TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
===o0o===
TRẦN THỊ CHI
ỨNG DỤNG CẢM BIẾN TỪ ĐIỆN TRỞ
ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
HÀ NỘI, 2017
LỜI CẢM ƠN
Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong khoa Vật lý,
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã dạy dỗ chỉ bảo và truyền đạt kiến thức
cho em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường cũng như trong quá
trình thực hiện khóa luận này.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Lê Khắc Quynh đã
tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt
nghiệp này.
Là một sinh viên lần đầu tiên nghiên cứu khoa học nên khóa luận của em
không tránh khỏi thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được những đóng góp ý
kiến của các thầy cô và bạn bè để khóa luận được hoàn thiện hơn. Em xin chân
thành cảm ơn!
Khóa luận được thực hiện bởi sự hỗ trợ của đề tài Khoa học Công nghệ
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, mã số C.2017-18-01.
Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2017
Sinh viên
Trần Thị Chi
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 15 tháng 04 năm 2017
Sinh viên
Trần Thị Chi
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..................................................................................... 3
1.1. Từ trường trái đất .......................................................................................... 3
1.1.1. Nguồn gốc của từ trường .......................................................................... 3
1.1.2. Vai trò của từ trường trái đất.................................................................... 4
1.1.3. Các đặc trưng của từ trường ..................................................................... 5
1.2. Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến ..................................................... 9
1.2.1. Cảm biến flux-gate .................................................................................... 9
1.2.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall ........................................................... 11
1.2.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện ..................................................... 12
1.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ – điện trở ................................................. 13
1.3.1. Cảm biến từ trở khổng lồ ........................................................................ 13
1.3.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng .................................. 15
1.4. Kết luận chương 1 ........................................................................................ 19
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..................................... 20
2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ca-tốt .......................... 20
2.1.1. Thiết bị phún xạ ATC-2000FC ................................................................ 20
2.1.2. Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng ......................................................... 21
2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo linh kiện ............................................. 22
2.2.1. Quy trình chế tạo linh kiện ...................................................................... 22
2.2.2. Thiết bị quang khắc MJB4 ...................................................................... 23
2.3. Khảo sát tính chất từ điện trở của linh kiện .............................................. 24
2.4. Kết luận chương 2 ........................................................................................ 25
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 26
3.1. Kết quả khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến................................ 26
3.2. Sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào dòng điện một chiều .................... 28
3.3. Khảo sát đáp ứng góc của cảm biến với từ trường trái đất ..................... 30
3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 32
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 34
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất ............................................................. 4
Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất ......................... 6
Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên .............................................................. 7
Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh .......................................................... 7
Hình 1.5: Cách xác định vecto từ trường trái đất ........................................... 8
Hình 1.6: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux-gate ............................................ 10
Hình 1.7: (a) Sơ đồ nghiên cứu hoạt động của cảm biến Hall và (b) Cảm biến
Hall đo dòng điện ............................................................................ 11
Hình 1.8: Sơ đồ minh họa vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện và nguyên
lý hiệu ứng điện từ thuận ................................................................ 13
Hình 1.9: (a) Trạng thái điện trở cao và (b) Trạng thái điện trở thấp của linh
kiện GMR ........................................................................................ 14
Hình 1.10: Nguồn gốc vật lý của AMR ......................................................... 15
Hình 1.11: (a) Minh họa hiệu ứng AMR phụ thuộc vào các thông số màng và
(b) Mô tả điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chạy
qua và hướng của vector từ hóa ...................................................... 16
Hình 1.12: (a) Sơ đồ đơn giản của mạch cầu Wheatstone và (b) Mạch
Wheatstone dưới tác dụng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng ....... 17
Hình 2.1: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC ............................................. 20
Hình 2.2: Sơ đồ mô tả các bước cơ bản trong quy trình chế tạo linh kiện .... 23
Hình 2.3: (a) Sơ đồ hệ quang khắc và (b) Thiết bị quang khắc MJB4 .......... 23
Hình 2.4: Mặt nạ của cảm biến AMR và cảm biến sau khi hoàn thiện ......... 24
Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo AMR trong thang đo từ trường lớn tại PTN Micro-
Nano, Trường Đại học Công nghệ ................................................. 25
Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào
từ trường ngoài ................................................................................ 26
Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào từ trường trong
dải tuyến tính ................................................................................... 27
Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào dòng
một chiều ......................................................................................... 28
Hình 3.4: Mô hình thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc tín hiệu ra của cảm biến
vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất .................................. 31
Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu của cảm biến vào góc giữa
dòng điện và từ trường trái đất ........................................................ 32
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 thấp cỡ từ trường Trái đất đã được công bố. Tuy
vậy, các cảm biến này thường có kích thước khá cồng kềnh và gặp phải các loại
nhiễu ảnh hưởng tới tín hiệu. Ngoài ra, một số cảm biến hoạt động tốt hơn
nhưng lại có cấu trúc dạng màng đa lớp khá phức tạp như cảm biến dựa trên
hiệu ứng Spin-van, TMR...
Với mục tiêu nghiên cứu ứng dụng cảm biến đo từ trường thấp giảm thiểu
ảnh hưởng các loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt, tối ưu hóa kích thước, đơn
giản hóa qui trình công nghệ, giảm chi phí sản xuất, tôi đã lựa chọn nghiên cứu
cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone hoạt động dựa trên hiệu ứng từ điện trở
dị hướng(AMR). Với thiết kế dạng mạch cầu Wheatstone này, các ảnh hưởng
của nhiễu nhiệt lên tín hiệu của cảm biến sẽ được giảm tối đa và do đó sẽ tăng
cường được độ nhạy của cảm biến. Trong khóa luận này, vật liệu được lựa chọn
để chế tạo cho điện trở cảm biến là Ni80Fe20 – là vật liệu từ mềm có lực kháng
từ Hc nhỏ, độ từ thẩm cao rất phù hợp cho việc chế tạo cảm biến có độ nhạy
cao và ổn định trong vùng từ trường thấp. Vì vậy ngoài khả năng đo được từ
trường trái đất, cảm biến còn được kỳ vọng phát triển ứng dụng trong các lĩnh
vực y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân sự, phương tiện
giao thông, ...
Đề tài nghiên cứu của khóa luận là “Ứng dụng cảm biến từ điện trở đo từ
trường trái đất”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu từ trường trái đất
- Khảo sát các tính chất từ điện trở của cảm biến
1
- Khảo sát ứng dụng của cảm biến đo góc của từ trường trái đất
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Cảm biến dạng mạch cầu dựa trên hiệu ứng AMR
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Ứng dụng cảm biến để đo góc từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ điện
trở dị hướng
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tài liệu
- Phương pháp thực nghiệm
6. Cấu trúc khóa luận
- 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
2
- Phần 3: Kết luận
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Từ trường trái đất
Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W. Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái
Đất là một nam châm khổng lồ. Ông đã làm một quả cầu lớn bằng sắt nhiễm
từ, gọi nó là "Trái Đất tí hon" và đặt các từ cực của nó ở các địa cực. Đưa la
bàn lại gần trái đất tí hon ông thấy trừ ở hai cực, còn ở mọi điểm trên quả cầu,
kim la bàn đều chỉ hướng Nam Bắc. Hiện nay vẫn chưa có sự giải thích chi tiết
và thỏa đáng về nguồn gốc từ tính của Trái Đất.
