AMR Ta có thể giải thích sự phụ thuộc điện trở của
vật dẫn vào định hướng của momen từ với chiều dòng điện như sau: Neu từ trường
được định hướng vuông góc với chiều của dòng điện thì khi đó quỹ đạo chuyển động
của các điện tử nằm trong mặt phang của dòng điện và như vậy chỉ tồn tại một mặt
cắt

7


nhỏ đối với tán xạ của điện tử, dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ. Ngược lại, khi từ
trường áp vào song song với chiều dòng điện, và mặt cắt đối với tán xạ điện tử tăng
lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao (xem hình 1.1).
Trong thực tế, các sensor từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng
màng mỏng sao cho trên màng tồn tại hai phương từ hóa: phương dễ và phương khó.
Phương dễ từ hoá là phương mà sự từ hoá đạt đến trạng thái bão hoà dễ dàng nhất
(bão hoà ở từ trường thấp). Phương khó từ hóa là phương mà sự từ hóa khó đạt đến

trạng thái bão hoà nhất (bão hoà ở từ trường cao)[2].
Ap/p

Hình 1.2: Sự thay đối của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài Lý
thuyết của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR trong các màng mỏng bằng vật liệu sắt từ
rất phức tạp. Đe đơn giản, đầu tiên ta giả định rang, vector từ hóa trong màng sắt từ
ban đầu ở trạng thái bão hòa M s, khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay
đổi hướng của vector từ hóa này. Ngoài ra, ta có thể xét hiệu ứng AMR ở hai khía
cạnh đơn giản, đó là mối quan hệ giữa điện trở và hướng của vector từ độ (vector từ
hóa) và mối quan hệ giữa hướng của vector từ độ và từ trường ngoài.Điện trở của
màng mỏng có thể xác định thông qua góc 6 - góc giữa chiều dòng điện và vector từ
độ:

R(6) = pữn -Ị— + Ap^-cosỡ = Rữ + Aflcos2 e '
bd ba
A R r____^ ^
1
A/?_____________________A R
= ^o,p + 2 [C0S(2Ỡ) + 0 =

R

0,p

+ ~Y~+

Trong đó:

8

2 C0S( )


+ p0 n và Ap là hằng số của vật liệu
+ l là độ dài của màng mỏng +b là độ
rộng của màng mỏng
+d là độ dày của màng mỏng
+ R(ì là điện trở khi vector từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa
+ AR là độ thay đổi điện trở lớn nhất
Từ (1.2) ta có đồ thị biểu diễn

bởi sự tácđộng của từ trường

ngoài

sự phụthuộc của R và 6 như hình 1.3.
*m

Hình 1.3: Giả trị điện trở phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng
của vector từ hóa
1.1.2.

Hiệu ứng Hall phẳng

Bản chất của hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall effect) cũng tương tự như hiệu
ứng AMR đó là tín hiệu lối ra phụ thuộc vào góc giữa từ độ và dòng qua cảm biến.
Dựa vào sự tán xạ của điện tử theo phương từ độ của lớp sắt từ, khi cho dòng điện I
chạy qua cảm biến theo hướng X, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ M tạo
ra điện trường E theo hướng của từ độ M. Điện trường E này tạo ra hiệu điện thế V
theo hướng y vuông góc với dòng điện (hình 1.4)

9


Hình 1.4: Mô hình hiệu ứng Hall phắng Ở đây ta cần chú ý đến
sự khác nhau cơ bản giữa hiệu ứng Hall thường, hiệu ứng Hall dị hướng và hiệu ứng
Hall phang. Neu trong hiệu ứng Hall thường và dị thường từ trường ngoài vuông góc
với mặt phang mẫu thì trong hiệu ứng Hall phang từ trường ngoài phải đặt song song
với mặt phang mẫu (hình 1.5).
Classic Hall

Hình 1.5: Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Halỉ thường và hiệu
ứng Hall phang
Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là do trong hiệu ứng Hall thường, thế Hall
xuất hiện do lực Lorentz của từ trường ngoài tác dụng lên các hạt mang điện, còn
trong hiệu ứng Hall phang nó lại phụ thuộc vào góc giữa từ độ của mẫu và chiều
dòng điện, về bản chất đây chính là đặc thù của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR.

