TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN TỪ
DỰA TRÊN MẠCH CẦU WHEATSTONE
CÓ CẤU TRÚC CÁC NHÁNH DÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI – 2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
trình làm thc nghim.
Tip theo, em xin ct c các thy, các cô ci h
phm Hà Nng dy, dìu dt và cung cp cho em nhng nn tng khoa
hc t kin thn nhng kin thc chuc
hành, thc nghim trong sut bc qua.
Cui cùng, em xin gi nhng li tp nhn b mn bè
nh, kp th
khóa lun mt cách tp.
Hà N
Sinh viên
Nguyn Th 
LỜI CAM ĐOAN
ng kt qu nghiên cu khoa hc trong khóa lun là
hoàn toàn trung thc công b bi bt k i
ngun tài lic trích dn rõ ràng.


1.2 Nhiu cm bin 6
1.3 Cm bi ng bng hiu ng t - n tr d ng (AMR) 8
1.3.1 Hiu ng t - n tr d ng 9

1.3.2 Mch cn tr Wheatstone 11

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 14
 to cm bin 14
2.1.1 X lý b mt mu 14

2.1.2 Ch to mt n và hc cha cm bin 15

2.1.3 Phún x to màng 19
2.1.3.1 Thit b phún x catot 19
2.1.3.2 Phún x tn tr 22
2.1.3.3 Phún x tn cc 23
o sát tính cht ca cm bin 23
2.2.1 Kho sát tính cht t ca cm bin 23

2.2.2 Kho sát tính cht t - n tr ca cm bin 25
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27
 vit ca cm bin dng mch cu Wheatstone 27
3.2 Tính cht ca cm bin 29
3.3 Tính cht t - n tr ca cm bin 30

3.3.1    30


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 minh ha hiu n t thuc trên các vt liu
multiferoics kiu t gin 4
Hình 1.2: Liên kt t n trong vt liu t i s phân cn
c gây ra bi t  t hóa bng ngoài 5
Hình 1.3 th hin ngun gc vt lý ca AMR 9
Hình 1.4: Giá tr n tr i ph thuc vào góc gin ng
c hóa 11
Hình 1.5: Mch cn tr Wheatstone 11
Hình 2.1: Bung x lý mu 14
Hình 2.2: Cu to chung ca mt máy ct laser 16
Hình 2.3: Máy ct laser VLS3.60 17
Hình 2.4: H mask ca cm bin 1× 3mm: Vi (a)là mt n n tr, (b)là mt
n n cc, (c) hình dng cm bin hoàn thin 18
Hình 2.5: Mt n ca các cm bin 19
Hình 2.6: Nguyên lý ca quá trình hình thành màng mng bng phún x catot 20
Hình 2.7: Thit b phún x catot 21
Hình 2.8n tr ca mch cu c phún x to
màng Ta/NiFe/Ta 22
Hình 2.9: Cm bic sau quá trình phún x n cc 23


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trên th gii có rt nhiu loi cm bin da trên các hiu ng khác nhau
c s d  ng thp yu là các cm bin da trên
hiu ng quang và t m bing t siêu dn, si 
quang hc, cm bin da trên hiu n - t, cm n t (Flux-Gate),
hiu ng Hall Mc dù các cm bin hong da trên các hiu ng khác nhau
m biu da trên nguyên tc và phân tích hiu n th
li ra t cm bin i ph thu ca t ng tác dng lên
cm bin. Mi loi cm biu  m c
m riêng tùy thuc vào mvà phm vi trong tc ng dng.
Tuy vy, các cm bic khá cng knh và gp phi các
loi nhiu n tín hiu. Ngoài ra, mt s cm bin hong t
i có cu trúc dp khá phc tm bin da trên
hiu ng Spin-Vic tn hóa qui trình
công ngh, gim chi phí ch to mà vi ca cm bi
t ng thc tiêu nghiên cu ca nhóm. Li dng tính cht t
mm ca vt liu NiFe và tính nh nhit rt tt ca mch cu Wheatstone,
chúng tôi ch to các cm bi ng thp dng mch cu Wheatstone vi
cp Ni
80
Fe
20
da trên hiu ng t - n tr d ng. Các
cm bin ch to gic tng các loi nhic bit là nhiu
nhit qu t s tín hiu/nhiu ca cm bin s ln. Vng nghiên
cu này, các ni dung nghiên cc thc hin trong khóa lun bao gm:
- Ch to, kho sát tính cht t ca cm bin.
- Ch to cm bin vi b dày màng khác nhau, kho sát tìm ra b dày