1.1.1. Nguồn gốc của từ trường
Năm 1940, một số nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết "dynamo" để giải thích
nguồn gốc từ trường của trái đất. Theo thuyết này thì từ trường trái đất chủ yếu
được hình thành từ các dòng chất lỏng đối lưu trong lòng của trái đất ở độ sâu
trên 3000 km. Từ trường xuất hiện trong lòng trái đất. Nơi đó có nhân trái đất
được cấu tạo chủ yếu là sắt. Nhân rắn bên trong được bao bọc bởi cái vỏ bằng
sắt dạng lỏng. Do sức nóng từ trong nhân, kim loại sẽ chảy tràn lên bề mặt
nhân, nguội đi và lại chìm xuống phía dưới. Đồng thời nó chảy theo đường
xoắn ốc do trái đất quay. Sự chuyển động của sắt có khả năng dẫn điện sẽ làm
xuất hiện một nguồn điện, tương tự như một máy phát điện khổng lồ khi có
dòng điện chảy thì sẽ xuất hiện từ trường.
Hình dạng của từ trường cũng giống như từ trường của một thỏi nam
châm. Từ trường đi ra từ bán cầu nam và đi vào phía bán cầu bắc của trái đất.
Hai nơi này được gọi là cực từ. Nó không trùng với cực nam và cực bắc địa
lý mà cách nhau vài trăm cây số. Từ trường mà trái đất sinh ra gần giống mô
hình của một lưỡng cực từ nghiêng một góc 11.5° so với trục quay (xem hình
1.1). Cực bắc từ không cố định mà thay đổi liên tục nhưng đủ chậm để la bàn
3
có thể điều hướng. Khoảng thời gian ngẫu nhiên (trung bình vài trăm ngàn
năm) từ trường của Trái Đất lại đảo cực (phía bắc và phía nam thay đổi địa từ
với nhau). Sự đảo cực này để lại dấu tích trong các loại đá cho phép các nhà
từ học tính toán sự dịch chuyển của các lục địa và đáy biển.
Từ trường vươn ra ngoài vũ trụ hơn 60.000 km, được gọi là từ quyển. Nó
tạo thành một cái vỏ bảo vệ chung quanh trái đất. Sự bảo vệ này là cần thiết vì
mặt trời không ngừng phát ra các hạt tích điện, còn được gọi là gió mặt trời. Từ
trường cản gió mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất. Từ trường bị biến dạng
bởi gió mặt trời, hướng phía mặt trời bị nén lại, còn hướng kia thì xuất hiện một
cái đuôi dài, có thể vươn vào vũ trụ đến 250.000 km.
Hình 1.1: Hình ảnh từ trường trái đất
Do sự thay đổi liên tục và bất thường, từ trường trái đất cần được xác định
liên tục (sử dụng vệ tinh và các trạm quan trắc trên toàn thế giới) để vẽ được
một bức tranh chính xác về sự phân bố và thay đổi của nó theo thời gian. Dựa
trên các kết quả quan trắc, mô hình tham khảo trường địa từ được phát triển để
mô tả từ trường và những thay đổi của nó trong tương lai. Hiện nay, có hai mô
hình chính được sử dụng là mô hình trường địa từ quốc tế (International
Geomagnetic Reference Field - IGRF) và mô hình từ thế giới (The World
Magnetic Model - WMM).
1.1.2. Vai trò của từ trường trái đất
Từ trường trái đất tuy khá nhỏ nhưng lại không thể thiếu. Nó đóng vai trò
4
như một tấm màn chắn trái đất khỏi các hạt tích điện – gió mặt trời và bảo vệ
mọi sự sống trên hành tinh trước các hiệu ứng có hại của bức xạ vũ trụ. Từ
trường cản gió mặt trời và dẫn nó đi vòng qua trái đất. Nếu không có từ trường,
chúng ta sẽ không ngừng bị các vật chất độc hại tấn công và cuộc sống không
thể duy trì trên trái đất.
Ngoài ra, từ trường trái đất còn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định
phương hướng. Một số loài vật như kiến, chim, rùa, cá mập… cũng định hướng
dựa nhờ cảm nhận từ trường do nhân trái đất phát ra bằng hệ thống các giác
quan của mình. Con người cũng đã biết tận dụng nguồn từ trường trái đất để
xác định phương hướng từ thế kỷ 4 trước công nguyên, khi la bàn ra đời. Cho
đến nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã nghiên
cứu và tìm hiểu nguồn gốc và qui luật của từ trường trái đất và đã tận dụng
được nguồn năng lượng tự nhiên này để tạo ra các thiết bị định vị toàn cầu dựa
trên nguyên lý cơ bản thông qua việc đo đạc và phân tích từ trường trái đất. Bên
cạnh việc đóng vai trò như một công cụ hữu ích, nó cũng tiềm ẩn nhiều mối
hiểm họa trong thế giới hiện đại. Ví dụ như dòng cảm ứng địa từ trường sinh ra
khi có bão từ, chúng tác động nghiêm trọng nên các hệ thống công nghệ (trong
quá khứ, hệ thống truyền tải điện ở Quebec, Canada đã phải đóng cửa hơn chín
giờ đồng hồ).[16]
1.1.3. Các đặc trưng của từ trường
1.1.3.1. Cường độ của từ trường trái đất
Từ trường trái đất có độ lớn và hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau.
Cường độ của từ trường lớn nhất tại các cực từ và yếu hơn ở gần đường xích
đạo. Độ lớn của nó vào khoảng nanoteslas (nT) hoặc gauss, với 1 gauss =
100.000 nT. Nó dao động trong khoảng từ 25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25
đến 0,65 Gauss). [16]
Biểu đồ các đường tại đó có cùng giá trị cường độ từ trường gọi là biểu đồ
5
đường đẳng từ. Trong hình 1.2 là biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái
đất được ghi nhận năm 2010. Cường độ từ trường nhỏ nhất ở khu vực Nam Mỹ
trong khi có cực đại ở phía Bắc Canada, Siberia, và bờ biển của Nam Cực phía
nam của Úc.
Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất
1.1.3.2. Hướng của từ trường trái đất
Từ trường của trái đất có các đường sức từ của trái đất vẽ ra trong không
gian đi ra từ cực Nam địa lý và đi vào cực Bắc địa lý. Ở đây, Trái Đất có 2 cực
địa từ, không trùng với 2 cực địa lý. Cực Bắc từ có toạ độ 70° Vĩ Bắc và 96°
Kinh Tây, trên lãnh thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km. Cực Nam từ có
toạ độ 73° Vĩ Nam và 156° Kinh Đông ở vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý
1000 km. Trục từ trường tạo với trục trái đất một góc 11°. Các từ cực thường
có vị trí không ổn định và có thể đảo ngược theo chu kỳ. Do đó bản đồ địa từ
cũng phải thường xuyên điều chỉnh (5 năm một lần).
Do từ trường trái đất có hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau nên để
đặc trưng cho định hướng của từ trường trái đất tại một vị trí địa lý bất kỳ,
người ta đưa ra khái niệm độ từ khuynh (góc nghiêng từ) và độ từ thiên.
Độ từ thiên: là góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý. Kinh
tuyến từ là các đường sức từ của trái đất vẽ trên mặt đất. Kí hiệu là D. Ở Việt
6
Nam, độ từ thiên biến đổi từ -1° ở Cao Bằng đến 0° ở Đà Lạt và đạt +1° tại Cà
Mau. Các đường đồng giá trị từ thiên trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường
đẳng thiên" (xem hình 1.3)
Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên
Độ từ khuynh: là góc hợp bởi vector từ trường trái đất với mặt phẳng
ngang tại vị trí quan sát. Thông thường, độ từ khuynh được xác định thông qua
việc sử dụng kim nam châm hướng theo đường sức từ do tác động của lực từ.