1
0


Hình 1.6: Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phắng và thế AMR Hiệu
ứng Hall phang được tìm thấy trong vật liệu từ khi điện trở của vật liệu phụ thuộc
vào góc giữa phương của dòng điện I và từ độ của mẫu M. Dưới tác dụng của dòng
Ix đặt theo phương X , nếu từ trường ngoài H hợp với dòng điện ĩx một góc 0 thì véctơ
từ độ của mẫu M nằm trong mặt phang của cảm biến sẽ lệch một góc 0 so với
phương của dòng điện Ix, khi đó sẽ có thế ra Vy xuất hiện theo phương vuông góc với
dòng điện Ix [3]:
Vy = Ix ÀRsinBcosớ

(1.3)
Với ÀR = (p// - Pi)/t, p// và Pi lần lượt là điện trở suất
của mẫu đo theo phương song song và vuông góc với phương
từ hóa, t là chiều dày tổng cộng của màng.
cấu trúc spin van Sắt từ tự do Ịy,
Lớp phi từ \ ,
^Săt từ bị ghim
Lớp phản sắt
từ

Hình

1.7:Mô hình cảm biến Hall phắng trong cấu trúc Spin

Đe nghiên cứu

về hiệu ứng Hall phang trong các cảm bien

valve
Hall, người

ta thường sử dụng mô hình Stonner Wohlfarth. Theo đó, với cấu trúc spin - valve,

1
1


kích thước mỗi lớp là kích thước đơn đômen của Stonner - Wohlfarth. Dưới tác dụng
của từ trường ngoài H, năng lượng từ trên một đơn vị diện tích của lớp sắt từ tự do
được cho bởi công thức:

E- Hex Ằ/s tp cos(ß Op) + Kup tp sin ỡp
-

M sp tp H COS (a - ỡp) + K üf tf sin2ớf - MtftfH cos(a - 0f) - Jcos(ỡf - 0p)

(1.4)

Trong đó: E là năng lượng từ trên một đơn vị diện tích của lớp sắt từ tự do; H
là cường độ từ trường ngoài tác dụng lên mẫu; tf và tp là độ dày lóp sắt từ tự do và
lớp sắt từ bị ghim; ớf, Op là góc giữa từ độ của lớp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim
đối với phương trục dễ của lóp sắt từ tự do; M Sf5 MSp lần lưọt là từ độ bão hòa của
lóp sắt từ tự do và lóp sắt từ bị ghim; Kuf và Kup là hằng số dị hướng từ hiệu dụng của
lóp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim; Hex là từ trường ghim (trường trao đổi dịch
được sinh ra do tương tác giữa lóp phản sắt từ với lớp sắt từ bị ghim); J là hệ số liên
kết bề mặt giữa lóp sắt từ bị ghim và lớp sắt từ tự do; a là góc giữa từ trường ngoài
với trục từ hóa dễ của lóp bị ghim; ß là góc giữa từ trường trao đối dịch với trục dễ
của lóp bị ghim.

1
2


Thế ra Hall phẳng được viết lại như sau:
Vv = — ỈAR sin 26 * I ầ R
y

2

Neu tương tác

H

trao đổi giữa lớp sắt từ

(1.5)

bị ghim và lớp phản sắt từ đủ mạnh, góc giữa từ độ và trục từ hóa dễ của lóp sắt từ bị
ghim được cố định ở vùng từ trường thấp thì 0 P tiến tới 0.
Khi góc 0 nhỏ, COS 0 - 1 , đáp ứng thế lối ra Hall phang gần như là một
đường tuyến tính theo từ trường ngoài nên độ nhạy của sensor được tính theo công
thức[3]:

1.2.