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến
1.1.1 Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall
Hiu ng Hall c phát hiEdwin Hall khi ông
c ti hc Jonhs Hopkins  Baltimore, Maryland [2]. Khi cho
mn chy qua mt vt dn là cht bán dt trong t ng
ngoài,  hai mi din vuông góc vi chin s xut hin chênh lch
n áp trên vt liu này.
 n tích chuyng trong vt d i ng ca t ng
ngoài, chúng s chu tác dng ca lng vuông góc vi chiu dòng
n và t ng ngoài:
. [ x ]
H
F q E q v B


 q in tích ca n t (q = 1.6 × 10
-19
C )
  là t chuyng ca electron



 R
H
là n tr Hall
 I, B là  n và t ng
 T là chiu dày tm vt liu.
1.1.2 Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện
Hiu ng n - t   c d      
[12].Thut ng n - tt d
t ch  s liên kt gia pha st t và sc xây dng bi
 
rng hiu n - t có th c trong vt li
2
O
3
. S
phân cc cm ng bi t ng ca Cr
2
O
3
c quan sát l
1960 bi Astrov [3]. Hiu n - t c quan sát thy trên các vt
liu tn tng thi c hai pha st t và sn. Hiu n - t c chia
thành hiu n t thun (direct magnetoelectric effect) và hiu n t
nghch (converse magnetoelectric effect) (hình 1.3u ng thun là
hiu ng vt liu b  phân cn (Pt trong t ng ngoài
(Hc li hiu ng nghch là hiu ng mô men t ca vt liu b i
(M) khi chu tác dng cng ngoài (E).


 ng ti mc tiêu ng dng ch to cm bi ng, hiu ng
(a)
(b) 6

n t thun t ra có nhi do kh i trc tip t ng
thành tín hin áp li ra.
1.2 Nhiễu cảm biến
Tín hiu li ra ca cm bin luôn b  ng bi các nhân t ca môi
     , tn s , nhng  ng này gi chung là
nhiu. Nhiu là s i ngu nhiên tín hiu li ra ca cm bin khi giá tr 
bng 0. Mt thông s quan tr m bin là t s tín hiu trên
nhiu (signal/noise).
Viu da trên 3 loi ch yu là nhiu tn s 1/f, nhiu nhit
và nhing tnh bi:

Vi 
y
 nhiu,  là di thông tn s, n
c
là s ht tn,
f tn s k
B
là hng s Boltzmann, T là nhi ca mu, L là chiu dài ca
mu, e n.
 vùng tn s thp (f < 300Hz), nhiu ch yu là nhiu tn s 1/f,  tn s
cao (trên 1kHz) nhiu ch yu là nhiu nhi trình v mt
s loi nhiu cm bing gp:

t
2
= 4k
B
 (1.5)
Di tn nhii thông voltage-gain-squared ca h thng
hay mi vi bt k hàm chuyi mng nào A(f) có 1 di tn nhiu
 truyn i A
0
và di tn:

* Nhiễu lượng tử:
n chy qua mt rào th thì s xut hin nhing t, vì s
g dòng qua mt giá tr trung bình gây ra bi s bin t và l
trc phát ra. Dòng nhinh:
I
sh
2
= 2qI
DC
B (1.7)

 q n tích
 I
DC
là dòng DC trung bình
 B là di nhiu.
* Nhiễu 1/f:
Nhiu 1/f gây ra bi s  dn do s tip xúc không hoàn ho
gia 2 lp vt liu. Nó xy ra  bt kì ch nào khi 2 vt tip xúc vi nhau. Nhiu

Barkhausen là hi  n tích bi i không liên tc trong m  t
thông  các vt liu st t khi t   i liên tc. Ngun phát
Barkhausen b ng ln bi s i cu trúc vi mô ca vt liu t và
ng sut. Gc biu ng ph thuc vào
n th bên trong bi các vách domain t khi chúng di chuyn qua vt liu.
T công thc (1.4), ta thy nn tr ca cm bin c i thì nhiu
nhit t ci.  tn s thp, ngun nhiu ch yu là nhiu 1/f (do t ng
gây ra nhiu tc biu din bi công thc:
V
2
1/f

c
) R
2
I
2
 (1.9)

  là hng s hing thun t (hng s Hooge)
 N
c
là s ht ti gây nhiu trong cm bin
 I n qua cm bin và f là tn s 
 c t s SNR ln nht có th, cm bin phi hong phía trên
1/f trong ch  nhiu nhing xy ra  tn s i vi van-
spin, trên 100 MHz i vi tip xúc xuyên ng tn s cao v
mn có th c s d nhn bit ht t c nh c gn
vào t sinh hc, cung c nhy sinh hc ci cho cm bin.
1.3 Cảm biến đo từ trường bằng hiệu ứng từ - điện trở dị hướng (AMR)

vào góc gia  t  và chiu cn. Ngun gc vt lý ca hiu ng
t - n tr ph thuc vào liên kt spin qu o.

