TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ====== TRẦN THỊ CÚC QUỲNH
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG
DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG DẠNG CHỮ THẬP
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Người hướng dẫn khoa học
ThS Lê Khắc Quynh
Hà Nội – 2018
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Lê Khắc Quynh
người đã giúp đỡ định hướng nghiên cứu, cung cấp cho em những tài liệu quý
báu, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn
thành khoá luận tốt nghiệp.
Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô Trường Đại học Sư
phạm Hà Nội 2 đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảng kiến
thức cơ bản đến những kiến thức chuyên ngành chuyên sâu, cũng như khả năng
thực hành, thực nghiệm trong suốt bốn năm học qua .
Cuối cùng, em xin gửi những lời tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình bạn bè
đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ, động viên em vượt qua khó khăn hoàn
thành khoá luận một cách tốt đẹp.
Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Trần Thị Cúc Quỳnh
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là
hoàn toàn trung thực và chưa từng công bố ở bất kì nơi nào khác.
Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Trần Thị Cúc Quỳnh
MỤC LỤC
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2
4. Nhiệm vụ của đề tài ................................................................................................ 2
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2
6. Cấu trúc của đề tài .................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 3
1.1. Phân loại vật liệu từ ............................................................................................. 3
1.1.1. Chất nghịch từ .................................................................................................. 3
1.1.2. Chất thuận từ .................................................................................................... 3
1.1.3. Chất phản sắt từ ............................................................................................... 4
1.1.4. Feri từ ............................................................................................................... 5
1.1.5. Chất sắt từ ........................................................................................................ 6
1.1.5.1. Vật liệu từ mềm .............................................................................................. 8
1.1.5.2. Vật liệu từ cứng ........................................................................................... 10
1.2. Các hiệu ứng từ điện trở .................................................................................... 12
1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở ....................................................................................... 12
1.2.2. Hiệu ứng AMR ................................................................................................ 13
1.2.3. Hiệu ứng Hall thường ..................................................................................... 15
1.2.4. Hiệu ứng Hall phẳng ...................................................................................... 17
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .......................................... 19
2.1. Chế tạo cảm biến ............................................................................................... 19
2.2. Máy phún xạ tạo màng ...................................................................................... 20
2.3. Hệ đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung VSM .................................................. 21
2.4. Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng ................................................................................ 22
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 24
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
3.1. Tính chất từ của lớp màng NiFe ........................................................................ 24
3.1.1. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào từ trường ghim ................................... 24
3.1.2. Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến ..................... 24
3.1.3. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào bề dày ................................................. 25
3.2. Khảo sát tín hiệu Hall của các cảm biến............................................................ 26
3.2.1. Tín hiệu Hall phụ thuộc vào hình dạng cảm biến .......................................... 26
3.2.2. Tín hiệu Hall phụ thuộc vào bề dày màng ...................................................... 28
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 32
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp mômen từ nguyên tử của chất thuận từ ..... 4
Hình 1.2: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất phản sắt từ ........... 5
Hình 1.3: Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spinel ............................................ 6
Hình 1.4: Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và có từ
trường ngoài tác dụng ............................................................................................ 7
Hình 1.5: Đồ thị mô tả đường cong từ hoá và các thông số của vật liệu từ mềm. 9
Hình 1.6: Hình ảnh ứng dụng tem dán lên các sản phẩm của vật liệu từ mềm .. 10
Hình 1.7: Hình ảnh nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng ... 11
Hình 1.8: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các màng đa lớp Fe/Cr .............. 13
Hình 1.9: Nguồn gốc vật lý của AMR ................................................................ 14
Hình 1.10: Sự thay đổi của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài ........ 15
Hình 1.11: Mô hình hiệu ứng Hall thường .......................................................... 16
Hình 1.12: Mô hình hiệu ứng Hall phẳng ........................................................... 17
Hình 1.13: Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế AMR .... 18
Hình 2.1: (a) Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng các mặt nạ điện trở, mặt nạ
điện cực (b) và cảm biến hoàn thiện (c) .............................................................. 19
Hình 2.2: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC .................................................. 20
Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung ...................................................... 21
Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở ........................................... 22
Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở. ................................................. 22
Hình 3.1: Đường cong từ trễ tỉ đối của các cảm biến được chế tạo với các từ
trường ghim khác nhau: 900, 600 và 0 Oe .......................................................... 24
Hình 3.2: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của các cảm biến có cùng chiều rộng
1 mm nhưng chiều dài khác nhau 5, 7 và 10 mm với từ trường ngoài song song
với phương từ hóa dễ........................................................................................... 25
Hình 3.3: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của màng NiFe đo theo phương từ
hóa dễ trên các cảm biến có bề dày khác nhau t = 5, 10, 15 nm ......................... 26
Hình 3.4: (a) Đường cong độ lệch thế và (b) Đường cong độ nhạy của các cảm
biến với kích thước khác nhau, bề dày 15 nm, tại dòng cấp 5 mA ..................... 27
Hình 3.5: (a) Đường cong độ lệch thế và (b) Đường cong độ nhạy của cảm biến
với các bề dày màng NiFe khác t = 5, 10, 15 nm, tại dòng cấp 5 mA ................ 28
MỞ ĐẦU
1. Lý 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, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên hiệu
ứng quang và từ như cảm biến giao thoa lượng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm
quang học, cảm biến dựa trên hiệu ứng điện – từ, hiệu ứng Hall…. Mặc dù các
cảm biến hoạt động dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhưng các cảm biến đều
dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích hiệu điện thế nối ra từ các cảm biến
thay đổi phụ thuộc vào cường độ của từ trường tác dụng lên cảm biến. Mỗi loại
cảm biến đều có đặc thù riêng, có các ưu điểm và nhược điểm riêng tuỳ thuộc
vào mục đích và phạm vi trong từng lĩnh vực ứng dụng.
Ưu điểm của các cảm biến quang là đáp ứng nhanh, độ chính xác cao
nhưng công nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng và bị ảnh hưởng bởi môi trường
thời tiết. Cảm biến từ có nhiều ưu điểm như có độ nhạy cao và độ chính xác cao,
điều kiện làm việc ít bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài. Do đó, cảm biến từ
được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Một trong những ứng dụng
thủa sơ khai là dò tìm phương hướng đi cho con tàu trong ngành hàng hải. Ngày
nay, với kích thước nhỏ, độ nhạy cao, dễ tương thích với các mạch điện tử, cảm
biến từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y sinh, quân sự, giao
thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng không vũ trụ, cảm biến đo dòng, cảm
biến đo từ trường nhỏ….Phổ biến nhất trong cảm biến từ là các cảm biến dựa
trên hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng điện từ và hiệu ứng từ điện trở, trong đó cảm
biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng và hiệu ứng từ điện trở là hai hướng đang
được triển khai nghiên cứu chế tạo tại phòng thí nghiệm micro – nano,
ĐHQGHN.