Nhiễu sensor

Tín hiệu lối ra của sensor luôn bị tác động bởi các nhân tố của môi trường
bên ngoài như nhiệt độ, tần số..., những ảnh hưởng này gọi chung là nhiễu. Nhiễu là
sự thay đối ngẫu nhiên tín hiệu lối ra của sensor khi giá trị đo bằng 0. Một thông số
quan trọng đế đánh giá các sensor là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (signal/noise).
Việc đánh giá nhiễu dựa trên 3 loại chủ yếu là nhiễu tần số l/f, nhiễu nhiệt và
nhiễu lượng tử, được xác định bởi[9]:

(1.7)
Với ÀVy là biên độ nhiễu, Af là dải thông tần số, nc là số hạt tải mang điện, f
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.
Ở vùng tần số thấp (f <300 Hz), nhiễu chủ yếu là nhiễu tần số l/f, ở tần số cao
(trên 1kHz) nhiễu chủ yếu là nhiễu nhiệt.

1
3


1.2.1.

Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt là thành phần nhiễu sinh ra do các thành phần điện trở. Trong dải
tần số A/, độ lớn của nhiễu nhiệt được tính theo công thưc (1.8):
- №sTRDCAf
(1.8)

Trong đó:
+ T là nhiệt độ tuyệt đối (K)
+ RDC là điện trở của sensor (trong dòng DC )
+ À/dải tần số của phép đo +
kB là hang so Boltzmann
Nhiễu nhiệt

cótrong tất cả các loại

Johnson), phụ thuộcvào

thành phần cấu tạo

cảm biến (còn
của

gọi là

nhiễu

điện trở.Trongmột vài

trường hợp, nó thể hiện dưới dạng nhiễu dòng nguồn phát của cường độ:
lị2 = 4kBT Af /R
1.2.2.

(1.9)

Dải tần nhiễu tương đương

Là dải thông voltage - gain - squared của hệ thống hay mạch. Đối với bất kỳ
hàm chuyển đổi mạng nào A(f), có 1 dải tần nhiễu tương đương với biên độ truyền
không đổi Ao và dải tần:
1 00

B = TJã\\A{f)\df
I °l 0
1.2.3.

(1.10)

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:
Ish2 = 2qlDcB

(1.11)
Trong đó: q là điện tích, IDC là dòng DC trung bình và B
là dải nhiễu
1.2.4.

Nhiễu 1/f

1
4


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

(1.12)

Với IDC là giá trị trung bình của dòng DC, f là tần số, K là hằng số phụ thuộc
vào loại vật liệu và hình dạng của nó, B là dải thông tần số[l 1].
1.2.5.

Nhiễu Barkhausen

Nhiễu Barkhausen bắt nguồn từ các hiệu ứng Barkhausen. Nhiễu Barkhausen
là hiện tượng điện tích biến đối không liên tục trong mật độ từ thông ở các vật liệu
sắt từ khi từ trường thay đổi liên tục. Nguồn phát Barkhausen bị ảnh hưởng lớn bởi

sự thay đối 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 đômen từ
khi chúng di chuyến qua vật liệu[10].
Từ công thức (1.8), ta thấy, nếu điện trở của sensor 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 bởi công thức:

v2|/f = (y/Nc) R2I2(1/Í) Af

(1.13)

Trong đó y là hằng số hiện tượng thuận từ (hằng số Hooge), N c là số hạt tải
gây nhiễu trong sensor, I là dòng điện qua sensor và f là tần số đo. Đe đạt được tỷ số
SNR lớn nhất có thể, sensor phải hoạt động phía trên l/f trong chế độ nhiễu nhiệt,
thường xảy ra ở tần số vài trăm kHz đối với spin - valve, nhưng trên 100 MHz 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 sinh học cực đại cho sensor.
1.3.

Mạch cầu điện trở Wheatstone

1
5


B

Hình 1.8: (a) Mạch cầu Wheatstone (b) Mạch cẩu Wheatstone
dưới tác dụng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng Mạch cầu điện trở Wheatstone

