Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng cấu trúc ta nife(5nm) ta

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

TRẦN THỊ THU NGỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU
WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN
TRỞ DỊ HƢỚNG CẤU TRÚC Ta/NiFe(5nm)/Ta

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

LỜI CAM ĐOAN
LỜI CAM ĐOAN

HÀ NỘI , 2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

TRẦN THỊ THU NGỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU
WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN
TRỞ DỊ HƢỚNG CẤU TRÚC Ta/NiFe(5nm)/Ta
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. BÙI ĐÌNH TÚ

HÀ NỘI , 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là
hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố bởi bất kỳ nơi nào khác. Mọi
nguồn tài liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn một cách rõ ràng.
Hà Nội, ngày tháng năm
Sinh viên

Trần Thị Thu Ngọc


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Bùi Đình Tú đã hƣớng
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, các cô và các anh chị trong Phòng
Thí nghiệm công nghệ Micro - Nano trƣờng Đại học Công Nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt thời gian em làm việc
tại phòng.
Trong quá trình thực hiện khóa luận em cũng nhận đƣợc rất nhiều sự
giúp đỡ của các thầy cô và các bạn trong trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2.
Em xin trân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô và các bạn.
Hà Nội, ngày tháng năm
Sinh viên

Trần Thị Thu Ngọc


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nguồn gốc vật lý của AMR.................................................. 4
Hình 1.2: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện 5
và hƣớng của vectơ từ hoá.................................................................... 5
Hình 2.1: Thiết bị quay phủ SussMicroTec và bảng điều khiển ....... 9
Hình 2.2: Thiết bị quang khắc MJB4 ................................................. 10
Hình 2.3: Buồng xử lí mẫu ................................................................. 12
Hình 2.4: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC..................................13
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của thiế t bi ̣tƣ̀ kế mẫu rung . (b) Thiế t bi ̣tƣ̀
kế mẫu rung VSM............................................................................... 15
Hình 2.6: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở .......................... 15
Hình 3.1: Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến ....................... 17
Hình 3.2: Ảnh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone ................. 20
Hình 3.3: Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off ................... 21
Hình 3.4: Ảnh chụp mask điện cực .................................................... 22
Hình 3.5: Ảnh chụp cảm biến sau khi phún xạ và lift-off .................. 23
Hình 3.6: (Trái) Đƣờng cong từ hóa trên màng có bề dày khác nhau 5
nm đo theo phƣơng song song từ trƣờng ghim (Hbias), (Phải) sự phụ
thuộc của tín hiệu điện áp lối ra vào từ trƣờng ngoài của các màng
tƣơng ứng, dòng cấp 5mA .................................................................. 24
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........................................................................................... 26
Hình 3.8: Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trƣờng ngoài một chiều, đo
tại các dòng 1, 2, 3mA: (Trái) trong thang đo từ trƣờng lớn, (Phải)
trong thang đo từ trƣờng nhỏ. ............................................................. 27


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang
AZ5214-E ........................................................................................ 19

Bảng 3.2: Thông số phún xạ khi tạo điện trở cấu trúc cầu.............. 21
Bảng 3.3: Các thông số phún điện cực ............................................ 22
Bảng 3.4: Độ lệch thế và độ nhạy của cảm biến ............................. 27


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài ............................................................................................ 1
2. Mục tiêu của khóa luận ................................................................................. 2
3. Đối tƣợng nghiên cứu.................................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.............................................................................. 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 3
1.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng.................................................................... 3
1.2. Mạch cầu điện trở Wheatstone ................................................................... 5
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........................................... 9
2.1. Các thiết bị sử dụng trong khóa luận ......................................................... 9
2.1.1. Thiết bị quay phủ .................................................................................... 9
2.1.2. Hệ quang khắc ....................................................................................... 10
2.1.3. Kính hiển vi quang học ......................................................................... 11
2.1.4. Buồng xử lý mẫu ................................................................................... 12
2.1.5. Thiết bị phún xạ .................................................................................... 13
2.2. Các phƣơng pháp khảo sát tính chất của cảm biến .................................. 14
2.2.1. Khảo sát tính chất từ của cảm biến ....................................................... 14
2.2.2. Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến .......................................... 15
CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ....................................... 17
3.1. Quy trình chế tạo cảm biến ...................................................................... 17
3.1.1. Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone ........................................... 18


