Nghiên cứu chế tạo Sensor đo từ trường thấp dạng cầu Wheatstone dựa trên màng mỏng từ NiFe cấu trúc Nano

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào từ trường ngoài khi góc giữa phương từ hóa của sensor và dòng điện thay đổi………...34 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc t

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Hà Nội - 2012

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 liê ̣u và linh kiê ̣n 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

Hà Nội - 2012

Section 1.01

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng

Danh mục các đồ thị, hình vẽ

Mở đầu 10

Chương 1 Tổng quan 12

1.1 Hiệu ứng từ điện trở 12

1.1.1 Hiệu ứng từ trở dị hướng AMR 12

1.1.2 Hiệu ứng Hall phẳng 13

1.2 Nhiễu sensor 16

1.2.1 Nhiễu nhiệt 17

1.2.2 Dải tần nhiễu tương đương 17

1.2.3 Nhiễu lượng tử 18

1.2.4 Nhiễu 1/f 18

1.2.5 Nhiễu Barkhausen 18

1.3 Mạch cầu điện trở Wheatstone 19

1.4 Kết luận chương 1 21

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

3.2.7 Kết quả khảo sát tính chất từ của màng Ni80Fe20 (1cm × 1cm) 51

3.3 Kết luận chương 3 52

Kết luận 53

Tài liệu tham khảo 54

Danh mục các bảng

Bảng 3.1 Các thông số trong quá trình phủ chất cản quang AZ5214-E 26

Bảng 3.2 Thông số phún xạ khi tạo điện trở cấu trúc cầu 28

Bảng 3.3 Các thông số phún xạ điện cực 29

Bảng 3.4 Một số thông số của sensor khi dòng cấp thay đổi 38

Bảng 3.5 Một số thông số của sensor khi chiều dày màng NiFe thay đổi 40

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

Danh mục các đồ thị, hình vẽ

Hình 1.1 Sự thay đổi của điện trở do tác động của từ trường ngoài……… 8

Hình 1.2 Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vector từ hoá……… 9

Hình 1.3 Mô hình hiệu ứng Hall phẳng 10

Hình 1.4 Mô hình cảm biến Hall phẳng trong cấu trúc Spin valve 11

Hình 1.5 Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Hall thường và Hall phẳng 11

Hình 1.6 Mô hình đo thế Hall phẳng và thế ARM……….12

Hình 1.7 Mạch điện trở dạng cầu Wheatstone……… 12

Hình 2.1 Máy quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển……….18

Hình 2.2 Máy quang khắc MJB4……… 19

Hình 2.3 Buồng xử lý mẫu……… 21

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 Sensor sau khi tráng rửa……… 31

Hình 3.6 Sensor sau khi phún xạ và lift –off……… 32

Hình 3.7 Sơ đồ khảo sát tính chất điện của sensor……… 32

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào từ trường ngoài…… 34

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào từ trường ngoài khi

góc giữa phương từ hóa của sensor và dòng điện thay đổi……… 34

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào từ trường trong dải

tuyến tính……… 35 Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra điện trở thành phần của sensor vào

từ trường ngoài……… 36

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của các sensor có chiều dày khác

nhau vào từ trường ngoài……….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 ngoài……….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 ngoài……… 38

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của màng NiFe có chiều dày khác

nhau vào từ trường ngoài……….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

Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tín hiệu của sensor vào góc quay định

hướng giữa trục của sensor và từ trường Trái đất trong cùng một mặt

phẳng………… …… 41

Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế ra của sensor vào góc giữa từ trường

Trái đất và trục sensor trong hai mặt phẳng vuông góc 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 vuông góc 43

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

Các sensor Hall phẳng (cấu trúc spin-valve Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta và Ta/NiFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta) được chế tạo ở đây nhằm ứng dụng trong công nghệ sinh học Các sensor Hall phẳng này dựa trên hiệu ứng từ điện trở, hoạt động trong dải đo

từ 10-6 ÷ 102 Gauss (xem trên bảng 1) Tuy nhiên, cho đến nay, các sensor chế tạo được tại phòng thí nghiệm mới chỉ đạt được ở mức phát hiện hạt từ có kích thước micromét mà chưa tiếp cận được với vùng từ trường nhỏ cỡ từ trường trái đất và dưới mức từ trường trái đất Vì vậy, việc phát triển các sensor có thể làm việc trong vùng từ trường này đang là một đề tài gây nhiều sự thu hút, chú ý Do đó, mục tiêu của luận văn là chế tạo được sensor đo được từ trường thấp, đặc biệt là từ trường trái đất tại phòng thí nghiệm mirco - nano của trường Đại học Công nghệ với cấu hình đơn giản nhất nhưng tỉ số tín hiệu/nhiễu và độ nhạy S cao

