Luận án nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro nano dạng cầu wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
_____________________

LÊ KHẮC QUYNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG CÓ KÍCH
THƯỚC MICRO-NANO DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN
HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

Hà Nội – 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
________________________

LÊ KHẮC QUYNH
ĐẠI HỌC HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
________________________
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG CĨ KÍCH
THƯỚC MICRO-NANO DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN
HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG

Chuyên ngành:

Vật liệu và linh kiện nanô

Mã số:

944012801.QTD

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Đỗ Thị Hương Giang
2. TS. Trần Mậu Danh

Hà Nội – 2020


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Đỗ Thị
Hương Giang, TS Trần Mậu Danh, những người thầy, người cơ đã hướng dẫn tận tình, đầy
hiệu quả, đã trau dồi cho em những kiến thức đại cương và chuyên sâu về lĩnh vực nghiên
cứu, thường xuyên dành cho em sự chỉ bảo, giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần trong suốt
quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Sự nhiệt huyết và động viên kịp thời của các thầy
cô là động lực quan trọng đã giúp em hồn thành luận án, có những lúc tưởng chừng như
em đã bỏ cuộc.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS. TS. NGND Nguyễn Hữu Đức, TS Bùi Đình Tú,
những người thầy đã theo dõi, khuyến khích việc nghiên cứu của em và đóng góp nhiều ý
kiến chun mơn sâu sắc cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong khoa Vật lý kỹ thuật và cơng nghệ
nanno; thầy, cơ trong Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường Đại
học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã có nhiều giúp đỡ NCS về cả chuyên môn và
cơ sở vật chất. Em xin cảm ơn các anh chị nghiên cứu sinh, học viên cao học trong khoa đã
tham gia thảo luận, góp ý nhiều vấn đề chi tiết trong quá trình nghiên cứu đề tài.
Trong quá trình triển khai nghiên cứu, NCS đã nhận được sự giúp đỡ to lớn của cơ

quan nhà nước, các phòng, viện nghiên cứu khoa học. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân
thành tới: Phòng Đào tạo Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội; Khoa Vật
lý, Phòng Đào tạo, Phòng Tổ chức Hành chính, Trường ĐHSP Hà Nội 2.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các anh em, bạn bè gần xa và người
thân trong gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện để luận án được hoàn thành.
Luận án này được thực hiện với sự tài trợ kinh phí từ các Đề tài Khoa học cơng nghệ
cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QG.16.26, QG.16.89.
Tác giả luận án

Lê Khắc Quynh


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận án là trung thực. Các nội dung liên quan đến công bố chung sử dụng trong luận
án đã được cho phép của các đồng tác giả.

Tác giả luận án

Lê Khắc Quynh


Mục lục
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................................... i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................ave Applications), Springer
International Publishing Switzerland.
[93]. S. Petralia, Nunzio Vicario, Giovanna Calabrese, Rosalba Parenti and Sabrina
Conoci (2018), An Advanced, Silicon-Based Substrate for Sensitive Nucleic
Acids Detection, Sensors 18, pp. 3138.

133


[94]. F. Qejvanaj (2016), Fabrication and Characterization of magnetometer for
space applications, Doctoral Thesis in Physics School of Information and
Communication Technology KTH Royal Institute of Technology Stockholm,
Sweden.
[95]. L.K. Quynh, B.D. Tu, D.X. Dang, D.Q. Viet, L.T. Hien, D.T. Huong Giang,
N.H. Duc (2016), Detection of magnetic nanoparticles using simple AMR
sensors in Wheatstone bridge, Journal of Science: Advanced Materials and
Devices 1, pp. 98-102.
[96]. L.K. Quynh, B. D. Tu, C.V. Anh, N. H. Duc, A.T. Phung, T.T. Dung, and D.
T. Huong Giang (2018), Design Optimization of an Anisotropic
Magnetoresistance Sensor for Detection of Magnetic Nanoparticles, Journal
of Electronic Material 48 (2), pp. 997-1004.
[97]. Le Khac Quynh, Nguyen The Hien, Nguyen Hai Binh, Tran Tien Dung, Bui
Dinh Tu, Nguyen Huu Duc and Do Thi Huong Giang (2019), Simple planar
Hall effect based sensors for low-magnetic field detection, Advances in
Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology 10, pp. 025002.
[98]. L.K. Quynh, B.D. Tu, N.T. Thuy, D.Q. Viet, N.H. Duc, A.T. Phung, and D.T.
Huong Giang (2019), Meander anisotropic magnetoresistance bridge
geomagnetic sensors, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 4
(2), pp. 327-332.
[99]. R.F.O. Reneerkens (1995), Physics of magnetization reversal in exchange
biase spin valve multilayers, master thesis, Eindhoven University of
Technology (EUT), Netherlands.
[100]. J. C. Rife, M. M. Miller, P. E. Sheehan, C. R. Tamanaha,M. Tondra, L. J.
Whitman (2003), Design and performance of GMR sensors for the detection
of magnetic microbeads in biosensors, Sensors and Actuators A 107, pp. 209–

218.
[101]. P. Ripka (1992), Review of Fluxgate Sensors, Sensors and Actuators A, 33 (3),
pp. 129-141.
[102]. Ripka, Pavel (2000), Magnetic sensors and Magnetometers, Artech House
Publishers.

