TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

DƯƠNG THỊ LINH NHÂM

N G H IÊ N C Ứ U CH É T Ạ O C Ả M B IÉ N D Ạ N G C Ầ U
W H E A S T O N E T H A N H D À I D ự A T R Ê N H IỆ U Ứ N G
TÙ -Đ IỆ N T R Ở D Ị H Ư Ớ N G CÁ U T R Ú C T a/N iF e(15n m )/T a

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Đình Tú

HÀ NỘI - 2015


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Bùi Đình Tú 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, các cô và các anh chị trong phòng thí
nghiệm công nghệ nano đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt thời gian em làm
việc tại phòng.
Trong quá trình thực hiện khóa luận em cũng nhận được 1'ất nhiều sự
giúp đỡ của các thầy cô và các bạn trong trường đại học Sư phạm Hà Nội
2.Em xin trân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô và các bạn.

Hà Nội, ngày tháng

3. Đối tượng nghiên c ú n ....................................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................2
5. Phương pháp nghiên cứu................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỒNG QUAN..................................................................................3
1.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng A M R .........................................................3
1.2. Mạch cầu điện trở Wheatstone................................................................... 5
1.3. Nhiễu cảm b iế n ........................................................................................... 8
1.3.1. Nhiêu nhiệt .......................................................................................................................... 8
1.3.2. Dải tần nhiêu tương đương ....................................................................................... 9
ỉ.3.3. Nhiễu lượìĩg t ử ................................................................................................................. 9
1.3.4. Nhiễu l / f ............................................................................................................................... 9
Ị.3.5. Nhiễu Barkhausen ..................................................................................................... 10
Ket luận chương 1..............................................................................................11
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THựC NGHIỆM.................................12
2.1. Các thiết bị sử dụng trong khóa luận.................................................... 12
2.1.1 Buồng xử lý mâu ........................................................................................................ 12
2.1.2. Thiết bị quay phủ ........................................................................................................ 13


2.Ị.3. Hệ quang khắc ............................................................................................................... 14
2.1.4. Kính hiên vỉ quang h ọ c ............................................................................................ 15
2.1.5. Thiết bị phún xạ ............................................................................................................. 15
2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến................................16
2.2.1. Khảo sát tính chất điện của cảm biến ............................................................. 16
2 . 2 . 2 . Khảo sát tính chất từ của cảm biến ...................................................................17
Ket luận chương 2 ............................................................................................18
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ................................................19
3.1. Quy trình chế tạo cảm biến......................................................................19
3.1.1. Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone ................................................ 20
3.1.2. Chế tạo các điện cực ................................................................................................. 23

Hình 3.3 Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off..................................22
Hình 3.4. (a) Ảnh chụp mask điện cực. (b)Ánh chụp cảm biến sau khi phún xạ
và lift-off............................................................................................ 23
Hình 3.5: Sự thay đổi hiệu điện thế lối ra theo từ trường ngoài trong dải -120
-T 120 Oe với phương từ độ của cảm biến cùng phương với từ
trường ngoài....................................................................................... 24
Hình 3.6. Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều, đo tại lmA:
(Trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong thang đo từ
trường nhỏ.......................................................................................... 25
Hình 3.7. Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều, đo tại các
dòng 1, 2, 3mA: (Trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong
thang đo từ trường nhỏ...................................................................... 26


M Ở ĐÀU
1. Lí 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 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, tôi đã lựa chọn thiết kế cảm biến dạng
mạch cầu Wheatstonehoat 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 NÌ8()Fe20 - là vật liệu từ mềm có lực


CHƯƠNG1
TỎNG QUAN
1.1. Hiệu ửng từ điện trở dị hướng AMR
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:
V

p (0)-p{n )

R(o)-R{H)

n n

p

p(0)

я(о)

u 'u

Trong đó: p(0), p(H), R(0), R(H)lần lượt là điện trở suất, điện trở của vật
dẫn khi không có từ trường ngoài và có từ trường ngoài đặt vào.
Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR - Anistropic magnetoresistance)
kxảy ra trong các kim loại và họp kim sắt từ, sựthay đổi điện trởphụthuộc vào
góc giữa vectơ từ độ và chiều của dòng điện. Nguồn gốc vật lý của hiệu ứng
từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo. Cácđám mây

điệntử bao

màng mỏng có thể xác định thông qua góc ớ góc giữa chiều dòng điện và
vectơ từ độ:
R(0) = Po.n 7 7 + Ap-^-cosớ = R0,„+ AR cos2e
bd
bd

(1.2)

Trong đó:
+ A),«vàAplà hằng số của vật liệu
+ 1 là độ dài của màng mỏng
+ b là độ rộng của màng mỏng
+ d là độ dày của màng mỏng
+ R0nvàp ữn là điện trở và điện trở suất khi vectơ từ độ vuông góc
với trục dễ từ hóa
+ ầRvầầp là độ thay đổi điện trở và điện trở cực đại khi có tác dụng
của từ trường ngoài
Từ (1.2) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào в như hình 1.2.

4


Hình 1.2: Giá trị điện trở thay đói phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và
hướỉĩg của vectơ từ hóa

1.2. 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 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

1 A D C 1X4

V,

R

I + /?2

Ỵjn
R4 + R3

R,

Khi đó:
V ,

V,

= v a b - v ad =

Rị + /?2

_

V,

R,

R ạ "I"


= 0

R r R 3 - R 2R 4

d>

rl

/?-,
‘2

= r± = }_
/?-, 'r
"3

(1.5)

Khi đó, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình 1.4 khi có sự thay đổi
của điện trở của các điện trở thành phần trong mạch cầu, với sự thay đổi điện
trở là nhỏ hơn 5% như công thức 1.6:
r

AV,=

(l + r )

( AR {
V ^1

AR 2

Trong thiết kế sensor dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện
trở bằng nhau Ri = R 2 =

R 3

=

R 4.