được mô tả lần đầu vào năm 1833 bởi Samuel Hunter Christie (1784-1865). Tuy
nhiên sau đó Sir Charles Wheatstone đã đưa mạch này vào ứng dụng trong thực tế
nên mạch này có tên là mạch cầu Wheatstone. Cho đến ngày nay, sử dụng mạch cầu
Wheatstone vẫn là phương pháp hiệu nghiệm chính xác khi đo lường giá trị thay đối
của trở kháng[14].
Cấu trúc một mạch cầu Wheatstone cơ bản gồm có bốn điện trở Rị, R2, R3,
R4 được mắc song song với nhau. Một điện kế G có độ nhạy cao được dùng để đo
thế ra của mạch. Giả sử ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch, khi đó ta có:
v

m = V ABC = V AĐC

=* l ABC { R \+ R 2) = ỉ ADC (*4 +*3)
VAB = IABC*I=-^-*-1 *1 + ^2
^AD=ỈADC^A=^TrR1

A4 + A3

^ = ^ - ^ = ^ 1-7^4
_

R1R2-R2R4

( R l + R 2){ R A + R 3 )

in

v
(1

14 )

Từ biểu thức (1.14), khi cung cap một hiệu điện thế khác không vào mạch,
nếu R1/R2 = R4/R3 (R1.R3 = R2.R4) thì số chỉ điện kế G bằng 0, mạch cầu cân bằng.

Neu một điện trở bất kì trong mạch cầu điện trở thay đổi thì R 1/R2 ^ R4/R3 (R1.R3 ^

1
6


R2.R4), do đó số chỉ điện kế G khác 0, mạch cầu không cân bằng.
Một đặc điếm nối bật và quan trọng của mạch cầu Wheatstone đó là có thể đo
được sự thay đối của trở kháng với sự thay đối điện trở không quá 10% và có thể tự
bù trừ được nhiệt độ[l 3]:
Vg = Vin/4 (ÀR]/ R] - AR2/R2 + AR3/R3 - AR4/ R4)

(1.15)

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 thể dùng làm mạch ổn định nhiệt độ và chế
tạo các thiết kế đặc biệt khác[l 3].
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 AC. Trong một số bộ điều khiến động cơ, mạch cầu Heaviside (một dạng khác
của mạch cầu Wheatstone) được sử dụng để điều khiển hướng quay của động cơ[12].
Một ứng dụng rất 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 đế
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 [14].

Với ưu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, chúng tôi đã chọn mạch cầu
Wheatstone làm cấu hình sensor đế giảm tối đa ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt
là nhiễu nhiệt, do đó tỉ số tín hiệu/nhiễu (signal/noise) sẽ lớn. Trong thiết kế sensor
dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện trở bằng nhau Ri = R 2 = R3 =
R4. Chúng tôi chọn Ni8()Fe2o làm vật liệu chế tạo các điện trở vì Ni 8()Fe2o là một vật

liệu từ mềm (Hc < 10 Oe), rất thích hợp đế chế tạo các sensor có độ nhạy cao và ổn
định trong vùng từ trường nhỏ. Sensor mạch cầu Wheatstone được tạo ra bằng công
nghệ quang khắc và phún xạ. Vì các điện trở trong mạch cầu làm từ vật liệu từ NiFe
nên khi đặt sensor trong từ trường, trở kháng của các điện trở sẽ thay đổi không
giống nhau do phương từ hóa của các điện trở trong mạch được chế tạo khác nhau.
Vì vậy, khi chưa tác dụng từ trường thì mạch cầu cân bằng, nhưng khi chịu tác dụng

1
7


của từ trường thì mạch cầu không còn cân bằng nữa. Khi đó ta sẽ đo được tín hiệu
lối ra của sensor.
1.4.

Kết luận chương 1

Trong chương 1, chúng tôi đã trình bày các hiệu ứng từ điện trở, hiệu ứng
Hall phang, các loại nhiễu sensor và sensor dạng cầu Wheatstone. Ở chương này,
chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết của hiệu ứng từ điện trở và chọn hiệu ứng này làm
cơ sở chế tạo sensor. Qua nghiên cứu về một số loại nhiễu thì sensor nào cũng bị ảnh
hưởng bởi nhiễu nhiệt, do đó chúng tôi đã lựa chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu
hình sensor để giảm nhiễu nhiệt.
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁPTHựC NGHIỆM

2.1.

Các thiết bị sử dụng trong khóa luận

2.1.1.

Thiết bị quay phủ

Khi thực hiện quá trình quay phủ chất cản quang, chúng tôi sử dụng thiết bị
quay phủ Suss MicroTec. Chất cản quang được sử dụng là AZ5214-E.

