-1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SENSOR ĐO TỪ
TRƯỜNG THẤP DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA
TRÊN MÀNG MỎNG TỪ NiFe CẤU TRÚC NANO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Hà Nội - 2012


-2-

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SENSOR ĐO TỪ
TRƯỜNG THẤP DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA
TRÊN MÀNG MỎNG TỪ NiFe CẤU TRÚC NANO

Chuyên ngành: Vật liêụ và linh kiêṇ Nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO
Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Mậu Danh


Chương 2. Các phương pháp thực nghiệm ................................................................. 22
2.1
Các thiết bị sử dụng trong luận văn.............................................................. 22
2.1.1 Thiết bị quay phủ ................................................................................... 22
2.1.2 Hệ quang khắc ....................................................................................... 23
2.1.3 Kính hiển vi quang học .......................................................................... 24
2.1.4 Buồng xử lý mẫu .................................................................................... 24
2.1.5 Thiết bị phún xạ ..................................................................................... 25
2.2
Các phương pháp khảo sát tính chất của sensor ........................................... 26
2.2.1 Khảo sát tính chất điện của sensor .......................................................... 26
2.2.2 Khảo sát tính chất từ của sensor ............................................................. 26
2.3
Kết luận chương 2 ....................................................................................... 27
Chương 3. Thực nghiệm và kết quả ........................................................................... 28
3.1
Quy trình chế tạo sensor .............................................................................. 28
3.1.1. Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone.............................................. 29
3.1.2. Chế tạo các điện cực .............................................................................. 32
3.2
Kết quả và thảo luận .................................................................................... 34
3.2.1 Kết quả khảo sát tính chất điện của sensor.............................................. 34
3.2.2 Sự phụ thuộc thế ra của sensor vào dòng điện một chiều ........................ 40
3.2.3 So sánh sensor có chiều dày màng của điện trở khác nhau ..................... 43
3.2.4 So sánh sensor có kích thước điện trở khác nhau .................................... 45
3.2.5 So sánh tính chất điện của sensor và màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) .......... 47
3.2.6 Khảo sát đáp ứng của sensor với từ trường trái đất ................................. 49


-6-


Bảng 3.6

Một số thông số của sensor có kích thước điện trở khác........................42

Bảng 3.7

Một số thông số của màng NiFe với chiều dày khác nhau.....................44

Bảng 3.8

Một số thông số khi khảo sát đường cong từ hóa của màng mỏng NiFe

với chiều dày thay đổi...................................................................................................48


-8-

Danh mục các đồ thị, hình vẽ
Hình 1.1

Sự thay đổi của điện trở do tác động của từ trường ngồi……………...8

Hình 1.2

Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dịng điện chạy qua và

hướng của vector từ hố……………………………………………………………......9
Hình 1.3



Hình 2.4

Máy phún xạ catot ATC-2000FC………………………………………21

Hình 2.5

Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở của sensor…………....23

Hình 2.6

Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung..........................................................23

Hình 3.1

Sơ đồ chung về quy trình chế tạo sensor.................................................25

Hình 3.2

Điện trở mạch cầu sau khi tráng rửa………………….........…………..28

Hình 3.3

Điện trở mạch cầu sau khi phún xạ và lift- off………………………...29

Hình 3.4

Ảnh chụp mask điện cực.........................................................................30

Hình 3.5

Hình 3.11

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra điện trở thành phần của sensor vào

từ trường ngồi……………………………………………………………………......36
Hình 3.12

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của các sensor có chiều dày khác

nhau vào từ trường ngồi…………………………………………………………….37
Hình 3.13

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của các sensor có kích thước điện

trở nhỏ vào từ trường ngồi………………………………………………………….38
Hình 3.14

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của các sensor có kích thước điện

trở khác nhau vào từ trường ngồi…………………………………………………...38
Hình 3.15

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của màng NiFe có chiều dày khác

nhau vào từ trường ngồi…………………………………………………………….40
Hình 3.16

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu đi và về của sensor vào góc định

hướng giữa trục của sensor và từ trường Trái đất……………….........……………....41

với

nhau...............................................................................................................................42
Hình 3.19