Với mục tiêu chế tạo được cảm biến đo được từ trường với cấu hình đơn
giản nhưng lại cho hiệu quả cao tôi đã chọn cảm biến dạng chữ thập dựa trên
hiệu ứng Hall phẳng làm đề tài nghiên cứu của mình. Tên đề tài khóa luận là
1
“Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng
dạng chữ thập”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng
dạng chữ thập.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Vật liệu dạng màng mỏng sắt từ Ni80Fe20 có hiệu ứng Hall phẳng.
4. Nhiệm vụ của đề tài
Chế tạo và khảo sát hiệu ứng Hall phẳng trên các cảm biến với các cấu
trúc dạng chữ thập.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Đọc, tra cứu và tổng hợp tài liệu có liên quan.
- Thực nghiệm.
6. Cấu trúc của đề tài
- Phần 1: Mở đầu
- Phần 2: Nội dung
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm
Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Phần 3: Kết luận
2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Phân loại vật liệu từ
Người ta dựa vào dấu vào độ lớn của độ cảm từ (χ) và sự phụ thuộc vào
nhiệt độ của nó mà phân loại vật liệu từ thành: chất nghịch từ, chất thuận từ,
chất sắt từ, chất phản sắt từ và chất feri từ.
1.1.1. Chất nghịch từ
Chất nghịch từ là các chất không có mômen từ (tổng vectơ từ quỹ đạo và
từ spin của toàn bộ điện tử bằng 0). Hiện tượng xuất hiện một mômen từ cảm
ứng ngược chiều với từ trường ngoài khi đặt nguyên tử trong từ trường được gọi
là hiện tượng nghịch từ. Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân tử sẽ xuất
hiện dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài theo xu
hướng cảm ứng điện từ (hiệu ứng vật lý lượng tử). Như vậy, hiện tượng nghịch
từ xảy ra trong bất kỳ chất nào đặt trong từ trường. Tuy nhiên, tính nghịch từ sẽ
thể hiện rõ chủ yếu ở những chất mà khi chưa đặt trong từ trường ngoài mômen
từ của nguyên tử hoặc phân tử bằng không nghĩa là tổng vectơ của mômen từ
của tất cả các nguyên tử hay phân tử bằng không. Hầu như, tất cả vật liệu đều có
hiệu ứng nghịch từ, song trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ
hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Các khí trơ, đa số các hợp chất hữu cơ,
nhiều kim loại (như Bi, Zn, Au, Ag, Cu), nhựa, nước, thuỷ tinh, các khoáng vật
như thạch anh, clorit, apatit, fenspat, plagiolazơ, êpiđôt, thạch anh... thuộc nhóm
nghịch từ này.
1.1.2. Chất thuận từ
Chất thuận từ là những chất có từ tính yếu (trong ngành từ học xếp vào
nhóm phi từ, có nghĩa là chất không có từ tính). Tính chất thuận từ thể hiện ở
khả năng hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là các chất này
có mômen từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ), khi có tác dụng của từ trường ngoài,
các mômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng
3
cộng trong chất tăng lên. Nếu mômen từ tổng cộng của các điện từ trong nguyên
tử, phân tử hay ion khác không khi chưa đặt trong từ trường thì chúng có
mômen từ Pm nào đó, nhưng khi chưa đặt chất thuận từ vào trong từ trường
ngoài thì tổng các mômen từ này bằng không vì đặc tính phân bố ngẫu nhiên
hỗn loạn của các mômen từ của các nguyên tử riêng biệt. Nếu ta đặt mẫu gồm N
nguyên tử như vậy vào từ trường thì các mômen từ nguyên tử sẽ định hướng
theo từ trường. Chất có tính như vậy gọi là chất thuận từ. Mômen từ hoặc do các
spin không bù trừ của các điện tử trong nguyên tử hoặc do chuyển động quỹ đạo
của điện tử xung quanh hạt nhân hoặc do đồng thời cả hai nguyên nhân gây nên.
Các chất thuận từ điển hình như: các kim loại kiềm (Na, K,...), oxi nitơ dưới
dạng khí (NO), oxi, không khí, Platin (Pt), Al và một số kim loại khác.
Hình 1.1: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp mômen từ nguyên tử của chất thuận từ
1.1.3. Chất phản sắt từ
Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có
2 phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị. Vật liệu phản sắt
từ được liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. Người ta còn gọi vật liệu phản sắt từ
là vật liệu phi từ vì từ tính của chúng yếu. Tính chất phản sắt từ bắt đầu từ tương
tác trao đổi giữa các spin. Nếu như tương tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là
4
tương tác trao đổi dương, làm cho các spin song song nhau thì tương tác trao đổi
trong phản sắt từ là tương tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song nhau.
Hình 1.2: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất phản sắt từ
Nhiệt độ Néel là đại lượng đặc trưng của vật liệu phản sắt từ cũng giống
như nhiệt độ Curie trong chất sắt từ là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản sắt từ bị
phá vỡ và vật liệu sẽ chuyển sang chất thuận từ. Ở dưới nhiệt độ Néel vật liệu sẽ
mang tính chất phản sắt từ.
Một số vật liệu có tính phản sắt từ như: MnO, Mn, Cr, Au....
1.1.4. Feri từ
Feri từ là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu
trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn khác nhau. Feri
từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn.
Feri từ thực chất là các vật liệu gốm, bán dẫn từ, có điện trở suất và độ
bền rất cao, vì thế các ferrite từ mềm thường được dùng trong các ứng dụng ở
tần số cao và siêu cao (làm các lõi dẫn từ sử dụng ở từ trường tần số cao và siêu
cao) trong các mạch điện tử. Feri từ là nhóm các vật liệu gốm có công thức hóa
học chung là XO.Y2O3 với X là một kim loại hóa trị 2, Y là kim loại hóa trị 3
(mà dùng phổ biến nhất là sắt - Fe). Đây là ví dụ về nhóm ferrite có tên gọi
chung là ferrite spinel (ví dụ ZnO.Fe2O3, MnO.Fe2O3...), thường mang cấu trúc
lập phương tâm mặt.
