TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LY
LƯU THỊ LAN ANH
NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU
WHEATSTONE DựA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ - ĐIỆN TRỞ DỊ
HƯỚNG CẤU TRÚC Ta/NiFe(10nm)/Ta
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA
LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC • • • •
Người hưótig dẫn khoa học: TS. BÙI ĐÌNH TỦ
HÀ NỘI - 2015
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. BÙI ĐÌNH TÚ,
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 xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong 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
LỜIđược
CAM
đỡ và tạo điều kiện trong suốt thời gian em
họcĐOAN
tập nghiên cứu.
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.
FIELD
sensor đo từ trường và dải đo của chủng
Magnetic
Sensor
Technology
RANGE (gauss)* 10'8 10-* 10° 104 108
SQUID FIBER-OPTIC
OPTICALLY PUMPED
NUCLEAR PRECESSION SEARCH-COIL
ANISOTROPIC
MAGNETORESISTIVE FLUX GATE
MAGNETOTRANSISTOR
MAGNETODIODE MAGETOOPTICAL SENSOR GIANT
MAGNETORESISTIVE HALLEFFECT SENSOR
EARTH’S FIELD
ƯU điểm của các sensor quang là đáp ứng nhanh, độ chính xác cao nhưng
công nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng và bị ảnh hưởng bởi môi trường thời tiết[5].
4
Với mục tiêu chế tạo 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 quy trình công
nghệ, giảm chi phí sản xuất, chúng tôi đã lựa chọn thiết kế cảm biến dạng mạch cầu
Chế tạo cảm biến với vật liệu NÌ8oFe2o
-
Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo
5. Nội dung khóa luận bao gồm
Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THựC NGHIỆM
5
Chương 3: THựC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
6
CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN
1.1.
Hiệu ứng từ điện trở
Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một
vật dẫn dưới tác động của từ trường, được xác định bằng công thức: MR= A p / p
= [ p ( 0 ) - p ( H ) ] / p ( 0 ) = [R(0)-R(H)]/R(0)
1.1.1.
(1.1)
trạng thái bão hoà nhất (bão hoà ở từ trường cao)[2].
Ap/p
Hình 1.2: Sự thay đối của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài Lý
thuyết của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR trong các màng mỏng bằng vật liệu sắt từ
rất phức tạp. Đe đơn giản, đầu tiên ta giả định rang, vector từ hóa trong màng sắt từ
ban đầu ở trạng thái bão hòa M s, khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay
đổi hướng 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 hướng của vector từ độ (vector từ
hóa) và mối quan hệ giữa hướng của vector từ độ và từ trường ngoài.Điện trở của
màng mỏng có thể xác định thông qua góc 6 - góc giữa chiều dòng điện và vector từ
độ:
R(6) = pữn -Ị— + Ap^-cosỡ = Rữ + Aflcos2 e '
bd ba
A R r____^ ^
1
A/?_____________________A R
= ^o,p + 2 [C0S(2Ỡ) + 0 =
R
0,p
+ ~Y~+
Trong đó:
8
9
Hình 1.4: Mô hình hiệu ứng Hall phắng Ở đây ta cần chú ý đến
sự khác nhau cơ bản giữa hiệu ứng Hall thường, hiệu ứng Hall dị hướng và hiệu ứng
Hall phang. Neu trong hiệu ứng Hall thường và dị thường từ trường ngoài vuông góc
với mặt phang mẫu thì trong hiệu ứng Hall phang từ trường ngoài phải đặt song song
với mặt phang mẫu (hình 1.5).
Classic Hall
Hình 1.5: Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Halỉ thường và hiệu
ứng Hall phang
Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là do trong hiệu ứng Hall thường, thế Hall
xuất hiện do lực Lorentz của từ trường ngoài tác dụng lên các hạt mang điện, còn
trong hiệu ứng Hall phang nó lại phụ thuộc vào góc giữa từ độ của mẫu và chiều
dòng điện, về bản chất đây chính là đặc thù của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR.