Hình 2.1. Thiết bị quay phủ Suss MỉcroTec và bảng điều khiến Thiết bị quay
phủ gồm 3 bộ phận chính: buồng quay phủ, bơm hút chân không và bảng điều khiến.
Trong buồng quay phủ có một trục quay thẳng đứng, trên đầu trục là một lỗ
nhỏ dùng để hút chân không giữ mẫu. Buồng có nắp đậy ở trên đế ngăn chặn bụi rơi
vào mẫu khi quay phủ và giữ an toàn cho người sử dụng khi mẫu được quay với tốc
độ cao. Hệ thống chống rung giúp máy vận hành êm, giảm thiểu hạt sinh ra trong

1
8


quá trình quay phủ.
Bảng điều khiển cho ta tùy chỉnh các thông số:
STEP: Số bước trong một chu trình quay phủ (v/p)
RPM: Tốc độ quay phủ trong mỗi bước
*— : Số lần gia tốc trong mỗi bước TIME: Thời gian thực hiện mỗi bước (s)
Bơm hút chân không có tác dụng hút chân đế giữ mẫu khỏi bị văng ra ngoài
khi quay phủ thông qua một lỗ nhỏ.
2.1.2.

Hệ quang khắc

Khi chế tạo sensor chúng tôi sử dụng máy quang khắc MJB4 (Suss
microtech). MJB4 có thể tạo ra những vi linh kiện có độ chính xác cao. Máy được
trang bị cấu hình quang học cao, có thể thực hiện quang khắc với nhiều bước sóng
khác nhau. Cường độ chiếu cực đại khoảng 80 mw/cm2, độ phân giải tối đa là 0,5
Ịim.

Hình 2.2. Thiết bị quang khắc MJB4
Các chế độ làm việc của Hệ quang khắc MJB4:
-

Tiếp xúc xa (Soft Contact): Chế độ tiếp xúc xa có thế đạt được độ phân giải
2,0 jam. Độ phân giải cuối cùng phụ thuộc chủ yếu vào quy trình kỹ thuật
như phạm vi quang phố, khoảng cách giữa mặt nạ và tấm nền...

-

Tiếp xúc gần (Hard Contact): Ở chế độ này, khoảng cách giữa mẫu và mặt nạ
được rút ngắn hơn nhờ một hệ thống đẩy bằng khí nitơ ở dưới mẫu. Độ phân

1
9


giải có thể đạt được đến 1,0 Ịim.

-

Tiếp xúc chân không (Vacuum Contact): Chế độ này giúp đạt được độ phân
giải cao hơn tiếp xúc xa và gần vì khoảng cách giữa mặt nạ và mẫu tiếp tục
được giảm. Đe đạt được độ phân giải cao nhất thì độ dày lớp cảm quang phủ
trên mẫu cũng cần được tối ưu hóa.

-

Tiếp xúc chân không thấp (Low Vacuum Contact): Đối với các mẫu dễ vỡ ta
có thể quang khắc bằng chế độ chân không thấp. Tiếp xúc chân không thấp
giúp giảm tác động đến mẫu hơn tiếp xúc chân không thường, đồng thời cho
độ phân giải cao hơn tiếp xúc xa và gần...
Độ phân giải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích cỡ tấm nền, độ phang, chất

lượng của màng cảm quang phủ trên đế, điều kiện phòng sạch,...
2.1.3.

Kính hiển vi quang học

Kính hiểu vi quang học dùng để quan sát các vật thể có kích thước nhỏ mà
mắt thường không thể quan sát được bằng cách tạo ra hình ảnh phóng đại của vật thể
đó.

về nguyên lý, kính hiển vi quang học có thể tạo độ phóng đại lớn tới vài ngàn
lần, nhưng độ phân giải của các kính hiển vi quang học truyền thống bị giới hạn bởi
hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng và cho bởi:

2NA

(2.1)

Trong đó: Ả là bước sóng ánh sáng, NA là thông số khẩu độ.
Trong khóa luận này, chúng tôi dùng kính hiển vi quang học Ml (carl Zeiss)
với độ phóng đại tối đa là 1000 lần được đặt trong phòng sạch tại phòng thí nghiệm
micro - nano của trường Đại học Công nghệ. Sau khi quang khắc và tráng rửa mẫu,
kính hiển vi là phương tiện hữu hiệu để kiểm tra và đánh giá mức độ thành công của
quá trình quang khắc.