Do lực của các đường sức trên trái đất không song song với bề mặt đất nên đầu
bắc của kim la bàn sẽ chúi xuống ở bắc bán cầu (giá trị dương) và hướng lên ở
nam bán cầu (giá trị âm). Các đường đồng giá trị từ khuynh trên bề mặt Trái
Đất được gọi là "đường đẳng khuynh" (xem hình 1.4). Tập hợp các điểm có giá
Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh
trị từ khuynh bằng 0 thì được gọi là xích đạo từ.
Việt Nam là một nước nằm gần đường xích đạo về phía Bắc bán cầu nên
đường sức từ trường trái đất sẽ đi vào tâm và và do đó góc nghiêng từ sẽ nhận
7
giá trị dương nhỏ thay đổi từ 0°12’ tại Cà Mau đến 33°26’ tại Cao Bằng.
1.1.3.3. Cách xác định từ trường trái đất
Ngay cả trong thời đại công nghệ phát triển cao với sự ra đời của các hệ
thống định vị toàn cầu (GPS) hiện đại như hiện nay, khi mà việc dò tìm và xác
định vị trí của một đối tượng trên bề mặt trái đất chỉ với một cú nhấp chuột thì
mô hình trường địa từ vẫn đóng một vai trò quan trọng, nó được xây dựng thành
một hệ thống định vị GPS như là một phương án dự phòng. Mô hình trường địa
từ cũng rất quan trọng trong thăm dò khoáng sản và lập bản đồ của các đứt gãy
động đất nguy hiểm. [16]
Tại bất kỳ vị trí nào, từ trường trái đất cũng có thể được biểu diễn bởi một
vector 3 thành phần trong không gian 3 chiều (Hx, Hy, Hz). Trên hình 1.5 là tọa
độ tham chiếu cho phép xác định hướng của từ trường trái đất. Trong đó, trục
X hướng về phía Bắc từ, trục Y hướng về phía Đông và trục Z hướng vào tâm
trái đất. Đây là hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North-
East-Center).
Trong đó Hx, Hy nằm trong mặt phẳng nằm ngang và Hz theo phương thẳng
đứng hướng xuống. Góc giữa hướng bắc thực (bắc địa lý) và hướng bắc từ (là
hướng chỉ phương bắc của kim la bàn) hay góc tạo thành giữa kinh tuyến địa lí
(phương bắc nam) và kinh tuyến từ tại điểm đã cho trên mặt đất chính là Độ từ
thiên D trong trường hợp này. Giá trị này sẽ dương khi bắc từ nằm về phía đông
Hình 1.5: Cách xác định vector từ trường trái đất
8
của bắc địa lý và ngược lại.
Độ từ khuynh I là góc nghiêng tạo thành bởi vector từ trường Trái Đất với
mặt phẳng nằm ngang tại điểm khảo sát. Tại cực Bắc và Nam, độ từ khuynh có
giá trị tương ứng là +90o và -90o.
Độ từ thiên, độ từ khuynh và cường độ từ trường F được tính dựa trên các
thành phần từ trường vuông góc sử dụng các công thức tính sau:
(1.1)
(1.2)
(1.3)
với
(1.4)
Theo hệ đơn vị quốc tế SI đơn vị từ trường thường sử dụng là Tesla (T).
Một số đơn vị từ trường khác như: 1 Gauss = 100.000 nT, 1 gamma = 1 nT, 1
Oerted = (103/4π) Am-1.
Để có thể đo đạc và xác định được từ trường trái đất, các cảm biến đo từ
trường đòi hỏi phải có độ nhạy và độ phân giải cao, đặc biệt tuyến tính trong
vùng từ trường trái đất.
1.2. Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến
1.2.1. Cảm biến flux-gate
Cảm biến (sensor/linh kiện) hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện
từ, theo nguyên lý sự phụ thuộc của độ từ cảm μ của các vật liệu từ mềm theo
trường từ ngoài Happly. Cấu tạo cảm biến gồm một lõi sắt từ mềm, có hình xuyến
có độ cảm từ lớn. Một cuộn dây solenoid đóng vai trò là cuộn dây kích thích có
dòng điện xoay chiều AC chạy qua cuốn quanh lõi sắt. Cuộn dây này sẽ tạo ra
9
từ trường xoay chiều khép kín chạy vòng quanh lõi sắt từ hình xuyến. Cuộn dây
tín hiệu được cuốn xung quanh lõi sắt từ mềm và cuộn dây kích thích như minh
họa trong hình 1.6.
Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux-gate
Nguyên lý hoạt động của cảm biến: từ trường xoay chiều do cuộn dây kích
thích sinh ra sẽ làm xuất hiện từ thông biến thiên và do đó sẽ xuất hiện một suất
điện động cảm ứng sinh ra trong lòng cuộn dây tín hiệu. Khi không có từ trường
ngoài, từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu bằng không. Khi có sự
xuất hiện của từ trường ngoài, một trong hai nửa của vòng dây kích thích sẽ
sinh ra từ trường cảm ứng cùng chiều với từ trường ngoài. Nửa vòng dây bên
kia hiện tượng xảy ra ngược lại. Sự chênh lệch từ thông trong hai nửa vòng dây
kích thích này sẽ tạo ra một suất điện động cảm ứng và do đó tạo ra điện áp
trong cuộn dây tín hiệu. Điện áp này sẽ tỉ lệ với cường độ của từ trường ngoài.
Thông qua việc đo điện áp lối ra của cuộn dây tín hiệu, ta có thể xác định được
cường độ từ trường ngoài tác dụng.
Ưu điểm của linh kiện loại này là công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành
rẻ, có độ nhạy cao khi làm việc ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, hạn chế của linh
kiện loại này là kích thước lớn. Thời gian đáp ứng tín hiệu chậm cỡ khoảng 3
giây. Cấu tạo của cảm biến có lõi sắt từ có độ từ thẩm cao và bị trễ từ nên cảm
biến khi trong vùng từ trường thấp cho độ chính xác không cao. Ngoài ra, hệ
số trường khử từ lớn cũng là một trong các hạn chế cho việc thiết kế và chế tạo
10
cảm biến loại này.
1.2.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879. Khi
đặt một từ trường vuông góc lên một tấm bán dẫn đang có dòng điện chạy qua làm
xuất hiện hiệu điện thế giữa hai mặt đối diện của bản cực (hình 1.7). Hiệu điện thế
này gọi là hiệu điện thế Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh
Hall gọi là điện trở Hall. Khi có một dòng điện chạy qua chất bán dẫn thì sự chuyển
động của tất cả các điện tích bị ảnh hưởng bởi lực Lorent:
Trong đó, q là điện tích của vật dẫn, v là vận tốc hạt mang điện, B là cảm
ứng từ tác dụng vào vật liệu. Trường hợp vật liệu bán dẫn loại n để bỏ qua sự
xuất hiện lỗ trống, dưới tác dụng của lực Lorent, các hạt tải sẽ bị lệch phương
chuyển động tạo ra điện trường trên hai mặt đối diện trực giao với chiều dòng
điện. Điện trường Hall vuông góc với điện trường đặt vào và từ trường. Độ lớn
của trường Hall tỷ lệ với độ linh động hạt tải. Độ linh động của hạt tải loại p
luôn thấp hơn độ linh động của điện tử. Vì vậy trong cảm biến Hall sử dụng
bán dẫn loại n tốt hơn sử dụng bán dẫn loại p. Thế Hall cho bởi công thức:
(1.5)
Trong đó, RH điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là
chiều dày tấm vật liệu. Từ công thức trên ta có thể tính được từ trường thông
qua điện áp Hall thu được.