134


[103]. P.Ripka, M.Vopalensk, A.Platil, M. Doscher, K.-M.H. Lenssen, H.Hauser
(2003), AMR magnetometer, Journal of Magnetism and Magnetic Materials
254–255, pp. 639–641.
[104]. A. Sandhu, A. Okamoto, I. Shibasaki, A. Oral (2004), Nano and micro Halleffect sensors for room-temperature scanning hall probe microscopy,
Microelectronic Engineering 73–74, pp. 524–528.
[105]. P. Saravanan, Jen-Hwa Hsu, Chin-Lai Tsai, Akhilesh Kumar Singh, and
Perumal Alagarsamy (2015), Effect of Ta Underlayer on Thickness-Dependent
Magnetic Properties of Ni–Fe Films, IEEE Transactions on Magnetics 51, pp.
2006604.
[106]. Schuhl, F. Nguyen Van Dau, and J. R. Childress (1995), Low-field magnetic
sensors based on the planar Hall effect, Applied Physics Letters 66(20), pp.
2751-2763.
[107]. D. Sellmyer, Ralph Skomski (2006), Advanced Magnetic Nanostructures,
Springer, pp. 432 – 442.
[108]. E F Silva, M A Correa, R D Della Pace, C C Plá Cid, P R Kern, M Carara,
C Chesman, O Alves Santos, R L Rodríguez-Suárez, A Azevedo, S M Rezende
and F Bohn (2017), Thickness dependence of the magnetic anisotropy and
dynamic magnetic response of ferromagnetic NiFe films, J. Phys. D: Appl.
Phys. 50, pp. 185001.
[109]. Brajalal Sinh,Tran Quang Hung, Torati Sri Ramulu, Sunjong Oh, Kunwoo
Kim, Dong-Young Kim, Ferial Terki and CheolGi Kim (2013), Planar Hall

resistance ring sensor based on NiFe/Cu/IrMn trilayer structure, J. Appl.
Phys. 113, pp. 063903.
[110]. J. Smit (1951), Magnetoresistance of ferromagnetic metals and alloys at low
temperatures, Physica 17, pp. 612-627.
[111]. Talha Jamshaid, Ernandes Taveira Tenório-Neto, Abdoullatif Baraket,
Noureddine Lebaz, Abdelhamid Elaissari, Ana Sanchís, J.-Pablo Salvador,
M.-Pilar Marco, Joan Bausells, Abdelhamid Errachid, and Nadia Zine (2020),
Development of Novel Magneto-Biosensor for Sulfapyridine Detection,
Biosensors, 10, pp.43.

135


[112]. Y. Telepinsky, Omer Sinwani, Vladislav Mor, Moty Schultz, and Lior Klein
(2016), Magnetic thermal stability of permalloy microstructures with shapeinduced bi-axial anisotropy, Journal of Applied Physics 119, pp. 083902.
[113]. N. T. Thanh (2007), Planar hall resistance sensor for biochip application,
Ph.D. Thesis, Chungnam National University, Korea.
[114]. B.G. T´oth, L. P´eter1, A´.Rev’esz, J. P´ad´ar, and I. Bakonyi (2010),
Temperature dependence of the electrical resistivity and the anisotropic
magnetoresistance (AMR) of electrodeposited Ni-Co alloys, Eur. Phys. J. B
75, pp. 167–177.
[115]. Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh,
Nguyen Huu Duc and CheolGi Kim (2008), Planar Hall bead array counter
microchip with NiFe/IrMn bilayers, Journal of Applied Physics 104, pp.
074701 – 074704.
[116]. Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen (2013),
High-sensitivity planar Hall sensor based on simple GMRNiFe/Cu/NiFe
structure for biochip application, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 4, pp.
015017 – 015020.
[117]. Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen (2012),

Influence of CoFe and NiFe pinned layers on sensitivity of planar Hall
biosensors based on van-spinstructures, Adv. Nat. Sci.: Nanosci.
Nanotechnol. 3, pp. 045019 – 045022.
[118]. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran
Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim (2009), Optimization of SpinValve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based Biochips,
IEEE Transactions on Magnetics 45, pp. 2378 – 2382.
[119]. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen
Huu Duc (2009), Optimization of planar hall effect sensor for magnetic bead
detection using spin-valve NiFe/Cu/NiFe/IrMn structures, Journal of Physics:
Conference Series 187, pp. 012056 – 012061.
[120]. S Tumanski (2001), Thin film magnetoresistive sensor, Institute of Physics
Publishing Bristol and Philadelphia.

