Khóa luận tốt nghiệp: Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:46

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khóa luận này sẽ trình bày tổng quan về cảm biến sinh học, cảm biến sinh học dựa trên các hiệu ứng từ - điện trở, nghiên cứu và chế tạo cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone với mục đích phát hiện được hạt từ ứng dụng vào trong y sinh học. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ------------------------- PHẠM NGỌC HƢNG CẢM BIẾN SINH HỌC DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: Th.S Lê Khắc Quynh HÀ NỘI 1 - 2017
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ThS. Lê Khắc Quynh, người thầy đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em làm khóa luận. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, tập thể các thầy cô, anh chị làm việc và nghiên cứu tại Phòng Thí Nghiệm Micro - Nano của Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN đã giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt thời gian em được học tập nghiên cứu tại phòng. Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè, gia đình và bạn bè đã là nguồn cổ vũ to lớn trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu của con. Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Phạm Ngọc Hưng 2
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác. Mọi nguồn tài liệu đều được trích dẫn rõ ràng. Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Phạm Ngọc Hưng 3
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... 2 LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................ 6 MỞ ĐẦU 9 CHƢƠNG 1........................................................................................................ 11 TỔNG QUAN .................................................................................................... 11 1.1. Khái niệm về cảm biến sinh học ......................................................................... 11 1.2. Phân loại cảm biến sinh học ................................................................................ 12 1.3. Một số loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện trở ứng dụng trong biochip ........................................................................................................................ 17 1.4. Lựa chọn cảm biến AMR cho ứng dụng sinh học ............................................. 24 1.5. Kết luận ................................................................................................................. 25 CHƢƠNG 2........................................................................................................ 26 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...................................................... 26 2.1. Thiết bị quay phủ ................................................................................................. 26 2.2. Hệ quang khắc ...................................................................................................... 27 2.3. Buồng xử lý mẫu và rung siêu âm ...................................................................... 28 2.4. Thiết bị phún xạ.................................................................................................... 29 2.5. Kính hiển vi quang học ........................................................................................ 30 2.6. Quy trình chế tạo cảm biến ................................................................................. 30 2.7. Khảo sát tính chất từ điện trở trên màng mỏng và trên cảm biến .................. 35 2.8. Kết luận ................................................................................................................. 37 CHƢƠNG 3........................................................................................................ 38 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................................... 38 3.1. Nghiên cứu tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm biến ............... 38 3.2. Nghiên cứu tính chất từ điện trở của cảm biến ................................................. 39 4
