Chế tạo, nghiên cứu cảm biến từ dựa trên mạch cầu wheatstone có cấu trúc các nhánh dài

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, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên hiệu ứng quang và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

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

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Lê Khắc Quynh người đã giúp đỡ định hướng nghiên cứu, cung cấp cho em những tài liệu quý báu, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô, anh chị cán

bộ tại Khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano và Phòng thí nghiệm công nghệ Micro - nano, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm quý báu cũng như hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình làm thực nghiệm

Tiếp theo, em xin cảm ơn tất cả các thầy, các cô của Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảng khoa học từ kiến thức cơ bản đến những kiến thức chuyên sâu, cũng như kĩ năng thực hành, thực nghiệm trong suốt bốn năm học qua

Cuối cùng, em xin gửi những lời tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình và bạn bè

đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ, động viên em vượt qua khó khăn, hoàn thành khóa luận một cách tốt đẹp

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Thị Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác Mọi nguồn tài liệu đều được trích dẫn rõ ràng

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Thị Phương

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến 3

1.1.1 Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall 3

1.1.2 Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện 3

1.2 Nhiễu cảm biến 6

1.3 Cảm biến đo từ trường bằng hiệu ứng từ - điện trở dị hướng (AMR) 8

1.3.1 Hiệu ứng từ - điện trở dị hướng 9

1.3.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone 11

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 14

2.1 Phương pháp chế tạo cảm biến 14

2.1.1 Xử lý bề mặt mẫu 14

2.1.2 Chế tạo mặt nạ và hốc chứa cảm biến 15

2.1.3 Phún xạ tạo màng 19

2.1.3.1 Thiết bị phún xạ catot 19

2.1.3.2 Phún xạ tạo màng điện trở 22

2.1.3.3 Phún xạ tạo màng điện cực 23

2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến 23

2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến 23

2.2.2 Khảo sát tính chất từ - điện trở của cảm biến 25

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Tính ưu việt của cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone 27

3.2 Tính chất của cảm biến 29

3.3 Tính chất từ - điện trở của cảm biến 30

3.3.1 Sự ảnh hưởng của chiều dày lớp màng NiFe tới tín hiệu của cảm biến 30

3.3.2 Tín hiệu lối ra phụ thuộc vào tỉ số dài/rộng của các thanh trở 32

KẾT LUẬN 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của máy 17

Bảng 2.2: Thông số cắt mặt nạ của máy 18

Bảng 2.3: Thông số phún xạ của các lớp Ta/NiFe/Ta 22

Bảng 2.4: Các thông số phún xạ điện cực 23

Bảng 3.1: Độ lệch thế và độ nhạy của cảm biến 1×5mm khi bề dày thay đổi 28

Bảng 3.2: Độ lệch thế và độ nhạy của các cảm biến khi thay đổi tỉ số dài/rộng của các thanh trở 32

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa hiệu ứng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu

multiferoics kiểu từ giảo/áp điện 4

Hình 1.2: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài 5

Hình 1.3: Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR 9

Hình 1.4: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hóa 11

Hình 1.5: Mạch cầu điện trở Wheatstone 11

Hình 2.1: Buồng xử lý mẫu 14

Hình 2.2: Cấu tạo chung của một máy cắt laser 16

Hình 2.3: Máy cắt laser VLS3.60 17

Hình 2.4: Hệ mask của cảm biến 1× 3mm: Với (a)là mặt nạ điện trở, (b)là mặt nạ điện cực, (c) hình dạng cảm biến hoàn thiện 18

Hình 2.5: Mặt nạ của các cảm biến 19

Hình 2.6: Nguyên lý của quá trình hình thành màng mỏng bằng phún xạ catot 20 Hình 2.7: Thiết bị phún xạ catot 21

Hình 2.8: Thanh điện trở của mạch cầu Wheatstone sau khi được phún xạ tạo màng Ta/NiFe/Ta 22

Hình 2.9: Cảm biến thu được sau quá trình phún xạ điện cực 23

Hình 2.10: (a) Sơ đồ nguyên l của thiết bị từ kế mẫu rung (b) Thiết bị từ kế mẫu rung SM 24

Hình 2.11: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ - điện trở 25

Hình 2.12: (a) Cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh (b) Cảm biến được kết nối với hệ đo điện từ 26

Hình 3.1: Sự phụ thuộc điện áp lối ra theo từ trường ngoài của cảm biến (a) dạng thanh điện trở, (b) dạng mạch cầu Wheatstone 28

Hình 3.2: Sự biến thiên của các điện trở thành phần trong mạch cầu Wheatstone 28 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của điện trở suất vào từ trường ngoài với trường hợp từ trường song song và vuông góc với dòng điện 29