Chúng tôi chọn NỈ8 ()Fe20 làm vật liệu chế tạo

các điện trở vì NỈ8oFe2 o là một vật liệu từ mềm (Hc ~10 Oe), rất thích họp để

1


chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường nhỏ.
Cảm biến 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
cảm biến 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, nhung khi chịu
tác dụng của từ trường thì mạch cầu không còn cân bằng nữa. Khi đó ta sẽ đo
được tín hiệu lối ra của cảm biến.
1.3. Nhiễu cảm biến
Tín hiệu lối ra của cảm biến luôn bị tác động bởi các nhân tố của môi
trường bên ngoài như nhiệt độ, tần số..., những ảnh hưởng 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).


(1.9)

1.3.2. Dải tẩn nhiễu tương đương
Dải thông tiếng ồn là dải thông voltage-gain-squared của hệ thống hay
mạch. Đối với bất kỳ hàm chuyển đổi mạng nào, A(f), có 1 dải tần nhiễu
tương đương với biên độ truyền không đổi Ao và dải tần:
(1.10)
1.3.3. Nhiễu lượng tử
Khi dòng điện chạy qua một rào thế thì sẽ xuất hiện nhiễu lượng tử, vì sự
thăng giáng dòng qua một giá trị trung bình gây ra bởi sự biến thiên điện tử và
lỗ trống được phát ra. Dòng nhiễu được xác định:

Trong đó q là điện tích, IDC là dòng DC trung bình và B làdải nhiễu.
1.3.4. Nhiễu l / f
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:

9


—

sqrt(B)

Với


cho cảm biến.

10


Kết ỉuận chương 1

Trong chương 1, chúng tôi đã trình bày về hiệu ứng từ điện trở, mạch
cầu Wheatstone và các loại nhiễu cảm biến. 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 cảm biến. Qua nghiên cứu về một số loại nhiễu thì cảm biến nào cũng
bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt, do đó chúng tôi đã lựa chọn mạch cầu
Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm nhiễu nhiệt.

11


CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1. Các thiết bị sử dụng trong khóa luận
2.1.1 Buồng x ử lý mẫu

r

£
0 (1 6

Hình 2.1. Buồng xử lý mâu
Các thao tác làm sạch và sấy khô mẫu đều được thực hiện trong buồng

A

A

«M »

_ /■

V

V

A

0

Tmt

V

r

Hình 2.2. Thiết bị quay phủ SussMỉcroTec và bảng điều khiến
Thiết bị quay phủ gồm 3 bộ phận chính: buồng quay phủ, bơm hút chân
không và bảng điều khiển.
Trong buồng quay phủ có một trục quay thẳng đứng, trên đầu trục là một
lỗ nhỏ dùng để hút chân không giữ mẫu. Buồng có nắp đậy ở trên để ngăn
chặn bụi rơi vào mẫu khi quay phủ và giữ an toàn cho người sử dụng khi mẫu
được quay với tốc độ cao. Hệ thống chống rung giúp máy vận hành êm, giảm
thiểu hạt sinh ra trong quá trình quay phủ.

- Tiếp xúc chân không thấp (Low Vacuum Contact): Đối với các mẫu dễ
vỡ ta có thế quang khắc bằng chế độ chân không thấp. Tiếp xúc chân không

14


thấp giúp giảm tác động đến mẫu hơn tiếp xúc chân không thường, đồng thời
cho độ phân giải cao hơn tiếp xúc xa và gần...
Độ phân giải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích cỡ tấm nền, độ phang,
chất lượng của màng cảm quang phủ trên đế, điều kiện phòng sạch ,...
2.1.4. Kính hiến vỉ quang học
Kính hiểu vi quang học dùng để quan sát các vật thế có kích thước nhỏ
mà mắt thường không thể quan sát được bằng cách tạo ra hình ảnh phóng đại
của vật thể đó.
v ề nguyên lý, kính hiển vi quang học có thể tạo độ phóng đại lớn tới vài
ngàn lần, nhưng độ phân giải của các kính hiển vi quang học truyền thống bị
giới hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng và cho bởi:

Trong

đỏ: Ẫ

là bước sóng ánh sáng,

N A \ầ

thông số khẩu độ.

Trong luận văn 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

Supply P3030D và thế lối ra được đo bằng máy đo Keithley 2000.

16


Trong quá trình tiến hành đo, sensor được đặt trong từ trường một chiều
được tạo ra bởi một nam châm điện. Cường độ từ trường được đo bằng máy
đo từ trường Gaussmeter. Các thiết bị hiển thị từ trường và thế ra của cảm
biến đều được ghép nối với máy tính cho phép ghi nhận số liệu một cách
chính xác và đầy đủ.

Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiêm đo hiệu ứỉĩg từ điện trở
2.2.2. Khảo sát tính chất từ của cảm biến
Mang rung
(Tin hiệu chuẩn)
Cuộn Helmholtz
lạo tử trường 1 chiều..........

A
Ị Dao
Khuyếch đại
Lock-in

Tiến khuyêch đại

Cuộn thu tin hiệu
(pick-up coil)'
Buống mẫu

Mầu