Đồ thị khảo sát tính chất từ của màng NiFe với chiều dày khác nhau theo

hai phương song song và vng góc.............................................................................43


-10-

Mở đầu
Trên thế giới có nhiều loại sensor khác nhau ứng dụng để đo và phát hiện từ
trường, trong đó chủ yếu là các sensor dựa trên hiệu ứng quang và từ như cảm biến
SQUID (giao thoa lượng tử siêu dẫn), sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa trên từ
điện trở dị hướng, Flux-Gate…được liệt kê trong bảng 1[12].
Bảng 1. Các loại sensor đo từ trường và dải đo của chúng

Ưu điểm của các sensor quang là đáp ứng nhanh, độ chính xác cao nhưng cơng
nghệ chế tạo phức tạp, dễ bị hỏng và bị ảnh hưởng bởi môi trường thời tiết [8]. Sensor
từ có nhiều ưu điểm như độ nhạy và độ chính xác cao, điều kiện làm việc ít bị ảnh
hưởng bởi mơi trường bên ngồi. Do đó, sensor từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
của cuộc sống. Một trong những ứng dụng thỏa sơ khai là dị tìm phương hướng đi cho
các con tàu trong ngành hàng hải. Ngày nay, với kích thước nhỏ, độ nhạy cao, dễ
tương thích với các mạch điện tử, sensor từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực như y sinh, quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, cơng nghệ hàng khơng vũ trụ,
cảm biến đo dịng, cảm biến đo từ trường nhỏ… Phổ biến nhất trong sensor từ là các
sensor dựa trên hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng cảm ứng điện từ và hiệu ứng từ điện
trở, trong đó sensor dựa trên hiệu ứng Hall phẳng và hiệu ứng từ điện trở là hai hướng

trong vịng 20 năm đầu tiên của thế kỷ 21.
Ngồi phần mở đầu và kết luận, bố cục của luận văn gồm có các phần sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm
Chương 3: Thực nghiệm và kết quả


-12-

Chương 1. Tổng 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 =  /ρ = [ρ(0)- ρ(H)]/ρ(0) = [R(0)-R(H)]/R(0)

(1.1)

trong đó: ρ(0), ρ(H), R(0), R(H) lần lượt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn
khi khơng có từ trường ngồi và có từ trường ngồi đặt vào.
1.1.1 Hiệu ứng từ trở dị hướng AMR
Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR - Anisotropic magnetoresistance) xảy ra
trong các kim loại từ tính, đó là hiện tượng thay đổi điện trở dưới tác dụng của từ
trường do lực Lorentz tác dụng lên các hạt tải điện, sự thay đổi điện trở này sẽ phụ
thuộc vào góc giữa vecto từ độ và chiều dòng điện [1]. Bản chất vật lý của hiệu ứng
AMR là do tương tác spin-quỹ đạo dẫn tới sự tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử
dẫn. Trong thực tế, các sensor từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng màng
mỏng sao cho trên màng tồn tại hai phương từ hóa: phương dễ và phương khó. Phương

R( )   0, n
 R0 , p

(1.2)

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
R0, p là điện trở khi vector từ độ vng góc với trục dễ từ hóa
R là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trường ngồi

Từ (1.2) ta có đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của R vào  như hình 1.2.

Hình 1.2. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dịng điện
chạy qua và hướng của vector từ hoá
1.1.2 Hiệu ứng Hall phẳng
Bản chất của hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall effect) cũng tương tự như hiệu
ứng AMR đó là tín hiệu lối ra phụ thuộc vào góc giữa từ độ và dịng qua cảm biến.