136


[121]. A. P. F. Turner (2013), Biosensors: sense and sensibility, Chem. Soc. Rev 42,
pp. 3184.
[122]. M. Urse, A- E. Moga, M. Grigoras, H. Chiriac (2005), Magnetic and electrical
properties of [NiFe/SiO2] n multilayer thin films, Journal of Optoelectronics
and Advanced Materials 7 (2), pp. 759 – 762.
[123]. Vijay K. Varadan, LinFeng Chen, Jining Xie (2008), Nanomedicine: Design
and Applications of Magnetic Nanomaterials, Nanosensors, John Viley &
Sons.
[124]. M. Volmer, M. Avram (2013), Microelectron. Eng. 108, pp. 116.
[125]. M. Vopálenský, Anton'ın Platil, Petr Kaspar (2005), Wattmeter with AMR
sensor, Sensors and Actuators A 123-124, pp. 303-307.
[126]. M. Vopálenský and Antonin Platil (2013), Temperature Drift of Offset and
Sensitivity in Full-Bridge Magnetoresistive Sensors, IEEE Transactions on
magnetics, vol. 49 (1), pp. 136-139.

[127]. M. Vopálenský (2014), Measuring with magnetoresistive sensors, Habilition
thesis, Czech technical University in Prague.
[128]. Xuyang Liu, K. H. Lam, Ke Zhu, Chao Zheng, Xu Li, Yimeng Du, Chunhua
Liu, and Philip W. T. Pong (2019), Overview of Spintronic Sensors With
Internet of Things for Smart Living, Vol.55, pp.0800222.
[129]. C. Wang, Jiangtao Pu, Zhongqiang Hu, Wei Su, Mengmeng Guan, Bin Peng,
Ziyao Zhou, Zhiguang Wang, Zhuangde Jiang, and Ming Liu (2018), Electric
Field Tuning of Anisotropic Magnetoresistance in Ni-Co/PMN-PT
Multiferroic Heterostructure, IEEE Transactions on Magnetics, 55, Article
Sequence Number: 2501103.
[130]. W. Wang, Yi Wang, Liang Tu, Yinglong Feng, Todd Klein & Jian-Ping Wang,
(2014), Magnetoresistive performance and comparison of supermagnetic
nanoparticles on giant magnetoresistive sensor-based detection system,
Scientific reports, 4, pp. 5716.
[131]. Wertheim H.F.L, Nguyen H.N, Taylor W, Trinh T.M.L, Ngo H.T, Nguyen
T.Q, Nguyen B.N.T, Nguyen H.H, Nguyen H.M, Nguyen C.T, Dao T.T,

137


Nguyen T.V, Fox A, Farrar J, Schultsz C, Nguyen H.D, Nguyen K.V, Horby
P (2009), Streptococcus suis, an important cause of adult bacterial meningitis
in northern Vietnam, PLoS ONE 4(6), pp. 5973.
[132]. S. Widodo (2015), Design and Process Technology of Anisotropic Magneto
Resistive Sensor Device on Silicon Substrate, International Conference on
Mathematics, Science, and Education (ICMSE 2015), pp. 69-73.
[133]. P. Wiśniewski (2007), Giant anisotropic magnetoresistance and
magnetothermopower in cubic 3:4 uranium, Applied Physics Letters 90, pp.
192106.
[134]. N. Yang, Tao Li, Ping Ping Zhang, Xiaoqiang Chen, Xuefeng Hu and Wei

Zhang (2016), An Early Cancer Diagnosis Platform based on Micro-magnetic
Sensor Array Demonstrates Ultra-high Sensitivity, Journal of Nanomedicine
& Nanotechnology 7 (1), pp. 1000344.
[135]. J. Yin, Xue Han, Yanping Cao and Conghua Lu (2014), Surface Wrinkling on
Polydimethylsiloxane Microspheres via Wet Surface Chemical Oxidation,
Scientific reports, 4, pp. 5710.
[136]. Z. Yu, Zhang Dong, Wang Yu-Kun, Yin Yu-Li, Huang Zhao-Cong, Luo Chen,
and Zhai Ya (2013), Demagnetizing factors in patterned CoNiFe films with
rectangular elements, Chin. Phys. B Vol. 22 95), pp. 056801.
[137]. J. Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland (2007),
Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics
Letters 91, pp. 123513.
[138]. S. Yan, Zhiqiang Cao, Zongxia Guo, Zhenyi Zheng, Anni Cao, Yue Qi,
Qunwen Leng and Weisheng Zhao (2018), Design and Fabrication of Full
WheatstoneBridge-Based Angular GMR Sensors, Sensors, 18, pp. 1832.
[139]. J. B. Youssef, Vukadinovic N, Billet D and Labrune M (2004), Thicknessdependent magnetic excitations in permalloy films with nonuniform
magnetization, Phys. Rev. B 69, pp. 174402.
[140]. R. Zhang, R.F. Willis (2001), Thickness-Dependent Curie Temperatures of
Ultrathin Magnetic Films: Effect of the Range of Spin-Spin Interactions, Phys.
Rev. Lett, 86, pp. 2665.
138


[141]. />.cfm.
[142]. Fluxgate Magnetometers.
[143]. />[144]. online.com/webdocs/1602/0900766b8160287b.pdf/
AFF755B MagnetoResistive Field Sensor Data Sheet. (accessed on 20 July
2017).
[145]. />2826-da-01-en-KMZ51_Magnetfeldsensor.pdf.
[146]. />accessible.

139

Photo

Mask

Specification