3.1.2. Chế tạo các điện cực ............................................................................. 21

3.2. Kết quả và thảo luận ................................................................................. 23
3.2.1. Tính chất từ và từ điện trở trên màng ................................................... 23
3.2.2. Tính từ điện trở trên cảm biến cầu Wheatstone .................................... 24
3.2.2.1. Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài ............................ 24
3.2.2.2. Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài với các dòng cấp
khác nhau......................................................................................................... 26
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 29
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 30


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 cỡ từ trƣờng Trái đất đã đƣợc công bố.
Tuy vậy, các cảm biến này thƣờng có kích thƣớc khá cồng kềnh và gặp phải
các loại nhiễu ảnh hƣởng tới tín hiệu. Ngoài ra, một số cảm biến hoạt động tốt
hơn nhƣng lại có cấu trúc dạng màng đa lớp khá phức tạp nhƣ cảm biến dựa
trên hiệu ứng Spin-van, TMR...
Với mục tiêu chế tạo cảm biến đo từ trƣờng thấp giảm thiểu ảnh hƣởng
các loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt, tối ƣu hóa kích thƣớc, đơn giản hóa qui
trình công nghệ , giảm chi phí sản xuất, tôi đã lựa chọn thiết kế cảm biến dạng
mạch cầu Wheatstone hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng
(AMR). Với thiết kế dạng mạch cầu Wheatstone này, các ảnh hƣởng của
nhiễu nhiệt lên tín hiệu của cảm biến sẽ đƣợc giảm tối đa và do đó sẽ tăng
cƣờng đƣợc độ nhạy của cảm biến. Trong khóa luận này, vật liệu đƣợc lựa
chọn để chế tạo cho điện trở cảm biến là Ni80Fe20 – là vật liệu từ mềm có lực
kháng từ Hc nhỏ, độ từ thẩm cao rất phù hợp cho việc chế tạo cảm biến có độ
nhạy cao và ổn định trong vùng từ trƣờng thấp. Vì vậy ngoài khả năng đo
đƣợc từ trƣờng trái đất, cảm biến còn đƣợc kỳ vọng phát triển ứng dụng trong
các lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trƣờng, khoa học kỹ thuật quân sự,

phƣơng tiện giao thông, theo mục đích đó em chọn đề tài nghiên cứu khóa
luận là “Nghiên cứu chế tạo cảm biến cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng cấu trúc Ta/NiFe(5nm)/Ta” làm đề tài nghiên cứu khóa
luận của mình.

1


2. Mục tiêu của khóa luận
- Chế tạo cảm biến dạng cầu 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 dựa trên hiệu ứng AMR
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm
- Chế tạo cảm biến với vật liệu Ni80Fe20
- Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo
5. Cấu trúc khóa luận gồm 3 chƣơng
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Phƣơng pháp thực nghiệm
Chƣơng 3: Thực nghiệm và thảo luận

2


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng
Hiệu ứng từ điện trở xuất hiện trong một vật liệu sắt từ. Hiệu ứng từ điện
trở (magnetoresistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn dƣới tác
động của từ trƣờng, đƣợc xác định bằng công thức [1].

𝑀𝑅 =

∆𝜌
𝜌 0 − 𝜌(𝐻)
𝑅 0 − 𝑅(𝐻)
=
=
𝜌
𝜌(0)
𝑅(0)

(1.1)

Trong đó, ρ(0), ρ(H), R(0), R(H) lần lƣợt là điện trở suất, điện trở của vật
dẫn khi không có từ trƣờng ngoài và có từ trƣờng ngoài đặt vào.
Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (AMR – Anistropic magnetoresistance)
xảy ra trong các kim loại và hợp kim sắt từ, sự thay đổi điện trở phụ thuộc vào
góc giữa vectơ từ độ và chiều của dòng điện. 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
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. 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 (xem hình 1.1) .

3


Hình 1.1: Nguồn gốc vật lý của AMR
Để giải thích hiệu ứng từ trở dị hƣớng (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 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:
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 và  0,n là điện trở và điện trở suất khi vectơ từ độ vuông góc với
trục dễ từ hóa
+ R và  là độ thay đổi điện trở và điện trở cực đại khi có tác dụng của
từ trƣờng ngoài
4


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

Hình 1.2: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện
và hướng của vectơ từ hoá
1.2. Mạch cầu điện trở Wheatstone
Mạch cầu Wheatstone là mạch điện đƣợc sử dụng để đo một điện trở
chƣa xác định, bằng cách so sánh hai nhánh của 1 mạch cầu, trong 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 1.3) 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.