5
Feri - từ là trạng thái có trật tự từ của một số chất đặc biệt (chất feri - từ),
chúng có mạng tinh thể thường gồm nhiều mạng con mà vectơ độ từ hoá của các
mạng con này hợp lại với nhau có giá trị khác không, tạo ra độ từ hoá chung của
cả mạng. Chất feri - từ thông dụng là các loại ferit (vd. đá nam châm thiên
nhiên) có vai trò quan trọng trong kĩ thuật điện tử ngày nay.
Hình 1.3: Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spinel
1.1.5. Chất sắt từ
Các chất có tính từ hoá mạnh gọi là các chất sắt từ như: sắt, niken, coban
là ba chất sắt từ điển hình. Ở đây, sắt có tính từ hoá mạnh là do có cấu trúc đặc
biệt về phương diện từ: trong sắt có nhiều miền từ hoá tự nhiên, đó là các kim
nam châm nhỏ. Ở điều kiện thường, các kim nam châm nhỏ sắp xếp hỗn loạn
khi đó trong sắt không có từ tính. Khi thanh sắt đặt trong từ trường ngoài các
kim nam châm nhỏ sắp xếp theo từ trường ngoài khi đó trong sắt có từ tính.
Tính từ hoá mạnh ở sắt được giải thích là do sắt có cấu trúc đặc biệt về
phương diện từ.
Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử. Các mômen từ này lớn
hơn các mômen từ của chất thuận từ và có khả năng tương tác với nhau (tương
tác trao đổi sắt từ). Tương tác này bản chất là tương tác tĩnh điện đặc biệt.
Tương tác này hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là đômen từ) mà
trong mỗi đômen này các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau và tạo
6
thành từ độ tự phát của vật liệu (có nghĩa là độ từ hoá tồn tại ngay cả khi không
có từ trường). Nếu không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho các mômen
từ các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn và như vậy tổng độ từ hoá của
toàn khối vẫn bằng 0 nhưng nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ xảy ra
hiện tượng đó là sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường
và sự quay của các đômen từ theo hướng từ trường.
Nếu tăng dần từ trường đến mức đủ lớn ta có hiện tượng bão hoà từ và
khi đó tất cả các mômen từ sẽ sắp xếp song song với nhau theo chiều của từ
trường tác dụng và trong vật liệu chỉ có một đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ
trường, các mômen từ lại có xu hướng trở về với hướng ban đầu và lại tạo thành
các đômen. Tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau do vậy tổng
mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà phải bằng một giá trị khác 0 gọi
là độ từ dư (remanent magnetiration). Điều này dẫn đến hiện tượng trễ của vật
liệu. Để khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược
sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực kháng từ (coercivity hay
coercivity field). Đường cong từ hoá (sự phụ thuộc của từ độ vào từ tường
ngoài) của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó có đường cong phi tuyến
tính (chất thuận từ là đường cong tuyến tính) và đạt tới bão hoà khi đường cong
đủ lớn.
Hình 1.4: Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và
có từ trường ngoài tác dụng
7
Chất sắt từ có hai đặc trưng cơ bản là đường cong từ trễ và nhiệt độ Curie
Tc. Nhiệt độ Curie là nhiệt độ tại đó chất bị mất trật tự và khi T > Tc chất trở
thành chất thuận từ, T < Tc chất trở thành chất sắt từ. Nhiệt độ Tc được gọi là
nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ. Tc là một thông số đặt trưng cho chất (thông
số nội tại).
Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế người ta phân biệt vật liệu từ thành vật
liệu từ cứng và vật liệu từ mềm.
1.1.5.1. Vật liệu từ mềm
Sắt từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về
phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực
kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới 102 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ
từ thẩm lớn, nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài.
Các chất từ mềm "truyền thống" đã biết là sắt non, ferrite Mn,Zn,... Các
chất sắt từ mềm được sử dụng trong các lõi nam châm điện, lõi biến thế, lõi dẫn
từ ..., có nghĩa là sử dụng nó như vật dụng trong từ trường ngoài. Do vậy, đặc
trưng mà người ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ và tổn hao xoáy
+ Tổn hao trễ: sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá trình từ hóa,
được tính bằng diện tích của đường cong từ trễ. Do vậy, vật liệu sắt từ mềm
"xịn" có đường trễ càng hẹp càng tốt.
+ Tổn hao xoáy: sinh ra do các dòng Foucalt sinh ra trong trường xoay
chiều làm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ
trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu.
Những lõi tôn Si tuy có phẩm chất rất cao nhưng chỉ có thể sử dụng trong
từ trường tần số thấp (thường là 50-100Hz) do chúng có điện trở suất rất thấp.
Trong khi các ferrite lại sử dụng được trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần dù
có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện trở suất rất lớn, làm giảm
tổn hao xoáy).
8
Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mềm mới đã khắc phục điều này. Chúng là
các vật liệu có cấu trúc nano, có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng từ cực nhỏ,
độ từ thẩm rất cao, từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất rất lớn (dù
là các băng nền kim loại) do cấu trúc đặc biệt của nó nên có thể sử dụng ở các
ứng dụng cao tần cỡ từ KHz-MHz. Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế
kỷ 20 và được coi là vật liệu từ mềm tốt nhất hiện nay (ultrasoft magnetic
materials), và là một chủ đề nghiên cứu mạnh của Trung tâm Khoa học Vật liệu,
ĐHKHTN và Viện Vật lý Kỹ thuật (ĐHBKHN). Đặc biệt, một số loại trong số
các vật liệu này có thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt như chịu nhiệt
độ cao (ứng dụng làm động cơ của máy bay phản lực do khả năng chịu nhiệt độ
cao, ở Mỹ đã làm rất nhiều), sử dụng trong các môi trường ăn mòn như nước
biển, kiềm,...
Vật liệu từ mềm là các vật liệu có lực kháng từ thấp và có hệ số từ thẩm
cao. Chúng có khả năng từ hoá tới bão hoà ở từ trường yếu, có vòng tổn hao nhỏ
và tổn hao trên từ hoá nhỏ.
Hình 1.5: Đồ thị mô tả diện tích đường cong từ trễ và các thông số của vật liệu
từ mềm và từ cứng
9
Các tính chất của vật liệu từ mềm phụ thuộc vào độ tinh khiết của nó và
mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể. Nếu có càng ít các loại tạp chất trong vật
liệu thì các đặc tính của nó càng tốt.
