Hiện tượng từ dị hướng từ giảo UD

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM THÁI NGUYÊN
----------

BÀI TIỂU LUẬN
Đề tài:HIỆN TƯỢNG
TỪ DỊ HƯỚNG, TỪ GIẢO - ỨNG DỤNG
Khoa vật lý :
Môn :

ĐH Sư Phạm Thái Nguyên

Vật liệu từ và siêu dẫn

GVHD: TS –Phạm Mai An
Học viên: Ngô Văn Cường

L23B.167

1

Thái Nguyên , 10/03/2016


PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
- Ngày nay vật liệu từ và các hiện tượng từ có ứng dụng rất rộng dãi trong thực
tiễn.
- Hiện tượng từ dị hướng, từ giảo có ứng dụng trong các từ trở dị hướng, từ trở
khổng lồ…., trong các bộ ghi từ….
- Còn lý do nữa tôi chọn nghiên cứu để hoàn thành tiểu luận điều kiện của môn Vật
liệu từ và siêu dẫn.

2


PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
I. Hiện tượng từ dị hướng

3


Trong một vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ sẽ rất phụ thuộc vào các phương tinh
thể hóa, mà các dipol từ sẽ sắp xếp. Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương
dễ từ hóa là trường dị hướng, Ha ( được minh họa trên hình), là trường đòi hỏi để
quay tất cả các mômen đi 90o, là một đơn vị trong một đơn tinh thể bão hòa. Sự dị
hướng được gây ra bởi một liên kết của các quỹ đạo electron đối với mạng, và theo
phương dễ từ hóa thì liên kết này là làm cho các quỹ đạo này ở trạng thái năng
lượng thấp nhất.
Hướng dễ từ hóa đối với một nam châm vĩnh cửu, ferít hay hợp kim đất hiếm, có
thể là đơn trục , song nó cũng có thể có các vật liệu với nhiều trục dễ hoặc ở đó trục
dễ nằm tại mọi nơi trong một mặt phẳng nào đó hoặc trên bề mặt của một hình nón.
Sự thực là,một nam châm vĩnh cửu có tính dị hướng đơn trục nghĩa là khó để khử
từ, vì nó cản trở sự quay của phương từ hóa.
* Các Đô men từ
Đômen từ tồn tại nhằm giảm năng lượng của hệ. Một mẫu được từ hóa đồng nhất,
như trên hình 5(a), có một năng lượng tĩnh từ lớn liên quan đến nó. Đó là hệ quả
của sự có mặt của cáccự từ tự do tại bề mặt của mẫu, khi phát sinh ra một trường
khử từ , Hd. Từ quy ước được chấp nhận cho dịnh nghĩa của mômen từ cho một
dipol từ thì độ từ hóa bên trong mẫu chỉ ra đi từ cực nam cho đến cực bắc, trong khi
đó phương của từ trường chỉ ra là đi từ cực bắc đến cực nam. Vì vậy, trường khử từ
theo phương ngược với sự từ hóa của mẫu. Độ lớn của Hd phụ thuộc vào hình học

và độ từ hóa của mẫu. Nói chung, nếu mẫu có tỷ lệ cao của độ dài trên đường kính
( và được từ hóa theo truc dài) thì trường khử từ và năng lượng tĩnh từ sẽ thấp.

4

Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) hai dômen, (c) Bốn đômen và
(e) Các đômen khép kín.
Việc phân chia mẫu được từ hóa thành hai đômen như minh họa trên hình 5(b) đã
làm giảm năng lượng tĩnh từ xuống còn một nửa. Trong thực tế , nếu nam châm