5

Hình 1.3: Mạch cầu điện trở Wheatstone
Khi ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch điện, ta có:
Vin = VABC = VADC
⇒ IABC (R1 + R2) = IADC (R4 + R3)
VAB = IABC R1 =

Vin
R
R1 + R 2 1

VAD = IADC R 4 =

Vin
R
R4 + R3 4

Khi đó:
Vg = VAB − VAD =
Vg =

V in
R1+ R2

R1 −

V in
R4+ R3

R4

R1 R 3 − R 2 R 4
V
R1 + R 2 R 3 + R 4 in

(1.3)

Dƣới tác dụng của trƣờng ngoài, do sự đóng góp của hiệu ứng từ - điện
trở dị hƣớng trên các điện trở nên sẽ tạo ra sự thay đổi điện trở thành phần của
mạch (ΔR i ). Sự biến đổi này dẫn tới sự thay đổi của điện thế lối ra theo biểu
thức (1.4)

Vg + ΔV =

R1 + ΔR1 R 3 + ΔR 3 − (R 2 + ΔR 2 )(R 4 + ΔR 4 )
V
(R1 + ΔR1 + R 2 + ΔR 2 )(R 3 + ΔR 3 + R 4 + ΔR 4 ) in

(1.4)

Trong trƣờng hợp lý tƣởng, nếu ban đầu mạch cầu cân bằng, điện thế lối
ra đƣợc biểu diễn sẽ nhƣ sau
6


Vg =

R 1 R 3 −R 2 R 4
R1+ R2 R3+ R4

Vin = 0

(1.5)

⇒ R1 . R 3 = R 2 . R 4
hay
R1
R4
1
=
=
R2
R3
r
Khi đó, chúng ta có thể đơn giản hóa phƣơng trình (1.4) 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% nhƣ công thức (1.6):
ΔVg =

r
ΔR1 ΔR 2 ΔR 3 ΔR 4
−
+
−
Vin
2
(1 + r) R1
R2
R3

R4

(1.6)

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. 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 xoay chiều (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.
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 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.
Với các ƣu điểm nêu ở trên, chúng tôi lựa chọn mạch cầu Wheatstone để
chế tạo cảm biến với mong đợi sẽ giảm đƣợc tối đa ảnh hƣởng của môi trƣờng
đặc biệt là nhiễu nhiệt, do đó sẽ thu đƣợc tỉ số tín hiệu/nhiễu lớn. Vật liệu
đƣợc lựa chọn làm cảm biến là Ni80Fe20 là vật liệu từ mềm (HC = 3÷5 Oe), vật
liệu này rất thích hợp để chế tạo cảm biến có độ nhạy cao trong vùng từ
trƣờng thấp. Mạch cầu điện trở Wheatstone gồm 4 điện trở bằng nhau nhƣng
7


đƣợc thiết kế 2 điện trở đối diện có dị hƣớng hình dạng giống nhau và 2 điện
trở liền kề khác nhau. Nhờ vậy, dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài tín hiệu lối
ra của cảm biến thu đƣợc sẽ lớn hơn.
Kết luận chƣơng 1
Trong chƣơng 1, chúng tôi đã trình bày các hiệu ứng từ điện trở và cảm
biến dạng cầu Wheatstone. Ở chƣơng này, chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết

của hiệu ứng từ điện trở và chọn hiệu ứng này làm cơ sở chế tạo cảm biến.
Qua nghiên cứu về một số loại nhiễu thì cảm biến nào cũng bị ảnh hƣởng bởi
nhiễu nhiệt, do đó chúng tôi đã lựa chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình
cảm biến để giảm nhiễu nhiệt.

8


CHƢƠNG 2
PHƢƠNG 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 SussMicroTec. Chất cản quang đƣợc sử dụng là AZ5214-E.

Hình 2.1: Thiết bị quay phủ SussMicroTec 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)
RPM: Tốc độ quay phủ trong mỗi bƣớc
: Số lần gia tốc trong mỗi bƣớc
TIME: Thời gian thực hiện mỗi bƣớc (s)
9

Bơm hút chân không có tác dụng hút chân để giữ mẫu khỏi bị văng ra
ngoài khi quay phủ thông qua một lỗ nhỏ.
2.1.2. Hệ quang khắc
Khi chế tạo cảm biến chúng tôi sử dụng máy quang khắc MJB4
(Sussmicrotech). MJB4 có thể tạo ra những vi linh kiện có độ chính xác cao.
Máy đƣợc trang bị cấu hình quang học cao, có thể thực hiện quang khắc với
nhiều bƣớc sóng khác nhau. Cƣờng độ chiếu cực đại khoảng 80 mw/cm2, độ
phân giải tối đa là 0,5 µm.