Vì vậy, khi sản xuất vật liệu từ mềm cần phải cố gắng loại bỏ những tạp
chất có hại nhất đối với chúng: Cacbon, photpho, lưu huỳnh, oxy, nitơ và các
loại oxit khác nhau. Đồng thời cần cố gắng không làm biến dạng cấu trúc tinh
thể và không gây ra trong đó những ứng suất nội. Vật liệu từ mềm sử dụng làm
lõi của cuộn cảm, dây dẫn từ trong máy biến áp, tem từ mềm,…
Hình 1.6: Hình ảnh ứng dụng tem dán lên các sản phẩm của vật liệu từ mềm
1.1.5.2. Vật liệu từ cứng
Cũng tương tự như sắt từ mềm, từ "cứng" trong cái tên của vật liệu này
không phải do cơ tính cứng của nó. Ngược với sắt từ mềm, sắt từ cứng là vật
liệu khó từ hóa và cũng khó bị khử từ (có nghĩa là từ tính có thể giữ được tốt
dưới tác dụng của trường ngoài). Một ví dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các
nam châm vĩnh cửu.
Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (phải trên 102 Oe), nhưng chúng
thường có từ độ bão hòa không cao. Tính "cứng" của vật liệu từ cứng đến từ
tính dị hướng từ, liên quan đến năng lượng từ có được do tính đối xứng tinh thể
của vật liệu. Tức là, thông thường các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh
thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) ví dụ như tứ giác, hay lục giác.... Do
10
khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dùng làm vật liệu giữ năng
lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ...). Nói đến
khả năng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng
là tích năng lượng từ (B.H)max (có đơn vị là đơn vị của mật độ năng lượng
J/m3), là năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật
thể. Để có (BH)max lớn, cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đường trễ
càng lồi càng tốt. Đơn vị thường dùng của (BH)max là GOe, 1 MGOe=8 kJ/m3.
Hình 1.7: Hình ảnh nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng
Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là ferrite từ cứng
BaSr, hợp kim AlNiCo (khá đắt tiền)…. Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới ra đời
sau là các nam châm đất hiếm, mở đầu là các hợp chất RCo5 (như SmCo5..) và
sau đó là R2Fe14B như (Nd2Fe14B, Pr2Fe14B...), R thường ký hiệu để chỉ các
nguyên tố đất hiếm. Bảng 1 liệt kê một số nam châm phổ biến.
Nếu ta so sánh, có thể thấy nam châm vĩnh cửu R2Fe14B là loại tốt nhất
(Trung Quốc là nước đứng đầu thế giới về thị phần nam châm đất hiếm với hơn
50% thị phần), nhưng thành phần nam châm trên thế giới phân bố như sau: -
54% là nam châm ferrite - 32% Nd2Fe14B - 14% là các loại khác Nam châm
ferrite là các gốm ferrite từ cứng, có phẩm chất không cao nhưng có ưu điểm là
chế tạo rất đơn giản, giá thành rất thấp. Còn nam châm Nd-Fe-B tuy phẩm chất
rất tốt, nhưng lại có một số nhược điểm:
- Giá thành cao (do chứa nhiều đất hiếm là các nguyên tố đắt tiền).
11
- Dễ bị ôxi hóa do các nguyên tố đất hiếm có hoạt tính rất mạnh. Nếu
chúng ta bỏ một nam châm đất hiếm ngoài không khí, chỉ một thời gian là chúng
bị rã thành các bột.
- Nhiệt độ Curie thấp (312oC). Bảng1. Từ dư (Br), lực kháng từ (Hc) và tích năng lượng từ (BH)max
của một số nam châm.
Br (T) Hc (MA/m) (BH)max (kJ/m3) Vật liệu
Ferrite Sr 0,43 0,20 34
1,27 0,05 44 AlNiCo5
1,05 0,12 84 AlNiCo9
0,95 1,3 176 SmCo5
1,05 1,3 208 Sm2Co17
1,36 1,03 350 Nd2Fe14B
1.2. Các hiệu ứng từ điện trở
1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở
Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance – MR) là sự thay đổi điện trở của
một vật dẫn dưới tác động của một vật dẫn của từ trường, được xác định bằng
∆ρ
ρ(0)− ρ(H)
R(0)− R(H)
công thức:
= (1.1) MR =MR =
=
ρ
ρ(0)
R(0)
Trong đó: ρ(0), ρ(H), R(0), R(H) lần lượt là điện trở suất, điện trở của
vật dẫn.
Từ điện trở hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật liệu, có thể
thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần đầu
tiên được phát hiện bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với sự
thay đổi điện trở không quá 5%. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở
thường. Hiệu ứng này quan sát thấy ở các kim loại.
12
Khi có tác dụng của từ trường ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng
Hall, lực Lorentz nên chuyển động tròn và không đóng góp vào dòng điện (vận
tốc trung bình bằng không trong một chu trình) cho đến khi bị tán xạ. Sau khi
tán xạ, hạt dẫn tham gia chuyển động tròn tiếp theo. Như vậy thời gian hồi
phục càng lớn (điện trở càng thấp) thì ảnh hưởng của từ trường ngoài lên điện
trở càng lớn.
Hình 1.8: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các màng đa lớp Fe/Cr
1.2.2. Hiệu ứng AMR
Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR- Anisotropic magnetoresitance) là
hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất dưới
tác dụng của từ trường ngoài) phụ thuộc vào hướng của dòng điện, mà bản chất
là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tương đối giữa từ độ và dòng điện.
Willam Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn
kim loại sắt từ là niken và sắt dưới tác dụng của từ trường ngoài của một nam
châm điện có thế đạt tới 3- 5% ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra sự thay đổi này còn
phụ thuộc vào phương đo, góc tương đối giữa cường độ dòng điện và từ trường
ngoài hay chiều của độ từ hoá của mẫu.
13
Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới
dạng màng mỏng. Trên màng sẽ có một hướng dễ từ hóa và một hướng khó từ
hóa trực giao với nó. Hướng dễ từ hoá là hướng mà sự từ hoá đạt đến trạng thái
bão hoà dễ dàng nhất. Hướng mà khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (chỉ bão
hoà ở từ trường cao). 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 , góc giữa vector cường độ
dòng điện và vector từ độ
Điện trở lớn Điện trở nhỏ
Từ trường Từ trường
Hình 1.9: Nguồn gốc vật lý của AMR
Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới
dạng màng mỏng sao cho trên màng tồn tại hai phương từ hoá: phương dễ và
phương khó. Phương dễ từ hoá là phương mà sự từ hoá đạt đến trạng thái bão
hoà dễ dàng nhất (bão hoà ở từ trường thấp). Phương khó từ hoá là phương mà
sự từ hoá khó đạt trạng thái bão hoà nhất (bão hoà ở từ trường cao).
Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR trong các màng mỏng bằng
vật liệu sắt từ rất phức tạp. Để đơn giản ta giả định rằng vectơ từ hoá trong màng
sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà Ms khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ
làm thay đổi hướng của vectơ từ hoá này. Ngoài ra ta có thể xét hiệu ứng AMR
ở hai khía cạnh là: mối quan hệ giữa điện trở và hướng của vectơ từ độ (vectơ từ
hoá) và mối quan hệ giữa hướng của vectơ từ độ và từ trường ngoài. Điện trở
của màng mỏng có thể xác định thông qua góc θ - góc giữa chiều dòng điện và
vectơ từ độ:
14
l
l
(1.2)
+ P.
R() = P.n.
.cos = R.P + R.cos2
b.d
b.d
R
R
R
.cos(2)
+
= R.P +
.cos(2)+1 = R.P +
2
2
2
Trong đó:
Ρθ.n và ∆𝜌 là hằng số của vật liệu
l là độ dài màng mỏng, b là độ rộng của màng mỏng
d là độ dày của màng mỏng , Rθ.Ρ là điện trở khi vectơ từ độ vuông góc
với trục trễ từ hoá
∆𝑅 là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trường ngoài
Hình 1.10: Sự thay đổi của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài
1.2.3. Hiệu ứng Hall thường
Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ
trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn
điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận
được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ
số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc
trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin
Herbert Hall vào năm 1879.
15
Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong
vật dẫn điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ
như electron trong kim loại). Khi chạy qua từ trường, các điện tích chịu lực
Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển
động đó âm hay dương. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích
điện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall.
𝐼.𝐵
Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:
(V) (1.3)
VH =
𝑑.𝑒.𝑛
Trong đó:
VH là hiệu thế Hall, I là cường độ dòng điện
B là cường độ từ trường,
d là độ dày của thanh Hall
e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall
n mật độ các hạt này trong thanh Hall.
Công thức này cho thấy một tính chất quan trọng trong hiệu ứng Hall là
nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dương chạy trong thanh Hall, dựa vào
hiệu thế Hall âm hay dương. Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng minh rằng,
trong kim loại, electron chứ không phải là proton được chuyển động tự do để
mang dòng điện.
Hình 1.11: Mô hình hiệu ứng Hall thường
16
Điểm thú vị nữa là, hiệu ứng cũng cho thấy trong một số chất (đặc biệt
là bán dẫn), dòng điện được mang đi bởi các lỗ trống (có điện tích tổng cộng là
dương) chứ không phải là electron đơn thuần. Khi từ trường lớn và nhiệt độ hạ
thấp, có thể quan sát thấy hiệu ứng Hall lượng tử thể hiện sự lượng tử hoá điện
trở của vật dẫn.
1.2.4. Hiệu ứng Hall phẳng
Hiệu ứng Hall phẳng cũng tương tự như hiệu ứng AMR đó là tín hiệu lối
ra phụ thuộc vào góc giữa từ độ và dòng qua cảm biến. Dựa vào sự tán xạ của
điện tử theo phương từ độ của lớp sắt từ, khi cho dòng điện I chạy qua cảm biến
theo hướng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ M tạo ra điện trường
E theo hướng của từ độ M. Điện trường E này tạo ra hiệu điện thế V theo hướng
y vuông góc với dòng điện (hình 1.12).
Hình1.12: Mô hình hiệu ứng Hall phẳng
Ở đây, ta cần chú ý đến sự khác nhau cơ bản giữa hiệu ứng Hall thường,
hiệu ứng Hall dị hướng và hiệu ứng Hall phẳng. Nếu trong hiệu ứng Hall thường
và dị thường từ trường ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu thì trong hiệu ứng
Hall phẳng từ trường ngoài phải đặt song song với mặt phẳng mẫu (hình 1.12).
Sở dĩ, có sự khác nhau như vậy là do trong hiệu ứng Hall thường, thế Hall
xuất hiện do lực Lorentz của từ trường ngoài tác dụng nên các hạt mang điện, còn
trong hiệu ứng Hall phẳng nó lại phụ thuộc vào góc giữa từ độ của mẫu và chiều
dòng điện. Về bản chất đây chính là đặc thù của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR.
17
Hiệu ứng Hall phẳng được tìm thấy trong vật liệu từ khi điện trở của vật
liệu phụ thuộc vào góc giữa phương của dòng điện I và từ độ của mẫu M. Dưới
tác dụng của dòng Ix đặt theo phương x, nếu từ trường ngoài H hợp với dòng
điện Ix một góc θ thì véctơ từ độ của mẫu M nằm trong mặt phẳng của cảm biến
sẽ lệch một góc θ so với phương của dòng điện Ix, khi đó sẽ có thế ra Vy xuất
1
hiện theo phương vuông góc với dòng điện Ix:
2
𝐼∆𝑅 sin(2𝜃) (1.4) 𝑉𝑦 = 𝐼𝑥∆𝑅 sin 𝜃 cos 𝜃 =
Trong đó: R = (// - ⊥)/t, // và ⊥ lần lượt là điện trở suất của mẫu đo
theo phương song song và vuông góc với phương từ hóa, t là chiều dày tổng
cộng của màng. Vy lớn nhất khi θ = 450, nghĩa là góc giữa dòng điện và mô men
từ vật liệu bằng 450 sẽ cho tín hiệu Hall lớn nhất. Để nghiên cứu về hiệu ứng
Hall phẳng trong các cảm biến Hall, người ta thường sử dụng mô hình Stonner
Thế Hall phẳng
Thế AMR
Wohlfarth [1].
Hình 1.13: Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế AMR
18
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo cảm biến
Mỗi cảm biến gồm 2 thanh điện trở giống nhau đặt theo cấu trúc dạng chữ
thập, có kích thước là 1×10 mm2 với chiều dày lớp màng từ tính NiFe là t = 5
nm được chế tạo bằng thiết bị phún xạ catốt ATC-2000FC. Điện cực được chế
tạo bằng vật liệu Cu. Mặt nạ cảm biến được chế tạo bằng thiết bị quang khắc
MJB4 (tại trường Đại học Quốc gia Hà Nội), sử dụng mặt nạ polymer. Quy trình
chế tạo cảm biến được mô phỏng như hình 2.1 (a,b,c).
