Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu wheatstone trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
------------------

NGUYỄN THỊ HẬU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU
WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG
TỪ- ĐIỆN TRỞ DỊ HƢỚNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
ThS LÊ KHẮC QUYNH

HÀ NỘI- 2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
------------------

NGUYỄN THỊ HẬU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU
WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG
TỪ- ĐIỆN TRỞ DỊ HƢỚNG

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

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
ThS. LÊ KHẮC QUYNH

HÀ NỘI- 2015


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Th.S
Lê Khắc Quynh đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và truyền đạt kinh nghiệm
giúp em hoàn thành khóa luận này.
Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân tình tới các thầy cô giáo trong khoa,
các thầy cô giáo trong tổ vật lý chất rắn, khoa vật lý trƣờng Đại học Sƣ phạm
Hà Nội 2 đã tạo điều kiện giúp em hoàn thiện đề tài nghiên cứu của mình.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới bố, mẹ và những ngƣời thân
yêu trong gia đình, cùng bạn bè đã luôn cổ vũ, động viên giúp đỡ em trong
suốt quá trình thực hiện khóa luận này.
Hà nội, tháng 5 năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Thị Hậu


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là
hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố ở bất kỳ nơi nào khác.
Hà nội, tháng 5 năm 2015
Sinh viên

Nguyễn Thị Hậu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1....................................................................................................... 3
TỔNG QUAN ................................................................................................... 3
1.1.

Hiệu ứng từ điện trở .......................................................................... 3

1.1.1.

Hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR......................................................... 3

1.1.2.

Hiệu ứng Hall phẳng ......................................................................... 6

1.2.

Mạch cầu Wheatstone ..................................................................... 10

1.3.

Nhiễu cảm biến ................................................................................ 12

CHƢƠNG 2..................................................................................................... 16
CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...................................................... 16
2.1.

Các thiết bị sử dụng trong khóa luận............................................... 16

2.1.1.

Thiết bị quay phủ ............................................................................. 16

2.1.2.

Hệ quang khắc ................................................................................. 17

2.1.3.

Kính hiển vi quang học ................................................................... 18

2.1.4.

Buồng xử lý mẫu ............................................................................. 19

2.1.5.

Thiết bị phún xạ ............................................................................... 20

2.2.

Các phƣơng pháp khảo sát tính chất từ của cảm biến ..................... 21

2.2.1.

Khảo sát tính chất từ của cảm biến.................................................. 21

2.2.2.

Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến .................................... 22

CHƢƠNG 3..................................................................................................... 24
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................ 24
3.1.

Quy trình chế tạo cảm biến.............................................................. 24

3.1.1.

Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone ..................................... 25

3.1.1.1. Quá trình quang khắc ...................................................................... 25
3.1.1.2. Quá trình phún xạ ............................................................................ 27


3.1.2.

Chế tạo các điện cực ........................................................................ 28

3.2.1.

Tính chất từ và từ điện trở trên màng “full film“ ............................ 29

3.2.2.

Tính chất từ điện trở trên cảm biến cầu Wheatstone....................... 30

3.2.2.1. Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài .......................... 30
3.2.2.2. Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài với các dòng cấp
khác nhau......................................................................................................... 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 35


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E ... 27
Bảng 3.2. Thông số phún xạ khi tạo điện trở cấu trúc cầu ................................. 28
Bảng 3.3. Các thông số phún điện cực ................................................................ 30
Bảng 3.4. Độ lệch thế và độ nhạy của cảm biến tại các dòng cấp 1, 2, 3 mA ... 34


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Nguồn gốc AMR ................................................................................... 4
Hình 1.2. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện .....................
chạy qua và hƣớng của vector từ hoá. ................................................................... 5
Hình 1.3. Mô hình hiệu ứng Hall phẳng ............................................................... 6
Hình 1.4. Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Hall thƣờng......................
và hiệu ứng Hall phẳng ......................................................................................... 7
Hình 1.5. Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế ARM ........ 7
Hình 1.6. Mô hình cảm biến Hall phẳng trong cấu trúc Spin valve .................... 8
Hình 1.7: Mạch cầu điện trở Wheatstone............................................................ 10
Hình 2.1. Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển ..................... 16
Hình 2.2. Thiết bị quang khắc MJB4 .................................................................. 17
Hình 2.3. Buồng xử lý mẫu ................................................................................. 19
Hình 2.4. Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC .................................................. 20
Hình 2.5: (a) Sơ đồ nguyên lý của thiết bị từ kế mẫu rung . (b) Thiết bị từ kế
mẫu rung VSM .................................................................................................... 22