1
0
Hình 1.6: Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phắng và thế AMR Hiệu
ứng Hall phang được tìm thấy trong vật liệu từ khi điện trở của vật liệu phụ thuộc
vào góc giữa phương của dòng điện I và từ độ của mẫu M. Dưới tác dụng của dòng
Ix đặt theo phương X , nếu từ trường ngoài H hợp với dòng điện ĩx một góc 0 thì véctơ
từ độ của mẫu M nằm trong mặt phang của cảm biến sẽ lệch một góc 0 so với
phương của dòng điện Ix, khi đó sẽ có thế ra Vy xuất hiện theo phương vuông góc với
dòng điện Ix [3]:
Vy = Ix ÀRsinBcosớ
E- Hex Ằ/s tp cos(ß Op) + Kup tp sin ỡp
-
M sp tp H COS (a - ỡp) + K üf tf sin2ớf - MtftfH cos(a - 0f) - Jcos(ỡf - 0p)
(1.4)
Trong đó: E là năng lượng từ trên một đơn vị diện tích của lớp sắt từ tự do; H
là cường độ từ trường ngoài tác dụng lên mẫu; tf và tp là độ dày lóp sắt từ tự do và
lớp sắt từ bị ghim; ớf, Op là góc giữa từ độ của lớp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim
đối với phương trục dễ của lóp sắt từ tự do; M Sf5 MSp lần lưọt là từ độ bão hòa của
lóp sắt từ tự do và lóp sắt từ bị ghim; Kuf và Kup là hằng số dị hướng từ hiệu dụng của
lóp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim; Hex là từ trường ghim (trường trao đổi dịch
được sinh ra do tương tác giữa lóp phản sắt từ với lớp sắt từ bị ghim); J là hệ số liên
kết bề mặt giữa lóp sắt từ bị ghim và lớp sắt từ tự do; a là góc giữa từ trường ngoài
với trục từ hóa dễ của lóp bị ghim; ß là góc giữa từ trường trao đối dịch với trục dễ
của lóp bị ghim.
1
2
Thế ra Hall phẳng được viết lại như sau:
Vv = — ỈAR sin 26 * I ầ R
y
2
Neu tương tác
1
3
1.2.1.
Nhiễu nhiệt
Nhiễu nhiệt là thành phần nhiễu sinh ra do các thành phần điện trở. Trong dải
tần số A/, độ lớn của nhiễu nhiệt được tính theo công thưc (1.8):
- №sTRDCAf
(1.8)
Trong đó:
+ T là nhiệt độ tuyệt đối (K)
+ RDC là điện trở của sensor (trong dòng DC )
+ À/dải tần số của phép đo +
kB là hang so Boltzmann
Nhiễu nhiệt
cótrong tất cả các loại
Johnson), phụ thuộcvào
thành phần cấu tạo
cảm biến (còn
của
gọi là
(1.11)
Trong đó: q là điện tích, IDC là dòng DC trung bình và B
là dải nhiễu
1.2.4.
Nhiễu 1/f
1
4
Nhiễu l/f gây ra bởi sự dao động độ dẫn do sự tiếp xúc không hoàn hảo giữa 2
lóp vật liệu. Nó xảy ra ở bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp xúc với nhau. Nhiễu l/f tỷ lệ
thuận với giá trị dòng 1 chiều. Mật độ năng lượng biến thiên tỷ lệ nghịch với tần số
l/f. Dòng nhiễu If trên căn bậc 2 của dải thông có được thể hiện như sau:
ĩf______KxỊpc
sqrt(B
sqrt(f)
(1.12)
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[l 1].
1.2.5.
Nhiễu Barkhausen
Nhiễu Barkhausen bắt nguồn từ các hiệu ứng Barkhausen. Nhiễu Barkhausen
là hiện tượng điện tích biến đối không liên tục trong mật độ từ thông ở các vật liệu
sắt từ khi từ trường thay đổi liên tục. Nguồn phát Barkhausen bị ảnh hưởng lớn bởi
được mô tả lần đầu vào năm 1833 bởi Samuel Hunter Christie (1784-1865). Tuy
nhiên sau đó Sir Charles Wheatstone 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 đối
của trở kháng[14].