2
0


2.1.4.
Buồng xử lý mẫu
Các thao tác làm sạch, sấy khô, tráng rửa mẫu đều được
thực hiện trong buồng xử lý mẫu. Buồng xử lý mẫu bao gồm
bếp nung, súng xì khô, các hóa chất tẩy rửa như cồn,
axeton, nước DI, dung dịch developer AZ300MIF. Axeton có
tác dụng làm sạch đế silic trước khi chế tạo sensor và
làm bong phần màng có phủ photoresist, cồn có tác dụng
làm rửa trôi axeton còn dính trên đế. Nước DI làm sạch
lượng cồn bám trên đế silic. Dung dịch developer có tác
dụng làm cho phần cần tạo quang khắc hiện hình trên lớp
cản quang.
Вер nung (hotplate) dùng để sấy khô mẫu ở các nhiệt độ khác nhau và đóng
rắn lớp cản quang trước và sau khi quang khắc. Các thông số có thể tùy chỉnh gồm
nhiệt độ cần đặt, tốc độ gia nhiệt. Yêu cầu đối với hotplate trong quá trình nung mẫu
là nhiệt độ luôn luôn phải giữ ổn định cho phép sai số ± l°c trong quá trình nung
mẫu đã phủ màng cản quang [12].

I

** ệ
OOô ____________
Hình 2.3: Buồng xử lý mâu
2.1.5.

I

Thiết bị phún xạ

Quá trình phún xạ các lớp màng vật liệu được thực hiện nhờ vào thiết bị phún
xạ catot АТС - 2000FC. cấu tạo của thiết bị phún xạ bao gồm các bộ phận chính là:
Buồng phún xạ (main chamber), buồng đệm (load lock), bảng điều khiển, hệ thống
van bơm, hút chân không. Thiết bị này còn được ghép nối với hệ thống máy tính để
điều khiển các thông số trong quá trình lắng đọng tạo màng.

2
1

Hình 2.4: Thiết bỉ phún xạ catot АТС - 2000FC


Hệ thống bơm chân không gồm hai bơm chân không kết nối với nhau là bơm
Turbo phân tử và bơm cơ học thông qua các valve. Các valve này có thể đóng mở tự
động nhờ vào việc điều khiến các dòng khí nén. Bơm Turbo có thể tạo chân không
cao 10’8 đến 10"9 Torr, tốc độ đạt được chân không nhanh và không làm nhiễm bấn
buồng chân không do không dùng cơ chế đốt nóng bằng dầu như bơm khuếch tán.
Hệ thống phún xạ catot có hai buồng chân không được kết nối với nhau thông
qua một vách ngăn là buồng chính và buồng phụ. Mau được đưa vào buồng phụ
trước, sau đó mới đưa vào buồng chính.

Bia là các tấm vật liệu (Cu, Fe, Ta, FePt, IrMn, FeCo, NiFe...) hình tròn dày 3
mm đường kính 2 inch. Mỗi bia được đặt trên một nguồn phún xạ, các bia vật liệu từ
được đặt trên các nguồn RF, còn các bia vật liệu phi từ được đặt trên các nguồn DC.
2.2.

Các phương pháp khảo sát tính chất của sensor

2.2.1.

Khảo sát tính chất từ của màng

Hình 2.5a là sơ đồ nguyên của thiết bị từ kế mẫu rung. Từ kế mẫu rung
(Vibrating Sample Magnetometer - VSM) là thiết bị cho phép đo từ độ tống cộng M
của mẫu vật liệu từ, hoạt động trên nguyên lý thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung
mẫu đo trong từ trường. Mau đo được gắn vào một cần rung không có từ tính và
được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi hai cực nam châm điện. Mau bị từ hóa
trong từ trường 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 có giá trị tỉ lệ thuận với từ độ tổng cộng M của mẫu cho bởi công thức:
V = 4. n.N.Sm.M

(2.2)