Hình 1.7: (a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall và (b) Cảm biến
11
Hall đo dòng điện
Cảm biến Hall thường có vùng nhiệt độ làm việc từ -100°C tới 100°C có
thể đo được cả từ trường một chiều và xoay chiều với tần số xoay chiều tới 30
kHz. Dựa trên hiệu ứng này, người ta đã phát triển cảm biến đo từ trường thành
nhiều loại cảm biến khác như cảm biến đo góc, đo dòng, đo tốc độ quay bằng
cách tổ hợp nhiều cảm biến đơn (hình 1.7b).
Các cảm biến Hall đã được thương mại hóa thường làm việc trong từ
trường lớn hơn 10-3 mT. Bằng cách tổ hợp nhiều linh kiện trên một thiết bị đo,
nó có thể cho độ chính xác của từ trường và góc định hướng lên đến 10-5 mT
và 0,5 độ, do đó rất có triển vọng được ứng dụng để phát hiện từ trường trái
đất. Thành công nhất của loại cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thường là đã
phát hiện được hạt từ Dynabeads M-280, đường kính 2,8 µm vào năm 2002 bởi
Besse và đồng nghiệp.
1.2.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện
Hiệu ứng từ-điện gồm 2 loại là hiệu ứng từ-điện thuận và hiệu ứng từ-điện
nghịch (hình 1.8) trong đó, hiệu ứng từ-điện thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay
đổi độ phân cực điện (P) khi đặt trong từ trường ngoài (H) và ngược lại hiệu
ứng từ-điện nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (M) khi
chịu tác dụng của điện trường ngoài (E). Hiệu ứng từ-điện đầu tiên được đưa
ra bởi P.Curie vào năm 1894 và khái niệm hiệu ứng từ-điện được đưa ra bởi P.
Debye năm 1926. Hiệu ứng từ-điện thường được quan sát thấy trên các vật liệu
tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ (từ giảo) và sắt điện (áp điện).
Cảm biến từ-điện đang được nghiên cứu ứng dụng vào các thiết bị di động,
các phương tiện giao thông và các thiết bị định vị khác trên mặt đất. Cảm biến
có thể thay thế được các la bàn truyền thống và hơn thế nữa có khả năng hiển
thị số tích hợp với các mạch điện tử và có thể khai thác ứng dụng trong nhiều
12
lĩnh vực khác nhau.
Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cứu
một loại cảm biến đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật
liệu Metglas/PZT dạng tấm. Những cảm biến này có thể xác định chính xác cả
độ lớn và góc định hướng của từ trường. Ngoài ra, chúng hoạt động không cần
từ trường làm việc (bias) và được kích thích bởi một dòng xoay chiều nhỏ 10
mA, có độ phân giải từ trường cao 10-9 Tesla và độ phân giải góc 10-5 độ.
Hình 1.8: Sơ đồ minh họa vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện và nguyên
lý hiệu ứng điện từ thuận
1.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ – điện trở
Các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện trở phổ biến là các cảm biến dựa
trên hiệu ứng từ điện-trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR), các cảm
biến van-spin (VS), cảm biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) và cảm biến dựa
trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE), cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị
hướng (AMR), ... Tùy theo mỗi hiệu ứng từ-điện trở được sử dụng mà cấu tạo
và thiết kế của mỗi loại cảm biến có đặc trưng riêng. Dưới đây chúng tôi giới
thiệu một số loại cảm biến khác nhau.
1.3.1. Cảm biến từ trở khổng lồ
Hiệu ứng từ-điện trở (MagnetoResistance - MR) là sự thay đổi điện trở của
13
một vật dẫn gây bởi từ trường ngoài và được xác định thông qua công thức:
Hiệu ứng thường xuất hiện trong một vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ
trường. 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 1.9: (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 được phát hiện vào năm 1988 bởi Baibich và các đồng nghiệp. Hiệu
ứng từ điện trở khổng lồ 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 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.
Gần đây, các linh kiện GMR kích thước nanômét đã được chế tạo và sử
dụng để khảo sát các đặc trưng cơ bản. Các nghiên cứu chỉ ra mức tín hiệu/nhiễu
(S/N) thu được của các linh kiện có nhiều triển vọng đối với việc phát hiện đơn
14
hạt từ. Các công bố cho thấy, cảm biến GMR cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu
(S/N) lớn nhất tại tần số thấp cỡ 380 lần và từ trường nhỏ nhất mà cảm biến
có thể phát hiện được là khoảng 93nT.
1.3.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng
1.3.2.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng
Hiệu ứng từ điện trở (Anisotropic magnetoresistance - AMR) được giáo sư
William Thomson, Đại học Glasgow (Scotland, Vương 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 dưới tác dụng của từ trường 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 tương đối giữa cường độ dòng điện và
từ trường ngoài hay chiều của độ từ hóa của mẫu có thể được minh họa như
hình 1.10.
Hình 1.10. Nguồn gốc vật lý của AMR
Điện trở của màng mỏng vật liệu có thể xác định thông qua góc là góc
giữa véctơ cường độ dòng điện và véctơ từ độ và hiệu điện thế do hiệu ứng
15
AMR (Ux) được xác định bởi biểu thức:
𝑙
𝑅(𝜃) = 𝜌(𝜃). = 𝑅 + ∆𝑅. 𝑐𝑜𝑠2𝜃 𝑙 𝑏𝑑
𝑏𝑑
𝑈𝑥 = 𝐼. . (𝜌𝑜 + ∆𝜌𝑐𝑜𝑠2𝜃)
trong đó: ∆ρ = ρp – ρo; ρo là điện trở suất theo phương vuông góc và ρp
điện trở suất theo phương song song với màng mỏng; là độ dài của màng
mỏng; b là độ rộng của màng mỏng; d là độ dày của màng mỏng; R(p) là điện
trở khi véctơ từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa; ∆R là độ thay đổi điện trở lớn
nhất bởi sự tác động của từ trường ngoài (hình 1.11 a).
Hình 1.11. (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
Dựa vào biểu thực điện trở, ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào
θ như hình 1.11b.
Trong thực tế, các linh kiện từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng
16
màng mỏng sao cho trên màng tồn tại hai phương từ hóa: 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 hóa là phương mà sự từ
hóa khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (bão hoà ở từ trường cao).
1.3.2.2. Cảm biến dạng mạch cầu điện trở Wheatstone
Mạch cầu điện trở Wheatstone được mô tả lần đầu vào năm 1833 bởi
Samuel Hunter Christie (1784-1865). Tuy nhiên sau đó Sir Charles Wheatstone
(1802-1875) đã đưa 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 phương pháp hiệu nghiệm chính xác khi đo lường giá trị thay đổi của trở
kháng. Mạch cầu Wheatstone là mạch điện được sử dụng để đo một điện trở
chưa xác định bằng cách so sánh hai nhánh của một mạch cầu, trong đó một
nhánh chứa thành phần điện trở chưa xác định.