Cấu trúc một mạch cầu Wheatstone cơ bản gồm có bốn điện trở Rị, R2, R3,
R4 được mắc song song với nhau. Một điện kế G có độ nhạy cao được dùng để đo
thế ra của mạch. Giả sử ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch, khi đó ta có:
v
m = V ABC = V AĐC
=* l ABC { R \+ R 2) = ỉ ADC (*4 +*3)
VAB = IABC*I=-^-*-1 *1 + ^2
^AD=ỈADC^A=^TrR1
A4 + A3
^ = ^ - ^ = ^ 1-7^4
_
R1R2-R2R4
( R l + R 2){ R A + R 3 )
in
v
(1
Với ưu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, chúng tôi đã chọn mạch cầu
Wheatstone làm cấu hình sensor đế giảm tối đa ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt
là nhiễu nhiệt, do đó tỉ số tín hiệu/nhiễu (signal/noise) sẽ lớn. Trong thiết kế sensor
dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện trở bằng nhau Ri = R 2 = R3 =
R4. Chúng tôi chọn Ni8()Fe2o làm vật liệu chế tạo các điện trở vì Ni 8()Fe2o là một vật
liệu từ mềm (Hc < 10 Oe), rất thích hợp đế chế tạo các sensor có độ nhạy cao và ổn
định trong vùng từ trường nhỏ. Sensor mạch cầu Wheatstone được 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 sensor trong từ trường, trở kháng của các điện trở sẽ thay đổi không
giống nhau do phương từ hóa của các điện trở trong mạch được chế tạo khác nhau.
Vì vậy, khi chưa tác dụng từ trường thì mạch cầu cân bằng, nhưng khi chịu tác dụng
1
7
của từ trường thì mạch cầu không còn cân bằng nữa. Khi đó ta sẽ đo được tín hiệu
lối ra của sensor.
1.4.
Kết luận chương 1
Trong chương 1, chúng tôi đã trình bày các hiệu ứng từ điện trở, hiệu ứng
Hall phang, các loại nhiễu sensor và sensor dạng cầu Wheatstone. Ở chương này,
chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết của hiệu ứng từ điện trở và chọn hiệu ứng này làm
cơ sở chế tạo sensor. Qua nghiên cứu về một số loại nhiễu thì sensor nào cũng bị ảnh
hưởng bởi nhiễu nhiệt, do đó chúng tôi đã lựa chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu
hình sensor để giảm nhiễu nhiệt.
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁPTHựC NGHIỆM
Hệ quang khắc
Khi chế tạo sensor chúng tôi sử dụng máy quang khắc MJB4 (Suss
microtech). 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 đại khoảng 80 mw/cm2, độ phân giải tối đa là 0,5
Ịim.
Hình 2.2. Thiết bị quang khắc MJB4
Các chế độ làm việc của Hệ quang khắc MJB4:
-
Tiếp xúc xa (Soft Contact): Chế độ tiếp xúc xa có thế đạt được độ phân giải
2,0 jam. Độ phân giải cuối cùng phụ thuộc chủ yếu vào quy trình kỹ thuật
như phạm vi quang phố, khoảng cách giữa mặt nạ và tấm nền...
-
Tiếp xúc gần (Hard Contact): Ở chế độ này, khoảng cách giữa mẫu và mặt nạ
được rút ngắn hơn nhờ một hệ thống đẩy bằng khí nitơ ở dưới mẫu. Độ phân
1
9
giải có thể đạt được đến 1,0 Ịim.
-
Trong đó: Ả là bước sóng ánh sáng, NA là thông số khẩu độ.
Trong khóa luận này, chúng tôi dùng kính hiển vi quang học Ml (carl Zeiss)
với độ phóng đại tối đa là 1000 lần được đặt trong phòng sạch tại phòng thí nghiệm
micro - nano của trường Đại học Công nghệ. Sau khi quang khắc và tráng rửa mẫu,
kính hiển vi là phương tiện hữu hiệu để kiểm tra và đánh giá mức độ thành công của
quá trình quang khắc.