Hình 3.4: Đường cong từ hóa tỉ đối M/M s của cảm biến với từ trường nằm trong mặt phẳng màng, theo phương song song và vuông góc vối từ độ ghim 29 Hình 3.5: (a) Sự thay đổi thế lối ra của cảm biến cảm biến 1×5mm phụ thuộc vào từ trường ngoài với các bề dày khác nhau, (b) Độ nhạy của cảm biến 1x5mm ứng với các bề dày khác nhau của thanh trở 31 Hình 3.6: Sự phụ thế lối ra của cảm biến theo từ trường khi thay đổi tỉ số

dài/rộng của các thanh trở với thang từ trường lớn (a) và nhỏ (b) 32

MỞ ĐẦU

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, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên hiệu ứng quang và từ như cảm biến giao thoa lượng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa trên hiệu ứng điện - từ, cảm ứng điện từ (Flux-Gate), hiệu ứng Hall Mặc dù các cảm biến hoạt động dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhưng các cảm biến đều dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích hiệu điện thế lối ra từ cảm biến thay đổi phụ thuộc vào cường độ của từ trường tác dụng lên cảm biến Mỗi loại cảm biến đều có đặc thù riêng, có các ưu điểm và nhược điểm riêng tùy thuộc vào mục đích và phạm vi trong từng lĩnh vực ứng dụng Tuy vậy, các cảm biến này thường có kích thước khá cồng kềnh và gặp phải các loại nhiễu ảnh hưởng đến 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… Việc tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa qui trình công nghệ, giảm chi phí chế tạo mà vẫn đáp ứng được đòi hỏi của cảm biến đo

từ trường thấp đang là mục tiêu nghiên cứu của nhóm Lợi dụng tính chất từ mềm của vật liệu NiFe và tính ổn định nhiệt rất tốt của mạch cầu Wheatstone, chúng tôi chế tạo các cảm biến đo từ trường thấp dạng mạch cầu Wheatstone với cấu trúc màng đơn lớp Ni80Fe20 dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hướng Các cảm biến chế tạo giảm được tối đa ảnh hưởng các loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt Do đó, kết quả tỉ số tín hiệu/nhiễu của cảm biến sẽ lớn Với hướng nghiên cứu này, các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong khóa luận bao gồm:

- Chế tạo, khảo sát tính chất từ của cảm biến

- Chế tạo cảm biến với bề dày màng khác nhau, khảo sát tìm ra bề dày màng của cảm biến có tín hiệu và độ nhạy cao

- Chế tạo cảm biến với kích thước khác nhau, khảo sát tín hiệu và độ nhạy của cảm biến

2 Mục đích nghiên cứu

- Chế tạo cảm biến dạng mạch cầu tròn dựa trên hiệu ứng AMR

- Khảo sát các tính chất từ, từ điện trở của cảm biến

3 Đối tượng nghiên cứu

Cảm biến mạch cầu tròn dựa trên hiệu ứng AMR

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp thực nghiệm:

- Chế tạo cảm biến với vật liệu Ni80Fe20

- Khảo sát tính chất với cảm biến đã chế tạo

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

Hiệu ứng Hall được phát hiện vào năm 1879 do giáo sư Edwin Hall khi ông đang làm việc tại đại học Jonhs Hopkins ở Baltimore, Maryland [2] Khi cho một dòng điện chạy qua một vật dẫn là chất bán dẫn được đặt trong từ trường ngoài, ở hai mặt đối diện vuông góc với chiều dòng điện sẽ xuất hiện chênh lệch điện áp trên vật liệu này

Các điện tích chuyển động trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài, chúng sẽ chịu tác dụng của lực Lorent hướng vuông góc với chiều dòng điện và từ trường ngoài:

. H [ x ]

F q E q v B

Trong đó:

 q là điện tích của điện tử (q = 1.6 × 10-19C )

 là tốc độ chuyển động của electron

 là cảm ứng từ

 là điện trường Hall

Dưới tác dụng của lực Lorent các điện tích sẽ chuyển động theo hai hướng ngược nhau về hai mặt của vật dẫn và tạo ra ở hai mặt đối diện của vật dẫn các

điện tích trái dấu làm xuất hiện một điện trường Hall E H hướng vuông góc với chiều dòng điện Lực tĩnh điện do điện trường này gây ra sẽ ngược hướng với lực Lorent Trạng thái cân bằng nhanh chóng được hình thành cùng với sự tăng dần của lực điện cho đến khi bù trừ hoàn toàn với lực từ Khi đạt đến trạng thái cân bằng, lực gây ra do từ trường B sẽ cân bằng với lực điện trường E gây ra Khi đó, thế Hall được cho bởi công thức:

(1.1)

H H

R

t

Trong đó:

 RH là điện trở Hall

 I, B là cường độ dòng điện và từ trường

 T là chiều dày tấm vật liệu

1.1.2 Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện

Hiệu ứng điện - từ đầu tiên được dựa đoán bởi P.Curie vào năm 1894 [12].Thuật ngữ “điện - từ” được đưa ra bởi P Debye năm 1926 [13] Một dự đoán chặt chẽ hơn về sự liên kết giữa pha sắt từ và sắt điện được xây dựng bởi L.D.Landau và E Lifshitz [10] ào năm 1959 Dzyaloshinskii [7] đã dựa đoán rằng hiệu ứng điện - từ có thể quan sát được trong vật liệu đơn pha Cr2O3 Sự phân cực cảm ứng bởi từ trường của Cr2O3 được quan sát lần đầu tiên vào năm

1960 bởi Astrov [3] Hiệu ứng điện - từ thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện Hiệu ứng điện - từ được chia thành hiệu ứng điện từ thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng điện từ nghịch (converse magnetoelectric effect) (hình 1.3) trong đó, hiệu ứng thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (P) khi đặt trong từ trường ngoài

(H) và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi

(M) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E)

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa hiệu ứng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu

multiferoics kiểu từ giảo/áp điện

(1.2)

Hiệu ứng điện từ thuận: Khi vật liệu chịu tác dụng của một từ trường ngoài

H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh ra ứng suất tác dụng lên

pha áp điện Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật liệu sẽ bị thay đổi và do đó trên hai mặt đối diện của vật liệu sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu nhau như hình 1.1 Hiệu ứng điện từ thuận được đặc chưng bởi hệ số từ điện:

E = dE/dH

Hiệu ứng điện từ ngược: Ngược với hiệu ứng điện từ thuận, trong hiệu ứng này, dưới tác dụng của điện trường, do hiệu ứng áp điện ngược, pha áp điện sẽ

bị biến dạng cưỡng bức sinh ra ứng suất cơ học truyền cho pha sắt từ (từ giảo)

Do hiệu ứng Villary, mômen từ của pha sắt từ sẽ bị thay đổi để cực tiểu hóa năng lượng từ đàn hồi sinh ra do ứng suất Hiệu ứng điện từ nghịch được đặc trưng bởi hệ số từ điện:

(a)

(b)

điện từ thuận tỏ ra có nhiều ưu thế do khả năng chuyển đổi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lối ra

1.2 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)

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:

Với ΔV y là biên độ nhiễu, Δf là dải thông tần số, n c là số hạt tải mang điện,

f tần số đo, k B 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 Sau đây chúng tôi sẽ trình về một

số loại nhiễu cảm biến thường gặp:

* 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 (1.4):

(1.4) Trong đó

 T là nhiệt độ tuyệt đối (K)

 RDC là điện trở của cảm biến (trong dòng DC )

 Δf dải tần số của phép đo

(1.3)

 k B là hằng số Boltzman

Nhiễu nhiệt có trong tất cả các loại cảm biến (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:

I t

2

= 4k B T Δf /R (1.5)

Dải tần nhiễu tương đương: 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 A 0 và dải tần:

* 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:

Nhiễu 1/f gây ra bởi sự dao động độ dẫn do sự tiếp xúc không hoàn hảo

giữa 2 lớp vật liệu Nó xảy ra ở bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp xúc với nhau Nhiễu

1/f tỷ lệ thuận với giá trị dòng 1 chiều Mật độ năng lượng biến thiên tỷ lệ

nghịch với tần số 1/f Dòng nhiễu If trên căn bậc 2 của dải thông có được thể hiện như sau:

I f sqrt(B) ≈ K×I DC

sqrt(f)

(1.6)

(1.8)

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

Từ công thức (1.4), ta thấy nếu điện trở của cảm biến cực đại thì nhiễu

nhiệt 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:

V 2 1/f = (γ/N c ) R 2 I 2 (1/f) ∆f (1.9)

Trong đó:

 γ là hằng số hiện tượng thuận từ (hằng số Hooge)

 N c là số hạt tải gây nhiễu trong cảm biến

 I là dòng điện qua cảm biến và f là tần số đo

Để đạt được tỷ số SNR lớn nhất có thể, cảm biến 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, trên 100 MHz đối với tiếp xúc 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 cảm biến