được phân chia thành N đômen thì năng lượng tĩnh từ sẽ được giảm đi N lần, vì
vậy, hình 5(c) có ¼ năng lượng tĩnh từ của hình 5(a). Hình 5(d) chỉ ra cấu trúc
đômen kín, ở đó năng lượng tĩnh từ bằng không, song điều này chỉ có thể được đối
với các vật liệu mà không có một dị hướng từ đơn trục mạnh, và các đômen lân cận
không phải bị từ hóa theo phương 180o đối với nhau.
Việc đưa vào một đômen đã làm tăng năng lượng tổng cộng của hệ, vì vậy việc
chia thành các đômen chỉ tiếp tục khi việc giảm năng lượng tĩnh từ lớn hơn so với
năng lượng đòi hỏi để tạo ra vách đômen. Năng lượng liên quan đến một vách
đômen tỷ lệ với diện tích của nó. Việc biểu diễn sơ đồ của vách đômen được chỉ ra
trên hình 6, chỉ ra rằng các mômen dipol của các nguyên tử bên trong vách không
nằm 180o đối với nhau và năng lương trao đổi cũng tăng lên bên trong vách. Vì
vậy, năng lượng vách đômen là một tính chất nội tại của một vật liệu phụ thuộc vào
mức độ dị hướng từ tinh thể và cường độ của tương tác trao đổi giữa các nguyên tử
lân cận. Độ dày của vách sẽ thay đổi tương quan đến các thông số này, vì một dị
hướng từ tinh thể mạnh sẽ phù hợp một vách hẹp, trong khi mà một tương tác trao
đổi mạnh sẽ thích hợp với một vách rộng.
* Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng trong các vật có từ tính có nguồn gốc
liên quan đến tính đối xứng tinh thể và sự định hướng của mômen từ. Trong tinh
thể, mômen từ luôn có xu hướng định hướng theo một phương ưu tiên nào đó của

tinh thể tạo nên khả năng từ hóa khác nhau theo các phương khác nhau của tinh thể,
đó là tính dị hướng từ.
Mỗi tinh thể có một hướng nào đó mà độ từ hóa luôn có xu hướng định hướng theo
phương đó, và theo hướng đó, sẽ quá trình từ hóa sẽ diễn ra dễ nhất gọi là trục dễ từ
hóa. Và khi từ hóa theo hướng khác (lệch 90o so với trục dễ) thì quá trình từ hóa sẽ
khó hơn, và sẽ rất khó đạt trạng thái bão hòa từ, và trục đó gọi là trục khó từ hóa.
Năng lượng dị hướng từ tinh thể được định nghĩa là năng lượng cần thiết để quay
mômen từ từ trục khó sang hướng của trục dễ. Bên cạnh nguồn gốc do tính đối
xứng tinh thể, dị hướng từ tinh thể còn có thể được tạo ra do ứng suất hay do hình
dạng của vật từ hay trật tự của các cặp spin với định hướng khác nhau.
Bản chất và mô tả dị hướng từ tinh thể
•
Cách hiểu đơn giản về dị hướng từ tinh thể là năng lượng liên quan đến tính
đối xứng tinh thể. Nhưng về thực chất, năng lượng dị hướng từ tinh thể là dạng
năng lượng có được do liên kết giữa mômen từ spin và mômen từ quỹ đạo (liên
kết spin - quỹ đạo) và do sự liên kết của điện tử với sự sắp xếp của các nguyên
tử trong mạng tinh thể (tương tác với trường tinh thể).

5


•

•

Dị hướng từ tinh thể mô tả định hướng của độ từ hóa. Một cách tổng quát,
năng lượng dị hướng từ tinh thể được biểu diễn bởi chuỗi các hàm cơ bản liên
quan tới góc giữa véctơ từ độ và trục dễ từ hóa.

Nếu tinh thể có 1 trục dễ từ hóa duy nhất (gọi là dị hướng đơn trục - uniaxial

anisotropy) thì năng lượng dị hướng từ tinh thể được cho bởi:

với là góc giữa từ độ và trục dễ từ hóa,
mang đặc trưng cho chất.
•

là các hằng số dị hướng từ tinh thể

Với tinh thể có đối xứng lập phương thì năng lượng dị hướng từ lại
phụ thuộc vào côsin chỉ phương của véctơ từ độ và các trục tinh thể theo
công thức:

với
là hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1, 2...,
phương giữa véctơ từ độ và các trục tinh thể.

là các côsin chỉ

Dị hướng từ bề mặt
Trong các vật liệu sắt từ ở dạng màng mỏng, do ở màng mỏng, tỉ số diện tích bề
mặt trên thể tích trở nên rất lớn, hiệu ứng bề mặt bắt đầu xuất hiện, do đó dị hướng
từ tinh thể trở nên yếu đi và phải thay bằng dị hướng từ bề mặt.
Từ kế mẫu rung
6


