Khóa luận tốt nghiệp: Hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone cấu trúc hỗn hợp nối tiếp - song song

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:38

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hướng AMR có cấu trúc mỗi nhánh điện trở dạng nối tiếp – song song, kích thước 0,15x4 mm, bề dày màng NiFe 5 nm; khảo sát các tính chất từ và từ điện trở của cảm biến. 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: Hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone cấu trúc hỗn hợp nối tiếp - song song

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ KIM DUNG HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ TRÊN CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE CẤU TRÚC HỖN HỢP NỐI TIẾP - SONG SONG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn HÀ NỘI - 2017
LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh, ngƣời thầy đã tận tình chỉ bảo, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em hoàn thành khóa luận. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các cán bộ, các thầy cô giáo trong khoa Vật lý - Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Cảm ơn các bạn sinh viên đã cổ vũ, động viên và đóng góp những ý kiến quý báu cho bài khóa luận này. Mặc dù có nhiều cố gắng nhƣng do hạn chế về thời gian và kiến thức nên khóa luận của em không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn sinh viên để khóa luận của em đƣợc hoàn thiện hơn. Khóa luận đƣợc thực hiện bởi sự hỗ trợ của Quỹ KHCN Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2, đề tài mã số C.2017-18-01. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Kim Dung
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và chƣa từng công bố ở bất kì nơi nào khác. Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn một cách rõ ràng. Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Kim Dung
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục tiêu khóa luận .................................................................................... 1 3. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................... 2 CHƢƠNG 1....................................................................................................... 3 TỔNG QUAN ................................................................................................... 3 1.1. Một số loại hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng ............................................. 3 1.1.1. Hiệu ứng từ trở khổng lồ................................................................. 3 1.1.2. Hiệu ứng Hall phẳng ...................................................................... 4 1.1.3. Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng AMR............................................... 5 1.2. Nhiễu cảm biến ...................................................................................... 8 1.2.1. Nhiễu nhiệt ...................................................................................... 8 1.2.2. Nhiễu 1/f ......................................................................................... 9 1.2.3. Nhiễu Barkhausen ........................................................................... 9 1.3. Mạch cầu điện trở Wheatstone............................................................. 10 1.4. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................ 12 CHƢƠNG 2..................................................................................................... 13 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...................................................... 13 2.1. Thiết bị quay phủ ................................................................................. 13 2.2. Hệ quang khắc ...................................................................................... 14
