- Nghiên cứu chế tạo sensor đo từ trường thấp dạng cầu Wheatstone dựa trên màng mỏng từ. - Tổng quan về chế tạo Sensor đo từ trường thấp dạng cầu Wheatstone: hiệu ứng từ điện trở. - mạch cầu điện trở Wheatstone.. - các phương pháp khảo sát tính chất của sensor (khảo sát tính chất điện của sensor, khảo sát tính chất từ của sensor). - Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả: quy trình chế tạo sensor. - Hiệu ứng từ. - Chế tạo sensor. - Điện trở Content. - Trên thế giới có nhiều loại sensor khác nhau ứng dụng để đo và phát hiện từ trường, trong đó chủ yếu là các sensor dựa trên hiệu ứng quang và từ như cảm biến SQUID (giao thoa lượng tử siêu dẫn), sợi quang, bơm quang học, sự biến đổi hạt nhân, cảm biến dựa trên từ điện trở dị hướng, Flux-Gate…được liệt kê trong bảng 1.. - Nổi trội trong các sensor từ là các sensor dựa trên hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng cảm ứng điện từ và hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), trong đó sensor dựa trên hiệu ứng Hall phẳng và hiệu ứng từ điện trở có thể chế tạo tại phòng thí nghiệm micro-nano trường Đại học Công nghệ- ĐHQGHN.. - Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu chế tạo sensor từ đo được từ trường thấp, đặc biệt là từ trường trái đất. - Sensor được chế tạo dựa trên dạng cầu Wheatstone, gồm có bốn điện trở có kích thước giống nhau 550μm 250m, nhưng khác nhau về phương từ hóa dễ. - Vì đặc tính này, ngoài khả năng đo được từ trường Trái đất, chúng tôi hi vọng sensor chế tạo ra có độ nhạy siêu cao S = 200 m/Oe (độ nhạy này lớn hơn rất nhiều so với độ nhạy của các cảm biến đã chế tạo thành công S = 16 m/Oe.. - Tổng quan 1.1 Hiệu ứng từ điện trở. - Một thông số quan trọng cảm biến AMR là độ thay đổi điện trở tương đối, ∆ρ/ρ. - Điện trở R có thể xác định thông qua góc. - 1.1.2 Hiệu ứng Hall phẳng. - Vì vậy nó đóng góp vào từ điện trở (MR) và chiều từ độ ở mỗi lớp 3.. - Nếu ở hai hiệu ứng Hall thường và dị thường từ trường ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu còn hiệu ứng Hall phẳng từ trường ngoài phải đặt song song với mặt phẳng mẫu (hình 1.5).. - Mạch điện trở dạng cầu Wheatstone. - Cấu trúc một mạch cầu Wheatstone cơ bản gồm có bốn điện trở R 1 , R 2 , R 3 , R 4 . - Một điện kế G rất nhạy đo thế ra của mạch. - Nếu một điện trở của một trong bốn điện trở thay đổi thì R1/R2 R4/R3 (R1R3R2R4) thì số chỉ điện kế G khác 0, mạch cầu không cân bằng.. - Trong thiết kế sensor dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện trở bằng nhau R1 = R2 = R3 =R4. - Vật liệu chế tạo ra các điện trở là NiFe, một vật liệu từ mềm có H C. - Các điện trở được tạo ra bằng công nghệ quang khắc và phún xạ. - Bằng công nghệ quang khắc, chúng tôi đã tạo ra hình dạng các điện trở, bằng công nghệ phún xạ chúng tôi tạo ra tính chất các điện trở.. - Nhiễu nhiệt là thành phần nhiễu sinh ra do các thành phần điện trở trong dải tần số Δf . - 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 H thay đổi liên tục. - Qua đó, chúng tôi nhận thấy được rằng cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở có ưu điểm vượt trội về độ nhạy