Như đã nói, từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ. Nó đo
mômen từ của mẫu cần đo trong từ trườngngoài.
Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính, và được đặt vào một vùng
từ trường đều tạo bởi 2 cực của nam châm điện. Mẫu là vật liệu từ nên trong từ

trường thì nó được từ hóa và tạo ra từ trường. 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 mômen từ M của mẫu theo
quy luật cho bởi:

với M là mômen từ của mẫu đo,
cuộn dây thu tín hiệu.

là tiết diện vòng dây, n là số vòng dây của

7


Trong các từ kế phổ thông, người ta sử dụng 2 cuộn dây thu tín hiệu đối xứng nhau,
gọi là cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil), là hệ 2 cuộn dây đối xứng nhau, cuốn
ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềm. Ngoài ra, để tăng độ nhạy cho từ kế,
người ta có thể thay cuộn dây thu tín hiệu bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu
dẫn (superconducting quantum interference device - SQUID), là một tiếp xúc chui
hầm Josephson có thể đo các lượng tử từ thông, do đó độ nhạy của thiết bị được
tăng lên rất nhiều. Với cuộn dây thu này, ta có từ kế SQUID, thường hoạt động ở
nhiệt độ thấp (vì hiện nay chỉ có các vật liệu siêu dẫn đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt
độ thấp.
Nam châm điện trong từ kế cũng là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra từ trường
từ hóa vật liệu cần đo. Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng
điện một chiều ổn định, thì từ trường tạo ra là một chiều ổn định, nhưng thường
không lớn, do bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và cuộn dây một chiều
không thể cho dòng điện lớn chạy qua (sẽ tỏa rất nhiều nhiệt). Loại nam châm kiểu
này chỉ sử dụng từ trường cực đại cỡ xung quanh 3 T.
Người ta có thể tạo ra từ trường lớn bằng cách sử dụng từ trường xung. Tức là dùng
một dòng điện cực lớn dạng xung phóng qua cuộn dây, để tạo ra từ trường lớn (có

thể tới hàng chục Tesla) trong một thời gian cực ngắn. Tuy vậy, hạn chế của cách
này là vì thời gian của từ trường ngắn, nên phải có cách ghi tín hiệu khác (vì từ
trường quá ngắn có thể ảnh hưởng đến khả năng cảm ứng của vật liệu trong từ
trường ngoài).
Cuộn dây siêu dẫn cũng là một cách tạo từ trường một chiều lớn và ổn định. Người
ta sử dụng những cuộn dây siêu dẫn (hoạt động ở nhiệt độ thấp) để tạo ra từ trường
cực lớn ổn định. Hạn chế của cách này là cuộn dây phải hoạt động ở nhiệt độ thấp
nên chi phí hoạt động thường cao. Cuộn dây siêu dẫn thường sử dụng trong từ kế
SQUID.

•

•

1. Từ điện trở dị hướng (AMR)
(Tiếng Anh: Anisotropic Magnetoresistance Effect - AMR). Hiệu ứng này
cũng được William Thomson phát hiện vào năm 1857 khi quan sát thấy điện trở
của các vật liệu sắtvà niken phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chiều của véctơ từ
độ. Hiệu ứng này phát hiện trong nhiều chất bán dẫn và nhiều màng mỏng từ.
Hiệu ứng AMR trong các chất bán dẫn chủ yếu là do sự lệch quỹ đạo của
dòng hạt tải (điện tử hay lỗ trống) dưới tác dụng của từ trường, thường được ứng

8


dụng trong một số cảm biến đo từ trường như đo từ trường Trái đất, hay cảm biến
đo dòng điện...
•

Cơ chế của hiện tượng dị hướng từ điện trở:

Điện trở phụ thuộc vào sự định hướng tương
đối của M và dòng điện I.

