Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu wheatstone thanh dài dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng cấu trúc tanife(15nm)ta

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

DƯƠNG THỊ LINH NHÂM

N G H IÊ N C Ứ U CH É T Ạ O C Ả M B IÉ N D Ạ N G C Ầ U
W H E A S T O N E T H A N H D À I D ự A T R Ê N H IỆ U Ứ N G
TÙ -Đ IỆ N T R Ở D Ị H Ư Ớ N G CÁ U T R Ú C T a/N iF e(15n m )/T a

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Đình Tú

HÀ NỘI - 2015


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Bùi Đình Tú 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, các cô và các anh chị trong phòng thí
nghiệm công nghệ nano 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 được 1'ất nhiều sự
giúp đỡ của các thầy cô và các bạn trong trường đại học Sư 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 thực hiện

Dương Thị Linh Nhâm


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cún khoa học trong khóa luận là
hoàn toàn trung thực và không có sự trùng lặp với kết quả của đề tài khác.
Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều được trích dẫn một cách rõ ràng.

Hà Nội, ngày tháng năm
Sinh viên

Dương Thị Linh Nhâm


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng biếu
Danh mục các bảng biểu hình vẽ
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
1. Lí do chọn đề tài.............................................................................................. 1
2. Mục tiêu của khóa luận..................................................................................2

3. Đối tượng nghiên c ú n ....................................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................2
5. Phương pháp nghiên cứu................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỒNG QUAN..................................................................................3
1.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng A M R .........................................................3
1.2. Mạch cầu điện trở Wheatstone................................................................... 5
1.3. Nhiễu cảm b iế n ........................................................................................... 8
1.3.1. Nhiêu nhiệt .......................................................................................................................... 8
1.3.2. Dải tần nhiêu tương đương ....................................................................................... 9
ỉ.3.3. Nhiễu lượìĩg t ử ................................................................................................................. 9
1.3.4. Nhiễu l / f ............................................................................................................................... 9
Ị.3.5. Nhiễu Barkhausen ..................................................................................................... 10
Ket luận chương 1..............................................................................................11
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THựC NGHIỆM.................................12
2.1. Các thiết bị sử dụng trong khóa luận.................................................... 12
2.1.1 Buồng xử lý mâu ........................................................................................................ 12
2.1.2. Thiết bị quay phủ ........................................................................................................ 13


2.Ị.3. Hệ quang khắc ............................................................................................................... 14
2.1.4. Kính hiên vỉ quang h ọ c ............................................................................................ 15
2.1.5. Thiết bị phún xạ ............................................................................................................. 15
2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến................................16
2.2.1. Khảo sát tính chất điện của cảm biến ............................................................. 16
2 . 2 . 2 . Khảo sát tính chất từ của cảm biến ...................................................................17
Ket luận chương 2 ............................................................................................18
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ................................................19
3.1. Quy trình chế tạo cảm biến......................................................................19
3.1.1. Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone ................................................ 20
3.1.2. Chế tạo các điện cực ................................................................................................. 23

3.2. Ket quả và thảo luận.................................................................................23
3.2.1. Tính chat từ và từ điện trở của màng NiFe ................................................. 23
3.2.2. Tính từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone........................... 24
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................29


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang
AZ5214-E............................................................................................. 21
Bảng 3.2. Thông số phún xạ khi tạo điện trở cấu trúc cầu ............................ 22
Bảng 3.3. Các thông số phún điện cực.............................................................. 23
Bảng 3.4. Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều.................. 26


DANH MỤC CÁC ĐÒ THỊ, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguồn gốc vật lí của A M R.................................................................. 4
Hình 1.2 Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện
và hướng của véctơ từ hóa....................................................................5
Hình 1.3 Mạch điện trở dạng cầu Wheatstone..................................................... 6
Hình 2.1 Buồng xử lí mẫu..................................................................................12
Hình 2.2 Thiết bị quay phủ SussMicroTec và bảng điều khiển......................13
Hình 2.3 Thiết bị quang khắc MJB4................................................................ 14
Hình 2.4 Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC................................................ 16
Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở ......................................... 17
Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu ru n g ..................................................... 17
Hình 3.1 Sơ đồ chung về quy trình chế tại cảm biến.......................................19
Hình 3.2 Ảnh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone............................... 21