3.3. Phát hiện hạt từ bằng cảm biến .......................................................................... 40 3.4. Định hƣớng ứng dụng làm cảm biến sinh học phát hiện vi khuẩn gây bệnh . 41 3.5. Kết luận ................................................................................................................. 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 45 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc một cảm biến sinh học của D. Clark ........................ 11 Hình 1.2. Cơ chế hoạt động của bio cảm biến ........................................ 13 Hình 1.3. Cảm biến sinh học dựa trên nguyên tắc huỳnh quang. ........... 14 Hình 1.4. Cơ chế hoạt động của biocảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử...................................................................................................... 17 Hình 1.5. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ được biểu diễn bằng tỉ số R/R (H=0) của các màng mỏng đa lớp {Fe/Cr} ............................................. 18 Hình 1.6. a) Trạng thái điện trở cao và b) trạng thái điện trở thấp của GMR ........................................................................................................ 19 Hình 1.7. Nguồn gốc vật lý của AMR .................................................... 20 Hình 1.8. Giá trị điện trở phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hóa ...................................................................................... 21 Hình 1.9. Sơ đầu đơn giản của mạch cầu Wheatstone ............................ 22 Hình 2.1. Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển ......... 26 Hình 2.2. Thiết bị quang khắc MJB4 ...................................................... 27 Hình 2.3. (a) Buồng xử lý mẫu và (b) Thiết bị rung siêu âm ................. 28 Hình 2.4. Thiết bi phún xạ catot ATC – 2000FC ................................... 29 Hình 2.5. Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến ............................ 31 Hình 2.6. Ảnh chụp mask điện trở loại đơn thanh ................................. 33 Hình 2.7. Ảnh chụp mask điện cực của mạch cầu Wheatstone ............... 34 Hình 2.8. Ảnh chụp cảm sau khi hoàn thiện dạng cấu trúc đơn thanh ... 35 Hình 2.9. Sơ đồ bố trí bốn mũi dò trên bề mặt màn ............................... 36 Hình 2.10. (a) Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở (b) Thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc thế ra vào từ trường ngoài. .................................. 37 6
Hình 3.1. Sự thay đổi điện áp của màng mỏng theo từ trường với I = 5 mA ........................................................................................................... 38 Hình 3.2 (a) Đường cong tín hiệu độ lệch thế trên cảm biến kích thước L = 4 mm, W = 150 µm, t = 5 nm và (b) Đường cong độ nhạy tương ứng với các dòng cấp 1 mA........................................................................... 39 Hình 3.3. (a) Đường cong tín hiệu độ lệch thế trên cảm biến kích thước L = 4 mm, W = 150 µm, t = 5 nm và (b) Đường cong độ nhạy tương ứng với các dòng cấp khác nhau .................................................................... 40 Hình 3.4. (a) Sơ đồ thực nghiệm phát hiện hạt từ của cảm biến loại đơn thanh và (b) Sự phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào lượng hạt từ theo thời gian .......................................................................................................... 41 Hình 3.5. Mô hình cảm biến AMR phát hiện hạt từ trên thẻ SPA khi lai với ADN đích và đánh dấu bằng hạt từ: (a) Sơ đồ mô tả, (b) Ảnh chụp cảm biến và thẻ SPA trong cuộn Helmholtz, (c) Từ thông tạo ra bởi nam châm ........................................................................................................ 42 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E................................................................................................ 32 Bảng 2.2. Thông số phún xạ màng điện trở ............................................ 34 Bảng 2.3. Các thông số phún điện cực.................................................... 35 8
MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, dựa trên công nghệ nano các nhà khoa học đã tạo ra các cảm biến sinh học đầu dò phân tử giúp chúng ta có thể tiếp cận và nghiên cứu thế giới nhỏ bé bên trong các tế bào sinh vật với độ nhạy cao. Ngoài ra có sự dò tìm chọn lọc và định lượng của tất cả các loại phân tử sinh học đóng vai trò quan trọng trong khoa học sinh học, trong chuẩn đoán lâm sàng và nghiên cứu y tế, trong kiểm soát ô nhiễm môi trường. Chẳng hạn trong chuẩn đoán lâm sàng, nếu như ta phát hiện nhanh và sớm được các đối tượng sinh học như mầm bệnh sẽ giúp cho việc ngăn chặn và nâng cao khả năng được điều trị khỏi bệnh. Nghiên cứu các cảm biến sinh học hướng đến sản phẩm công nghệ hoàn chỉnh, cụ thể, bao gồm quy trình khép kín từ công nghệ chế tạo vật liệu nano từ tính đến chế tạo cảm biến, từ việc nghiên cứu các thông số cơ bản của vật liệu; đang là một xu hướng ưu tiên của khoa học và công nghệ nano trong 20 năm đầu tiên của thế kỉ 21 nhằm vào mục tiêu nâng cao chất lượng cuộc sống. Trong các cảm biến sinh học thì cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện có nhiều ưu điểm nổi trội hơn. Ở Việt Nam hiện giờ đang có nhiều nhóm nghiên cứu và phát triển về lĩnh vực này, chế tạo và phát triển công nghệ nano và micro ứng dụng chế tạo cảm biến tổ hợp sinh học. Chính vì vậy, việc xây dựng cơ sở phát triển các vấn đề khoa học liên quan đến ngành khoa học vật liệu, khoa học công nghệ nano, công nghệ sinh học và công nghệ chế tạo cảm biến là cần thiết. Trên cơ sở đó, khóa luận này sẽ trình bày tổng quan về cảm biến sinh học, cảm biến sinh học dựa trên các hiệu ứng từ - điện trở, nghiên cứu và chế tạo cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone với mục đích phát hiện được hạt từ ứng dụng vào trong y sinh học. 9
Đề tài nghiên cứu:“Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở”. Khóa luận gồm 3 chƣơng : Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về cảm biến sinh học Chƣơng 2: Trình bày các phương pháp, quy trình chế tạo cảm biến mạch cầu Wheatstone dạng đơn thanh dài Chƣơng 3: Trình bày, giải thích kết quả thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận 10
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm về cảm biến sinh học Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) hay còn gọi là thụ cảm sinh học kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi (tranduceur)”[7]. Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzyme, các kháng thể…. để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất. Do vậy cấu tạo của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hóa học, thành phần sinh học và thành phần vật lý. Giáo sư Leyland D.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh vực cảm biến sinh học [12]. Vào năm 1962, tại hội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm biến sinh học, và ông đã đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Hình 1.1. Cấu trúc một cảm biến sinh học của D. Clark 11
Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa, trên đó có màng giữ enzyme glucose. Khi mật độ glucose trong môi trường phản ứng giảm thì dòng điện sinh ra giảm một cách tương ứng. Dựa trên sự thay đổi đó, Clark đã phát hiện ra sự thay đổi của nồng độ glucose trong môi trường cần kiểm tra. Cùng sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ vật liệu nano và công nghệ thông tin, cảm biến sinh học cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc, hứa hẹn đưa ra những vi thiết bị nhằm xác định nhanh, chính xác các loại vi khuẩn, virut gây bệnh. Các thiết bị này cũng có thể dò tìm hay phân