* Nguồn gốc là:
+ sự tán xạ không đối xứng của các electron theo spin của chúng trong từ truờng.
+ do liên kết spin-quỹ đạo.
Hiệu ứng AMR được mô tả như là một thay đổi trong sự tán xạ do các quỹ đạo
nguyên tử, gây ra bởi một từ trường.
Bằng cách này, điện trở là cực đại khi cả hai hướng song song và ở mức cực tiểu là
khi cả hai hướng vuông góc. Biểu thức toán học:

Hàm này đạt giá trị cực đại tại góc 450,
* Ứng dụng trong Cảm biến
Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật
lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu
thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.[1]

9


Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi
trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi
ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển
các quá trình khác.
Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu
dò (probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được
gọi luôn là "cảm biến". Tuy nhiên trong nhiều văn liệu thì thuật ngữ cảm biến ít
dùng cho vật có kích thước lớn. Thuật ngữ này cũng không dùng cho một số loại
chi tiết, như cái núm của công tắcbật đèn khi mở tủ lạnh, dù rằng về mặt hàn
lâm núm này làm việc như một cảm biến.

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:
•

Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia
gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng
cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường,...

10

2. Từ điện trở dị hướng xung kích
(Tiếng Anh: Ballistic Anisotropy Magnetoresistance - BAMR). Là hiệu ứng từ
điện trở xảy ra khi các điện tử chuyển động trong một dây rất mỏng cũng giống
như một viên đạn đi trong nòng súng - chúng đều bị cưỡng ép chuyển động trên
một chiều nhất định và hầu như ít bị van chạm hay nói cách khác là không có sự
cản trở dọc theo đường truyền. Nếu dây có chiều dày chỉ vài lớp nguyên tử, khả


•

năng dẫn điện tử - độ dẫn điện - sẽ bị lượng tử hóa, là một số nguyên lần (N) của
độ dẫn của một điện tử bởi vì năng lượng của điện tử bị cầm tù trong dây trong dây
là các dải hẹp và N sẽ tương ứng với số dải năng lượng trên mức Fermi, mà ở đó
xảy ra tính dẫn điện.
Năm 2005, Evgeny Tsymbal và các đồng nghiệp ở Đại học Nebraska giả
thiết rằng số N có thể thay đổi bằng cách đặt một từ trường vào một dây rất mảnh
làm bằng các kim loại từ tính. Trong các vật liệu đó, các điện tử dẫn dưới tác dụng
của từ trường sẽ phải dịch chuyển mức năng lượng so với mức Fermi và do đó dẫn
đến việc thay đổi N. Do độ dẫn của dây tỉ lệ với N, nên các nhà nghiên cứu giả định
rằng có thể quan sát thấy sự thay đổi kiểu nhảy bậc của độ dẫn (hay nói cách khác
là điện trở). Họ gọi hiệu ứng này là "hiệu ứng từ điện trở dị hướng xung kích"

(ballistic anisotropy magnetoresistance) - từ "dị hướng" ở đây là do hiệu ứng này
phụ thuộc vào góc tương đối giữa từ trường và chiều của dòng điện dẫn. Mới đây,
Bernard Doudin ở Viện Vật lý và Hóa học Vật liệu (Strasbourg) và các đồng
nghiệp ở Đại học Nebraska đã quan sát thấy hiệu ứng BAMR trong một loạt các
dây khác nhau ở kích cỡ nguyên tử chế tạo bằng Co. Trong một mẫu, các nhà
nghiên cứu đã đo được sự thay đổi của độ dẫn tương ứng với N = 6, 7 khi mà chiều
của từ trường thay đổi. Các nhà nghiên cứu cho hay sự phản ứng này có liên quan
đến sự chênh lệch ở thang nguyên tử trong cấu trúc của các dây nano và có thể giải
thích bằng lý thuyết của Tsymbal về BAMR.

11

II. Từ giảo


Cơ chế hiện tượng từ giảo do tương tác spin-quỹ đạo và sự phân bố đám mây điện
tử: a) dạng đối xứng cầu: không có từ giảo; b) không có đối xứng cầu: có từ giảo
Từ giảo (tiếng Anh: magnetostriction) là hiện tượng hình dạng, kích thước của các
vật từ (thường là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo
thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật từ bị thay đổi khi có sự thay đổi về hình
dạng và kích thước (từ giảo nghịch). Trong các sách giáo khoa vật lý cũ ở Việt
Nam, người ta còn dùng thuật ngữ "áp từ" cho từ giảo (để tương ứng với hiện
tượng áp điện là sự thay đổi kích thước do điện trường). Tuy nhiên, thuật ngữ này
hiện nay hầu như không được sử dụng.
Người ta định nghĩa hệ số từ giảo (hay từ giảo Joule) là tỉ lệ phần trăm sự thay đổi
về chiều dài hoặc thể tích:

hoặc:

12

với
lần lượt là chiều dài (hay thể tích) của vật thể trong từ
trường (H) và khi không có từ trường. Hệ số từ giảo là đại lượng không có thứ
nguyên.
Theo định nghĩa này, nếu

ta có từ giảo dương,

ta sẽ có từ giảo âm.

Hiện tượng từ giảo dẫn đến sự thay đổi về chiều dài gọi là từ giảo dài, còn hiện
tượng dẫn đến sự thay đổi về toàn thể tích gọi là từ giảo khối.
Trong các nghiên cứu về từ học và kỹ thuật, người ta còn quan tâm đến đại
lượng độ cảm từ giảo, được định nghĩa bởi sự biến thiên của hệ số từ giảo theo từ
trường:

Độ cảm từ giảo mang ý nghĩa tương tự như độ cảm từ, đều chỉ khả năng phản ứng
của chất dưới từ trường ngoài, trong trường hợp từ giảo, độ cảm từ giảo có ý nghĩa
chỉ khả năng thay đổi tính chất từ giảo do từ trường. Độ cảm từ giảo có thứ
nguyên là nghịch đảo của từ trường, có đơn vị là m/A hay Oe−1.
Cơ chế hiện tượng từ giảo

Hình ảnh mô tả cơ chế hiệu ứng từ giảo.
Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo trong các điện
tử trong vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện
tử không có dạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh. Dưới tác dụng
của từ trường ngoài, sự phân bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay
theo sự quay của mômen từ (mômen spin) từ hướng này sang hướng khác và từ

giảo được tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử từ
và điện tích của môi trường.
Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là mômen quỹ đạo bằng 0),
tất cả các vị trí của các iônlân cận đều tương đương đối với sự phân bố điện tử. Khi
có sự tác động của từ trường ngoài, mômen spintuy có quay đi, nhưng sự phân bố
không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nên khoảng cách giữa các điện

13


tử vẫn giữ nguyên (không dẫn đến sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng
mẫu. Nếu đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là mômen quỹ
đạokhác 0), lúc này các vị trí phân bố xung quanh không còn tính chất đối xứng, sự
quay của mômen spin khi có từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi đám mây điện tử,
do đó dẫn đến sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng mẫu. Hay nói một
cách đơn giản, từ giảo phản ánh tính chất đối xứng của mạng tinh thể.
Từ giảo mang tính chất của đối xứng tinh thể nên nó phụ thuộc vào phương của từ
trường, véctơ từ độ và hướng của tinh thể. Người ta thường sử dụng đại lượng từ
giảo bão hòa (ký hiệu là là hệ số từ giảo đạt được trong trạng thái bão hòa từ.
Từ giảo bão hòa là một hàm (liên hợp tuyến tính) của các hệ số từ giảo đo theo các
phương khác nhau của tinh thể.
Vật liệu từ giảo
Hầu hết các nguyên tố sắt từ đều có từ giảo. Trong các nguyên tố sắt từ, côban (Co)
là nguyên tố có hệ số từ giảo lớn nhất ở nhiệt độ phòng(do côban có cấu trúc bất
đối xứng khá cao - lục giác xếp chặt), đạt tới 60.10−6 trong từ trường bão hòa. Các
vật liệu có hệ số từ giảo lớn được gọi là vật liệu từ giảo khổng lồ.
Có nhiều loại vật liệu từ giảo khác nhau, tại thời điểm hiện tại, vật liệu từ giảo
thương phẩm tốt nhất là Terfenol-D (có tên là các từ viết tắt ghép bởi: Ter
- Terbium - Tb, Fe - sắt, Nol - Naval Ordnance Laboratory, D - Dysproxium - Dy)
là hợp kim TbxDy1-xFe2 có hệ số từ giảo đạt tới 2000.10−6 trong từ trường 2 kOe[1],