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 thể đạt đƣợc độ phân
giải 2,0 µm. Độ phân giải cuối cùng phụ thuộc chủ yếu vào quy trình kỹ thuật
nhƣ phạm vi quang phổ, khoảng cách giữa mặt nạ và tấm nền…
+ Tiếp xúc gần (Hard Contact): Ở chế độ này, khoảng cách giữa mẫu và
mặt nạ đƣợc rút ngắn hơn nhờ một hệ thống đẩy bằng khí nitơ ở dƣới mẫu.
Độ phân giải có thể đạt đƣợc đến 1µm.
+ Tiếp xúc chân không (Vacuum Contact): Chế độ này giúp đạt đƣợc độ
phân giải cao hơn tiếp xúc xa và gần vì khoảng cách giữa mặt nạ và mẫu tiếp
tục đƣợc giảm. Để đạt đƣợc độ phân giải cao nhất thì độ dày lớp cảm quang
phủ trên mẫu cũng cần đƣợc tối ƣu hóa.
10


+ 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 thƣờng, đồng thời
cho độ phân giải cao hơn tiếp xúc xa và gần.
+ Độ phân giải phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ kích cỡ tấm nền, độ

phẳng, chất lƣợng 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 thƣớc nhỏ
mà mắt thƣờng không thể quan sát đƣợc 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, nhƣng độ phân giải của các kính hiển vi quang học truyền thống bị
giới hạn bởi hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng và cho bởi:
d


2 NA

(2.1)

Trong đó: λ là bƣớc sóng ánh sáng, NA là thông số khẩu độ.
Trong khóa luận này, chúng tôi dùng kính hiển vi quang học M1 (carl
Zeiss) với độ phóng đại tối đa là 1000 lần đƣợc đặt trong phòng sạch tại
Phòng Thí nghiệm Micro – Nano của trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội. Sau khi quang khắc và tráng rửa mẫu, kính hiển vi là
phƣơng tiện hữu hiệu để kiểm tra và đánh giá mức độ thành công của quá
trình quang khắc.

11


2.1.4. Buồng xử lý mẫu

Hình 2.3: Buồng xử lí mẫu
Các thao tác làm sạch, sấy khô, tráng rửa mẫu đều đƣợc thực hiện trong

buồng xử lý mẫu. Buồng xử lý mẫu bao gồm bếp nung, súng xì khô, các hóa
chất tẩy rửa nhƣ cồn, axeton, nƣớc DI, dung dịch developer AZ300MIF.
Axeton có tác dụng làm sạch đế silic trƣớc khi chế tạo cảm biến và làm bong
phần màng có phủ photoresist. Cồn có tác dụng làm rửa trôi axeton còn dính
trên đế. Nƣớc DI làm sạch lƣợng cồn bám trên đế silic. Dung dịch developer
có tác dụng làm cho phần cần tạo quang khắc hiện hình trên lớp cản quang.
Bếp nung (hotplate) dùng để sấy khô mẫu ở các nhiệt độ khác nhau và
đóng rắn lớp cản quang trƣớc 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 ±
10C trong quá trình nung mẫu đã phủ màng cản quang.

12


2.1.5. Thiết bị phún xạ

Hình 2.4: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC
Quá trình phún xạ màng đƣợc thực hiện bằng thiết bị phún xạ catot
ATC-2000FC. Thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính là: buồng phún
xạ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không.
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 khiển các dòng khí
nén. Bơm Turbo có thể tạo chân không cao 10-8 đến 10-9 Torr, tốc độ đạt
đƣợc chân không nhanh và không làm nhiễm bẩn buồng chân không do
không dùng cơ chế đốt nóng bằng dầu nhƣ bơm khuếch tán.
Hệ thống phún xạ catot có hai buồng chân không đƣợc kết nối với
nhau thông qua một vách ngăn là buồng chính và buồng phụ. Mẫu đƣợc
đƣa vào buồng phụ trƣớc, sau đó mới đƣa vào buồng chính.