1.3 Cảm biến đo từ trường bằng hiệu ứng từ - điện trở dị hướng (AMR)

1.3.1 Hiệu ứng từ - điện trở dị hướng

Hiệu ứng từ điện trở xuất hiện trong một vật liệu sắt từ [14] 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:

Trong đó: ρ(0), ρ(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 [1]

Hiệu ứng từ - điện trở dị hướng (AMR – Anisotropic magnetoresistance) xảy ra trong các kim loại và hợp kim sắt từ, sự thay đổi điện trở sẽ phụ thuộc 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

Hình 1.3: Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR

Các đám mây điện tử bao quanh mỗi hạt nhân, các đám mây này thay đổi hình dạng phụ thuộc vào định hướng của momen từ và sự biến dạng của các đám mây điện tử làm thay đổi lượng tán xạ của điện tử dẫn khi nó đi qua mạng tinh thể Ta có thể giải thích sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn vào định hướng của momen từ với chiều dòng điện như sau: Nếu từ trường được định hướng vuông góc với chiều của dòng điện thì khi đó quỹ đạo chuyển động của các điện

tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện và như vậy chỉ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ của điện tử, dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ Ngược lại, khi từ trường áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ đạo chuyển động của điện

tử được định hướng vuông góc với chiều của dòng điện, và mặt cắt đối với tán

xạ của điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao (xem hình 1.3) [8]

Để giải thích hiệu ứng từ - điện trở dị hướng (AMR) trong màng mỏng của vật liệu từ, giả định rằng, vectơ từ hóa trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hòa , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của vectơ 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 vectơ từ độ (vectơ từ hóa) và mối quan

hệ giữa hướng của vectơ từ độ và từ trường ngoài Điện trở của màng mỏng có

thể xác định thông qua góc  - góc giữa chiều dòng điện và vectơ từ độ:

) 2 cos(

2

cos cos

) (

, 0 ,

0

2 ,

0 ,

R R

R R

bd

l bd

l R

p p

p n

Hình 1.4: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng

của vectơ từ hoá

1.3.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone

Mạch cầu Wheatstone là mạch điện được sử dụng để đo một điện trở chưa xác định, bằng cách so sánh hai nhánh của 1 mạch cầu, trong đó một nhánh chứa thành phần điện trở chưa xác định Mạch cầu Wheatstone được phát minh bởi Samuel Hunter Christe vào năm 1833 và được phát triển, đưa vào sử dụng rộng rãi bởi Sir Charles Wheatstone vào năm 1834

Cấu trúc của một mạch cầu Wheatstone (xem hình 1.5) bao gồm có bốn

điện trở R 1 , R 2 , R 3 , R 4 được mắc song song với nhau Một nguồn điện một chiều được sử dụng để cấp vào 2 điểm A, C tạo ra dòng điện chạy trong mạch điện và một điện kế G có độ nhạy cao được dùng để đo chênh lệch điện thế lối ra giữa 2 điểm B,D của cầu

Hình 1.5: Mạch cầu điện trở Wheatstone

Khi ta cấp một điện thế V in vào trong mạch điện, ta có:

Dưới tác dụng của trường ngoài, do sự đóng góp của hiệu ứng từ - điện trở

dị hướng trên các điện trở nên sẽ tạo ra sự thay đổi điện trở thành phần của mạch ( Sự biến đổi này dẫn tới sự thay đổi của điện thế lối ra theo phương trình (1.13):

Khi đó, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình (1.13) khi có sự thay đổi của các điện trở thành phần trong mạch cầu, với sự thay đổi điện trở là nhỏ hơn 5% như công thức (1.14):

(1.14)

(1.12)

Từ công thức (1.14) chúng 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 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 xoay chiều (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 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

Với các ưu điểm nêu ở trên, chúng tôi lựa chọn mạch cầu Wheatstone để chế tạo cảm biến với mong đợi sẽ giảm được tối đa ảnh hưởng của môi trường đặc biệt là nhiễu nhiệt, do đó sẽ thu được tỉ số tín hiệu/nhiễu lớn Vật liệu được lựa chọn làm cảm biến là Ni80Fe20 là vật liệu từ mềm (H C = 3÷5Oe), vật liệu này rất thích hợp để chế tạo cảm biến có độ nhạy cao trong vùng từ trường thấp Mạch cầu điện trở Wheatstone gồm 4 điện trở bằng nhau nhưng được thiết kế 2 điện trở đối diện có dị hướng hình dạng giống nhau và 2 điện trở liền kề khác nhau Nhờ vậy, dưới tác dụng của từ trường ngoài tín hiệu lối ra của cảm biến thu được sẽ lớn hơn