Hình 2.6. Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở .......................................... 23
Hình 2.7. (a) Cảm biến đƣợc đóng gói hoàn chỉnh. (b) Cảm biến đƣợc kết nối
với hệ đo điện từ .................................................................................................. 24
Hình 3.1. Sơ đồ chung về quy trình chế tạo sensor ............................................ 25
Hình 3.2. Ảnh chụp mask điện trở của mạch cầu Wheatstone ........................... 27
Hình 3.3. Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off .................................... 29
Hình 3.4. Ảnh chụp mask điện cực ..................................................................... 29
Hình 3.6. (trái) Đƣờng cong từ hóa trên màng có bề dày khác nhau 15 nm ..... 31
Hình 3.7. Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trƣờng ngoài một chiều, đo tại 1mA:
(trái) Trong thang đo từ trƣờng lớn, (phải) Trong thang đo từ trƣờng nhỏ ........ 32


Hình 3.8. Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trƣờng ngoài một chiều, đo tại các
dòng 1, 2, 3 mA: (trái) Trong thang đo từ trƣờng lớn, (phải) Trong thang đo từ
trƣờng nhỏ ........................................................................................................... 33


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trên thế giới có rất nhiều loại cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau
đƣợc sử dụng để đo từ trƣờng thấp, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên
hiệu ứng quang và từ nhƣ cảm biến giao thoa lƣợng tử siêu dẫn, sợi quang,
bơm quang học, cảm biến dựa trên hiệu ứng điện – từ, cảm ứng điện từ (FluxGate), hiệu ứng Hall…. Mặc dù các cảm biến hoạt động dựa trên các hiệu ứng
khác nhau nhƣng các cảm biến đều dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích
hiệu điện thế nối ra từ cảm biến thay đổi phụ thuộc vào cƣờng độ của từ
trƣờng tác dụng lên cảm biến. Mỗi loại cảm biến đều có đặc thù riêng, có các
ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng tùy thuộc vào mục đích và phạm vi trong từng
lĩnh vực ứng dụng.
Ƣu điểm của các cảm biến quang là đáp ứng nhanh, độ chính xác cao
nhƣng công nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng và bị ảnh hƣởng bởi môi

trƣờng thời tiết. Cảm biến từ có nhiều ƣu điểm nhƣ độ nhạy cao và độ chính
xác cao, điều kiện làm việc ít bị ảnh hƣởng bởi môi trƣờng bên ngoài. Do đó,
cảm biến từ đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Một trong
những ứng dụng thỏa sơ khai là dò tìm phƣơng hƣớng đi cho con tàu trong
ngành hàng hải. Ngày nay, với kích thƣớc nhỏ, độ nhạy cao, dễ tƣơng thích
với các mạch điện tử, cảm biến từ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực nhƣ y sinh, quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng không
vũ trụ, cảm biến đo dòng, cảm biến đo từ trƣờng nhỏ…. Phổ biến nhất trong
cảm biến từ là các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng cảm ứng
điện từ và hiệu ứng từ điện trở, trong đó cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall
phẳng và hiệu ứng từ điện trở là hai hƣớng đang đƣợc triển khai nghiên cứu

1


chế tạo tại phòng thí nghiệm micro - nano của trƣờng Đại học Công nghệ ĐHQGHN.
Với mục tiêu chế tạo đƣợc cảm biến đo đƣợc từ trƣờng thấp với cấu hình
đơn giản nhƣng tỉ số tín hiệu/nhiễu và độ nhạy cao tôi đã chọn mạch cầu
Wheastsone làm cấu hình cảm biến.Vì vậy, trong bƣớc đầu làm quen với việc
nghiên cứu khoa học, tôi chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu
Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ- điện trở dị hƣớng với hy vọng có thể tìm
hiểu và tiếp cận với các công nghệ hiện đại.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, khóa luận gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Các phƣơng pháp thực nghiệm
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận
2. Mục tiêu của khóa luận
- Chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR
- Khảo sát các tính chất từ, từ điện trở của cảm biến
3. Đối tƣợng nghiên cứu

- Cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm: chế tạo cảm biến với vật liêu Ni80Fe20 ,
đo đạc và xử lý số liệu.