-14-

Dựa vào sự tán xạ của điện tử theo phương từ độ của lớp sắt từ, khi cho dòng điện I
chạy qua cảm biến theo hướng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ M tạo ra
điện trường E theo hướng của từ độ M. Điện trường E này tạo ra hiệu điện thế V theo
hướng y vng góc với dịng điện (hình 1.3).
x

1

IR sin 2

2

I
Thế Hall
phẳng

V ( ) 

V
2



V

cos( 2 )

Thế AMR

2

Hình 1.5. Mơ hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế ARM
Hiệu ứng Hall phẳng được tìm thấy trong vật liệu từ khi điện trở của vật liệu
phụ thuộc vào góc giữa phương của dịng điện I và từ độ của mẫu M. Dưới tác dụng
của dịng Ix đặt theo phương x, nếu từ trường ngồi H hợp với dịng điện Ix một góc θ
thì véctơ từ độ của mẫu M nằm trong mặt phẳng của cảm biến sẽ lệch một góc θ so với

do và lớp sắt từ bị ghim; Hex là từ trường ghim (trường trao đổ i dich
̣ đươ ̣c sinh ra do
tương tác giữa lớp phản sắ t từ v ới lớp sắt từ b ị ghim); J là hệ số liên kết bề mă ̣t gi ữa
lớp sắt từ bị ghim và lớp s ắt từ tự do; α là góc giữa từ trường ngồi với trục t ừ hóa dễ
của lớp bị ghim; β là góc giữa từ trường trao đổi dịch với trục dễ của lớp bi ̣ghim.
Thế ra Hall phẳng được viết lại như sau:
1
2

((0(0)(0i( V y  IR sin 2  IR

H
d()
H K  H ex

(1.5)

Nếu tương tác trao đổi giữa lớp sắt từ bị ghim và lớp phản sắt từ đủ mạnh, góc
giữa từ độ và trục từ hóa dễ của lớp sắt từ bị ghim được cố định ở vùng từ trường thấp
thì θp tiến tới 0.
Khi góc θ nhỏ, cos θ ≈ 1, đáp ứng thế lối ra Hall phẳng gần như là một đường
tuyến tính theo từ trường ngồi nên độ nhạy của sensor được tính theo cơng thức [3]:
S

1.2

Vy
IH



Trong đó
+ T là nhiệt độ tuyệt đối (K)
+ RDC là điện trở của sensor (trong dòng DC )
+ Δf dải tần số của phép đo
+ kB là hằng số Boltzmann.
Nhiễu nhiệt có trong tất cả các loại sensor (còn gọi là nhiễu Johnson), phụ thuộc
vào thành phần cấu tạo của điện trở. Trong một vài trường hợp, nó thể hiện dưới dạng
nhiễu dịng nguồn phát của cường độ [11-18]:
It2 = 4kBT Δf /R

(1.9)

1.2.2 Dải tần 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 A0 và dải tần:

(1.10)


-18-

1.2.3 Nhiễu lượng tử
Khi dòng điện chạy qua một rào thế thì sẽ xuất hiện nhiễu lượng tử, vì sự thăng
gián dịng qua một giá trị trung bình gây ra bởi sự biến thiên điện tử và lỗ trống được
phát ra. Dịng nhiễu được xác định:
I sh2 = 2qIDCB

(1.11)



Trong đó γ là hằng số hiện tượng thuận từ (hằng số Hooge), Nc là số hạt tải gây
nhiễu trong sensor, I là dòng điện qua sensor và f là tần số đo. Để đạt được tỷ số SNR
lớn nhất có thể, sensor phải hoạt động phía trên 1/f trong chế độ nhiễu nhiệt, thường
xảy ra ở tần số vài trăm kHz đối với van-spin, nhưng trên 100 MHz đối với tiếp xúc


-19-

xuyên ngầm. Các phép đo ở tần số cao về mặt cơ bản có thể được sử dụng để nhận biết
hạt từ có kích thước nhỏ được gắn vào từng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy
sinh học cực đại cho sensor.
1.3

Mạch cầu điện trở Wheatstone

Hình 1.7. Mạch điện trở dạng cầu 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 vẫn là phương pháp hiệu nghiệm chính xác
khi đo lường giá trị thay đổi của trở kháng [7].
Cấu trúc một mạch cầu Wheatstone cơ bản gồm có bốn điện trở R1, 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:


-20-

(1.14)

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


-21-

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 của từ trường thì
mạch cầu khơng cịn 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

phẳng, 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 tơi đã lựa chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor để
giảm nhiễu nhiệt.