Hình 3.3 Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off..................................22
Hình 3.4. (a) Ảnh chụp mask điện cực. (b)Ánh chụp cảm biến sau khi phún xạ
và lift-off............................................................................................ 23
Hình 3.5: Sự thay đổi hiệu điện thế lối ra theo từ trường ngoài trong dải -120
-T 120 Oe với phương từ độ của cảm biến cùng phương với từ
trường ngoài....................................................................................... 24
Hình 3.6. Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều, đo tại lmA:
(Trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong thang đo từ
trường nhỏ.......................................................................................... 25
Hình 3.7. Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều, đo tại các
dòng 1, 2, 3mA: (Trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong
thang đo từ trường nhỏ...................................................................... 26


M Ở ĐÀU
1. Lí do chọn đề tài
Trên thế giới có rất nhiều loại cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau
được sử dụng để đo từ trường thấp cỡ từ trường Trái đất 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 tới tín hiệu. Ngoài ra, một số cảm biến hoạt động tốt
hơn nhưng lại có cấu trúc dạng màng đa lớp khá phức tạp như cảm biến dựa
trên hiệu ứng Spin-van, TMR...
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, tôi đã lựa chọn thiết kế cảm biến dạng
mạch cầu Wheatstonehoat 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 của 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 NÌ8()Fe20 - là vật liệu từ mềm có lực

kháng từ Hc nhỏ, độtừ thẩm cao rất phù họp cho việc chế tạo cảm biến có độ
nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường thấp. Vì vậy ngoài khả năng đo
được từ trường trái đất, cảmbiến còn được kỳ 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 hướng nghiên cún này, các nội dung nghiên cún được thực hiện
trong khóa luận bao gồm:
- Chế tạo, khảo sát tính chất từ vaf từ điện trở trên màng
- Chế tạo cảm biến cầu Wheatstone
- Khảo sát tín hiệu cảm biến

1


2. Mục tiêu của khóa luận
- Chế tạo cảm biến dạng mạch cầu thanh dài dựa trên hiệu ứng AMR
- 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 cứu
Sử dụng phương pháp thực nghiệm
- Chế tạo cảm biến với vật liệu NÌ8()Fe20
- Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo
5. Phương pháp nghiên cún
Sử dụng phương pháp thực nghiệm
- Chế tạo cảm biến dạngthanh dài với vật liệu NÌ8oFe2 ()
- Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo

2

CHƯƠNG1
TỎNG QUAN
1.1. Hiệu ửng từ điện trở dị hướng AMR
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:
V

p (0)-p{n )

R(o)-R{H)

n n

p

p(0)

я(о)

u 'u

Trong đó: 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 từ trường ngoài đặt vào.
Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR - Anistropic magnetoresistance)
kxảy ra trong các kim loại và họp kim sắt từ, sựthay đổi điện trởphụthuộc 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. Cácđám mây

điệntử bao

quanh mỗi hạt nhân, đámmây này thay đổi hình dạng phụthuộc 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. 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 định hướng song song với chiều dòng điện
thì quỹ đạo chuyển động của điện tử được định hướng 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 lớn. Ngược lại, khi 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 nhỏ đối với
tán xạ của điện tử, dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ. (xem hình 1.1) [8].

3


Điện trỡ lớn

Điện trở nhỏ

Hình ỉ. ỉ. Nguồn gốc vật lí 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 M s 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, 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 độvà tùtrường ngoài. Điện trở của

màng mỏng có thể xác định thông qua góc ớ góc giữa chiều dòng điện và
vectơ từ độ:
R(0) = Po.n 7 7 + Ap-^-cosớ = R0,„+ AR cos2e
bd
bd

(1.2)

Trong đó:
+ A),«vàAplà hằng số của vật liệu
+ 1 là độ dài của màng mỏng
+ b là độ rộng của màng mỏng
+ d là độ dày của màng mỏng
+ R0nvàp ữn là điện trở và điện trở suất khi vectơ từ độ vuông góc
với trục dễ từ hóa
+ ầRvầầp là độ thay đổi điện trở và điện trở cực đại khi có tác dụng
của từ trường ngoài
Từ (1.2) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào в như hình 1.2.