cao, tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn. - Các phương pháp thực nghiệm chế tạo và khảo sát tính chất của sensor dạng cầu Wheatstone. - Khi chế tạo sensor chúng tôi sử dụng máy quang khắc MJB4 (SUSS microtech).. - 2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất của sensor 2.2.1 Khảo sát tính chất điện của sensor. - Để khảo sát tính chất điện của sensor, chúng tôi tiến hành đo hiệu ứng từ điện trở trên sensor (cảm biến).. - 2.2.2 Khảo sát tính chất từ của sensor. - Chúng tôi cũng đã trình bày phương pháp khảo sát tính chất điện của sensor sau khi chế tạo xong là dùng phương pháp đo hiệu ứng Hall phẳng.. - Thực nghiệm và kết quả 3.1 Quy trình chế tạo sensor. - Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone 3.1.1.1. - Các mẫu sau khi sấy sẽ được chiếu tia UV trong khoảng 3s với mask sử dụng là mask dành cho chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone.. - Lắc đều mẫu trong khoảng 2 phút đến khi phần cảm quang phủ trên các điện trở cần tạo hình bị rửa trôi hết.. - Chế tạo các điện cực. - Sau khi đã chế tạo được điện trở, chúng tôi tiến hành chế tạo điện cực bằng đồng để nối các điện trở với nhau. - 3.1.1 Kết quả khảo sát tính chất điện của sensor. - Để khảo sát tính chất điện của sensor, chúng tôi đã chọn sensor có kích thước điện trở (50µm×250 µm), cấu trúc màng Ta(3nm)/NiFe(5nm). - Khi H=0, sự biến đổi điện trở của bốn điện trở triệt tiêu nhau nên mạch cầu cân bằng, tín hiệu ra của sensor đạt giá trị nhỏ nhất. - Khi từ trường ngoài khác 0, do bốn điện trở trong mạch cầu có phương từ hóa dễ khác nhau nên sự biến đổi điện trở không giống nhau, do đó. - mạch cầu không còn cân bằng nữa, nên sẽ xuất hiện tín hiệu ra của sensor. - Thế ra của sensor đạt giá trị lớn nhất 36mV tại giá trị từ trường 100Oe, khi đó có tăng giá trị từ trường ngoài thì thế ra cũng không tăng, vì với H=100Oe đã đủ lớn để từ hóa hoàn toàn các moment từ trong mạch cầu theo phương của từ trường ngoài. - Đường đi và đường về của sensor không trùng khít nhau là do hiện tượng trễ từ - một tính chất đặc trưng của vật liệu NiFe. - Trên thực tế, khi từ trường ngoài bằng 0, thì tín hiệu ra của sensor cũng không bằng 0, vì kích thước bốn điện trở không bằng nhau một cách tuyệt đối và vị trí tương đối giữa phương từ hóa của sensor và từ trường ngoài không được xác định chính xác.. - Gọi θ là góc giữa phương từ hóa dễ của sensor và phương dòng điện. - Ta thấy thế ra của sensor là hàm phụ thuộc vào góc giữa phương của dòng điện và phương từ hóa dễ của sensor hay góc giữa phương của dòng điện và phương của từ trường (vì khi sensor đặt trong từ trường, moment từ sẽ quay theo chiều của từ trường tác dụng). - và nhỏ nhất khi cos(2θ)= -1 (θ =90 0 ) hay thế ra của sensor lớn nhất khi phương của dòng điện song song với phương của từ trường ngoài, và thế ra nhỏ nhất khi phương của dòng điện vuông góc với phương từ của từ trường ngoài. - Từ đồ thị, khi dòng điện vuông góc với từ trường ngoài thì tín hiệu ra của sensor nhỏ nhất 5mV, khi dòng điện song song với từ trường ngoài thì tín hiệu ra của sensor lớn nhất 36mV, còn khi dòng điện hợp với phương của từ trường ngoài 45 0 thì tín hiệu ra của