2.3. Buồng xử lý mẫu và rung siêu âm ....................................................... 15 2.4. Thiết bị phún xạ ................................................................................... 16 2.5. Kính hiển vi quang học ........................................................................ 17 2.6. Quy trình chế tạo cảm biến .................................................................. 17 2.6.1. Quá trình quang khắc điện trở....................................................... 18 2.6.2. Quá trình chế tạo điện cực ............................................................ 21 2.7. Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến ......................................... 22 2.8. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................ 23 CHƢƠNG 3..................................................................................................... 24 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................................... 24 3.1. Tính chất từ trên màng NiFe ................................................................ 24 3.2. Tính chất từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone .................. 24 3.3. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................ 27 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 29
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E ..... 19 Bảng 2.2: Thông số phún xạ màng điện trở .......................................................... 21 Bảng 2.3: Các thông số phún điện cực.................................................................. 21 Bảng 3.1: Bảng so sánh độ lệch tín hiệu và độ nhạy lớn nhất của 2 cảm biến S1 và S2, tại dòng cấp 0,1 mA .............................................................................. 26
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: (a) Trạng thái điện trở cao và (b) Trạng thái điện trở thấp của linh kiện GMR .......................................................................................................... 3 Hình 1.2: Mô hình hiệu ứng Hall phẳng ........................................................... 4 Hình 1.3: Nguồn gốc vật lý của AMR .............................................................. 6 Hình 1.4: Sự thay đổi của điện trở suất do tác động của từ trƣờng ngoài ........ 6 Hình 1.5: (a) Minh họa hiệu ứng AMR phụ thuộc vào các thông số màng và (b) Mô tả điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện chạy qua và hƣớng của vector từ hoá .................................................................................... 7 Hình 1.6: (a) Mạch cầu Wheatstone (b) Mạch cầu Wheatstone dƣới tác dụng của hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng. .................................................................. 10 Hình 2.1: Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển ................. 13 Hình 2.2: Thiết bị quang khắc MJB4 .............................................................. 14 Hình 2.3: (a) Buồng xử lý mẫu và (b) Thiết bị rung siêu âm ......................... 15 Hình 2.4: Thiết bi phún xạ catot ATC – 2000FC ............................................ 16 Hình 2.5: Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến .................................... 18 Hình 2.6: Ảnh chụp mask điện trở (a) và mask điện cực (b) của mạch cầu Wheatstone cấu trúc nội tiếp – song song ....................................................... 20 Hình 2.7: Ảnh chụp mask điện cực của mạch cầu Wheatstone ...................... 21 Hình 2.8: Ảnh chụp cảm sau khi hoàn thiện dạng cấu trúc tổ hợp nối tiếp – song song (a) đem so sánh với cảm biến cấu trúc đơn giản đã đƣợc công bố bởi nhóm GS Nguyễn Hữu Đức (b) ................................................................ 22 Hình 2.9: (a) Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở (b) Thực nghiệm khảo