4


Hình 1.2: Giá trị điện trở thay đói phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và
hướỉĩg của vectơ từ hóa

1.2. Mạch cầu điện trở Wheatstone
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 đổi của
trở kháng [7].
Cấu trúc của một mạch cầu Wheatstone (xem hình 1.3)bao gồm có bốn
điện trở Ri, R.2 , R-3 , R-4 được mắc song song với nhau. Một nguồn điện một
chiều được 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 được dùng đế đo chênh lệch điện thế
lối ra giữa 2 điểm B, D của cầu.

5


Hình 1.3. Mạch điện trở dạng cầu Wheatstone
Khi ta cấp một điện thế V i n vào trong mạch điện, ta có:
V
v in
^

= Vy ABC = v ADC

I ARC ( ^ 1 + ^ 2

I ADC ( ^ 4 + ^ 3 )

VAB = ĩ1 A B C IRXị =
V
R. =
y AO = I

1 A D C 1X4

V,

R

I + /?2

Ỵjn
R4 + R3

R,

Khi đó:
V ,

V,

= v a b - v ad =

Rị + /?2

_

V,

R,

R ạ "I"

y
( «, +« 2 X^3 +« 4 ) "

(1.3)

Dưới tác dụng của trường ngoài, do sự đóng góp của hiệu ứng từ-điện
trở dị hướng trên các điện trở nên sẽ tạo ra sự thay đổi điện trở thành phần của
mạch (ARi).Sự biến đổi này dẫn tới sự thay đổi của điện thế lối ra theo biểu
thức 1.3
v , AV (H ^ jR ^ A R ^ -jR ^ A R .X R .+ A R ,)^
*(R, + a R , + R 2 + A R 2

3 + A R 3 + R 4 + A R 4) "

(1.4)

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

6


-

V

R ' R} — Ẽ Ỉ Ẽ l —

y

= 0

R r R 3 - R 2R 4

d>

rl

/?-,
‘2

= r± = }_
/?-, 'r
"3

(1.5)

Khi đó, chúng ta có thể đơn giản hóa phương 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% như công thức 1.6:
r

AV,=

(l + r )

( AR {
V ^1

AR 2

A/?3

^2

*3

AR4 ^

v,„

4^4

(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 [6].
Mạch cầu Wheatstone được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực của đời sống
đặc biệt là trong các mạch điện tử như: dùng đế đo trở kháng, điện cảm,
điệndung trong mạch AC. Trong một số 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 [4]. 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 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 [7].
Với ưu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, chúng tôi đã chọn mạch
cầu Wheatstone làm cấu hình sensor để 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 =

R 3

=

R 4.

Chúng tôi chọn NỈ8 ()Fe20 làm vật liệu chế tạo

các điện trở vì NỈ8oFe2 o là một vật liệu từ mềm (Hc ~10 Oe), rất thích họp để

1


chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường nhỏ.
Cảm biến 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
cảm biến 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, nhung khi chịu
tác dụng của từ trường thì mạch cầu không còn cân bằng nữa. Khi đó ta sẽ đo
được 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
trường bên ngoài như nhiệt độ, tần số..., những ảnh hưởng 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 Mí, nhiễu
nhiệt và nhiễu lượng tử, được xác định bởi:
w

(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, ke là hang so Boltzmann, T là nhiệt độ của mẫu, L là chiều
dài của mẫu, e là điện tích cơ bản.
Ớ vùng tần số thấp (f <300Hz), nhiễu chủ yếu là nhiễu tần số l/f, ở tần
số cao (trên 1kHz) nhiễu chủ yếu là nhiễu nhiệt.
1.3.1. 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 thức:
= j4 k BTRBCẼf