sensor 26mV, nhỏ hơn tín hiệu sensor khi dòng điện song song với từ trường và lớn hơn khi dòng điện vuông góc với từ trường.. - Trong dải từ trường nhỏ, đáp ứng thế ra của sensor là một đường thẳng tuyến tính theo từ trường ngoài.. - Kết quả độ nhạy của sensor khoảng 3.49mV/Oe.. - Ta thấy đường cong tín hiệu ra của hai điện trở cùng dạng, tín hiệu ra hai điện trở lớn nhất bằng nhau và bằng 18mV. - Tuy nhiên đường cong của điện trở R 2 mở rộng hơn vì ban đầu phương từ hóa dễ của các moment từ trong R 2 vuông góc với từ trường ngoài nên quá trình đảo từ xảy ra chậm hơn so với các moment từ trong điện trở R 1 . - Tín hiệu ra của mạch cầu bằng hai lần tín hiệu ra của từng điện trở (36mV=18mV*2), như vậy chỉ có hai điện trở trong mạch cầu đóng góp vào tín hiệu ra của sensor, đó là hai điện trở có phương từ hóa dễ vuông góc với từ trường ngoài.. - 3.1.2 So sánh tính chất điện của sensor có chiều dày khác. - Chúng tôi đã tiến hành khảo sát tính chất điện của 5 sensor có chiều dày màng NiFe khác nhau: 5nm, 10nm, 15nm, 20nm, 25nm. - Kết quả khảo sát cho thấy khi chiều dày màng NiFe tăng lên thì tín hiệu ra của sensor giảm đi, nhưng độ nhạy lại tăng lên.. - 3.1.3 So sánh tính chất của sensor có kích thước điện trở khác nhau. - Khi cấp dòng 3mA, tín hiệu ra của sensor nhỏ khoảng 30mV, tương đương điện trở tăng 10Ω, dạng đường tín hiệu ra của sensor nhỏ tương tự dạng đường thế ra của sensor lớn.. - Thế offset của sensor loại nhỏ lớn hơn loại sensor lớn vì mạch cầu của sensor loại nhỏ có nhiều thanh điện trở hơn mạch cầu của sensor loại lớn nên sự sai khác về kích thước của bốn điện trở trong mạch cầu càng lớn.. - Khi cấp cùng một dòng điện I=1mA, tín hiệu ra của sensor lớn là 7.2mV (tương ứng điện trở tăng 7.2Ω), còn tín hiệu ra của sensor loại nhỏ là 10mV (tương ứng điện trở tăng 10Ω). - Độ nhạy của hai loại sensor được xác định trong vùng từ trường mà đáp ứng thế ra là đường tuyến tính. - Với cách khảo sát như vậy, chúng tôi đã xác định được độ nhạy của sensor loại nhỏ là S=794m Ω/Oe, độ nhạy của sensor loại lớn là S=740mΩ/Oe. - Như vậy sensor loại nhỏ có tín hiệu ra và độ nhạy lớn hơn sensor loại nhỏ. - Hiện tượng này có thể giải thích là do kích thước mỗi thanh điện trở của sensor loại nhỏ nhỏ hơn kích thước mỗi thanh điện trở của sensor loại lớn nên moment từ trong sensor loại nhỏ quay nhanh hơn so với sensor loại lớn.. - 3.1.4 So sánh tính chất điện của sensor và màng (0.5cm×0.5cm). - Kết quả cho thấy với màng có chiều dày t=5nm thì tín hiệu ra lớn nhất 0.24mV, t=25nm thì tín hiệu ra nhỏ nhất 0.020mV, điều đó có nghĩa là màng càng dày thì tín hiệu ra càng nhỏ.. - Từ đồ thị cho thấy, dạng tín hiệu ra của sensor và màng fulfilm giống hệt nhau, nhưng hiệu điện thế ra của sensor lớn hơn nhiều lần so với màng. - Hiệu điện thế ra của sensor khoảng 17mV, hiệu điện thế ra của màng khoảng 1mV, như vậy hiệu điện thế ra của sensor lớn gấp 17 lần của màng. - 3.1.5 Khảo sát đo góc với từ trường Trái đất. - Khảo sát sensor trong từ trường Trái đất (H˂1Oe).. - Kết quả cho thấy tín hiệu đường đi và đường về của sensor trùng khít nhau, không bị trễ góc. - Tín hiệu ra của sensor khá lớn