2


CHƢƠNG 1
TỔNG 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 dƣới tác động của từ trƣờng, đƣợc xác định bằng công thức:
MR      0   H   0  R0  RH  R0

(1.1)

Trong đó:  0 ,  H  , R0 , RH  lần lƣợt là điện trở suất, điện trở của
vật dẫn
1.1.1. Hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR
Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (AMR- Anisotropic magnetoresistance) là
hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất
dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài) phụ thuộc vào hƣớng của dòng điện, mà
bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tƣơng đối giữa từ độ và dòng
điện.
William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn
kim loại sắt từ là niken và sắt dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài của một nam
châm điện có thể đạt tới 3- 5% ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra sự thay đổi này còn
phụ thuộc vào phƣơng đo, góc tƣơng đối giữa cƣờng độ dòng điện và từ
trƣờng ngoài hay chiều của độ từ hóa của mẫu.

Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng AMR chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại
sắt từ. 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

3


đổi hình dạng phụ thuộc vào định hƣớng của momen từ và sự biến dạng của
các đám mây điện tử làm thay đổi lƣợng tán xạ của điện tử dẫn khi nó đi qua
mạng tinh thể[8]. Ta có thể giải thích sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn vào
định hƣớng của momen từ với chiều dòng điện nhƣ sau: Nếu từ trƣờng đƣợc
định hƣớng vuông góc với chiều của dòng điện thì khi đó quỹ đạo chuyển
động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện và nhƣ vậy chỉ tồn
tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ của điện tử, dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ.
Ngƣợc lại, khi từ trƣờng áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ đạo
chuyển động của điện tử đƣợc định hƣớng vuông góc với chiều của dòng
điện, và mặt cắt đối với tán xạ của điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở
cao.

Hình 1.1. Nguồn gốc AMR
Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR trong các màng mỏng bằng
vật liệu sắt từ rất phức tạp. Để đơn giản, ta 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

trƣờng ngoài sẽ làm thay đổi hƣớng của vectơ 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 hƣớng của vectơ từ độ (vectơ từ hóa) và mối quan hệ giữa hƣớng của vectơ
từ độ và từ trƣờng ngoài. Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua
góc  - góc giữa chiều dòng điện và vectơ từ độ:

4


l
l
 
cos  R0, p  R cos 2 
bd
bd
R
cos(2 )  1  R0, p  R  R cos(2 )

2
2
2

R( )   0, n
 R0 , p

(1.2)

Trong đó:
 0 , n và  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

R0 , p là điện trở khi vector từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa
R là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trƣờng ngoài

Từ (1.2) ta có đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của R vào  nhƣ hình 1.2.

Hình 1.2. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện
chạy qua và hướng của vector từ hoá.

5


1.1.2. Hiệu ứng Hall phẳng
Bản chất của hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall effect) cũng tƣơng tự nhƣ
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 phƣơng từ độ của lớp sắt từ, khi
cho dòng điện I chạy qua cảm biến theo hƣớng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo
hƣớng của từ độ M tạo ra điện trƣờng E theo hƣớng của từ độ M. Điện trƣờng
E này tạo ra hiệu điện thế V theo hƣớng y vuông góc với dòng điện (hình
1.3).
x
y

I
H
M

VH

Hình 1.3. Mô hình hiệu ứng Hall phẳng
Ở đây ta cần chú ý đến sự khác nhau cơ bản giữa hiệu ứng Hall thƣờng,
hiệu ứng Hall dị hƣớng và hiệu ứng Hall phẳng. Nếu trong hiệu ứng Hall
thƣờng và dị hƣớng từ trƣờng ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu thì trong

6


hiệu ứng Hall phẳng từ trƣờng ngoài phải đặt song song với mặt phẳng mẫu
(hình 1.4).

Hình 1.4. Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Hall thường
và hiệu ứng Hall phẳng
Sở dĩ có sự khác nhau nhƣ vậy là do trong hiệu ứng Hall thƣờng, thế
Hall xuất hiện do lực Lorentz của từ trƣờng ngoài tác dụng nên các hạt mang
điện, còn trong hiệu ứng Hall phẳng 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 hƣớng AMR.