8

(1.8)


Trong đó
+ r i à nhiệt độ tuyệt đối (K)
+ R d c là điện trở của cảm biến (trong dòng DC )
+ À/dải tần số của phép đo
+ ke là hằng số Boltzman.
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 trường họp, nó
thể hiện dưới dạng nhiễu dòng nguồn phát của cường độ:
It2 = 4kBT áf/R

(1.9)

1.3.2. Dải tẩn nhiễu tương đương
Dải thông tiếng ồn 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:
(1.10)
1.3.3. 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:

Trong đó q là điện tích, IDC là dòng DC trung bình và B làdải nhiễu.
1.3.4. Nhiễu l / f
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:

9


—

sqrt(B)

Với

Idc

sqrt(f)

( 1. 12)

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.
1.3.5. Nhiễu Barkhausen
Nhiễu Barkhausen bắt nguồn từ các hiệu ứng Barkhausen. Nhiễu
Barkhausen là hiện tượng điện tích biến đổi 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 đổi cấu trúc vi mô của vật liệu từ và
ứng suất. Gần đây, nhiễu Barkhausen được biết đến như một hiệu ứng phụ
thuộc vào điện thế bên trong bởi các vách domain từ khi chúng di chuyển qua
vật liệu.
Từ công thức (1.10), 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 l/f (do từ trường gây
ra nhiễu từ) được biểu diễn bởi công thức:
v ị =(r/Nc)R2l 2(l/f)Af

(1.13)

Trong đó y là hằng số hiện tượng 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 được tỷ 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 đối với vanspin, 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 tùng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy sinh học cực đại

cho cảm biến.

10


Kết ỉuận chương 1

Trong chương 1, chúng tôi đã trình bày về hiệu ứng từ điện trở, mạch
cầu Wheatstone và các loại nhiễu cảm biến. 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 cảm biến. Qua nghiên cứu về một số loại nhiễu thì cảm biến nào cũng
bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt, do đó chúng tôi đã lựa chọn mạch cầu
Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm nhiễu nhiệt.

11


CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1. Các thiết bị sử dụng trong khóa luận
2.1.1 Buồng x ử lý mẫu

r

£
0 (1 6

Hình 2.1. Buồng xử lý mâu
Các thao tác làm sạch và sấy khô mẫu đều được thực hiện trong buồng

xử lý mẫu. Buồng xử lý mẫu 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, mục đích chính của thao tác này là làm bay hơi hoàn
toàn dung môi trên bề mặt đế SÍƠ2 . Các thông số có thểtùy 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 ± 1°c
Đế được dùng để chế tạo cảm biến là đế Si có phủ lóp oxi hóa S1O 2 dày
từ 0.5 - 1 ịim để đảm bảo cách điện giữa đế và màng vật liệu. Trước khi lắng
đọng màng, đế được làm sạch qua các quy trình sau:
- Rung siêu âm trong axeton 5 phút, để loại bỏ hết chất bẩn và chất hữu
cơ bám dính trên đế.
- Rung siêu âm trong cồn 5 phút để loại bỏ hết dung dịch axeton còn
bám trên đế.
- Lắc đều trong dung dịch nước DI để làm sạch hoàn toàn dung dịch cồn.

12


- Xì khô bằng máy nén khí để loại bỏ nước DI bám trên bề mặt đế.
- Nung mẫu ở 120

°c (trên nhiệt độ sôi của nước là

100°C) trên hotlate

với thời gian là 5 phút để bốc bay hoàn toàn hơi trên bề mặt.
2.1.2. 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 được sử dụng là AZ5214-E.

A

A

«M »

_ /■

V

V

A

0

Tmt

V

r

Hình 2.2. Thiết bị quay phủ SussMỉcroTec và bảng điều khiến
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 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 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 không để giữ mẫu khỏi bị
văng ra ngoài khi quay phủ mẫu với tốc độ cao.

13


2.1.3.Hệ quang khắc
Khi chế tạo cảm biến 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 Ịjm.