Để đạt được mục tiêu này, chúng tôi đã chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor vì mạch cầu là mạch ổn định nhiệt rất tốt, do đó có thể giảm tối đa ảnh hưởng của nhiễu nhiệt nên tín hiệu và độ nhạy sensor sẽ lớn Chúng tôi cũng chọn

Ni80Fe20 - một vật liệu từ mềm có HC < 10 Oe - làm vật liệu chế tạo sensor vì Ni80Fe20 rất thích hợp để chế tạo các sensor có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường nhỏ Vì vậy, ngoài khả năng đo được từ trường trái đất, chúng tôi hi vọng sensor chế tạo ra có độ nhạy siêu cao S = 500 m/Oe (độ nhạy này lớn hơn rất nhiều so với độ

nhạy của các cảm biến đã chế tạo thành công S = 16 m/Oe) Đây là một hướng nghiên cứu khoa học có sản phẩm công nghệ cụ thể, bao gồm một quy trình khép kín từ công nghệ chế tạo vật liệu nanô từ tính đến việc chế tạo linh kiện Tính khả thi trong việc ứng dụng của sản phẩm này cùng những nghiên cứu ứng dụng và phát triển các nghiên cứu khác trong lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân

sự, phương tiện giao thông… là một xu hướng ưu tiên của khoa học và công nghệ nanô trong vòng 20 năm đầu tiên của thế kỷ 21

Ngoài 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

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

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) [2]

Hình 1.1 Sự thay đổi 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 Để đơn giản, đầu tiên ta giả định rằng, vector từ hoá trong

màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà M S , khi có sự tác động của từ trường ngoài

sẽ làm thay đổi hướng của vector này Thứ hai, ta 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 hoá), và mối quan hệ giữa hướng của vector từ độ và từ trường ngoài

Điện trở R của màng mỏng có thể xác định thông qua góc θ - góc giữa vector cường độ dòng điện và vector từ độ:

221

)2cos(

2

coscos

)(

, 0 ,

0

2 ,

0 ,

R R

R R

bd

l bd

l R

p p

p n

 là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trường ngoài

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 dòng 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 dòng qua cảm biến

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 vuông góc với dòng điện (hình 1.3)

Hình 1.3 Mô hình hiệu ứng Hall phẳng

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 phẳng Nếu trong hiệu ứng Hall thường và dị thường từ trường ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu thì trong hiệu ứng Hall phẳng

từ trường ngoài phải đặt song song với mặt phẳng mẫu (hình 1.4)

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa sự khác nhau giữa hiệu ứng Hall thường

và hiệu ứng Hall phẳng

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 nên các hạt mang điện, còn trong hiệu ứng Hall phẳng 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

Hình 1.5 Mô 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 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 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

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 Rsinθcosθ (1.3)

Với R = (// - )/t, // và  lần lượt là điện trở suất của mẫu đo theo phương

song song và vuông góc với phương từ hóa, t là chiều dày tổng cộng của màng

Hình 1.4 Mô hình cảm biến Hall phẳng trong cấu trúc Spin valve

Để nghiên cứu về hiệu ứng Hall phẳng trong các cảm biến Hall, người ta

thường sử dụng mô hình Stonner Wohlfarth Theo đó, với cấu trúc spin - valve, kích

thước mỗi lớp là kích thước đơn đômen của Stonner – Wohlfarth Dưới tác dụng của từ