khoảng 0.924mV. - Kết quả cho thấy tín hiệu ra của sensor thay đổi tuần hoàn theo hàm cos, chu kì 2.. - Từ kết quả này, ta thấy sensor có thể đo được cường độ từ trường Trái đất và định hướng với cực bắc nam của Trái đất. - Hình 3.17 là kết quả khảo sát tín hiệu ra của sensor theo góc giữa từ trường trái đất với trục của sensor trong trường hợp trục của sensor và từ trường Trái đất không cùng nằm trong một mặt phẳng. - Kết quả khảo sát cho thấy tín hiệu ra của sensor có dạng hình cos, chu kì 2, tín hiệu ra của sensor khoảng 1mV, lớn hơn tín hiệu quay trong mặt phẳng.. - 3.2 Kết quả khảo sát tính chất từ của sensor. - Chúng tôi đã khảo sát tính chất từ của 5 mẫu màng NiFe kích thước (0.5cm*0.5cm).. - Trong chương 3, chúng tôi đã trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm chế tạo sensor, sơ đồ khảo sát tính chất điện và từ của sensor. - Chúng tôi đã chế tạo thành công sensor dạng cầu Wheatstone có kích thước điện trở khác nhau: sensor lớn và sensor nhỏ. - Thông qua quá trình khảo sát tính chất điện và từ của sensor, chúng tôi thấy rằng sensor nhỏ có tín hiệu ra và độ nhạy lớn hơn sensor lớn nhưng thế offset lớn hơn sensor lớn. - Tín hiệu ra của sensor lớn hơn nhiều lần so với màng NiFe kích thước (0.5cm*0.5cm) có cùng chiều dày, điều này chứng tỏ khi ưu điểm nổi trội của sensor mạch cầu Wheatstone là giảm nhiễu nhiệt và tăng độ nhạy.. - Đã nghiên cứu các tính chất cơ bản của hiệu ứng từ điện trở và hiệu ứng Hall phẳng.. - Từ đó để chế tạo được sensor đo được từ trường thấp với độ nhạy cao và ít bị ảnh hưởng của. - nhiễu nhiệt, chúng tôi đã chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor, Ni 80 Fe 20 làm vật liệu chế tạo các điện trở mạch cầu.. - Bằng công nghệ quang khắc, chúng tôi đã tạo ra được cấu hình điện trở dạng mạch cầu Wheatstone, bằng công nghệ phún xạ, chúng tôi đã lựa chọn NiFe và Cu làm vật liệu chế tạo điện trở mạch cầu và điện cực nối các điện trở với nhau. - Kết quả chế tạo sensor cho thấy, các điện trở mạch cầu và các điện cực có hình dạng rõ ràng, kích thước đồng đều, đường biên sắc nét.. - Chúng tôi đã tiến hành khảo sát tính chất điện và từ của sensor. - Kết quả khảo sát tính chất điện của năm sensor có chiều dày màng NiFe khác nhau: 5nm, 10nm, 15nm, 20nm, 25nm cho thấy chiều dày màng càng dày thì tín hiệu ra càng nhỏ, kết quả này phù hợp với kết quả đo hiệu ứng AMR trên năm màng NiFe (0.5cm*0.5cm) có chiều dày tương ứng. - Tín hiệu sensor ra lớn nhất khoảng 36mV, độ nhạy 740mΩ/Oe.. - Kết quả khảo sát tính chất điện của sensor và màng NiFe (0.5cm*0.5cm) cho thấy tín hiệu của sensor lớn hơn màng NiFe nhiều lần, độ nhạy cao hơn nhiều lần. - Khi so sánh tính chất điện của sensor nhỏ có kích thước thanh điện trở (10μm 250m) và sensor lớn có kích thước thanh điện trở (50μm 250m), tín hiệu ra và độ nhạy của sensor nhỏ lớn hơn sensor lớn. - Điều này có ý nghĩa lớn trong khi tối ưu hóa kích thước thanh điện trở của sensor để chế tạo được sensor có tín hiệu lớn và độ nhạy cao ứng dụng khi đo từ trường thấp.. - Khi khảo sát góc với từ trường Trái đất, tín hiệu ra của sensor tuần hoàn theo hàm cos, chu kì 2: V ra =0.462*cos(α) (mV)