Hình 1.12. (a) Sơ đồ đơn giản của mạch cầu Wheatstone và (b) Mạch cầu
Wheatstone dưới tác dụng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng
Cấu trúc của một mạch cầu Wheastone bao gồm bốn điện trở R1, R2, R3,
R4 được mắc song song với nhau. Một điện kế rất nhạy G đo thế mạch ra.
Nguồn điện một chiều được sử dụng cấp vào 2 điểm A, C tạo ra dòng điện
trong mạch và điện kế G đo chênh lệch điện thế lối ra giữa hai điểm B, D của
cầu.
Khi ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch thì ta có:
17
𝑉𝑖𝑛 = 𝑉𝐴𝐵𝐶 = 𝑉𝐴𝐷𝐶
Suy ra
𝐼𝐴𝐵𝐶(𝑅1 + 𝑅2) = 𝐼𝐴𝐷𝐶(𝑅3 + 𝑅4)
𝑉𝐴𝐵 = 𝐼𝐴𝐵𝐶𝑅1 = 𝑅1
𝑉𝐴𝐷 = 𝐼𝐴𝐷𝐶𝑅4 = 𝑅4 𝑉𝑖𝑛 𝑅1 + 𝑅2 𝑉𝑖𝑛 𝑅3 + 𝑅4
Khi đó:
𝑉𝐺 = 𝑉𝐴𝐵 − 𝑉𝐴𝐷 = 𝑅1 − 𝑅4 𝑉𝑖𝑛 𝑅3 + 𝑅4
= 𝑉𝑖𝑛 𝑉𝑖𝑛 𝑅1 + 𝑅2 𝑅1𝑅3 − 𝑅2𝑅4 (𝑅1 + 𝑅2) (𝑅3 + 𝑅4)
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, do sự đóng góp của từ điện trở dị
hướng trên các điện trở nên sẽ thay đổi điện trở thành phần của mạch ∆Ri. Sự
biến đổi này dẫn tới sự thay đổi điện thế lối ra:
𝑉𝐺 + ∆𝑉 = 𝑉𝑖𝑛 (𝑅1 + ∆𝑅1)(𝑅3 + ∆𝑅3) − (𝑅2 + ∆𝑅2)(𝑅4 + ∆𝑅4) (𝑅1 + ∆𝑅1 + 𝑅2 + ∆𝑅2)(𝑅3 + ∆𝑅3 + 𝑅4 + ∆𝑅4)
Trong trường hợp lý tưởng, nếu mạch ban đầu cân bằng, điện thế lối ra sẽ
được biểu diễn như sau:
𝑉𝐺 = 𝑉𝑖𝑛 = 0 𝑅1𝑅3 − 𝑅2𝑅4 (𝑅1 + 𝑅2)(𝑅3 + 𝑅4)
⟹ 𝑅1𝑅3 = 𝑅2𝑅4
Đặt:
= = 1 𝑟 𝑅1 𝑅2 𝑅3 𝑅4
Khi đó, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình trên khi có sự thay đổi
của điện trở của các thành phần trong mạch cầu với sự thay đổi điện trở là nhỏ
theo công thức:
18
(1.6) − + − 𝑉𝐺 = )𝑉𝑖𝑛 𝑟 (1 + 𝑟)2 ( ∆𝑅1 𝑅1 ∆𝑅2 𝑅2 ∆𝑅3 𝑅3 ∆𝑅4 𝑅4
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. Mạch cầu Wheatstone được ứng dụng nhiều
trong lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong các mạch điện tử như: dùng để đo
trở kháng, điện cảm, điện dung trong mạch xoay chiều (AC), cảm biến đo dòng
điện, cảm biến đo từ trường nhỏ như từ trường trái đất, từ trường các hạt từ.
Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cảm biến AMR dạng mạch cầu
Wheatstone trên vật liệu Ni80Fe20 với các cấu trúc và công nghệ đơn giản hơn,
phù hợp với điệu kiện thực tế ở Việt Nam cho ra đời những sản phẩm linh kiện
cho độ nhạy tương đương. Cùng với đó, chúng tôi nghiên cứu ứng dụng của
linh kiện chế tạo được trong việc phát hiện từ trường thấp như đo góc từ trường
trái đất. Vật liệu được lựa chọn để chế tạo linh kiện là Ni80Fe20 là vật liệu từ
mềm (Hc < 10 Oe), vật liệu này rất thích hợp để chế tạo linh kiện có độ nhạy
cao trong vùng từ trường thấp. Mạch cầu điện trở Wheatstone gồm 4 điện trở
bằng nhau nhưng được thiết kế 2 điện trở đối diện có dị hướng hình dạng giống
nhau và 2 điện trở liền kề khác nhau. Nhờ vậy, dưới tác dụng của từ trường
ngoài tín hiệu lối ra của linh kiện thu được sẽ lớn hơn, có thế nền nhỏ và có tỉ
số tín hiệu/nhiễu lớn.
1.4. Kết luận chương 1
Ở chương này chúng tôi đã trình bày tổng quan về từ trường trái đất, giới
thiệu các loại cảm biến đo từ trường phổ biến. Giới thiệu cảm biến dựa trên
hiệu ứng từ điện trở, các tính chất đặc trưng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng
19
và mạch cầu Wheatstone.
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ca-tốt
2.1.1. Thiết bị phún xạ ATC-2000FC
Thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính là: buồng phún xạ còn gọi là
buồng chính, buồng đệm hay buồng phụ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm,
hút chân không. Toàn bộ thiết bị được điều khiển thông qua hệ thống máy tính
được ghép nối để điều khiển các thông số trong quá trình lắng đọng màng (hình
2.1).
Hình 2.1. Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC
Chân không của buồng phún xạ (buồng thứ cấp) có thể đạt đến 10-8 Torr,
buồng đệm (buồng sơ cấp) là 10-6 Torr. Nhờ có buồng đệm mà chân không
trong buồng chính luôn được giữ ổn định trong quá trình phún và quá trình thao
tác mẫu. Chính vì vậy sự ổn định về tính chất của các mẫu luôn được đảm bảo
ở các lần chế tạo khác nhau. Bên cạnh đó, trạng thái chân không cao trong
buồng chính có thể đạt được trong thời gian ngắn nhờ hiệu suất cao của hệ
thống bơm sơ cấp và thứ cấp nên hạn chế rất nhiều khả năng nhiễm bẩn trong
20
buồng phún xạ.
Hai buồng chính và phụ được ngăn cách nhau bởi một vách ngăn. Trong
quá trình chế tạo mẫu, đế được đưa vào buồng phụ trước, sau đó buồng phụ
được hút chân không đến khi áp suất chênh lệch khoảng hai bậc so với buồng
chính (áp suất buồng phụ cỡ 2,5×10-5 Torr) thì hệ thống vách ngăn mới được
mở và mẫu được chuyển vào buồng chính.
Bia là các tấm vật liệu có chiều dày từ 3-6 mm và đường kính 5.08 mm (2
inch). Thiết bị phún xạ ATC-2000FC gồm 6 “súng” cho phép lắp đặt 6 bia vật
liệu khác nhau. Các bia vật liệu được sử dụng trong khóa luận gồm có:
- Hợp kim sắt từ Ni80Fe20
- Kim loại không từ Cu (99,99%), Ta (99,99%)
- Vật liệu cách điện bảo vệ SiO2
Bia vật liệu từ NiFe được phún xạ với các nguồn RF, còn các bia vật liệu
không từ được được phún xạ với các nguồn DC.