M

I

 2 sin 2

1

R I y

) 2 cos(

2 2 )

trường ngoài H, năng lượng từ trên một đơn vị diện tích của lớp sắt từ tự do được cho

từ bị ghim; θf, θp là góc giữa từ độ của lớp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim đối với

phương trục dễ của lớp sắt từ tự do; Msf, Msp lần lượt là từ độ bão hòa của lớp sắt từ tự

do và lớp sắt từ bị ghim; Kuf và Kup là hằng số dị hướng từ hiệu dụng của lớp sắt từ tự

do và lớp sắt từ bị ghim ; Hex là từ trường ghim (trườ ng trao đổi di ̣ch đươ ̣c sinh ra do

tương tác giữa lớp phản sắt 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 ngoài 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:

((0(0)(0i(

ex K y

H H

H R I R

I V

y

H H

R IH

V S

Việc đánh giá nhiễu dựa trên 3 loại chủ yếu là nhiễu tần số 1/f, nhiễu nhiệt và nhiễu lượng tử, được xác định bởi [11]:

(1.7) Với ΔVy là biên độ nhiễu, Δf là dải thông tần số, nc là số hạt tải mang điện, f tần

số đo, kB là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của mẫu, L là chiều dài của mẫu, e là điện tích cơ bản

Ở vùng tần số thấp (f <300Hz), nhiễu chủ yếu là nhiễu tần số 1/f, ở tần số cao (trên 1kHz) nhiễu chủ yếu là nhiễu nhiệt

1.2.1 Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt là thành phần nhiễu sinh ra do các thành phần điện trở Trong dải

tần số Δf , độ lớn của nhiễu nhiệt được tính theo công thức (1.10):

(1.8) 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 dòng 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)

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 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:

(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 [17]

1.2.5 Nhiễu Barkhausen

Nhiễu Barkhausen bắt nguồn từ các hiệu ứng Barkhausen Nhiễu Barkhausen là hiện tượng điện tích biến đổi 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 sự thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu từ và ứng suất Gần đây, nhiễu Barkhausen được biết đến như hiệu ứng phụ thuộc vào điện thế bên trong bởi các vách domain từ khi chúng

di chuyển qua vật liệu [15]

Từ công thức (1.10), ta thấy, nếu điện trở của sensor cực đại thì nhiễu đạt cực đại Ở tần số thấp, nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu 1/f (do từ trường gây ra nhiễu từ) được biểu diễn bởi công thức:

V21/f = (γ/Nc) R2I2(1/f) ∆f (1.13)

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

Ifsqrt(B) ≈ K×IDC

sqrt(f)

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

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, R4được 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:

(1.14)

Từ biểu thức (1.14), khi cung cấp một hiệu điện thế khác không vào mạch, nếu R1/R2 = R4/R3 (R1R3 = R2R4) thì số chỉ điện kế G bằng 0, mạch cầu cân bằng Nếu một điện trở bất kì trong mạch cầu điện trở thay đổi thì R1/R2  R4/R3 (R1R3 

R2R4), do đó số chỉ điện kế G khác 0, mạch cầu không cân bằng

Một đặc điểm nổi bật và quan trọng của mạch cầu Wheatstone đó là có thể đo được sự thay đổi của trở kháng với sự thay đổi điện trở không quá 10% và có thể tự bù trừ được nhiệt độ [6]:

Vg = Vin/4 (ΔR1/ R1 - ΔR2/R2 + ΔR3/R3 - ΔR4/ R4) (1.15)

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 [6]

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 AC Trong một số bộ điều khiển động cơ, mạch cầu Heaviside (một dạng khác của mạch cầu Wheatstone) được sử dụng để điều khiển hướng quay của động cơ [4] Một ứng dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp là để giám sát các thiết bị cảm biến, chẳng hạn như đồng hồ đo dòng Ngoài ra, mạch cầu còn được ứng dụng để xác định chính xác vị trí phá vỡ một đường dây điện Phương pháp này nhanh và chính xác, không đòi hỏi công nghệ hỗ trợ cao [7]

Với ưu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, chúng tôi đã chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình sensor để 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 R1 = R2 = R3 = R4 Chúng tôi chọn Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo các điện trở vì Ni80Fe20 là một vật liệu từ mềm (HC ˂ 10 Oe), rất thích hợp để 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 của từ trường thì mạch cầu không còn cân bằng nữa Khi đó ta sẽ đo được tín hiệu lối ra của sensor

giảm nhiễu nhiệt

Chương 2 Các phương pháp thực nghiệm

2.1.1 Thiết bị quay phủ

Khi thực hiện quá trình quay phủ chất cản quang, chúng tôi sử dụng thiết bị quay phủ Suss MicroTec Chất cản quang được sử dụng là AZ5214-E