Hình 2.3. 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 được độ phân
giải 2, 0 Ịim. Độ phân giải cuối cùng phụ thuộc chủ yếu vào quy trình kỹ thuật
như 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 được rút ngắn hơn nhờ một hệ thống đẩy bằng khí nitơ ở dưới mẫu.
Độphân giải có thể đạt được đến lịam.
- 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 thế quang khắc bằng chế độ chân không thấp. Tiếp xúc chân không

14


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

Trong

đỏ: Ẫ

là bước sóng ánh sáng,

N A \ầ

thông số khẩu độ.

Trong luận văn 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 trườngĐại học Công nghệ. Sau khi quang
khắc và tráng rửa mẫu, kính hiển vi là phương tiện hữu hiệu để kiếm tra và
đánh giá mức độ thành công của quá trình quang khắc.
2.1.5. Thiết bị phún xạ
Quá trình phún xạ tạo màng được thực hiện bằng thiết bị phún xạ catot
ATC2000FC. Thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính là: buồng phún xạ,
bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không.

15


Hình 2.4. Thiết bị phún xạ catot ATC-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 khiển 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 bẩn 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 3mm 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 cảm biến
2.2.1. Khảo sát tính chất điện của cảm biến
Để khảo sát tính chất điện của sensor, chúng tôi tiến hành đo hiệu ứng từ
điện trở trên sensor. Sơ đồ bố trí hệ đo được minh họa trên hình 2.5. Dòng
điện không đổi được cấp bởi một nguồn dòng một chiều Dual DC Power

Supply P3030D và thế lối ra được đo bằng máy đo Keithley 2000.

16


Trong quá trình tiến hành đo, sensor được đặt trong từ trường một chiều
được tạo ra bởi một nam châm điện. Cường độ từ trường được đo bằng máy
đo từ trường Gaussmeter. Các thiết bị hiển thị từ trường và thế ra của cảm
biến đều được ghép nối với máy tính cho phép ghi nhận số liệu một cách
chính xác và đầy đủ.

Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiêm đo hiệu ứỉĩg từ điện trở
2.2.2. Khảo sát tính chất từ của cảm biến
Mang rung
(Tin hiệu chuẩn)
Cuộn Helmholtz
lạo tử trường 1 chiều..........

A
Ị Dao
Khuyếch đại
Lock-in

Tiến khuyêch đại

Cuộn thu tin hiệu
(pick-up coil)'
Buống mẫu

Mầu

Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung
Nguyên lý hoạt động của từ kế mẫu rung dựa trên hiện tượng cảm ứng
điện từ trong đó sự thay đổi từ thông của mẫu chuyển thành tín hiệu điện.
Bằng cách thay đổi vị trí tương đối của mẫu có mô men từ M với cuộn dây
thu, từ thông qua tiết diện ngang của cuộn dây sẽ thay đổi theo thời gian làm
xuất hiện trong nó một suất điện động cảm ứng. Các tín hiệu đo được (tỷ lệ

17


với M) sẽ được chuyển sang giá trị của đại lượng từ cần đo bằng một hệ số
chuẩn của hệ đo. Đe thực hiện được phép đo này, mẫu được rung với tần số
xác định trong vùng từ trường đồng nhất của một nam châm điện. Từ trường
này sẽ từ hoá mẫu và khi mẫu rung sẽ tạo ra hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn
dây thu tín hiệu. Tín hiệu được thu nhận, khuyếch đại rồi được xử lý trên máy
tính và cho ta biết giá trị từ độ của mẫu.
Kết luận chương 2
Trong chương 2, chúng tôi đã trình bày các thiết bị và hóa chất dùng để
chế tạo cảm biến bao gồm thiết bị quay phủ chất cản quang, hệ quang khắc,
kính hiển vi, thiết bị phún xạ, các hóa chất như cồn, axeton, chất cản quang,
dung dịch developer... Chúng tôi cũng đã trình bày phương phápđo hiệu ứng
từ điện trở và phương pháp đo từ kế mẫu rung để khảo sát tính chất điện và từ
của cảm biến.

18