sát sự phụ thuộc thế ra vào từ trƣờng ngoài. ................................................... 23 Hình 3.1: Đƣờng cong từ hóa trên màng có bề dày 5, 10, 15 nm đo theo phƣơng song song từ trƣờng ghim .................................................................. 24 Hình 3.2: Đƣờng cong tín hiệu từ điện trở và độ nhạy của cảm biến cầu Wheatstone cấu trúc nối tiếp – song song (S1), đo tại dòng cấp I = 0,1 mA . 25 Hình 3.3: Đƣờng cong so sánh độ lệch thế lối ra theo từ trƣờng ngoài một chiều trên các cảm biến S1 và S2, đo tại dòng cấp 0,1mA. ............................ 26
MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Hiệu ứng từ-điện trở dị hƣớng (Anisotropic magnetoresistance - AMR) là một trƣờng hợp riêng của hiệu ứng từ điện trở (MagnetoResistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trƣờng ngoài phụ thuộc vào góc tƣơng đối giữa chiều dòng điện và từ độ của mẫu, đƣợc giáo sƣ William Thomson, Đại học Glasgow (Scotland, Vƣơng quốc Anh) phát hiện vào năm 1856. William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là Ni, Fe dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài của một nam châm điện có thể đạt tới 3-5% ở nhiệt độ phòng [8,7]. Kể từ khi phát hiện, ngƣời ta đã tìm cách nâng cao hiệu ứng và ứng dụng nó vào trong thực tiễn cuộc sống. Các cảm biến dựa trên hiệu ứng AMR đã đƣợc nghiên cứu nhƣ cảm biến AMR dạng vòng đƣợc công bố bởi Miller vào năm 2002 sử dụng để dò tìm các hạt từ [12]. Cảm biến AMR dạng mạch cầu Wheatstone đƣợc công bố bởi M. J. Haji-Sheikh vào năm 2007 [9, 10]. Một trong những ƣu điểm quan trọng nhất của mạch cầu Wheatstone là tính ổn định nhiệt độ và chế tạo đơn giản. Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của Giáo sƣ Nguyễn Hữu Đức đã bƣớc đầu thành công trong việc chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone có cấu trúc đơn giản dựa trên hiệu ứng AMR và ứng dụng trong việc phát hiện từ trƣờng của trái đất, từ trƣờng hạt từ, ứng dụng phát hiện phần tử sinh học. Với mục đích tăng cƣờng hớn tín hiệu cảm biến đồng thời không làm tăng nhiều giá trị điện trở nội của cảm biến, chúng tôi thiết kế cảm biến cấu trúc mà mỗi nhánh cầu gồm tổ hợp nhiều thanh điện trở mắc nối tiếp – song song. Do đó, tên đề tài khóa luận đƣợc nghiên cứu là: “Hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone cấu trúc hỗn hợp nối tiếp- song song.” 2. Mục tiêu khóa luận - Chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ - điện trở 1
dị hƣớng AMR có cấu trúc mỗi nhánh điện trở dạng nối tiếp – song song, kích thƣớc 0,15 x 4 mm, bề dày màng NiFe 5 nm. - Khảo sát các tính chất từ và từ điện trở của cảm biến 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm - Chế tạo cảm biến với vật liệu Ni80Fe20 - Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo 2
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Một số loại hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance – MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn dƣới tác động của từ trƣờng, đƣợc xác định bằng công thức: ∆𝜌 𝜌 0 −𝜌 𝐻 𝑅 0 −𝑅 𝐻 𝑀𝑅 = = = (1.1) 𝜌 𝜌 0 𝑅 0 1.1.1. Hiệu ứng từ trở khổng lồ Hiệu ứng từ-điện trở (MagnetoResistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trƣờng ngoài và đƣợc xác định thông qua công thức (1.1). Hiệu ứng thƣờng xuất hiện trong một vật liệu sắt từ dƣới tác dụng của từ trƣờng. Nguồn gốc của MR từ sự kết cặp spin-quỹ đạo giữa các điện tử và các mô-men từ của các nguyên tử mạng. Hình 1.1: (a) Trạng thái điện trở cao và (b) Trạng thái điện trở thấp của linh kiện GMR Hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magneto resistance – GMR) là hiệu ứng từ điện trở đƣợc phát hiện vào năm 1988 bởi Baibich và các đồng nghiệp. Hiệu 3