M



Vy 

1

IR sin 2

2

I
Thế Hall
phẳng

V ( ) 

V
2



V

cos(2 )

Thế AMR

2

Hình 1.5. Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế AMR

7

Hiệu ứng Hall phẳng đƣợc tìm thấy trong vật liệu từ khi điện trở của vật
liệu phụ thuộc vào góc giữa phƣơng của dòng điện I và từ độ của mẫu M.
Dƣới tác dụng của dòng Ix đặt theo phƣơng x, nếu từ trƣờng ngoài H hợp với
dòng điện Ix một góc θ thì véctơ từ độ của mẫu M nằm trong mặt phẳng của
cảm biến sẽ lệch một góc θ so với phƣơng của dòng điện Ix, khi đó sẽ có thể
ra Vy xuất hiện theo phƣơng vuông góc với dòng điện Ix:
Vy = Ix Rsinθcosθ

(1.3)

Với R = (// - )/t, // và  lần lƣợt là điện trở suất của mẫu đo theo
phƣơng song song và vuông góc với phƣơng từ hóa, t là chiều dày tổng cộng
của màng.

Hình 1.6. Mô hình cảm biến Hall phẳng trong cấu trúc Spin valve
Để nghiên cứu về hiệu ứng Hall phẳng trong các cảm biến Hall, ngƣời ta
thƣờng sử dụng mô hình Stonner Wohlfarth. Theo đó, với cấu trúc spin valve, kích thƣớc mỗi lớp là kích thƣớc đơn đômen của Stonner – Wohlfarth.
Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài H, năng lƣợng từ trên một đơn vị diện tích
của lớp sắt từ tự do đƣợc cho bởi công thức:

8


E = - Hex Ms tp cos(β – θp) + Kup tp sin2θp
- Msp tp H cos(α – θp) + Kuf tf sin2θf
- Msf tf H cos(α - θf) – Jcos(θf - θp)

(1.4)

Trong đó: E là năng lƣợng từ trên một đơn vị diện tích của lớp sắt từ tự
do; H là cƣờng độ từ trƣờng ngoài tác dụng lên mẫu; tf và tp là độ dày lớp sắt
từ tự do và lớp sắt từ bị ghim; θf, θp là góc giữa từ độ của lớp sắt từ tự do và
lớp sắt từ bị ghim đối với phƣơng trục dễ của lớp sắt từ tự do; Msf, Msp lần
lƣợt là từ độ bão hòa của lớp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim; Kuf và Kup là
hằng số dị hƣớng từ hiệu dụng của lớp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim; Hex
là từ trƣờng ghim (trƣờng trao đổi dịch đƣợc sinh ra do tƣơng tác giữa lớp
phản sắt từ với lớp sắt từ bị ghim); J là hệ số liên kết bề mặt giữa lớp sắt từ bị
ghim và lớp sắt từ tự do; α là góc giữa từ trƣờng ngoài với trục từ hóa dễ của
lớp bị ghim; β là góc giữa từ trƣờng trao đổi dịch với trục dễ của lớp bị ghim.
Thế ra Hall phẳng đƣợc viết lại nhƣ sau:
Vy 

1
H
IR sin 2  IR
2
H K  H ex

(1.5)

Nếu tƣơng tác trao đổi giữa lớp sắt từ bị ghim và lớp phản sắt từ đủ
mạnh, góc giữa từ độ và trục từ hóa dễ của lớp sắt từ bị ghim đƣợc cố định ở
vùng từ trƣờng thấp thì θp tiến tới 0.
Khi góc θ nhỏ, cos θ ≈ 1, đáp ứng thế lối ra Hall phẳng gần nhƣ là một
đƣờng tuyến tính theo từ trƣờng ngoài nên độ nhạy của sensor đƣợc tính theo
công thức[3]:
S

Vy
IH



9

R
H K  H ex

(1.6)


1.2. Mạch cầu 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 đó một
nhánh chứa thành phần điện trở chƣa xác định. Mạch cầu Wheatstone đƣợc
phát minh bởi Samuel Hunter Christe vào năm 1833 và đƣợc phát triển, đƣa
vào sử dụng rộng rãi bởi Sir Charles Wheatstone vào năm 1834.
Cấu trúc của một mạch cầu Wheatstone (xem hình 1.7) bao gồm có bốn
điện trở R1, R2, R3, R4 đƣợc mắc song song với nhau. Một nguồn điện một
chiều đƣợc sử dụng để cấp vào 2 điểm A, C tạo ra dòng điện chạy trong mạch
điện và một điện kế G có độ nhạy cao đƣợc dùng để đo chênh lệch điện thế
lối ra giữa 2 điểm B, D của cầu.