Mặt nạ điện trở Mặt nạ điện cực Ảnh cảm biến
(a) (b) (c)
Hình 2.1: Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng các mặt nạ điện trở (a), mặt nạ
điện cực (b) và cảm biến hoàn thiện (c)
Trong nghiên cứu của mình, để tạo ra phương từ hóa dễ, màng từ tính
được tạo ra bằng phương pháp phún xạ và được nuôi bởi từ trường ghim 900 Oe
dọc theo phương y của cảm biến trong suốt quá trình chế tạo. Khi khảo sát tín
hiệu, từ trường ngoài Happly được đặt dọc theo trục x của cảm biến. Dưới tác
dụng của từ trường ngoài, sự thay đổi từ độ theo từ trường dẫn đến sự thay đổi
điện trở do hiệu ứng Hall sẽ tạo ra sự thay đổi điện áp lối ra Vy phụ thuộc vào từ
trường. Các nghiên cứu đã được thực hiện theo hướng chuẩn hóa qui trình công
nghệ chế tạo, tối ưu chiều dày màng, kích thước thanh điện trở để tăng cường dị
hướng hình dạng cho ra các sản phẩm cảm biến có độ nhạy cao trong vùng từ
trường thấp.
19
2.2. Máy phún xạ tạo màng
Quá trình phún xạ màng được 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.
Hình 2.2: 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. Mẫu 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.
20
2.3. Hệ đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung VSM
Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) khảo sát sự phụ thuộc từ độ của mẫu vào từ
trường ngoài (M phụ thuộc vào H), xác định đường cong từ trễ, sự phụ thuộc
của từ độ vào nhiệt độ, nhiệt chuyển pha sắt từ - thuận từ TC, nhiệt chuyển pha
sắt từ-siêu thuận từ (nhiệt độ Blocking TB)...
Hình 2.3: 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 với M) sẽ được chuyển sang
giá trị của đại lượng từ cần đo bằng một hệ số chuẩn của hệ đo. Để 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.
21
2.4. Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng
Để khảo sát tính chất điện của cảm biến, chúng tôi tiến hành đo hiệu ứng từ
điện trở trên cảm biến. Sơ đồ bố trí hệ đo được minh họa trên hình 2.4. Dòng điện
không đổi được cấp bởi một nguồn dòng một chiều và thế lối ra được đo bằng máy
đo Keithley 2000.
Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở.
Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở
Khi cho dòng điện I chạy qua cảm biến theo hướng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ M tạo ra điện trường E theo hướng của từ độ M. Điện trườngE này tạo ra hiệu điện thế V theo hướng y vuông góc với dòng điện.
Trong quá trình tiến hành đo, cảm biến được đặt trong từ trường một
chiều được tạo ra bởi một nam châm hoặc cuộn dây. Cường độ từ trường được
22
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 như hình 2.4 và ảnh chụp hệ đo thực tế như hình 2.5.
23
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tính chất từ của lớp màng NiFe
3.1.1. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào từ trường ghim
Để tạo ra tính dị hướng từ đơn trục của cảm biến, chúng tôi đặt một từ
trường HBias tạo bởi 2 thanh nam châm vĩnh cửu dọc theo trục cảm biến trong
suốt quá trình phún xạ tạo màng. Chúng tôi khảo sát tính chất từ của cảm biến
phụ thuộc vào từ trường ngoài với với 3 giá trị từ trường ghim khác nhau là HBias
= 900, 600, 0 Oe. Kết quả nghiên cứu trên các cảm biến ở cùng một điều kiện
cho thấy, với giá trị từ trường ghim bằng 900 Oe, cảm biến cho tính dị hướng từ
mạnh nhất, thể hiện thông qua lực kháng từ nhỏ nhất và đường cong từ trễ dốc
nhất so với hai đường còn lại. Kết quả nghiên cứu này phù hợp với các kết quả
đã được công bố trước đây của Nhóm. Đường cong từ trễ khi đo theo phương từ
hóa dễ của các mẫu được thể hiện như trên hình 3.1. Từ kết quả thu được, ta sẽ
chọn từ trường ghim là 900 Oe cho các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 3.1: Đường cong từ trễ tỉ đối của các cảm biến được chế tạo với các
từ trường ghim khác nhau: 900, 600 và 0 Oe
3.1.2. Tính chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng cảm biến
Các cảm biến được khảo sát có cùng một điều kiện từ trường ghim 900
Oe và cùng bề dày t = 5 nm nhưng có tỉ số dài/rộng khác nhau. Các thanh điện
24
trở của cảm biến có bề rộng W = 1 mm nhưng chiều dài thay đổi L = 5, 7 và 10
mm. Đường cong từ trễ của các mẫu được thực hiện với từ trường theo phương
song song với trục cảm biến được mô tả trên hình 3.2.
So sánh đường cong từ trễ của 3 mẫu, ta thấy rất rõ vai trò của dị hướng
hình dạng đóng góp vào việc tăng cường dị hướng đơn trục của thanh điện trở
thể hiện ở thiết kế 1×10 mm2 với tỉ số kích thước dài/rộng là L/W = 10 cho tính
chất từ mềm với lực kháng từ nhỏ nhất. Với kết quả này, cảm biến được chế tạo
khi kết hợp với ý tưởng tăng cường dị hướng đơn trục theo hướng này được trông
đợi sẽ cho tín hiệu cảm biến rất nhạy trong vùng từ trường thấp. Tính từ mềm này
được trông đợi sẽ cho thế lối ra của cảm biến lớn trong vùng từ trường nhỏ.
Hình 3.2: Đường cong từ trễ tỉ đối M/Ms của các cảm biến có cùng
chiều rộng 1 mm nhưng chiều dài khác nhau 5, 7 và 10 mm với từ trường
ngoài song song với phương từ hóa dễ
3.1.3. Tính chất từ của màng phụ thuộc vào bề dày
Tính chất từ được nghiên cứu trên loại cảm biến có kích thước 1 × 10
mm2, các điều kiện công nghệ giống nhau nhưng bề dày lớp màng NiFe khác
nhau là t = 5, 10, 15 nm.
25
Đường cong từ trễ tỉ đối M/MS đo theo phương từ hóa dễ của các mẫu được
thể hiện trên hình 3.3.
