Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu wheatstone trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ --- NGUYỄN THỊ HẬU NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ- ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG Chuyên ngành: Vật lí chất rắn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ -

NGUYỄN THỊ HẬU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU

WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG

TỪ- ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học ThS LÊ KHẮC QUYNH

HÀ NỘI- 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ -

NGUYỄN THỊ HẬU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DẠNG CẦU

WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG

TỪ- ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG

Chuyên ngành: Vật lí chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học ThS LÊ KHẮC QUYNH

HÀ NỘI- 2015

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Th.S

Lê Khắc Quynh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và truyền đạt kinh nghiệm

giúp em hoàn thành khóa luận này

Em xin được gửi lời cảm ơn chân tình tới các thầy cô giáo trong khoa, các thầy cô giáo trong tổ vật lý chất rắn, khoa vật lý trường Đại học Sư phạm

Hà Nội 2 đã tạo điều kiện giúp em hoàn thiện đề tài nghiên cứu của mình Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới bố, mẹ và những người thân yêu trong gia đình, cùng bạn bè đã luôn cổ vũ, động viên giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này

Hà nội, tháng 5 năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Thị Hậu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố ở bất kỳ nơi nào khác

Hà nội, tháng 5 năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Thị Hậu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN 3

1.1 Hiệu ứng từ điện trở 3

1.1.1 Hiệu ứng từ trở dị hướng AMR 3

1.1.2 Hiệu ứng Hall phẳng 6

1.2 Mạch cầu Wheatstone 10

1.3 Nhiễu cảm biến 12

CHƯƠNG 2 16

CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 16

2.1 Các thiết bị sử dụng trong khóa luận 16

2.1.1 Thiết bị quay phủ 16

2.1.2 Hệ quang khắc 17

2.1.3 Kính hiển vi quang học 18

2.1.4 Buồng xử lý mẫu 19

2.1.5 Thiết bị phún xạ 20

2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất từ của cảm biến 21

2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến 21

2.2.2 Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến 22

CHƯƠNG 3 24

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

3.1 Quy trình chế tạo cảm biến 24

3.1.1 Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone 25

3.1.1.1 Quá trình quang khắc 25

3.1.1.2 Quá trình phún xạ 27

3.1.2 Chế tạo các điện cực 28

3.2.1 Tính chất từ và từ điện trở trên màng“full film“ 29

3.2.2 Tính chất từ điện trở trên cảm biến cầu Wheatstone 30

3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài 30

3.2.2.2 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài với các dòng cấp khác nhau 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E 27 Bảng 3.2 Thông số phún xạ khi tạo điện trở cấu trúc cầu 28 Bảng 3.3 Các thông số phún điện cực 30 Bảng 3.4 Độ lệch thế và độ nhạy của cảm biến tại các dòng cấp 1, 2, 3 mA 34

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguồn gốc AMR 4

Hình 1.2 Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện

chạy qua và hướng của vector từ hoá 5

Hình 1.3 Mô hình hiệu ứng Hall phẳng 6

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

và hiệu ứng Hall phẳng 7

Hình 1.5 Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế ARM 7

Hình 1.6 Mô hình cảm biến Hall phẳng trong cấu trúc Spin valve 8

Hình 1.7: Mạch cầu điện trở Wheatstone 10

Hình 2.1 Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển 16

Hình 2.2 Thiết bị quang khắc MJB4 17

Hình 2.3 Buồng xử lý mẫu 19

Hình 2.4 Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC 20

Hình 2.5: (a) Sơ đồ nguyên lý của thiết bị từ kế mẫu rung (b) Thiết bị từ kế mẫu rung VSM 22

Hình 2.6 Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 23

Hình 2.7 (a) Cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh (b) Cảm biến được kết nối với hệ đo điện từ 24

Hình 3.1 Sơ đồ chung về quy trình chế tạo sensor 25

Hình 3.2 Ảnh chụp mask điện trở của mạch cầu Wheatstone 27

Hình 3.3 Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off 29

Hình 3.4 Ảnh chụp mask điện cực 29

Hình 3.6 (trái) Đường cong từ hóa trên màng có bề dày khác nhau 15 nm 31

Hình 3.7 Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều, đo tại 1mA: (trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong thang đo từ trường nhỏ 32

Hình 3.8 Sự phụ thuộc thế lối ra theo từ trường ngoài một chiều, đo tại các dòng 1, 2, 3 mA: (trái) Trong thang đo từ trường lớn, (phải) Trong thang đo từ trường nhỏ 33