và chỉ đạt 400.10−6 ở dạng màng mỏng [2]. Đây là vật liệu từ giảo được dùng phổ
biến nhất hiện nay.
Gần đây, nhóm nghiên cứu tại Việt Nam ở Phòng Thí nghiệm Vật lý Nhiệt độ
thấp, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội lãnh đạo bởi Giáo
sư Nguyễn Hữu Đứccông bố vật liệu từ giảo khổng lồ ở dạng các màng mỏng (hệ
số từ giảo đạt tới 720.10−6), là các màng mỏng hợp kim TbFeCo) mang tên
TerfecoHan (Ter - Terbium - Tb, Fe -sắt, Co - Côban, Han - Hà Nội, đồng thời
cũng cải tiến tạo ra các màng mỏng đa lớp trên cơ sở TerfecoHan để tạo ra các
màng mỏng từ giảo với hệ số từ giảo lớn và độ cảm từ giảo cao trong từ trường
thấp.
* Ứng dụng của hiện tượng từ giảo
Vật liệu từ giảo được ứng dụng trong các linh kiện, thiết bị chuyển đổi điện - từ cơ cả ở dạng các vật liệu dạng khối và vật liệu dạng màng mỏng, ví dụ như các cảm
biến từ trường (dựa trên tổ hợp từ giảo-áp điện), các cảm biến đo gia tốc, cảm

14


biến cơ đo dịch chuyển cơ học, các máy phát siêu âm - từ giảo, các linh kiện vi cơ
trong các bộ vi cơ điện tử (MEMS)...
MEMS (viết tắt của cụm từ microelectromechanical systems, nghĩa là vi hệ thống
cơ điện tử) là thuật ngữ thường dùng để chỉ các hệ thống điện tử có thể có thêm các
bộ phận chuyển động có kích thước cỡ micromét.
Công nghệ chế tạo các MEMS là công nghệ sử dụng kỹ thuật giống như kỹ
thuật mạch tích hợp (ví dụ như các công nghệ quang khắc, chùm iôn hội tụ...). Tuy
nhiên không giống như linh kiện IC được tạo ra từ những lớp cấu trúc 2D, sản
phẩm của công nghệ MEMS là các linh kiện có cấu trúc không gian 3 chiều thực sự
- gọi là thiết bị MEMS.
Tại Việt Nam mới chỉ có công ty SONION Việt Nam là đang chế tạo micro dùng
công nghệ này.

Quang khắc
Quang khắc hay photolithography là kỹ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn và
công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu và linh kiện với hình dạng
và kích thước xác định bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất
cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo. Phương pháp này được sử
dụng phổ biến trong công nghiệp bán dẫn và vi điện tử, nhưng không cho phép tạo
các chi tiết nhỏ do hạn chế của nhiễu xạ ánh sáng, nên được gọi là quang khắc
micro (micro lithography). Một số sách giáo khoa ở Việt Nam còn dịch thuật
ngữ photolithography là quang bản thạch.
Kỹ thuật quang khắc
15


Các phương pháp tạo chi tiết trong quang khắc: kỹ thuật liff-off (trái), kỹ thuật ăn
mòn (phải)
Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu được các phần tử trên bề
mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định. Có nghĩa là quang khắc sử dụng
các phản ứng quang hóa để tạo hình.
Bề mặt của đế sau khi xử lý bề mặt được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cản
quang (photoresist), có tính chất nhạy quang (tức là tính chất bị thay đổi khi chiếu
các bức xạ thích hợp), đồng thời lại bền trong các môi trường kiềm hay axit. Cản
quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng
của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo. Cản
quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating).
Cản quang được phân làm 2 loại
Cản quang dương: Là cản quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu
vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.
•
Cản quang âm: Là cản quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu
vào thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.