2.1.2. Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng
Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng bao gồm các bước: Chuẩn bị đế, phún
xạ màng mòng, cách bố trí và quy trình cụ thể được mô tả (bảng 2.1).
Bảng 2.1: Quy trình làm sạch đế Si/SiO2
Thứ tự Nội dung Thời gian (phút)
Bước 1 Rung siêu âm trong axeton 5
Bước 2 Rung siêu âm trong cồn 5
Bước 3 Rung siêu âm trong nước DI 5
Bước 4 Xì khô và sấy bề mặt 5
Các lớp màng mỏng khác nhau trong các cấu trúc màng ba lớp Ta/NiFe/Ta
21
và Ta/Cu/Ta nghiên cứu được chế tạo sử dụng nguồn một chiều cho lớp Ta và Cu,
nguồn xoay chiều cho lớp NiFe. Để đảm bảo cho màng đồng nhất trong suốt quá
trình chế tạo, đế giữ mẫu được quay tròn với tốc độ 30 vòng/phút, khoảng cách
từ bia tới đế là 5 cm. Các thông số về công suất, áp suất, chiều dày màng được
liệt kê cụ thể dưới bảng 2.2.
Bảng 2.2. Thông số phún xạ của các lớp Ta/NiFe/Ta
Chân Áp suất Vận tốc Vật không cơ Công suất Chiều dày màng khí Ar quay của đế liệu phún (W) (nm) sở Pbase (mTorr) (prm) màng (Torr)
25 10 Ta
NiFe 1.310-7 2,2 30 75 5
30 60 Cu
2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo linh kiện
2.2.1. Quy trình chế tạo linh kiện
Trên cơ sở thực nghiệm chế tạo màng mỏng có hiệu ứng từ điện trở ở mục
2.1.2, chúng tôi chế tạo linh kiện dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR
theo các quy trình bao gồm từ khâu chuẩn bị đế, quay phủ, quang khắc, phún
xạ, đến khâu cuối cùng là hàn điện cực để hoàn thiện linh kiện.
Hình 2.2 là sơ đồ mô tả quy trình chế tạo linh kiện AMR. Đây là một
loạt các quy trình kết hợp giữa công nghệ quang khắc trong phòng sạch và
công nghệ chế tạo màng mỏng từ bằng phương pháp phún xạ. Cuối cùng là
bước hàn các dây điện cực của linh kiện vào mạch in, đóng gói và hoàn thiện
22
linh kiện.
Hình 2.2. Sơ đồ mô tả các bước cơ bản trong quy trình chế tạo linh kiện
2.2.2. Thiết bị quang khắc MJB4
Hình 2.3. (a) Sơ đồ hệ quang khắc và (b) Thiết bị quang khắc MJB4
Khi chế tạo linh kiện chúng tôi sử dụng máy quang khắc MJB4 (Model
suss microtech). Hình 2.3 là thiết bị quang khắc MJB4 có thể tạo ra những vi
linh kiện có độ chính xác cao. Máy được trang bị cấu hình quang học cao, có
thể thực hiện quang khắc với nhiều bước sóng khác nhau. Cường độ chiếu cực
23
đại khoảng 80 mW/cm2, độ phân giải tối đa là 0,5 µm.
Tiếp theo, ta phún xạ thêm một lớp bảo vệ SiO2 trên bề mặt linh kiện để
chống các tác nhân hóa học với mặt nạ bảo vệ phủ kín linh kiện và chỉ để lại
phần diện tích hàn điện cực.
Các linh kiện sau khi chế tạo xong như hình 2.4 được hàn dây nối với
mạch in bằng thiết bị hàn dây siêu âm.
Hình 2.4. Mặt nạ của cảm biến AMR và cảm biến sau khi hoàn thiện
Trong khóa luận này, chúng tôi đã chế tạo cảm biến có kích thước thanh điện
trở (50 µm × 250 µm), cấu trúc màng các điện trở là Ta(3nm)/NiFe(5nm).
2.3. Khảo sát tính chất từ điện trở của linh kiện
Đo tín hiệu từ điện trở của linh kiện được thực hiện thông qua việc khảo
sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra phụ thuộc vào từ trường ngoài. Có hai hệ đo
tín hiệu AMR của linh kiện là hệ đo trong từ trường lớn và hệ đo AMR trong
từ trường nhỏ.
Hệ đo trong từ trường lớn có sơ đồ nguyên lý như đo trên màng AMR
được mô tả như hình 2.5. Trong bốn chân của linh kiện: 2 chân để cấp dòng
không đổi bởi nguồn một chiều thông qua thiết bị Keithley 6220, 2 chân còn
lại để lấy thế lối ra qua thiết bị đo Keithley 2000. Tín hiệu thế lối ra phụ thuộc
vào từ trường ngoài được thể hiện trên màn hình. Toàn bộ quá trình thu thập số
liệu của hệ đo được thực hiện dưới sự điều khiển tự động bằng phầm mềm
24
Labview 14.0 và dữ liệu lấy được đưa xử lý qua phần mềm Origin 8.51.
Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo AMR trong thang đo từ trường lớn
tại PTN Micrô-Nanô, Trường Đại học Công nghệ.
2.4. Kết luận chương 2
Trong chương này chúng tôi đã trình bày các phương pháp thực nghiệm
chế tạo màng bằng phương pháp phún xạ, các quy trình công nghệ chế tạo linh
kiện trong phòng sạch bằng công nghệ quang khắc. Các thông số trong quá
trình chế tạo màng và linh kiện. Ngoài ra các thiết bị và phương pháp khảo sát
tính chất vật lý của mẫu đã được đưa ra bao gồm hệ đo tính chất từ và hệ đo 4
mũi dò khảo sát tính chất từ điện trở của màng và một số các thiết bị khác. Các
thiết bị đảm bảo tính đồng bộ, phù hợp với mục đích khóa luận và có tính tin
25
cậy cao.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến
Để khảo sát tính chất điện của cảm biến, chúng tôi đã dùng phương pháp
bốn mũi dò. Trong phương pháp này, hai mũi dò đặt tiếp xúc với hai cực đối
diện của cảm biến, hai mũi dò khác đặt tiếp xúc với hai cực còn lại. Trong khi
dòng một chiều 5mA được cấp vào hai điện cực đối diện, cặp điện cực còn lại
dùng để lấy thế ra. Cảm biến được khảo sát trong từ trường một chiều, từ -200
Oe đến 200 Oe.
a.-200 Oe ≤ H ≤ 200 Oe b.-80 Oe ≤ H ≤ 80 Oe
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến
vào từ trường ngoài
Thế lối ra của cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài được biểu diễn trên
hình 3.1. Khi từ trường ngoài, H = 0, về lý thuyết, giá trị điện trở của bốn điện
trở (R1, R2, R3 và R4) bằng nhau nên mạch cầu cân bằng, tín hiệu ra của cảm
biến đạt giá trị nhỏ nhất (có thể bằng 0). Khi từ trường ngoài, H ≠ 0, cấu trúc
cân bằng của mạch cầu bị phá vỡ, do hai điện trở liền kề có phương của dòng
điện khác nhau, nên sự biến đổi điện trở không như nhau khi có mặt của từ
26
trường ngoài, khi đó sẽ xuất hiện tín hiệu lối ra của cảm biến.