Hình 3.3: Đường cong từ trễ tỉ đối M/Ms của màng NiFe đo theo phương từ
hóa dễ trên các cảm biến có bề dày khác nhau t = 5, 10, 15 nm
Kết quả cho thấy, các cảm biến đều thể hiện tính chất từ mềm rất tốt thể
hiển bởi đường cong từ trễ tỉ đối dốc, từ trường bão hòa nhỏ (HS ~ 5 Oe), lực
kháng từ nhỏ (Hc ˂ 5 Oe). Tính chất từ mềm trên các màng có bề dày khác nhau
thì khác nhau. Lớp màng NiFe có bề dày thấp nhất t = 5 nm cho tính chất từ tốt
nhất thể hiện bởi đường cong từ trễ tỉ đối dốc nhất, mômen từ bão hòa nhỏ nhất
và lực kháng từ thấp nhất. Tính chất dị hướng từ phụ thuộc vào hình dạng, kích
thước và chiều dày lớp màng NiFe đã chỉ ra phù hợp với các nghiên cứu trên
cùng hệ vật liệu đã được công bố bởi Nhóm [10,11]. Kết quả này là cơ sở cho
việc tối ưu chiều dày lớp màng NiFe để chế tạo các cảm biến cho độ nhạy cao
trong vùng từ trường nhỏ. Do đó, khi chế tạo cảm biến, chúng tôi cố định chiều
dày lớp màng NiFe, t = 5 nm trong các nghiên cứu của mình.
3.2. Khảo sát tín hiệu Hall của các cảm biến
3.2.1. Tín hiệu Hall phụ thuộc vào hình dạng cảm biến
Từ việc nghiên cứu tính chất từ ở mục 3.1.2, chúng tôi khảo sát tín Hall
phẳng theo từ trường một chiều với các cảm biến có kích thước khác nhau là
1×5, 1×7 và 1×10 mm2, bề dày lớp màng NiFe là 15 nm. Dòng điện cấp cho các
26
cảm biến là 5 mA theo phương vuông góc với trục cảm biến và song song với từ
trường ngoài như hình 2.4. Kết quả đường cong tín hiệu V(H) của các cảm biến
khác nhau được chỉ ra trên hình 3.4a. Từ hình vẽ ta thấy, với các cảm biến có
cùng kích thước chiều rộng của các thanh điện trở (W = 1 mm) nhưng kích
thước chiều dài (L) càng lớn thì tín hiệu thế lối ra càng lớn. Độ lệch thế Hall cực
đại ∆Vmax = 0,6 mV thu được trên cảm biến có L = 10 mm gấp 1,6 lần độ lệch
thế Hall cực đại ∆Vmax = 0,38 mV thu được trên cảm biến có L = 5 mm. Ngoài
𝑑𝑉
ra, độ dốc của đường cong V(H) cho biết độ nhạy của cảm biến theo từ trường
𝑑𝐻
(mV/ ngoài. Cụ thể hơn, bằng cách đạo hàm V(H) theo công thức 𝑆(𝐻) =
Oe) với các mẫu khác nhau, ta sẽ vẽ được đường cong S(H) theo từ trường ngoài
(hình 3.4(b)). Từ đường cong ta thấy, cảm biến có chiều dài L = 10 mm cho độ
nhạy lớn nhất (S(H)max = 0,07 mV/Oe) gấp 1,5 lần độ nhạy của cảm biến có L =
5 mm (S(H)max = 0,045 mV/Oe). Kết quả này giống với quy luật nghiên cứu tính
chất từ phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng của cảm biến đã chỉ ra ở phần
trên. Giá trị độ lệch thế và độ nhạy của các cảm biến Hall được chỉ ra chi tiết ở
bảng 2. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở để thực hiện các khảo sát tiếp theo.
Hình 3.4: (a) Đường cong độ lệch thế và (b) Đường cong độ nhạy của các
cảm biến với kích thước khác nhau, bề dày 15 nm, tại dòng cấp 5 mA
27
3.2.2. Tín hiệu Hall phụ thuộc vào bề dày màng
Từ kết quả nghiên cứu tín hiệu Hall phụ thuộc vào tính dị hướng hình
để khảo sát sự phụ thuộc vào bề
dạng ở trên, ta sẽ chọn cảm biến loại 1×10 mm2
dày lớp màng NiFe. Các cảm biến được chọn có bề dày là t = 5, 10, 15 nm.
Dòng điện cấp cho các cảm biến vẫn là 5 mA theo phương vuông góc với trục
cảm biến và song song với từ trường ngoài. Kết quả đường cong tín hiệu V(H)
của các cảm biến khác nhau được chỉ ra trên hình 3.5a. Từ hình vẽ ta thấy, vùng
tuyến tính của tín hiệu nằm trong dải từ trường rất nhỏ cỡ -10 Oe đến +10 Oe và
các cảm biến có bề dày càng mỏng thì tín hiệu thế lối ra càng lớn. Độ lệch thế
Hall cực đại ∆Vmax = 0,9 mV thu được trên cảm biến có t = 5 nm gấp 1,5 lần độ
lệch thế Hall cực đại ∆Vmax = 0,6 mV thu được trên cảm biến có t = 15 nm.
Đường cong S(H) của các mẫu khác nhau theo từ trường ngoài được mô tả như
hình 3.5b. Từ đường cong ta thấy, cảm biến có bề dày t = 5 nm cho độ nhạy lớn
nhất (S(H)max = 0,1 mV/Oe) gấp 1,4 lần độ nhạy của cảm biến có t = 15 nm
(S(H)max = 0,07 mV/Oe). Kết quả này giống với quy luật nghiên cứu tính chất từ
phụ thuộc vào bề dày của màng NiFe đã khảo sát ở phần trên. Giá trị cụ thể về
độ lệch thế và độ nhạy của các cảm biến được chỉ ra ở bảng 2.
Hình 3.5: (a) Đường cong độ lệch thế và (b) Đường cong độ nhạy của cảm
biến với các bề dày màng NiFe khác t = 5, 10, 15 nm, tại dòng cấp 5 mA
28
Quy luật phụ thuộc của tín hiệu Hall theo từ trường trên các cảm biến với
kích thước khác nhau, bề dày khác nhau giống với quy luật nghiên cứu hiệu ứng
AMR trên mạch cầu Wheatstone sử dụng cùng hệ vật liệu đã được công bố của
Nhóm [11] và cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của nhóm V. Mor [14]. Ta
có thể đem so sánh tín hiệu của cảm biến đã chế tạo được trong nghiên cứu này
với kết quả của các cảm biến có cùng chức năng đã được công bố trong nước và
trên thế giới. Nếu so sánh với công bố trước đây của nhóm chúng tôi trên cảm
biến Hall dạng chữ thập cấu trúc NiFe/IrMn (độ nhạy 2,5 mΩ/Oe) [5] và cấu
trúc NiFe/Cu/NiFe/IrMn độ nhạy S = 15,6 m/Oe [4] thì độ nhạy của cảm biến
tốt nhất trong bài báo này gấp lần lượt 8 lần và 1,3 lần.