ứng từ điện trở khổng lồ thƣờng đƣợc 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 đƣợc biểu hiện dƣới dạng điện trở của mẫu giảm cực mạnh từ trạng thái điện trở cao khi không có từ trƣờng ngoài tác dụng sang trạng thái điện trở thấp khi có từ trƣờng ngoài tác dụng. 1.1.2. Hiệu ứng Hall phẳng Hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall effect - PHE) cũng tƣơng tự nhƣ hiệu ứng AMR đó là Hiệu điện thế lối ra phụ thuộc vào góc giữa từ độ và dòng qua linh kiện. Dựa vào sự tán xạ của điện tử theo phƣơng từ độ của lớp sắt từ, khi cho dòng điện I chạy qua linh kiện theo hƣớng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hƣớng của từ độ M tạo ra điện trƣờng E theo hƣớng của từ độ M. Điện trƣờng E này tạo ra hiệu điện thế V theo hƣớng y vuông góc với dòng điện (hình 1.2). Hình 1.2: Mô hình hiệu ứng Hall phẳng Dƣới tác dụng của dòng Ix đặt theo phƣơng x, nếu từ trƣờng ngoài H hợp với dòng điện Ix một góc θ thì véctơ từ độ của mẫu M nằm trong mặt phẳng của linh kiện sẽ lệch một góc θ so với phƣơng của dòng điện Ix, khi đó sẽ có thế ra Vy xuất hiện theo phƣơng vuông góc với dòng điện Ix. Vy = Ix Rsinθcosθ (1.2) Với R = (// - )/t, // và  lần lƣợt là điện trở suất của mẫu đo theo phƣơng song song và vuông góc với phƣơng từ hóa, t là chiều dày tổng cộng 4
của màng. Để nghiên cứu về hiệu ứng Hall phẳng trong các linh kiện Hall, ngƣời ta thƣờng sử dụng mô hình Stonner Wohlfarth. Vật liệu sử dụng cho hiệu ứng Hall phẳng là vật liệu permalloy. 1.1.3. Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng AMR Hiệu ứng từ điện trở (Anisotropic magnetoresistance - AMR) đƣợc giáo sƣ William Thomson, Đại học Glasgow (Scotland, Vƣơng quốc Anh) phát hiện vào năm 1856. William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là Ni, Fe dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài của một nam châm điện có thể đạt tới 3-5% ở nhiệt độ phòng. Hiệu ứng AMR là sự thay đổi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào góc tƣơng đối giữa cƣờng độ dòng điện và từ trƣờng ngoài hay chiều của độ từ hóa của mẫu, phát hiện đầu tiên này bởi J. Smit vào năm 1951. Lý thuyết về hiệu ứng AMR lần đầu tiên đƣợc giải thích vào năm 1971 bởi mô hình tán xạ điện tử trên các điện tử dẫn của G. T. Meaden. Nguồn gốc vật lý của hiệu ứng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo. Các đám mây điện tử bao quanh mỗi hạt nhân, đám mây này thay đổi hình dạng phụ thuộc vào định hƣớng của momen từ và sự biến dạng của các đám mây điện tử làm thay đổi lƣợng tán xạ của điện tử dẫn khi nó đi qua mạng tinh thể. Ta có thể giải thích sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn vào định hƣớng của momen từ với chiều dòng điện nhƣ sau: Nếu từ trƣờng đƣợc định hƣớng vuông góc với chiều của dòng điện thì khi đó quỹ đạo chuyển động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện và nhƣ vậy chỉ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ của điện tử, dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ. Ngƣợc lại, khi từ trƣờng áp vào song song với chiều dòng điện, và mặt cắt đối với tán xạ điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao (xem hình 1.3). 5
Hình 1.3: Nguồn gốc vật lý của AMR Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hƣớng thƣờng đƣợc chế tạo dƣới dạng màng mỏng sao cho trên màng tồn tại hai phƣơng từ hóa: phƣơng dễ và phƣơng khó. Phƣơng dễ từ hoá là phƣơng mà sự từ hoá đạt đến trạng thái bão hoà dễ dàng nhất (bão hoà ở từ trƣờng thấp). Phƣơng khó từ hóa là phƣơng mà sự từ hóa khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (bão hoà ở từ trƣờng cao) [1]. Hình 1.4: Sự thay đổi của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR trong các màng mỏng bằng vật liệu sắt từ rất phức tạp. Để đơn giản, đầu tiên ta giả định rằng, vector từ hóa trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hòa ⃗⃗⃗⃗⃗ , khi có sự tác động của từ trƣờng ngoài sẽ làm thay đổi hƣớng của vector từ hóa này. Ngoài ra, ta có thể xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh đơn giản, đó là mối quan hệ giữa điện trở và hƣớng của vector từ độ (vector từ hóa) và mối quan hệ giữa hƣớng của vector từ độ và từ trƣờng ngoài. 6