2
0
2.1.4.
Buồng xử lý mẫu
Các thao tác làm sạch, sấy khô, tráng rửa mẫu đều được
thực hiện trong buồng xử lý mẫu. Buồng xử lý mẫu bao gồm
bếp nung, súng xì khô, các hóa chất tẩy rửa như cồn,
axeton, nước DI, dung dịch developer AZ300MIF. Axeton có
tác dụng làm sạch đế silic trước khi chế tạo sensor và
làm bong phần màng có phủ photoresist, cồn có tác dụng
làm rửa trôi axeton còn dính trên đế. Nước DI làm sạch
lượng cồn bám trên đế silic. Dung dịch developer có tác
dụng làm cho phần cần tạo quang khắc hiện hình trên lớp
cản quang.
Вер nung (hotplate) dùng để sấy khô mẫu ở các nhiệt độ khác nhau và đóng
rắn lớp cản quang trước và sau khi quang khắc. Các thông số có thể tùy chỉnh gồm
nhiệt độ cần đặt, tốc độ gia nhiệt. Yêu cầu đối với hotplate trong quá trình nung mẫu
là nhiệt độ luôn luôn phải giữ ổn định cho phép sai số ± l°c trong quá trình nung
mẫu đã phủ màng cản quang [12].
I
2
thường không lớn do bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép và sự tỏa nhiệt làm
nóng cuộn dây. Nam châm kiểu này chỉ tạo được từ trường cực đại cỡ một vài Tesla.
Đe khảo sát tính chất từ và quá trình từ hóa của màng mỏng từ chúng tôi sử
dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7430 ở nhiệt độ phòng tại PTN Micro Nano, Trường Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN (xem hình 2.5b)
(a)
(b)
Hình 2.5: (a) Sơ đỗ nguyên lý của thiết bị từ kế mẫu rung
(b) Thiết bị từ kế mẫu rung VSM
2.2.2.
Khảo sát tính chất từ đỉện trở của sensor
Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu trong khóa luận được thực hiện thông qua
việc khảo sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra (hoặc điện trở) của cảm biến dưới tác
dụng của từ trường. Trong khóa luận này, hiệu ứng từ điện trở của cảm biến được
nghiên cứu nhờ vào hệ đo được bố trí như hình 2.6.
4 chân được nối với cảm biến: 2 chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một
chiều DC Current Source. 2 chân còn lại để lấy thế lối ra và được đo bằng máy đo
Keithley 2000.
Nam châm điện tạo từ trường một chiều lên tới 1T.
2
3
Hình 3.1: Sơ đồ chung về quy trình chế tạo sensor Như đã trình bày
trong phần mạch cầu điện trở Wheatstone, chúng tôi đã chọn mạch cầu điện trở
Wheatstone làm cấu hình chế tạo sensor. Mục đích của sự lựa chọn này là do mạch
cầu Wheatstone có khả năng giảm tối đa nhiễu của môi trường. Theo đó, trong mạch
cầu sẽ có bốn điện trở, và bốn điện trở này sẽ có kích thước bằng nhau. Cụ thể,
chúng tôi sẽ tiến hành chế tạo loại mạch cầu điện trở: với điện trở có dạng hình chữ
nhật có kích thước 0,45 mm X 4 mm và bề dày lớp màng là 10 nm. Chúng tôi cũng
đã lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là Ni 8()Fe20 - một loại vật liệu từ mềm (có
lực kháng từ Hc cỡ 3 Oe -ỉ- 5 Oe), rất thích hợp đế chế tạo các sensor có độ nhạy cao
và ổn định trong vùng từ trường nhỏ. Đe nối các thanh trở trong một điện
trở và để nối các điện trở với nhau, chúng tôi chọn Cu vì Cu dẫn điện tốt. Do các
điện trở trong mạch cầu có kích thước nhỏ nên chúng tôi đã tiến hành chế tạo điện
cực bằng Cu để hàn dây đo tín hiệu sensor. Chúng tôi đã sử dụng công nghệ quang
2
5
Copyright: Tài liệu đại học ©