 th hin ngun gc vt lý ca AMR.
n t bao quanh mi hi
hình dng ph thung ca momen t và s bin dng ca các
n t ng tán x cn t dng
tinh th. Ta có th gii thích s ph thun tr ca vt dng
ca momen t vi chiu t ng
vuông góc vi chiu c o chuyng cn
t nm trong mt phng cy ch tn ti mt mt ct nh
i vi tán x cn t, dn ti vt dn tr nhc li, khi t
ng áp vào song song vi chin thì qu o chuyng cn 10

t ng vuông góc vi chiu cn, và mt ci vi tán
x cn t n ti vt dn tr cao (xem hình 1.3) [8].
 gii thích hiu ng t - n tr d ng (AMR) trong màng mng ca
vt liu t, gi nh rng,  t hóa trong màng st t u  trng thái
bão hòa 







, khi có s ng ca t ng ngoài s ng ca

R
R
R
RR
bd
l
bd
l
R
pp
pn







n,0



l
p
R
,0
n,0

R

12

Khi ta cp mn th V
in
vào trong mn, ta có:
i tác dng cng ngoài, do s a hiu ng t - n tr
d n tr nên s to ra s i n tr thành phn ca mch
(

. S bii này dn ti s i cn th l
(1.13):


  












c biu din s 













 



 




 
























 (1.14)
(1.12) 13

T công thc (1.14) chúng ta thy s n tr ca hai nhánh lin
k trong mch cu t trit tiêu nhau nên mch cu có th dùng làm mch n nh
nhi và ch to các thit k c bit khác. Mch cc ng
dng nhic ci sc bit là trong các mn t 
  kháng, n cm, n dung trong mch xoay chiu (AC). Trong
mt s b u khi, mch cu Heaviside (mt dng khác ca mch
cu Wheatstone) c s d u khing quay ct ng

CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Phương pháp chế tạo cảm biến
2.1.1 Xử lý bề mặt mẫu

Hình 2.1: Bung x lý mu.
Hình 2.1 là bung x lý m thc hin thao tác làm sch
b mt mu. Các thao tác làm sch và sy khô mc thc hin trong
bung x lý mu. Bung x lý mu bao gm: Súng xì khô, các hóa cht ty ra
c DI. Ngoài ra, b sy khô mu 
các nhi khác nhau, ma thao tác này 
toàn dung môi trên b m SiO
2
.Các thông s có th tùy chnh gm nhi
ct, t gia nhit.Yêu ci vi hotplate trong quá trình nung mu là
nhi luôn luôn phi gi nh cho phép sai s ± 1C [4].
  ch to cm bi Si có ph lp oxi hóa SiO
2
dày t
0.5- m bo n gi và màng vt liu. c khi lng
 c làm sch qua các quy trình sau:
 Rung siêu âm trong axeton 5  loi b ht cht bn và cht h
. 15

 Rung siêu âm trong cn 5  loi b ht dung dch axeton còn bám
.
 Lu trong dung d làm sch hoàn toàn dung dch cn.

16 Hình 2.2: Cu to chung ca mt máy ct laser.
Bung cng cha hot ch  t ch c bit có kh
  i ánh sáng bng phát x ng b  to ra laser. Khi mt
photon ti va chm vào hot cht này thì s t photon khác bt
ng vi photon ti. Mt khác bung cng có hai
mt chn  u, mt mt phn x toàn phn vi các photon khi bay ti, mt
kia cho mt phn photon qua mt phn phn x li làm cho các photon va chm
liên tc vào hot cht laser nhiu ln to m photon ln. Vì th 
c khui lên nhiu ln. Tính cht ca laser ph thuc vào hot cht
 vào hot ch phân loi laser.
 làm vic ca mt máy cng ca hin th
cao, các electron di chuyn t mng thp lên mng cao. 
mng cao, mt s electron s ru nhiên xung mng
thp, bc x hc gi là photon. Các ht photon này s ta ra nhiu
ng khác nhau t mt nguyên t va phi các nguyên t khác, kích thích
electron  các nguyên t ng tip, sinh thêm các photon cùng tn s,
    ng bay, to nên mt phn ng dây chuyn khu i
dòng ánh sáng. Các ht photon b phn x qua li nhiu ln trong vt liu nh
 u sut khui ánh sáng, mt s photon ra ngoài nh có
 ti mu ca vt li

Trích đoạn Thiết bị phún xạ catot Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến

---