Bảng 2: Độ lệch thế và độ nhạy của cảm biến với các kích thước và độ dày lớp
màng NiFe khác nhau, đo tại dòng cấp 5mA
W×L×t ΔV Smax Smax
(mm×mm×nm) (mV) (mV/Oe) (mΩ/Oe)
1×5×15 0,38 0,045 9
1×7×15 0,50 0,055 11
1×10×15 0,60 0,07 14
1×10×10 0,74 0,08 16
1×10×5 0,90 0,10 20
Nếu so sánh với kết quả công bố lớn nhất hiện nay trên cảm biến dạng cầu
Wheatstone được công bố bởi D. Henriksen [6] hay A. D. Henriksen [3] (độ nhạy
cỡ 150 µV/Oe) thì cảm biến của chúng tôi có độ nhạy cỡ 2/3 lần nhưng cấu trúc và
quy trình công nghệ của chúng tôi đơn giản hơn nhiều. Nếu so với các cảm biến
dựa trên hiệu ứng AMR có cấu trúc cầu Wheatstone của chúng tôi đã công bố
[10,11] thì độ nhạy cảm biến này nhỏ hơn cỡ 1 bậc độ lớn nhưng ưu việt của cảm
biến Hall dạng chữ thập này là có vùng hoạt động đi qua gốc “không” tức là khi
29
ứng dụng cảm biến đo hạt từ thì không cần cung cấp từ trường nuôi, điều này khác
biệt so với cảm biến AMR dạng cầu Wheatstone. Với độ nhạy S(H)max = 0,1
(mV/Oe) thu được trên cảm biến tốt nhất ở trên có thể đáp ứng được các mục đích
phát hiện hạt từ ứng dụng trong y-sinh học như các hệ cảm biến AMR, TMR, van-
spin đã công bố [2,6,8,10,11,15].
30
KẾT LUẬN
Trong quá trình thực hiện khoá luận, chúng tôi đã thu được các kết quả
như sau:
1. Đã trình bày chi tiết tổng quan về các loại vật liệu từ và các hiệu ứng
từ điện trở, hiệu ứng Hall thường và hiệu ứng Hall phẳng nghiên cứu các tính
chất đặc trưng của hiệu ứng từ điện trở. Từ đó, chúng tôi đã chọn làm cấu hình
cảm biến hình chữ thập và chất Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo các điện trở.
2. Đã khảo sát sự phụ thuộc tính chất từ của màng vào từ trường ghim,
vào tính dị hướng hình dạng cảm biến, vào bề dày của cảm biến.
3. Đã khảo sát tín hiệu Hall của cảm biến phụ thuộc vào hình dạng cảm
biến và bề dày màng với các kích thước khác nhau như sau: 1×5×15
(mm×mm×nm), 1×7×15 (mm×mm×nm), 1×10×15 (mm×mm×nm), 1×10×10
(mm×mm×nm), 1×10×5 (mm×mm×nm). Các cảm biến cho tín hiệu tăng dần khi
mẫu càng mỏng và tỉ số L/W càng lớn.
4. Cảm biến 1×10×5 (mm×mm×nm) cho tín hiệu thế lối ra và độ nhạy
từ trường lớn nhất có giá trị ∆Vmax = 0,9 mV và S(H)max = 0,1 mV/Oe (tương
đương S = 20 m/Oe).
31
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Lê Khắc Quynh, Nguyễn Xuân Toàn, Bùi Đình Tú, Trần Tiến Dũng,
Đỗ Thị Hương Giang, Nguyễn Hữu Đức (2017) “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến
từ dựa trên hiệu ứng hall phẳng (phe)”. Hội nghị Vật lý chất rắn và khoa học vật
liệu toàn quốc – SPSM.
[2]. Anders Dahl Henriksen, Giovanni Rizzi, and Mikkel Fougt Hansen
(2016), Planar Hall effect bridge sensors with NiFe/Cu/IrMn stack optimized for
self-field magnetic bead detection, Jounal of applied physics, 119, 093910.
[3]. A. D. Henriksen, B. T. Dalslet, D. H. Skieller, K. H. Lee, F. Okkels,
and M. F. Hansena (2012), “Planar Hall effect bridge magnetic field sensors”,
Journal of Applied Physics Letters. 97, pp. 013507-1 – 013507-3.
[4]. 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
Spin-Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based
Biochips”, IEEE Transactions on Magnetics 45, pp. 2378 – 2382.
[5]. 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”, J. Appl. Phys. 104, p. 074701,.
[6]. 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.
[7]. D. Henriksen, B. T. Dalslet, D. H. Lee, F. Okkels, and M. F. Hansena
(2012), “Planar Hall effect bridge magneticfield sensor”, J. Appl. Phys. Lett
(97), p. 013507.
[8]. D. R. Baselt, G. U. Lee, M. Natesan, S. W. Metzger, P. E. Sheehan, R.
J. Colton (1998), “A biosensor based on magnetoresistance technology”,
Biosensor and bioelectrics 13, pp. 731 – 739.
32
[9]. M. J. Haji-Sheikh and Y. Yoo (2007), An accurate model of a highly
ordered 81/19 Permalloy AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair
ring-magnet, IJISTA, 3, No (1/2), 95–105.
[10]. LT Hien, LK Quynh, VT Huyen, BD Tu, NT Hien, DM Phuong, PH
Nhung, DTH Giang, NH Duc (2016), DNA-magnetic bead detection using
disposable cards and the anisotropic magnetoresistive sensor, Advances in
Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 7, pp.045006.
[11]. 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 98-102.
[12]. Ripka, Pavel (2001), Magnetic sensors and Magnetometers, Boston-
London: Artech.
[13]. T. Q. Hung, S. J. Oh, B. D. Tu, N. H. Duc, L. V. Phong, S. A. Kumar,
J-R Jeong, C. G. Kim (2009), “Sensitivity dependence of the planar Hall effect
sensor on the free layer of the spin-valve structure”, IEEE Transactions on Magnetics
45(6), pp. 2374-2377.
[14]. V. Mor, M. Schultz, O. Sinwani, A. Grosz, E. Paperno, L. Klein
(2012), “Planar Hall effect sensors with shape-induced effective single domain
behavior”, Journal of Applied Physics 111, pp. 07E519 – 07E519-3.
[15]. Volmer Marius, Marioara Avram (2015), Using permalloy based
planar hall effect sensors to capture and detect superparamagnetic beads for
lab on chip applications, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 381,
481-487.
33