Thế lối ra của cảm biến đạt giá trị lớn nhất là 36mV, tại giá trị từ trường
100 Oe. Quá trình bão hòa xảy ra khi từ trường ngoài vượt quá giá trị 100 Oe.
Trên đồ thị hình 3.1, chúng ta cũng quan sát thấy sự bất thuận nghịch trên
hai đường đo đi và đường đo về của cảm biến. Kết quả này, có thể có nguồn
gốc từ hiện tượng từ trễ, một tính chất đặc trưng của hầu hết vật liệu sắt từ. Độ
trễ từ này có thể được hạn chế, thậm chí là loại bỏ khi kích thước của cảm biến
được giảm tới cấu trúc đơn đômen.
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào từ trường
trong dải tuyến tính
Giá trị cực đại của tín hiệu thu được cao hơn rất nhiều so với giá trị 5 mV
tại dòng cấp 5 mA được công bố bởi Richard J. Gambino và cộng sự trên các
hệ tương tự. Bên cạnh đó, từ trường bão hòa mà các tác giả này công bố cũng
cao hơn nhiều (500 Oe) so với giá trị nhận được (100 Oe) trong mẫu nghiên
cứu của khóa luận. Sự khác biệt này là khả năng tạo dị hướng vật liệu trong quá
trình chế tạo.
Trên đồ thị hình 3.1, khi dải từ trường thấp, H < 20 Oe, đáp ứng thế ra của
cảm biến là một đường thẳng tuyến tính theo từ trường ngoài như hình 3.2.
Chúng tôi đã chọn dải từ trường khảo sát là -0,8 Oe đến 0,8 Oe (cường độ từ
27
trường trái đất nằm trong dải từ trường này). Trong dải tuyến tính này, độ nhạy
của cảm biến có thể được đánh giá từ số liệu thực nghiệm theo công thức S =
∆V/∆H.
Kết quả tính toán cho thấy, độ nhạy của cảm biến chế tạo được vào cỡ
1,13 mV/Oe. Độ nhạy này khá tốt đối với một cảm biến hoạt động trong vùng
từ trường thấp.
3.2. Sự phụ thuộc thế ra của cảm biến vào dòng điện một chiều
Thế lối ra của cảm biến là một đại lượng phụ thuộc vào dòng điện được
cấp. Chúng tôi đã tiến hành đo thế lối ra của cảm biến theo từ trường tại các
dòng cấp khác nhau chạy từ 1 đến 7 mA. Khảo sát cảm biến trong dải từ trường
(-100 Oe ÷ 100 Oe), đặt cảm biến sao cho phương của dòng điện vuông góc
với phương từ hóa dễ của cảm biến, cố định phương của dòng điện song song
với phương của từ trường ngoài.
Từ kết quả khảo sát thực nghiệm, chúng tôi đã vẽ lại hàm phụ thuộc của
thế lối ra vào dòng điện một chiều như hình 3.3.
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của cảm biến
vào dòng một chiều
Từ đồ thị trên hình 3.3, ta thấy thế lối ra của cảm biến hầu như là một hàm
tuyến tính vào dòng điện trong phạm vi khảo sát. Khi dòng cấp thay đổi từ 1
28
mA đến 7 mA, thế lối ra biến đổi tương ứng từ 7,2 mV đến 50,3 mV. Sự phụ
thuộc tuyến tính này thực ra hoàn toàn có thể suy luận từ lý thuyết. Tín hiệu lối
ra của cảm biến phụ thuộc vào dòng điện theo công thức:
= ΔV cos2(θ) = I R cos2(θ)
Nếu giả thiết điện trở (R) không thay đổi trong khoảng dòng khảo sát,
thì rõ ràng, thế lối ra (V) của cảm biến là hàm bậc nhất của cường độ dòng
cấp.
Ý nghĩa thực nghiệm ở đây là nó cho chúng ta một cái nhìn trực quan, một
bộ giá trị thực nghiệm có thực, được khảo sát trên một cảm biến cụ thể trong
một dải cường độ dòng cấp. Điều này tạo ra cơ sở thực tế để lựa chọn chế độ
cấp dòng nếu các cảm biến này được ứng dụng.
Vấn đề cần được thảo luận ở đây là, thành phần nhiễu nhiệt sẽ ảnh hưởng
như thế nào đến tín hiệu lối ra của cảm biến khi dòng cấp tăng lên? Trong các
mạch thông thường, khi dòng cấp tăng lên, nhiệt lượng sinh ra trong mạch sẽ
tăng lên (tỷ lệ với I2R), điều này sẽ làm tăng nhiệt độ toàn mạch. Khi nhiệt độ
tăng, điện trở sẽ tăng lên và do đó tác động của nhiễu nhiệt lên tín hiệu lối ra
của cảm biến sẽ tăng.
Ý nghĩa thực nghiệm ở đây là nó cho chúng ta một cái nhìn có thực, một
bộ giá trị thực nghiệm có thực, được khảo sát trên một cảm biến cụ thể trong
một dải cường độ dòng cấp. Điều này tạo cho chúng ta cơ sở thực tế để lựa
chọn dòng cấp nếu các cảm biến này được ứng dụng khi I tăng lên, tín hiệu cảm
biến tăng dần tuyến tính theo I. Nhưng bản thân dòng điện sinh ra nhiệt, cường
độ dòng điện càng lớn thì nhiệt sinh ra càng nhiều. Trong trường hợp cấp dòng
điện 5mA, nhiệt sinh ra sẽ lớn gấp 25 lần so với sử dụng dòng điện 1mA vì
nhiệt tỏa ra tỷ lệ với I2R. Tín hiệu lối ra sẽ bị ảnh hưởng của nhiễu nhiệt. Tuy
nhiên do mạch cầu là mạch ổn định nhiệt, nên nhiễu nhiệt ảnh hưởng rất nhỏ
29
tới tín hiệu ra của cảm biến, do đó có thể cấp dòng tới 7 mA để tín hiệu ra của
cảm biến lớn hơn. Trong khuôn khổ khoá luận, chúng tôi thường cấp dòng điện
5mA cho cảm biến, vì với giá trị dòng điện này tín hiệu lối ra của cảm biến
cũng đủ lớn để khảo sát tính chất của cảm biến. Từ kết quả khảo sát này, chúng
ta thấy rằng cảm biến có thể làm việc ổn định trong dải cường độ dòng điện 1
mA ≤ I ≤ 7 mA. Điều này có nghĩa là, nhiễu nhiệt ở đây không ảnh hưởng đến
tín hiệu ra của cảm biến. Có hai khả năng lý giải cho hiện tượng này:
(i) Trong khoảng dòng cấp từ 1 mA đến 7 mA tốc độ phát nhiệt trong mạch
thấp hơn hoặc cân bằng với tốc độ thoát nhiệt trên bề mặt cảm biến, do đó nhiệt
độ trong mạch không tăng khi tăng dòng cấp.
(ii) Khi dòng cấp tăng, nhiệt độ tăng, điện trở trong mỗi điện trở thành
phần tăng lên, nhưng nhờ khả năng tự bù trừ điện trở trong mạch cầu
Wheatstone, nên độ tăng điện trở (R) trong toàn mạch được ổn định, nhờ đó
loại bỏ được nhiễu nhiệt.
Các thảo luận của chúng tôi thiên về khả năng thứ hai. Trên thực tế, rất
khó để có thể đưa ra các bằng chứng thực nghiệm về tốc độ phát nhiệt cũng
như thoát nhiệt trên bề mặt cảm biến chỉ trong giới hạn của các thực nghiệm
này. Để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu nhiệu lên tín hiệu lối ra của cảm biến
khi dòng điện thay đổi, cần có các thực nghiệm khác nữa, cũng như ảnh hưởng
của thời gian đo là yếu tố không thể bỏ qua.