Hình 1.7: Mạch cầu điện trở Wheatstone
Khi ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch điện, ta có:

10

(1.7)
Từ biểu thức (1.7), khi cung cấp một hiệu điện thế khác không vào
mạch, nếu R1/R2 = R4/R3 (R1R3 = R2R4) thì số chỉ điện kế G bằng 0, mạch cầu
cân bằng. Nếu một điện trở bất kì trong mạch cầu điện trở thay đổi thì R1/R2 
R4/R3 (R1R3  R2R4), do đó số chỉ điện kế G khác 0, mạch cầu không cân
bằng.
Một đặc điểm nổi bật và quan trọng của mạch cầu Wheatstone đó là có
thể đo đƣợc sự thay đổi của trở kháng với sự thay đổi điện trở không quá
10% và có thể tự bù trừ đƣợc nhiệt độ[7]:
Vg = Vin/4 (ΔR1/ R1 - ΔR2/R2 + ΔR3/R3 - ΔR4/ R4)

(1.8)

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[7].
Mạch cầu Wheatstone đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực của đời sống
đặc biệt là trong các mạch điện tử nhƣ: dùng để đo trở kháng, điện cảm, điện
dung trong mạch AC. Trong một số bộ điều khiển động cơ, mạch cầu
Heaviside (một dạng khác của mạch cầu Wheatstone) đƣợc sử dụng để điều
khiển hƣớng quay của động cơ[6]. Một ứng dụng rất phổ biến trong ngành
công nghiệp là để giám sát các thiết bị cảm biến, chẳng hạn nhƣ đồng hồ đo

11


dòng. Ngoài ra, mạch cầu còn đƣợc ứng dụng để xác định chính xác vị trí phá
vỡ một đƣờng dây điện. Phƣơng pháp này nhanh và chính xác, không đòi hỏi
công nghệ hỗ trợ cao[9].

Với ƣu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, tôi đã chọn mạch cầu
Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm tối đa ảnh hƣởng của môi trƣờng,
đặc biệt là nhiễu nhiệt, do đó tỉ số tín hiệu/nhiễu (signal/noise) sẽ lớn. Trong
thiết kế cảm biến dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện trở
bằng nhau R1 = R2 = R3 = R4. Chúng tôi chọn Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo các
điện trở vì Ni80Fe20 là một vật liệu từ mềm (HC ˂ 10 Oe), rất thích hợp để chế
tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trƣờng nhỏ. Cảm
biến mạch cầu Wheatstone đƣợc 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 cảm
biến trong từ trƣờng, trở kháng của các điện trở sẽ thay đổi không giống nhau
do phƣơng từ hóa của các điện trở trong mạch đƣợc chế tạo khác nhau. Vì
vậy, khi chƣa tác dụng từ trƣờng thì mạch cầu cân bằng, nhƣng khi chịu tác
dụng của từ trƣờng thì mạch cầu không còn cân bằng nữa. Khi đó ta sẽ đo
đƣợc tín hiệu lối ra của cảm biến.
1.3.

Nhiễu cảm biến
Tín hiệu lối ra của cảm biến luôn bị tác động bởi các nhân tố của môi

trƣờng bên ngoài nhƣ nhiệt độ, tần số..., những ảnh hƣởng này gọi chung là
nhiễu. Nhiễu là sự thay đổi ngẫu nhiên tín hiệu lối ra của cảm biến khi giá trị
đo bằng 0. Một thông số quan trọng để đánh giá các cảm biến là tỷ số tín hiệu
trên nhiễu (signal/noise).
Việc đánh giá nhiễu dựa trên 3 loại chủ yếu là nhiễu tần số 1/f, nhiễu
nhiệt và nhiễu lƣợng tử, đƣợc xác định bởi:

12


(1.9)

Với ΔVy là biên độ nhiễu, Δf là dải thông tần số, nc là số hạt tải mang
điện, f tần số đo, kB là hằng số 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 <300Hz), nhiễu chủ yếu là nhiễu tần số 1/f, ở tần
số cao (trên 1kHz) nhiễu chủ yếu là nhiễu nhiệt. Sau đây tôi sẽ trình về một số
loại nhiễu cảm biến thƣờng gặp:
* Nhiễu nhiệt: Nhiễu nhiệt là thành phần nhiễu sinh ra do các thành phần
điện trở. Trong dải tần số Δf , độ lớn của nhiễu nhiệt đƣợc tính theo công thức
(1.10):