ưu điểm và nhược điểm riêng tùy thuộc vào mục đích và phạm vi trong từng lĩnh vực ứng dụng

Ưu điểm của các cảm biến 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 Cảm biến từ có nhiều ưu điểm như độ nhạy cao và độ chính xác cao, điều kiện làm việc ít bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài Do đó, cảm biến từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Một trong những ứng dụng thỏa sơ khai là dò tìm phương hướng đi cho con tàu trong ngành hàng hải Ngày nay, với kích thước nhỏ, độ nhạy cao, dễ tương thích với các mạch điện tử, cảm biến từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y sinh, quân sự, giao thông, la bàn hàng hải, công nghệ hàng không

vũ trụ, cảm biến đo dòng, cảm biến đo từ trường nhỏ… Phổ biến nhất trong cảm biến từ là các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng, hiệu ứng cảm ứng điện từ và hiệu ứng từ điện trở, trong đó cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng và hiệu ứng từ điện trở là hai hướng đang được triển khai nghiên cứu

Ngoài phần mở đầu và kết luận, khóa luận gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

2 Mục tiêu của khóa luận

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

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

3 Đối tượng nghiên cứu

- Cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR

4 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp thực nghiệm: chế tạo cảm biến với vật liêu Ni80Fe20 ,

đo đạc và xử lý số liệu

3

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:

William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là niken và sắt dưới tác dụng của từ trường ngoài của một nam châm điện có thể đạt tới 3- 5% ở nhiệt độ phòng Ngoài ra sự thay đổi này còn phụ thuộc vào phương đo, góc tương đối giữa cường độ dòng điện và từ trường ngoài hay chiều của độ từ hóa của mẫu

Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại sắt từ Nguồn gốc vật lý của hiệu ứng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo Các đám mây điện tử bao quanh mỗi hạt nhân, đám mây này thay

4

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[8] 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

Hình 1.1 Nguồn gốc AMR

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, ta giả định rằng, vectơ từ hóa trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hòa Ms , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của vectơ 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 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:

5

2 2 1

) 2 cos(

2

cos cos

)

(

, 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

6

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 hướng từ trường ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu thì trong

R I y

) 2 cos(

2 2 )

8

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 thể

ra Vy xuất hiện theo phương vuông góc với dòng điện Ix:

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 1.6 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 trường ngoài H, năng lượng từ trên một đơn vị diện tích

của lớp sắt từ tự do được cho bởi công thức:

9

E = - Hex Ms tp cos(β – θ p ) + Kup tp sin2θp

- Msp tp H cos(α – θp) + Kuf tf sin2θf

- Msf tf H cos(α - θf) – Jcos(θf - θp) (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 lớp sắt

từ tự do và lớp sắt 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 (trường trao đổi dịch được sinh ra do tương tác giữa lớp

phản sắt từ với lớp sắt từ bị ghim); J là hệ số liên kết bề mặt giữa lớp sắt từ bị

ghim và lớp sắt từ tự do; α là góc giữa từ trường ngoài với trục từ hóa dễ của

lớp bị ghim; β là góc giữa từ trường trao đổi dịch với trục dễ của lớp bị ghim

Thế ra Hall phẳng được viết lại như sau:

ex K y

H H

H R I R

I V

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 ngoài nên độ nhạy của sensor được tính theo

công thức[3]:

ex K

y

H H

R IH

V S







 (1.6)

10

1.2 Mạch cầu Wheatstone

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

Cấu trúc của một mạch cầu Wheatstone (xem hình 1.7) bao gồm có bốn điện trở R1, R2, R3, R4 đƣợc mắc song song với nhau Một nguồn điện một chiều đƣợc 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 đƣợc dùng để đo chênh lệch điện thế lối ra giữa 2 điểm B, D của cầu

Hình 1.7: Mạch cầu điện trở Wheatstone

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

11

Từ biểu thức (1.7), 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[7]:

Vg = Vin/4 (ΔR1/ R1 - ΔR2/R2 + ΔR3/R3 - ΔR4/ R4) (1.8)

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[7]

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[6] 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

12

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[9]

Với ưu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, tôi đã chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến 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 cảm biến 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 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, 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 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)

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:

13

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 Sau đây 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

(1.10):

(1.10)

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

+ kB là hằng số Boltzmann

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:

It2 = 4kBT Δf /R (1.11)