Bảng 3.1. Một số thông số của cảm biến khi dòng cấp thay đổi
I (mA) 1 2 3 4 5 6 7
ΔV (mV) 7,2 14,4 21,6 28,8 36 43,1 50,3
3.3. Khảo sát đáp ứng góc của cảm biến với từ trường trái đất
Ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất của cảm biến là để đo và phát hiện
từ trường. Mô hình thực nghiệm khảo sát đáp ứng thế ra của cảm biến vào từ
30
trường trái đất được minh họa trong hình 3.4. Cảm biến được đặt tại tâm của
một vòng tròn có chia 360 độ, vòng tròn thứ hai (nằm trong mặt phẳng vuông
góc với vòng tròn thứ nhất tại tâm của vòng tròn thứ nhất) dùng để thay đổi góc
giữa phương của dòng điện và phương bắc nam của từ trường trái đất bằng cách
quay cảm biến từng 50 một. Phương bắc nam của từ trường trái đất được xác
định bằng la bàn. Cấp dòng điện 5mA cho cảm biến. Hệ khảo sát cách nguồn
nam châm khoảng 2 m để đảm bảo rằng chỉ có từ trường trái đất tác dụng lên
cảm biến.
Trên hình 3.5 là đồ thị minh họa sự phụ thuộc tín hiệu ra của cảm biến vào
góc giữa phương của dòng điện và phương của từ trường trái đất trong 3 chu
kì. Tín hiệu ra của cảm biến khá lớn khoảng 0.924 mV. Kết quả cho thấy tín
hiệu ra của cảm biến thay đổi tuần hoàn theo hàm cosin, chu kì 2 được cho
bởi công thức: Vra = Voffset + V0cos(α); V0 là giá trị tín hiệu ra lớn nhất của cảm
biến và V0 = 0.462 mV, Voffset = 25,6 mV là thế nền của cảm biến khi từ trường
ngoài bằng không, nguyên nhân là do sự không cân bằng tuyệt đối của mạch
cầu khi chế tạo, α là góc giữa trục cảm biến với phương bắc nam của từ trường
trái đất.
Hình 3.4. Mô hình thực nghiệm khảo sát sự phụ thuộc tín hiệu ra
của cảm biến vào góc giữa dòng điện và từ trường trái đất
31
Khi trục cảm biến vuông góc với phương bắc nam của từ trường trái đất
thì α = 900, tín hiệu ra của cảm biến nhỏ nhất. Khi trục cảm biến song song với
phương bắc nam của từ trường trái đất thì α = 00, tín hiệu ra của cảm biến lớn
nhất. Từ kết quả này, ta thấy cảm biến có thể đo được góc của từ trường trái
đất. Kết hợp tính toán ta có thể xác định được giá trị cường độ trái đất. Kết quả
chúng tôi nhận được từ kết quả thực nghiệm là 0,41 Oe. Kết quả này có sai khác
so với giá trị cường độ trái đất đã được công bố tại Hà Nội là 0,399 Oe bởi sai
số trong các phép đo thực nghiệm.
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu của cảm biến vào góc
giữa dòng điện và từ trường trái đất
3.4. Kết luận chương 3
Trong chương 3, chúng tôi đã trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm chế
tạo cảm biến. Thông qua quá trình khảo sát tính chất điện của cảm biến, chúng
tôi thấy rằng cảm biến trong dải từ trường nhỏ (H < 5 Oe), thế ra của cảm biến
là đường tuyến tính theo từ trường ngoài. Khi khảo sát đáp ứng của cảm biến
với từ trường trái đất, chúng tôi thấy cảm biến có khả năng đo được cường độ
32
từ trường trái đất, giá trị cường độ từ trường chúng tôi xác định được 0,41 Oe.
KẾT LUẬN
Trong quá trình thực hiện khóa luận, chúng tôi đã đạt được các kết quả sau:
1. Đã trình bày chi tiết tổng quan về các loại vật liệu và các hiệu ứng từ
điện trở dị hướng và hiệu ứng Hall phẳng nghiên cứu các tính chất đặc trưng
của hiệu ứng từ điện trở và mạch cầu Wheatstone. Từ đó chúng tôi đã chọn
mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor và Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo điện
trở mạch cầu.
2. Đã chế tạo thành công các cảm biến cầu Wheatstone trên nền vật liệu
Ni80Fe20 với chiều dày lớp Ni80Fe20 5 nm, kích thước 50 µm 250 µm.
3. Đã khảo sát các tín hiệu của cảm biến chế tạo được. Sự phụ thuộc của
thế lối ra vào cường độ dòng cấp, vào phương giữa từ trường và dòng điện. Tín
hiệu lối ra cực đại ΔV = 36 mV tại dòng cấp 5 mA.
33
4. Đã thử nghiệm dùng cảm biến chế tạo được để đo từ trường trái đất tại khu vực phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy từ trường trái đất tại khu vực này là 0,41 Oe và có độ ổn định tương đối tốt.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, NXB
DHQG Hà Nội.
2. Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, NXB DHQG Hà Nội.
Tiếng Anh
3. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran
Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGiKim, Optimization of spin-valve
structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for planar Hall effect based biochips.
4. Http://en.wikipedia.org/wiki/Bridge_circuit//.
5. Http://groups.mrl.uiuc.edu/dvh/pdf/AZ5214E.pdf//.
6. Http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/do-luc-va-ung-suat-chuong-2.375058.html//.
7. Http://www.play-hookey.com/dc_theory/wheatstone_bridge.html//.
8. Kawamura et al. United States Petent, No 598217, (1999), Geomagnetic
Direction Sensor, Nov.9.
9. K.M Chui, A.O Adeyeye, Mo- Huang Li (2009), Detection of a single
magnetic dot using a Planar Hall sensor.
10. K.T.Y. Kung, L.K. Louie (1991), J. Appl. Phys. 69, 5634.
11. L. Ejsing, M. F. Hansen, A. K. Menon, H. A. Ferreira, D. L. Graham, and
P. P. Freitas (2005), Appl.Phys. Lett. 293, 677.
12. Michael J. Caruso, Tamara Bratland, A New Perspective on Magnetic Field
Sensing, Honeywell, SSEC, 12001 State Highway 55, Plymouth, MN
55441.
13. Michael J. Haji-Sheikh (2005), Accurate model of saturated AMR
Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ring – magnet,1st
Interational conference on sensing technology, November 21-23
34
Palmerston North, New Zealand.
14. Richard J. Gambino, Muthuvel Manivel Raja, Sanjay Sampath, and Robert
Greenlaw (2004), plasma-sprayed thick-film anisotropic magnetoresistive
(AMR) sensors, IEEE sensors journal, vol. 4, no. 6.
15. Second Editon, D. Jiles (1998), Introduction to Magnetism and Magnetic
Materials, Ames Laboratory, US Department of Energy, Great Britain by
St Edumundsbury Press, Suffolk UK.
16. Susan Macmillan, Earth’s magnetic field, British Geological Survey,
Edinburgh, UK.
17. Ton Tich Ai (2005) Geomagnetism and Magnetic Prospecting, Vietnam
National University Publishers.
18. U. Gradmann, J. Magn. Magn (1986), Mater. 54, 733.
19. W. O. Henry (1998), Noise reduction techniques in electronic systems,
35
Second edition, John Wiley & Sons, New York, Inc.