. Hình 1.5: (a) Minh họa hiệu ứng AMR phụ thuộc vào các thông số màng và (b) Mô tả điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vector từ hoá Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua góc – góc giữa chiều dòng điện và vector từ độ l l R( )   0, n   cos   R0, p  R cos 2  bd bd R (1.3)  R0 , p  cos(2 )  1  R0, p  R  R cos(2 ) 2 2 2 Trong đó: +  0,n và  là hằng số của vật liệu + l là độ dài của màng mỏng + b là độ rộng của màng mỏng + d là độ dày của màng mỏng 7
+ R0, p là điện trở khi vector từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa + R là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trƣờng ngoài Từ (1.3) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của và nhƣ hình 1.5. 1.2. Nhiễu cảm biến Tín hiệu lối ra của cảm biến luôn bị tác động bởi các nhân tố của môi trƣờng bên ngoài nhƣ nhiệt độ, tần số..., những ảnh hƣởng này gọi chung là nhiễu. Nhiễu là sự thay đổi ngẫu nhiên tín hiệu lối ra của cảm biến khi giá trị đo bằng 0. Một thông số quan trọng để đánh giá các cảm biến là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (signal/noise). Việc đánh giá nhiễu dựa trên 3 loại chủ yếu là nhiễu tần số 1/f, nhiễu nhiệt và nhiễu lƣợng tử, đƣợc xác định bởi[9]: (1.4) Với ΔVy là biên độ nhiễu, Δf là dải thông tần số, nc là số hạt tải mang điện, f tần số đo, kB là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của mẫu, L là chiều dài của mẫu, e là điện tích cơ bản. Ở vùng tần số thấp (f
+ Δf dải tần số của phép đo + kB là hằng số Boltzmann Nhiễu nhiệt có trong tất cả các loại cảm biến (còn gọi là nhiễu Johnson), phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của điện trở. Trong một vài trƣờng hợp, nó thể hiện dƣới dạng nhiễu dòng nguồn phát của cƣờng độ: It2 = 4kBT Δf /R (1.6) 1.2.2. Nhiễu 1/f Nhiễu 1/f gây ra bởi sự dao động độ dẫn do sự tiếp xúc không hoàn hảo giữa 2 lớp vật liệu. Nó xảy ra ở bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp xúc với nhau. Nhiễu 1/f tỷ lệ thuận với giá trị dòng 1 chiều. Mật độ năng lƣợng biến thiên tỷ lệ nghịch với tần số 1/f. Dòng nhiễu If trên căn bậc 2 của dải thông có đƣợc thể hiện nhƣ sau: If K×IDC (1.7) ≈ sqrt(B) sqrt(f) Với IDC là giá trị trung bình của dòng DC, f là tần số, K là hằng số phụ thuộc vào loại vật liệu và hình dạng của nó, B là dải thông tần số[12]. 1.2.3. Nhiễu Barkhausen Nhiễu Barkhausen bắt nguồn từ các hiệu ứng Barkhausen. Nhiễu Barkhausen là hiện tƣợng điện tích biến đổi không liên tục trong mật độ từ thông ở các vật liệu sắt từ khi từ trƣờng thay đổi liên tục. Nguồn phát Barkhausen bị ảnh hƣởng lớn bởi sự thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu từ và ứng suất. Gần đây, nhiễu Barkhausen đƣợc biết đến nhƣ hiệu ứng phụ thuộc vào điện thế bên trong bởi các vách domain từ khi chúng di chuyển qua vật liệu[11]. Từ công thức (1.5), ta thấy, nếu điện trở của cảm biến cực đại thì nhiễu đạt cực đại. Ở tần số thấp, nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu 1/f (do từ trƣờng gây ra nhiễu từ) đƣợc biểu diễn bởi công thức: 9