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

13


2.2. Các phƣơng pháp khảo sát tính chất của cảm biến
2.2.1. Khảo sát tính chất từ của cảm biến
Hình 2.5a là sơ đồ nguyên lý của thiế t bi ̣tƣ̀ kế mẫu rung

. Từ kế mẫu

rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) là thiết bị cho phép đo từ độ
tổng 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 trƣờng. Mẫu đo đƣợc gắn vào một cần
rung không có từ tính và đƣợc đặt vào một vùng từ trƣờng đều tạo bởi hai cực
nam châm điện. Mẫu bị từ hóa trong từ trƣờng đều, do đó khi ta rung mẫu với
một tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu
sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận với từ
độ tổng cộng M của mẫu cho bởi công thức:
V = 4. π.N.Sm.M
Với M là từ độ của mẫu đo, Sm là tiết diện vòng dây, N là số vòng dây
của của thu tín hiệu.
Nam châm điện trong từ kế mẫu rung là một bộ phận rất quan trọng để
tạo ra từ trƣờng từ hóa vật liệu cần đo. Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ
trƣờng bằng dòng điện một chiều thì từ trƣờng tạo ra là từ trƣờng một chiều
ổn định, nhƣng thƣờng 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 đƣợc từ

trƣờng cực đại cỡ một vài Tesla.

14


Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của thiế t bi ̣ từ kế mẫu rung. (b) Thiế t bi ̣ từ kế mẫu
rung VSM
Để 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
Phòng Thí nghiệm Micro-Nano - Trƣờng Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc
gia Hà Nội (xem hin
̀ h 2.5b).
2.2.2. Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến
Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu trong khóa luận đƣợc thực hiện thông
qua việc khảo sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra (hoặc điện trở) của cảm biến
dƣới tác dụng của từ trƣờng. Trong khóa luận, hiệu ứng từ điện trở của cảm
biến đƣợc nghiên cứu nhờ vào hệ đo đƣợc bố trí nhƣ hình 2.6.

Hình 2.6: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở

15


Bốn chân đƣợc nối với cảm biến: 2 chân để cấp dòng không đổi bởi
nguồn một chiều DC, 2 chân còn lại để lấy thế lối ra và đƣợc đo bằng máy đo
Keithley.
Nam châm điện tạo từ trƣờng một chiều lên tới 1T.
Bộ phận đo từ trƣờng là một Gausmeter. Tín hiệu lối ra của Gausmeter
đƣợc đƣa vào đồng hồ vạn năng Keithley.
Tín hiệu lối ra của Keithley đƣợc truyền sang máy tính điện tử thông qua

Card IEEE-488. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu của hệ đo đƣợc thực hiện
dƣới sự điều khiển tự động của chƣơng trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ
Passcal.
Kết quả phép đo đƣợc hiển thị ra màn hình dƣới dạng đồ thị trục tung là
hiệu điện thế lối ra của cảm biến U(mv), trục hoành là từ trƣờng ngoài µ0H(T)
và đƣợc ghi trên ổ cứng máy tính ở dạng tệp số liệu.
Kết luận chƣơng 2
Trong chƣơng 2, chúng tôi đã trình bày các thiết bị và hóa chất dùng để
chế tạo cảm biến là thiết bị quay phủ chất cản quang, hệ quang khắc, kính
hiển vi, thiết bị phún xạ, các hóa chất nhƣ cồn, axeton, chất cản quang, dung
dịch developer... Chúng tôi cũng đã trình bày phƣơng pháp đo hiệu ứng từ
điện trở và phƣơng pháp đo từ kế mẫu rung để khảo sát tính chất điện và từ
của cảm biến.

16


CHƢƠNG 3
THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
3.1. Quy trình chế tạo cảm biến
(1) Làm sạch đế
Si/Si02

(6) Phủ chất cản quang

(2) Phủ chất cản quang
(7) Quang khắc (UV)
(3) Quang khắc (UV)

(8) Phủ điện cực Cu

(4) Phủ màng NiFe

(5) Lift – off

(9) Lift – off

Hình 3.1: Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến
Nhƣ đã trình bày trong phần mạch cầu điện trở Wheatstone, chúng tôi
đã chọn mạch cầu điện trở Wheatstone làm cấu hình chế tạo cảm biến. Mục
đích của sự lựa chọn này là do mạch cầu Wheatstone có khả năng giảm tối đa
nhiễu của môi trƣờng. Theo đó, trong mạch cầu sẽ có bốn điện trở, bốn điện
trở này sẽ có kích thƣớc bằng nhau là 0,45 x 4mm với bề dày 5nm. Chúng tôi
cũng đã lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là Ni80Fe20 - một loại vật liệu từ
mềm (có lực kháng từ Hc cỡ 3 Oe ÷ 5 Oe), rất thích hợp để chế tạo các cảm
17