Nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng cầu wheatstone dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng cấu trúc ta nife(5nm) ta

23 Hình 3.6: Trái Đường cong từ hóa trên màng có bề dày khác nhau 5 nm đo theo phương song song từ trường ghim Hbias, Phải sự phụ thuộc của tín hiệu điện áp lối ra vào từ trường ngoài c

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CAM ĐOAN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI , 2015

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 bởi bất kỳ nơi nào khác Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn một cách rõ ràng

Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên

Trần Thị Thu Ngọc

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Bùi Đình Tú 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 Micro - Nano trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội 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 rất 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 năm

Sinh viên

Trần Thị Thu Ngọc

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nguồn gốc vật lý của AMR 4

Hình 1.2: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện 5 và hướng của vectơ từ hoá 5

Hình 2.1: Thiết bị quay phủ SussMicroTec và bảng điều khiển 9

Hình 2.2: Thiết bị quang khắc MJB4 10

Hình 2.3: Buồng xử lí mẫu 12

Hình 2.4: Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC 13

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của thiết bi ̣ từ kế mẫu rung (b) Thiết bi ̣ từ kế mẫu rung VSM 15

Hình 2.6: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở 15

Hình 3.1: Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến 17

Hình 3.2: Ảnh chụp mask điện trở mạch cầu Wheatstone 20

Hình 3.3: Mạch cầu điện trở sau khi phún xạ và lift- off 21

Hình 3.4: Ảnh chụp mask điện cực 22

Hình 3.5: Ảnh chụp cảm biến sau khi phún xạ và lift-off 23

Hình 3.6: (Trái) Đường cong từ hóa trên màng có bề dày khác nhau 5 nm đo theo phương song song từ trường ghim (Hbias), (Phải) sự phụ thuộc của tín hiệu điện áp lối ra vào từ trường ngoài của các màng tương ứng, dòng cấp 5mA 24

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 26

Hình 3.8: 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 27

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang

AZ5214-E 19

Bảng 3.2: Thông số phún xạ khi tạo điện trở cấu trúc cầu 21

Bảng 3.3: Các thông số phún điện cực 22

Bảng 3.4: Độ lệch thế và độ nhạy của cảm biến 27

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của khóa luận 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng 3

1.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone 5

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 9

2.1 Các thiết bị sử dụng trong khóa luận 9

2.1.1 Thiết bị quay phủ 9

2.1.2 Hệ quang khắc 10

2.1.3 Kính hiển vi quang học 11

2.1.4 Buồng xử lý mẫu 12

2.1.5 Thiết bị phún xạ 13

2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến 14

2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến 14

2.2.2 Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến 15

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 17

3.1 Quy trình chế tạo cảm biến 17

3.1.1 Chế tạo các điện trở dạng cầu Wheatstone 18

3.1.2 Chế tạo các điện cực 21

3.2 Kết quả và thảo luận 23

3.2.1 Tính chất từ và từ điện trở trên màng 23

3.2.2 Tính từ điện trở trên cảm biến cầu Wheatstone 24

3.2.2.1 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài 24

3.2.2.2 Tín hiệu cảm biến phụ thuộc vào từ trường ngoài với các dòng cấp khác nhau 26

KẾT LUẬN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

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 qui trình công nghệ , giảm chi phí sản xuất, tôi đã lựa chọn thiết kế cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone hoạt 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 Ni80Fe20 – là vật liệu từ mềm có lực kháng từ Hc nhỏ, độ từ thẩm cao rất phù hợp cho việc chế tạo cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường thấp Vì vậy ngoài khả năng đo được từ trường trái đất, cảm biến còn được kỳ vọng phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực y - sinh học, bảo vệ môi trường, khoa học kỹ thuật quân sự, phương tiện giao thông, theo mục đích đó em chọn đề tài nghiên cứu khóa

luận là “Nghiên cứu chế tạo cảm biến cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hướng cấu trúc Ta/NiFe(5nm)/Ta” làm đề tài nghiên cứu khóa

luận của mình

2

2 Mục tiêu của khóa luận

- Chế tạo cảm biến dạng cầu 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 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 của cảm biến đã chế tạo

5 Cấu trúc khóa luận gồm 3 chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phương pháp thực nghiệm

Chương 3: Thực nghiệm và thảo luận

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng

Hiệu ứng từ điện trở xuất hiện trong một vật liệu sắt từ 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 [1]

𝑀𝑅 = ∆𝜌

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 không có từ trường ngoài và có từ trường ngoài đặt vào

Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR – Anistropic magnetoresistance) xảy ra trong các kim loại và hợp kim sắt từ, sự thay đổi điện trở 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 Các đám mây điện tử bao quanh mỗi hạt nhân, 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 1.1)

4

Hình 1.1: Nguồn gốc vật lý của AMR

Để giải thích hiệu ứng từ 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 𝑀 , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của 𝑆vectơ 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:

) 2 cos(

2

cos cos

) (

, 0 ,

0

2 ,

0 ,

R R

R R

bd

l bd

l R

p p

p n

5

Từ (1.2) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào nhƣ hình 1.2

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

và hướng của vectơ từ hoá

1.2 Mạch cầu điện trở 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 1.3) 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



6

Hình 1.3: Mạch cầu điện trở Wheatstone

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

Vg + ΔV = R1+ ΔR1 R3+ ΔR3 − (R2 + ΔR2)(R4 + ΔR4)

(R1+ ΔR1+ R2 + ΔR2)(R3 + ΔR3+ R4+ ΔR4)Vin (1.4)

Trong trường hợp lý tưởng, nếu ban đầu mạch cầu cân bằng, điện thế lối

ra được biểu diễn sẽ như sau

(1.3)

7

Vg = R1 R3−R2R4

R1+ R2 R3+ R4 Vin = 0 (1.5)

⇒ R1 R3 = R2 R4hay

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 (HC = 3÷5 Oe), 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

cảm biến để giảm nhiễu nhiệt

9

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Các thiết bị sử dụng trong khóa luận

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 SussMicroTec Chất cản quang được sử dụng là AZ5214-E

Hình 2.1: Thiết bị quay phủ SussMicroTec 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)

10

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 cảm biến chúng tôi sử dụng máy quang khắc MJB4

(Sussmicrotech) 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

11

+ 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,

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

Trong khóa luận 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 - Đại học Quốc gia Hà Nội 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

d NA



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

13

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 ATC-2000FC 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 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

14

2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến

2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến

Hình 2.5a là sơ đồ nguyên lý của thiết bi ̣ từ kế mẫu rung Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) là thiết bị cho phép đo từ độ tổng cộng M của mẫu vật liệu từ, hoạt động trên nguyên lý thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu đo trong từ trường Mẫu đo được gắn vào một cần rung không có từ tính và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi hai cực nam châm điện Mẫu bị từ hóa trong từ trường đều, do đó khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu

sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận với từ

độ tổng cộng M của mẫu cho bởi công thức:

V = 4 π.N.Sm.M Với M là từ độ của mẫu đo, Sm là tiết diện vòng dây, N là số vòng dây của của thu tín hiệu

Nam châm điện trong từ kế mẫu rung là một bộ phận rất quan trọng để tạo ra từ trường từ hóa vật liệu cần đo Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng điện một chiều thì từ trường tạo ra là từ trường một chiều

ổn định, nhưng thường không lớn do bị hạn chế bởi từ độ bão hòa của lõi thép

và sự tỏa nhiệt làm nóng cuộn dây Nam châm kiểu này chỉ tạo được từ trường cực đại cỡ một vài Tesla