Hình 2.1 Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển

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

Bảng điều khiển cho ta tùy chỉnh các thông số:

STEP: Số bước trong một chu trình quay phủ (v/p)

RPM: Tốc độ quay phủ trong mỗi bước

: Số lần gia tốc trong mỗi bước

TIME: Thời gian thực hiện mỗi bước (s)

Bơm hút chân không có tác dụng hút chân để giữ mẫu khỏi bị văng ra ngoài khi quay phủ thông qua một lỗ nhỏ

2.1.2 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 µm

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 thể đạt được độ phân giải 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 không (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 không thấp (Low Vacuum Contact): Đối với các mẫu dễ vỡ ta

có thể quang khắc bằng chế độ chân không 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,

d 2NA





(2.1)

Trong đó: λ là bước sóng ánh sáng, NA là thông số khẩu độ

Trong luận văn này, chúng tôi dùng kính hiển vi quang học M1 (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

2.1.4 Buồng xử lý mẫu

Hình 2.3 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

Bếp 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 ± 10C trong quá trình nung mẫu đã phủ màng cản quang [4]

2.1.5 Thiết bị phún xạ

Hình 2.4 Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC

Quá trình phún xạ màng được thực hiện bằng thiết bị phún xạ catot 2000FC Thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính là: buồng phún xạ, bảng điều khiển,

ATC-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 thông qua các valve Các valve này có thể đóng mở tự động nhờ vào việc điều khiển các dòng khí nén Bơm Turbo có thể tạo chân không 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 không 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 tròn 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

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 Dòng điện không 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 với máy tính cho phép ghi nhận số liệu một cách chính xác và đầy đủ

Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở

2.2.2 Khảo sát tính chất từ của sensor

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung

Mục đích của việc đo từ kế mẫu rung (VSM) là khảo sát sự phụ thuộc từ độ của mẫu vào từ trường ngoài (M phụ thuộc vào H), xác định đường cong từ trễ, sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ, nhiệt chuyển pha sắt từ - thuận từ TC,nhiệt chuyển pha sắt từ-siêu thuận từ (nhiệt độ Blocking TB)

Nguyên lý hoạt động của từ kế mẫu rung dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ trong đó sự thay đổi từ thông của mẫu chuyển thành tín hiệu điện Bằng cách thay đổi

vị trí tương đối của mẫu có mô men từ M với cuộn dây thu, từ thông qua tiết diện ngang của cuộn dây sẽ thay đổi theo thời gian làm xuất hiện trong nó một suất điện động cảm ứng Các tín hiệu đo được (tỷ lệ với M) sẽ được chuyển sang giá trị của đại lượng từ cần đo bằng một hệ số chuẩn của hệ đo Để thực hiện được phép đo này, mẫu được rung với tần số xác định trong vùng từ trường đồng nhất của một nam châm điện

Từ trường này sẽ từ hoá mẫu và khi mẫu rung sẽ tạo ra hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn dây thu tín hiệu Tín hiệu được thu nhận, khuyếch đại rồi được xử lý trên máy tính và cho ta biết giá trị từ độ của mẫu

Chương 3 Thực nghiệm và kết quả

3.1 Quy trình chế tạo sensor

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 Điểm khác ở đây là khi tiến hành chế tạo, mỗi điện trở được tạo thành từ nhiều thanh điện trở riêng biệt có kích thước nhỏ hơn (xem trên hình 3.3) Cụ thể, chúng tôi sẽ tiến hành chế tạo hai loại mạch cầu điện trở: mạch cầu loại lớn (mỗi điện trở gồm 6 thanh

điện trở hình chữ nhật có kích thước 50 µm × 250 µm) và mạch cầu loại nhỏ (mỗi điện trở gồm 18 thanh điện trở hình chữ nhật có kích thước 10 µm × 250 µm) Chúng tôi

cũng đã lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là Ni80Fe20 - một loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ 3 Oe ÷ 5 Oe), rất thích hợp để chế tạo các sensor có độ nhạy cao và

ổn định trong vùng từ trường nhỏ Để 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