Nguyên lý hệ quang khắc
•

16


Nguyên lý hệ quang khắc
Một hệ quang khắc bao gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại này
được khuếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ (photomask). Mặt nạ là một tấm
chắn sáng được in trên đó các chi tiết cần tạo (che sáng) để che không cho ánh sáng
chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiết cần tạo trên cảm quang biến
đổi. Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần
tạo, sau đó nó được hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu
kính hội tụ.
Ứng dụng của quang khắc
Quang khắc là kỹ thuật đã được phát triển từ đầu thế kỷ 20, và được sử dụng rộng
rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chế tạo các vi mạch điện tử trên các phiến Si.
Ngoài ra, quang khắc được sử dụng trong ngành khoa học và công nghệ vật liệu để
chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh kiện vi cơ điện tử (MEMS). Hạn
chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên không thể hội tụ chùm sáng
xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể chế tạo các chi tiết có kích thước nano
(độ phân giải của thiết bị quang khắc tốt nhất là 50 nm), do đó khi chế tạo các chi
tiết nhỏ cấp nanomet, người ta phải thay bằng công nghệ quang khắc chùm điện
tử (electron beam lithography).

17


* Cảm biến từ giảo
Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình học hoặc

tính chất cơ học (hệ số Young). Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ giảo. Khi
có tác dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay đổi đường
cong từ hoá của chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ dư có thể
xác địnhđược độ lớn của lực tác dụng. Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch.
- Cơ chế từ hoá: Như chúng ta đã biết trong vật liệu sắt từ, mỗi nguyên tử được đặc
trưng bởi một mômen từ. Để giảm thiểu năng lượng tổng cộng, momen từ của các
nguyên tử trong cùng một miền từ hoá tự nhiên (domen) phải hướng theo một
hướng chung. Hướng chung này định hướng theo một số hướng ưu tiên của mạng
tinh thể gọi là hướng dễ từ hoá. Hướng của các mômen từ trong các domen cạnh
nhau không trùng nhau.
Khi có từ trường ngoài H tác động, sự định hướng của mô men từ trong một domen
theo một hướng chung tăng dần. Khi H nhỏ, các vách domen từ dịch chuyểnvà kích
thước của các domen từ có hướng từ hoá thuận lợi trùng với hướng của từ trường
bên ngoài tăng lên. Khi từ trường ngoài tăng lên đến mức nào đó xảy ra hiện tượng
đảo hướng của các domen theo hướng từ trường ngoài. Khi từ trường ngoài đủ
mạnh sẽ làm quay hướng dễ từ hoá của các domen từ theo hướng từ trường ngoài
dẫn đến bão hoà (hinhd 16.8a).
- Hiện tượng từ trễ: Sau khi từ hoá lần đầu đến bảo hoà (H = H m), nếu vẫn giữ
nguyên phương từ trường và thực hiện một chu trình khép kín (H m,0,-Hm,0) ta nhận
được đường cong từ hoá như hình 16.8b gọi là đường cong từ trể với độ từ dư B r là
kháng từ Hc.

18

Hình 16.8 : Đường cong từ hoá


a) Từ hoá lần đầu b) Chu trình từ trễ
Khi trong vật liệu sắt từ có ứng lực, kích thước mạng tinh thể thay đổi, các hướng
dễ từ hoá thay đổi dẫn đến làm thay đổi định hướng của các domen. Hiện tượng

này gọi là hiệu ứng từ giảo nghịch.
Trên hình 16.9 biểu diễn ảnh hưởng của ứng lực đến đường cong từ hoá của
permalloy 68.

Hình 16.9: Sự biến dạng của đường cong từ hoá
dưới tác dụng của lực kéo
•

Cảm biến từ thẩm biến thiên
Cấu tạo của cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ tạo
thành một mạch từ kín (hình 16.10). Dưới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng
kéo theo sự thay đổi độ từ thẩm à, làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ tự cảm
của cuộn dây cũng thay đổi. Sự thay đổi tương đối của L, R hoặc à tỉ lệ với ứng lực
s, tức là với lực cần đo F:

19


Hình 16.10: Cảm biến từ giảo có từ thẩm biến thiên
* Cảm biến từ dư biến thiên
Phần tử cơ bản của cảm biến từ dư biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinh khiết
cao, có từ dư Br. Dưới tác dụng của lực cần đo, thí dụ lực nén (dσ < 0), Br tăng lên:

Sự thay đổi của từ thông sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ
với dBr/dt. Biểu thức của điện áp hở mạch có dạng:

Trong đó K là hệ số tỉ lệ với số vòng dây và tiết diện vòng dây.

20