(1.10)
Trong đó
+ T là nhiệt độ tuyệt đối (K)
+ RDC là điện trở của cảm biến (trong dòng DC )
+ Δf dải tần số của phép đo
+ kB là hằng số Boltzmann.
Nhiễu nhiệt có trong tất cả các loại cảm biến (còn gọi là nhiễu Johnson),
phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của điện trở. Trong một vài trƣờng hợp, nó
thể hiện dƣới dạng nhiễu dòng nguồn phát của cƣờng độ:
It2 = 4kBT Δf /R

13

(1.11)


* Dải tần nhiễu tƣơng đƣơng: 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 tƣơng đƣơng với biên độ truyền không đổi A0 và dải tần:

(1.12)
* Nhiễu lƣợng tử: Khi dòng điện chạy qua một rào thế thì sẽ xuất hiện
nhiễu lƣợng tử, vì sự thăng giáng dòng qua một giá trị trung bình gây ra bởi
sự biến thiên điện tử và lỗ trống đƣợc phát ra. Dòng nhiễu đƣợc xác định:
I sh2 = 2qIDCB

(1.13)

Trong đó: q là điện tích, IDC là dòng DC trung bình và B là dải nhiễu.
* Nhiễu 1/f: Nhiễu 1/f gây ra bởi sự dao động độ dẫn do sự tiếp xúc
không hoàn hảo giữa 2 lớp vật liệu. Nó xảy ra ở bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp
xúc với nhau. Nhiễu 1/f tỷ lệ thuận với giá trị dòng 1 chiều. Mật độ năng
lƣợng biến thiên tỷ lệ nghịch với tần số 1/f. Dòng nhiễu If trên căn bậc 2 của
dải thông có đƣợc thể hiện nhƣ sau:
If
K×IDC
≈
(1.14)
sqrt(B
sqrt(f)
)
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[9].
* Nhiễu Barkhausen: Nhiễu Barkhausen bắt nguồn từ các hiệu ứng
Barkhausen. Nhiễu Barkhausen là hiện tƣợng điện tích biến đổi không liên tục
trong mật độ từ thông ở các vật liệu sắt từ khi từ trƣờng thay đổi liên tục.
Nguồn phát Barkhausen bị ảnh hƣởng lớn bởi sự thay đổi cấu trúc vi mô của
vật liệu từ và ứng suất. Gần đây, nhiễu Barkhausen đƣợc biết đến nhƣ hiệu

14

ứng phụ thuộc vào điện thế bên trong bởi các vách domain từ khi chúng di
chuyển qua vật liệu[4].
Từ công thức (1.12), ta thấy nếu điện trở của cảm biến cực đại thì nhiễu
đạt cực đại. Ở tần số thấp, nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu 1/f (do từ trƣờng gây
ra nhiễu từ) đƣợc biểu diễn bởi công thức:
V21/f = (γ/Nc) R2I2(1/f) ∆f

(1.15)

Trong đó: γ là hằng số hiện tƣợng thuận từ (hằng số Hooge), Nc là số hạt
tải gây nhiễu trong cảm biến, I là dòng điện qua cảm biến và f là tần số đo. Để
đạt đƣợc tỷ số SNR lớn nhất có thể, cảm biến phải hoạt động phía trên 1/f
trong chế độ nhiễu nhiệt, thƣờng xảy ra ở tần số vài trăm kHz đối với vanspin, trên 100 MHz đối với tiếp xúc.

15


CHƢƠNG 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC 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 đƣợc sử dụng là AZ5214-E.

Hình 2.1. Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển
Thiết bị quay phủ gồm 3 bộ phận chính: buồng quay phủ, bơm hút chân
không và bảng điều khiển.
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 để ngăn
chặn bụi rơi vào mẫu khi quay phủ và giữ an toàn cho ngƣời sử dụng khi mẫu
đƣợc quay với tốc độ cao. Hệ thống chống rung giúp máy vận hành êm, giảm
thiểu hạt sinh ra trong quá trình quay phủ.
Bảng điều khiển cho ta tùy chỉnh các thông số:
STEP: Số bƣớc trong một chu trình quay phủ (v/p)

16