tích lượng mẫu rất nhỏ (cỡ vài nm) với độ tin cậy cao. Một lĩnh vực ứng dụng mới rất được quan tâm của các vật liệu sử dụng công nghệ spin điện tử có cấu trúc nano là việc kết hợp nó với công nghệ sinh học và y sinh học. Việc nhận biết các phân tử sinh học đã đóng một vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp dược phẩm, phân tích môi trường và nhiều ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học. Đặc biệt, nó đang mở ra một khả năng lớn trong việc phát triển các công cụ vừa có giá trị sử dụng vào vừa có giá thành rẻ dùng cho việc nhận biết lai hóa AND - ADN trong chuẩn đoán các bệnh về gen, nhận biết biến dị hoặc mô tả định lượng của gen và nhận biết tương tác kháng thể - kháng nguyên trong nhận dạng các vi sinh vật và vũ khí hóa học. 1.2. Phân loại cảm biến sinh học Hiện nay trên thế giới có rất nhiều các loại cảm biến sinh học. Tuy nhiên về nguyên lý cơ bản có các kiểu dò tìm cơ bản sau :  Dò tìm theo phương pháp phát huỳnh quang  Dò tìm sử dụng các hạt nano  Dò tìm sử dụng phương pháp điện hóa 12
 Dò tìm bằng phương pháp phóng xạ  Dò tìm theo phương pháp độ nhạy khối lượng  Dò tìm theo phương pháp độ nhạy điện tích  Dò tìm phụ thuộc vào độ nhạy của hệ số khúc xạ  Sự ôxi hóa của điện cực guanine  Cảm biến từ dựa trên kỹ thuật điện tử spin Ở trên thế giới hiện nay, hai phương pháp dò tìm bằng đánh dấu huỳnh quang và bằng công nghệ spin điện tử được sử dụng rộng rãi nhất. Về cấu trúc, các cảm biến sinh học có 2 thành phần chính: phần nhận biết tín hiệu sinh học và bộ chuyển đổi. Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống một phần tử sinh học, nó nhận dạng các tương tác sinh học. Bộ chuyển đổi sẽ biến tín hiệu nhận được thành tín hiệu vật lý để nhận biết. Hình 1.2. Cơ chế hoạt động của bio cảm biến 1.2.1. Cảm biến sinh học sử dụng phƣơng pháp huỳnh quang Với những đặc tính riêng, phương pháp quang mang lại sự tiện lợi cho việc nghiên cứu y sinh. Các cảm biến dựa trên tính chất quang của vật liệu được phát triển áp dụng nhằm theo dõi và phát hiện các đối tượng sinh học 13
hoặc quá trình sinh học diễn ra bên trong cơ thể sinh vật hay nội tế bào sinh vật. So với phương pháp khác, các cảm biến dùng phương pháp quang có thể không cần xâm nhập vào tế bào, không làm tổn hại hoặc phá hủy tế bào mà vẫn thu được thông tin cần thiết với độ nhạy cao. Cảm biến sinh học sử dụng phương pháp huỳnh quang có thể theo dõi trực tiếp sự di chuyển của các kháng nguyên, phản ứng miễn dịch giữa kháng nguyên và kháng thể [1]. Hình 1.3. Cảm biến sinh học dựa trên nguyên tắc huỳnh quang. Một số loại cảm biến sinh học sử dụng phương pháp huỳnh quang hiện này: cảm biến giúp phát hiện tế bào ưng thu, theo dõi quá trình phân tử trong tế bào sống, đo nồng độ đường trong máu, đầu đo DNA siêu nhậy, cảm biến phát hiện vi khuẩn trong không khí, cảm biến phản ứng miễn dịch huỳnh quang…. 1.2.2. Cảm biến sinh học điện cực Enzyme (điện cực E không tan) Thành phần cấu tạo của điện cực này chính là Enzyme được cố định trên bề mặt của điện cực, đáp ứng với nồng độ của một trong các cơ chất hoặc các sản phầm của phản ứng do enzyme xúc tác. Enzyme có thể là một lớp gel mỏng bao quanh cảm biến điện hoặc tiếp xúc với cảm biến này nhờ màng thấm chọn lọc. Cơ chế đi qua lớp gel hay màng chọn lọc, tiếp xúc với E và 14
chuyển hóa thành sản phẩm. Để vận chuyển điện tử một cách thuận lợi thì người ta dùng chất trung gian bao ngoài điện cực. Đó là các kim loại hữu cơ, thường là ferrocenes [4]. Cảm biến do sự sai khác dòng điện nhờ điện thế đặt giữa phần nhạy cảm của điện cực thí nghiệm và điện cực so sánh. Ở điện thế đặt vào, một phân tử E có thể chuyển đổi điện tử với về mặt điện cực. Dòng điện đi qua cực phản ánh nồng độ của phân tử này, sự thay đổi dòng điện tỉ lệ với nồng độ cơ chất. Cảm biến sinh học bằng phương pháp điện hóa là một phương pháp hiệu quả, có khả năng áp dụng thực tiễn trong phân tích nhanh trên các đối tượng y sinh. 1.2.3. Cảm biến sinh học sử dụng hạt nano