Với M là từ độ của mẫu đo, Sm là tiết diện vòng dây, N là số vòng dây của
thu tín hiệu.
Nam châm điện trong từ kế mẫu rung là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra
từ trường từ hóa vật liệu cần đo. Neu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng
dòng điện một chiều thì từ trường tạo ra là từ trường một chiều on định, nhưng

2

2


thường không lớn do bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và sự tỏa nhiệt làm
nóng cuộn dây. Nam châm kiểu này chỉ tạo được từ trường cực đại cỡ một vài Tesla.
Đe khảo sát tính chất từ và quá trình từ hóa của màng mỏng từ chúng tôi sử
dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7430 ở nhiệt độ phòng tại PTN Micro Nano, Trường Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN (xem hình 2.5b)

(a)

(b)

Hình 2.5: (a) Sơ đỗ nguyên lý của thiết bị từ kế mẫu rung
(b) Thiết bị từ kế mẫu rung VSM
2.2.2.

Khảo sát tính chất từ đỉện trở của sensor

Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu trong khóa luận được thực hiện thông qua
việc khảo sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra (hoặc điện trở) của cảm biến dưới tác
dụng của từ trường. Trong khóa luận này, hiệu ứng từ điện trở của cảm biến được
nghiên cứu nhờ vào hệ đo được bố trí như hình 2.6.
4 chân được nối với cảm biến: 2 chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một
chiều DC Current Source. 2 chân còn lại để lấy thế lối ra và được đo bằng máy đo
Keithley 2000.
Nam châm điện tạo từ trường một chiều lên tới 1T.

2
3

Bộ phận đo từ trường là một Gausmeter. Tín hiệu lối ra của Gausmeter được
đưa vào đồng hồ vạn năng Keithley.
Tín hiệu lối ra của Keithley được truyền sang máy tính điện tử thông qua
Card IEEE - 488. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu của hệ đo được thực hiện dưới
sự điều khiến tự động của chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Passcal.
Ket quả phép đo được hiển thị ra màn hình dưới dạng đồ thị trục tung là hiệu
điện thế lối ra của cảm biến U(mv), trục hoành là từ trường ngoài |I()H(T) và được
ghi trên 0 cứng máy tính ở dạng tệp số liệu.

(a) (b)
Hình 2.6:(a) Sơ đồ thí nghiêm đo hiệu ứng từ điện trở
(b) Mô hình thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc thê ra của sensor vào
từ trường ngoài.
2.3.
Kết luận chương 2
Trong chương 2, chúng tôi đã trình bày các thiết bị dùng
để chế tạo sensor là thiết bị quay phủ chất cản quang, hệ
quang khắc, kính hiển vi, thiết bị phún xạ. Chúng tôi
cũng đã trình bày phương pháp đo hiệu ứng từ điện trở và
phương pháp đo từ kế mẫu rung để khảo sát tính chất điện
và từ của sensor.
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
3.1.

Quy trình chế tạo sensor

2
4

Hình 3.1: Sơ đồ chung về quy trình chế tạo sensor Như đã trình bày
trong phần mạch cầu điện trở Wheatstone, chúng tôi đã chọn mạch cầu điện trở
Wheatstone làm cấu hình chế tạo sensor. Mục đích của sự lựa chọn này là do mạch
cầu Wheatstone có khả năng giảm tối đa nhiễu của môi trường. Theo đó, trong mạch
cầu sẽ có bốn điện trở, và bốn điện trở này sẽ có kích thước bằng nhau. Cụ thể,
chúng tôi sẽ tiến hành chế tạo loại mạch cầu điện trở: với điện trở có dạng hình chữ
nhật có kích thước 0,45 mm X 4 mm và bề dày lớp màng là 10 nm. Chúng tôi cũng
đã lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là Ni 8()Fe20 - một loại vật liệu từ mềm (có
lực kháng từ Hc cỡ 3 Oe -ỉ- 5 Oe), rất thích hợp đế chế tạo các sensor có độ nhạy cao
và ổn định trong vùng từ trường nhỏ. Đe 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 thước nhỏ nên chúng tôi đã tiến hành chế tạo điện
cực bằng Cu để hàn dây đo tín hiệu sensor. Chúng tôi đã sử dụng công nghệ quang

2
5