V21/f = (γ/Nc) R2I2(1/f) ∆f (1.8) Trong đó γ là hằng số hiện tƣợng thuận từ (hằng số Hooge), Nc là số hạt tải gây nhiễu trong cảm biến, I là dòng điện qua cảm biến và f là tần số đo. Để đạt đƣợc tỷ số SNR lớn nhất có thể, cảm biến phải hoạt động phía trên 1/f trong chế độ nhiễu nhiệt, thƣờng xảy ra ở tần số vài trăm kHz đối với van - spin, nhƣng trên 100 MHz đối với tiếp xúc xuyên ngầm. Các phép đo ở tần số cao về mặt cơ bản có thể đƣợc sử dụng để nhận biết hạt từ có kích thƣớc nhỏ đƣợc gắn vào từng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy sinh học cực đại cho cảm biến. 1.3. Mạch cầu điện trở Wheatstone Mạch cầu điện trở Wheatstone đƣợc mô tả lần đầu vào năm 1833 bởi Samuel Hunter Christie (1784-1865). Tuy nhiên sau đó Sir Charles Wheatstone đã đƣa mạch này vào ứng dụng trong thực tế nên mạch này có tên là mạch cầu Wheatstone. Cho đến ngày nay, sử dụng mạch cầu Wheatstone vẫn là phƣơng pháp hiệu nghiệm chính xác khi đo lƣờng giá trị thay đổi của trở kháng [6]. Hình 1.6: (a) Mạch cầu Wheatstone (b) Mạch cầu Wheatstone dưới tác dụng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng. Cấu trúc một mạch cầu Wheatstone cơ bản gồm có bốn điện trở R1, R2, R3, R4 đƣợc mắc song song với nhau. Một điện kế G có độ nhạy cao đƣợc dùng để đo thế ra của mạch. Giả sử ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch, khi đó ta có: 10
(1.9) Từ biểu thức (1.9), khi cung cấp một hiệu điện thế khác không vào mạch, nếu R1/R2 = R4/R3 (R1.R3 = R2.R4) thì số chỉ điện kế G bằng 0, mạch cầu cân bằng. Nếu một điện trở bất kì trong mạch cầu điện trở thay đổi thì R1/R2  R4/R3 (R1.R3  R2.R4), do đó số chỉ điện kế G khác 0, mạch cầu không cân bằng. Một đặc điểm nổi bật và quan trọng của mạch cầu Wheatstone đó là có thể đo đƣợc sự thay đổi của trở kháng với sự thay đổi điện trở không quá 10% và có thể tự bù trừ đƣợc nhiệt độ [5]: Vg = Vin/4 (ΔR1/ R1 - ΔR2/R2 + ΔR3/R3 - ΔR4/ R4) (1.10) Từ công thức ta thấy sự thay đổi điện trở của hai nhánh liền kề trong mạch cầu tự triệt tiêu nhau nên mạch cầu có thể dùng làm mạch ổn định nhiệt độ và chế tạo các thiết kế đặc biệt khác [5]. Mạch cầu Wheatstone đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong các mạch điện tử nhƣ: dùng để đo trở kháng, điện cảm, điện dung trong mạch AC. Trong một số bộ điều khiển động cơ, mạch cầu Heaviside (một dạng khác của mạch cầu Wheatstone) đƣợc sử dụng để điều khiển hƣớng quay của động cơ [4]. Một ứng dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp là để giám sát các thiết bị cảm biến, chẳng hạn nhƣ đồng hồ đo 11
dòng. Ngoài ra, mạch cầu còn đƣợc ứng dụng để xác định chính xác vị trí phá vỡ một đƣờng dây điện. Phƣơng pháp này nhanh và chính xác, không đòi hỏi công nghệ hỗ trợ cao [6]. Với ƣu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, chúng tôi đã chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm tối đa ảnh hƣởng của môi trƣờng, đặc biệt là nhiễu nhiệt, do đó tỉ số tín hiệu/nhiễu (signal/noise) sẽ lớn. Trong thiết kế cảm biến dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện trở bằng nhau R1 = R2 = R3 = R4. Chúng tôi chọn Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo các điện trở vì Ni80Fe20 là một vật liệu từ mềm (HC ˂ 10 Oe), rất thích hợp để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trƣờng nhỏ. Cảm biến mạch cầu Wheatstone đƣợc tạo ra bằng công nghệ quang khắc và phún xạ. Vì các điện trở trong mạch cầu làm từ vật liệu từ NiFe nên khi đặt cảm biến trong từ trƣờng, trở kháng của các điện trở sẽ thay đổi không giống nhau do phƣơng từ hóa của các điện trở trong mạch đƣợc chế tạo khác nhau. Vì vậy, khi chƣa tác dụng từ trƣờng thì mạch cầu cân bằng, nhƣng khi chịu tác dụng của từ trƣờng thì mạch cầu không còn cân bằng nữa. Khi đó ta sẽ đo đƣợc tín hiệu lối ra của cảm biến. 1.4. Kết luận chƣơng 1 Trong chƣơng 1, chúng tôi đã trình bày các hiệu ứng từ điện trở, các loại nhiễu cảm biến và cảm biến dạng cầu Wheatstone. Ở chƣơng này, chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết của hiệu ứng từ điện trở và chọn hiệu ứng này làm cơ sở chế tạo cảm biến. Qua nghiên cứu về một số loại nhiễu thì cảm biến nào cũng bị ảnh hƣởng bởi nhiễu nhiệt, do đó chúng tôi đã lựa chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm nhiễu nhiệt. 12