Các hạt nano có nhiều ứng dụng trong cảm biến sinh học, ví dụ như các hạt nano chức năng (điện, quang, từ) gắn kết với các phần tử sinh học (như: petit, protein, niclei axit…) đã được chế tạo để sử dụng trong cảm biến sinh học để dò và khuếch đại nhiều loại tín hiệu. Các cảm biến loại này bao gồm cảm biến sóng âm học, cảm biến quang sinh, cảm biến điện và từ… Phương pháp sử dụng hạt nano từ làm tác nhân phát hiện và đo đạc hàm lượng các hoạt chất sinh học đã và đang được quan tâm rất lớn trong các nghiên cứu ứng dụng y sinh. Nhờ có tính tương thích sinh học cao thông qua lớp hoạt hóa bề mặt mà các hạt nano từ có khả năng tạo liên kết đặc hiệu với các phân tử hoạt chất cần đo đạc. Do có liên kết đặc hiệu như vậy nên hàm lượng các phân tử hoạt chất được xác định thông qua số hạt nano từ. Một cảm biến sinh học sử dụng phần tử nhạy làm từ vật liệu GMR kết hợp với một kỹ thuật đo từ mới được nghiên cứu có thể xác định được số lượng các hạt từ nhờ phép đo từ trường cảm ứng của chúng. Kỹ thuật này cho thấy khả năng đo đạc các hàm lượng sinh học rất nhỏ với phép đo nhanh và không cần dùng tới màn chắn từ. 15
1.2.4. Cảm biến sinh học dựa trên các hiệu ứng từ Ý tưởng cơ bản của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ spin điện tử hay cảm biến sinh học từ tính là thay thế việc đánh dấu bằng huỳnh quang truyền thống sử dụng các hạt quang bởi sử dụng hạt (label) từ. Thay vì nhận biết các phân tử sinh học bằng các công cụ đắt tiền như các hệ quét huỳnh quanh quang học hay lazer, chúng ta có thể sử dụng các thành tố spintronic, như sensor sử dụng hiệu ứng từ điện trở có thể nhận biết từ trường của các hạt từ và trực tiếp biến thành các tín hiệu điện với giá thành rẻ. Hơn nữa, do tính chất phi từ tính của các phân tử sinh học nên tín hiệu nền sẽ giảm đi rất nhiều so với phương pháp huỳnh quang. Một thế mạnh khác của biocảm biến sử dụng hiệu ứng spintronic là có độ nhạy cao, hưởng ứng nhanh, dễ tích hợp và dễ tự động hóa, khiến cho nó có khả năng cùng một thời điểm phân tích nhiều mẫu sinh học [5]. Sơ đồ cấu trúc của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ spin điện tử được biểu diễn như Error! Reference source not found., bao gồm một dãy ác phần từ cảm biến; một dãy các đầu dò (các phần tử sinh học đã biết như các chuỗi nucleotide đặc trưng của các gen hoặc các kháng thể) được cố định trên bề mặt các cảm biến (thông qua các chấm micro hoặc các dãy được sắp xếp theo đặc trưng điện hoặc từ); một buồng lai hóa; và một cơ cấu dùng để sắp xếp các bia (target) tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho các phân tích phân tử tích điện như ADN hoặc các dãy đường tạo từ trường cho các bia được gắn hạt từ). 16
Hình 1.4. Cơ chế hoạt động của biocảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử. Các đối tượng dò tìm (phân tử sinh học trong mẫu dùng để nhận dạng như chuỗi ADN phần bù phù hợp với đầu dò ADN cố định, hoặc các kháng nguyên tương ứng với các kháng thể cố định) được nhỏ lên cảm biến để quá trình nhận dạng được tiến hành. Các phân tử này có thể được gắn hạt từ tính trước hoặc sau bước lai hóa (recognition). Các hạt từ thường là các hạt siêu thuận từ hoặc sắt từ không có từ dư trong thiên nhiên với kích cỡ nano hoặc micro mét và có khả năng gắn kết với các phân tử sinh học. Dưới tác dụng của từ trường, các hạt này sẽ bị từ hóa và từ độ tổng cộng xuất hiện. Từ trường sinh ra từ các hạt từ bị từ hóa có thể thay đổi điện trở của cảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử, do đó có thể giúp chúng ta nhận biết được các phân tử sinh học cần phân tích. 1.3. Một số loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện trở ứng dụng trong biochip 1.3.1. Cảm biến từ điện trở khổng lồ Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magneto resistance – GMR) là một hiệu ứng cơ lượng tử và thường được quan sát thấy trên màng tổ hợp của các lớp kim loại sắt từ và các lớp kim loại không từ tính xen kẽ. Hiệu ứng này 17