-22-

Chương 2. Các phương pháp thực nghiệm
2.1

Các thiết bị sử dụng trong luận văn

2.1.1 Thiết bị quay phủ
Khi thực hiện q trình quay phủ chất cản quang, chúng tơi sử dụng thiết bị

2,0 µm. Độ phân giải cuối cùng phụ thuộc chủ yếu vào quy trình kỹ thuật như phạm vi
quang phổ, 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 giải có
thể đạt được đến 1µm.
- Tiếp xúc chân khơng (Vacuum Contact): Chế độ này giúp đạt được độ phân
giải cao hơn tiếp xúc xa và gần vì khoảng cách giữa mặt nạ và mẫu tiếp tục được giảm.
Để đạt được độ phân giải cao nhất thì độ dày lớp cảm quang phủ trên mẫu cũng cần
được tối ưu hóa.
- Tiếp xúc chân khơng thấp (Low Vacuum Contact): Đối với các mẫu dễ vỡ ta
có thể quang khắc bằng chế độ chân khơng thấp. Tiếp xúc chân không 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 phẳng, chất
lượng của màng cảm quang phủ trên đế, điều kiện phòng sạch,...


-24-

2.1.3 Kính hiển vi quang học
Kính hiểu vi quang học dùng để quan sát các vật thể có kích thước nhỏ mà mắt
thường không thể quan sát được bằng cách tạo ra hình ảnh phóng đại của vật thể đó.
Về ngun 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:

d


2 NA

Hình 2.4. Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC
Quá trình phún xạ màng được thực hiện bằng thiết bị phún xạ catot ATC2000FC. Thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính là: buồng phún xạ, bảng điều khiển,
hệ thống van bơm, hút chân không.
Hệ thống bơm chân không gồm hai bơm chân không kết nối với nhau là bơm
Turbo phân tử và bơm cơ học thơng qua các valve. Các valve này có thể đóng mở tự
động nhờ vào việc điều khiển các dịng khí nén. Bơm Turbo có thể tạo chân khơng cao
10-8 đến 10-9 Torr, tốc độ đạt được chân không nhanh và không làm nhiễm bẩn buồng
chân không do không dùng cơ chế đốt nóng bằng dầu như bơm khuếch tán.
Hệ thống phún xạ catot có hai buồng chân khơng được kết nối với nhau thông
qua một vách ngăn là buồng chính và buồng phụ. Mẫu được đưa vào buồng phụ trước,
sau đó mới đưa vào buồng chính.
Bia là các tấm vật liệu (Cu, Fe, Ta, FePt, IrMn, FeCo, NiFe…) hình trịn dày
3mm đường kính 2 inch. Mỗi bia được đặt trên một nguồn phún xạ, các bia vật liệu từ
được đặt trên các nguồn RF, còn các bia vật liệu phi từ được đặt trên các nguồn DC.


-26-

2.2

Các phương pháp khảo sát tính chất của sensor

2.2.1 Khảo sát tính chất điện của sensor
Để khảo sát tính chất điện của sensor, chúng tôi tiến hành đo hiệu ứng từ điện
trở trên sensor. Sơ đồ bố trí hệ đo được minh họa trên hình 2.5. Dịng điện khơng đổi
được cấp bởi một nguồn dòng một chiều Dual DC Power Supply P3030D và thế lối ra
được đo bằng máy đo Keithley 2000.
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

xạ, các hóa chất như cồn, axeton, chất cản quang, dung dịch developer... Chúng tơi
cũng đã trình bày phương pháp đo hiệu ứng từ điện trở và phương pháp đo từ kế mẫu
rung để khảo sát tính chất điện và từ của sensor.