được biểu hiện dưới dạng điện trở của mẫu giảm cực mạnh từ trạng thái điện trở cao khi không có từ trường ngoài tác dụng sang trạng thái điện trở thấp khi có từ trường ngoài tác dụng vào. Cấu trúc của một GMR chuẩn bao gồm 3 lớp vật liệu (Lớp sắt từ (FM)/Lớp phi từ (NM)/Lớp sắt từ (FM)). Ở trang thái ban đâu (khi chưa từ hóa theo từ trường bên ngoài),do tương tác RKKY giữa các lớp sắt từ lân cận trở nên tương tác phản sắt từ nên các mô-men từ của 2 lớp sắt từ định hướng phản song song với nhau. Ở trạng thái này các điện tử bị tán xạ nhiều khi đi qua lớp vật liệu cảm biến do điện trở của cảm biến lớn. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ có xu hướng định hướng lại song song với nhau theo phương của từ trường. Đồng thời với quá trình quay đó của vectơ từ độ, điện trở của mẫu giảm mạnh. Hình 1.5. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ được biểu diễn bằng tỉ số R/R (H=0) của các màng mỏng đa lớp {Fe/Cr} 18
Hình 1.6. a) Trạng thái điện trở cao và b) trạng thái điện trở thấp của GMR 1.3.2. Cảm biến từ điện trở dị hƣớng 1.3.2.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng Hiệu ứng từ điện trở xuất hiện trong vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường [9]. Hiệu ứng từ điện (MaganetoResistance – MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường. Nguồn gốc của MR từ sự kết hợp cặp spin –quỹ đạo giữa các điện tử và các mô-men từ của các nguyên tử mạng.Thông thường MR được định nghĩa bằng tỉ số : (1.1) Với lần lượt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn khi không có từ trường ngoài và có từ trường đặt vào [2]. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR – Anisotropic Magneto resistance) cũng bắt nguồn từ kết cặp spin – quỹ đạo, nhưng tồn tại trong các vật liệu có mô-men từ dị hướng.Hiệu ứng AMR phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của vật liệu và spin của các nguyên tử tron tinh thể, phụ thuộc vào cấu trúc đô-men của vật liệu sắt từ.Về bản chất, hiệu ứng từ điện trở dị hướng chính là sự phụ thuộc điện trở vào góc giữa vectơ từ độ và chiều dòng điện. Nguyên nhân xuất hiện hiệu ứng này là do xác suất tán xạ điện tử s-d sẽ khác nhau theo phương khác nhau của từ trường tác dụng. Ta có thể hiểu đơn giản như sau : Nếu từ trường được định hướng vuông góc với chiều dòng điện thì khi đó quỹ 19
đạo chuyển động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện và như vậy sẽ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ điện tử,dẫn đến vật dẫn có điện trở nhỏ.Ngược lại,khi từ trường áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ đạo chuyển động của điện tử được định hướng vuông góc với chiều dòng điện,và mặt cắt đối với tán xạ của điện tử tăng lên, dẫn đến vật dẫn có điện trở cao.Hiệu ứng này có trên các kim loại sắt từ như Fe, Co, Ni …. và hợp kim của chúng thường khá lớn hơn so với các kim loại không từ. Nguyên nhân chủ yếu là do trong chất sắt từ có các miền từ hóa tự nhiên (đô-men). Mô-men của các nguyên tử trong từ đô-men nằm song song và cùng chiều tạo ra véc tơ từ độ từ hóa của từng đô-men khá lớn. Tuy nhiên, khi không có từ trường ngoài, các véc tơ từ độ của đô-men định hướng hỗn loạn nên véc tơ từ độ tổng cộng của mẫu bằng không. Khi có từ trường ngoài tác dụng theo một phương nào đó, véc tơ từ độ từ hóa các đô-men một mặt quay theo từ trường ngoài, mặt khác thể tích của các đô-men có các véc tơ từ độ từ hóa cùng chiều với từ trường ngoài lớn dần lên. Kết quả là từ trường tổng hợp bên trong mẫu có thể có cường độ hang nghìn lần lớn hơn so với từ trường tác dụng bên ngoài. Dòng điện trong mẫu chịu ảnh hưởng trực tiếp của từ trường nội rất mạnh do hiệu ứng từ điện trở của chúng là khá lớn [8]. Hình 1.7. Nguồn gốc vật lý của AMR Để giải thích hiệu ứng từ trở dị hướng (AMR) trong màng mỏng của vật liệu từ, giả định rằng, vectơ từ hóa trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hòa ⃑⃑⃑⃑⃑ , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của 20