Ứng dụng hiệu ứng van spin để đo lường hay chuyển mạch điện tử bằng áp lực áp suất

LỜI MỞ ĐẦU Hiệu ứng GMR là một hiện tượng vật lý mới xảy ra ở một số màng mỏng từ có cấu trúc đa lớp gồm các lớp sắt từ xen kẽ bới các lớp kim loại phi từ, trong đó có sự thay đổi lớn về

VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU (ITIMS)

ĐẶNG VĂN KHANH

ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG VAN SPIN ĐỂ ĐO LƯỜNG HAY

CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ BẰNG ÁP LỰC/ÁP SUẤT

Chuyên ngành : Khoa học và kỹ thuật vật liệu điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn

Hà Nội – Năm 2011

Các thuật ngữ viết tắt

Mục lục hình vẽ

Mở đầu ……… 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ……… 4

1.1 Giới thiệu một số phương pháp đo áp suất ……… … 4

1.1.1 Khái niệm ……… …… 4

1.1.2 Nguyên tắc đo áp suất ……… 5

1.1.3 Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu cơ học……… 5

1.1.4 Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu cơ điện……… … 7

1.1.5 Một Một số dụng cụ đo áp suất dùng trong công nghiệp ……… … 9

1.2 Cơ sở lý thuyết về từ điện trở GMR ……….…… 11

1.2.1 Hiện tượng từ - điện trở (MR) ……… …… 11

1.2.2 Hiện tượng từ - điện trở khổng lồ (GMR) ……… 14

1.2.3 Các mô hình giải thích hiện tượng ……… 16

1.3 Hiệu ứng van spin ……….……… 20

1.3.1 Cấu trúc van spin ……….……… 20

1.3.2 Cơ chế hoạt động của van spin ……… 26

1.3.3 Một số cảm biến van spin đã được sử dụng ……… 28

1.4 Một số ứng dụng của hiệu ứng van spin ……… …… 31

1.4.1 Đo cường độ dòng điện ……….………… 31

1.4.2 Chế tạo la bàn điện tử ……… ……… 31

1.4.3 Bộ chuyển đổi từ - điện sử dụng cảm biến van spin ….……… 32

1.4.4 Đầu đọc sử dụng hiệu ứng van spin ……… …… 32

1.4.5 Spin Transistor ……… 33

ADC Analog to digital converter

AF Antiferromagnetic

AMR Anisotropic Magnetoresistance

FM Ferromagnetic

GMR Giant Magnetoresistance

IBM Internationnal Business Machines

ITIMS International Training Institute For Materials Science

LCD Liquid crystal display

MR Magnetoresistance

MRAM Magnetoresistive Random Access Memory

TMR Tunneling magneto resistance

USP Universal Serial Bus

Từ viết tắt Nghĩa của từ viết tắt

AC Dòng điện xoay chiều

ADC Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

AF Phản sắt từ

FM Sắt từ

GMR Từ điện trở khổng lồ

IBM Tập đoàn thương mại máy tính đa quốc gia

ITIMS Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu

Hình 1.1.1 : Áp kế “Buốc đông” 5

Hình 1.1.4 : Một số áp kế cơ học truyền thống 6

Hình 1.1.5 : Nguyên lý bồ biến đổi kiểu vi sai 7

Hình 1.1.6 : Cơ cấu đo áp suất kiểu áp điện(nhóm1) 8

Hình 1.1.7 : Cơ cấu đo áp suất kiểu áp điện(nhóm2) 9

Hình 1.1.9 : Một số thiết bị đo áp suất dùng trong công nghiệp 10

Hình 1.2.1 : Mô hình thí nghiệm về hiệu ứng MR trên tấm InSb 12

Hình 1.2.2 : Từ điện trở của 3 siêu mạng từ Fe/Cr đo được ở 4,2K 13

Hình 1.2.3 : Mô hình một số cấu trúc GMR 15

Hình 1.2.4 : Mô hình đường cong mô tả hiệu ứng GMR 16

Hình 1.2.5 : Cơ chế tán xạ điện tử với các Spin khác nhau 18

Hình 1.2.6 : Sơ đồ mật độ trạng thái điện tử và quá trình vận chuyển spin 19

Hình 1.3.1 : Mô tả cấu trúc van spin không ghim 21

Hình 1.3.2 : Đường cong từ hóa của van spin không ghim 22

Hình 1.3.3 : Đường cong từ hóa và đường R(H) của van spin Co/Au/Co 23

Hình 1.3.4 : Cấu trúc của màng mỏng đa lớp 24

Hình 1.3.5 : Một số cấu trúc van spin có ghim 25

Hình 1.3.6 Đường cong từ hóa mẫu có tương tác NiFe/FeMn và NiFe/NiO 25

Hình 1.3.7 :Đường cong từ hóa, đường quan hệ MR của van spin có ghim 26

Hình 1.3.8 : Đặc tuyến mô tả mối quan hệ giữa R(φ) của cấu trúc van spin 27

Hình 1.4.1 : Cấu hình bố trí cảm biến và cuộn dây để đo dòng điện 31

Hình 2.1.1 : Thiết bị đo đặc trưng từ trường theo khoảng cách 34

Hình 2.1.2 Dụng cụ đo, khảo sát đặc trưng điện áp ra của cảm biến V( ) 34

Hình 2.2.1 : Cấu hình khảo sát đặc trưng từ trường theo khoảng cách/góc 36

Hình 2.2.2 : Hệ đo và khảo tín hiệu ra của cảm biến van spin 38

Hình 2.3.1 : Sơ đồ khối thiết bị đo áp suất/chuyển mạch điện tử 39

Hình 2.3.2 : Mạch khuếch đại tín hiệu cho cảm biến 41

Hình 2.3.3 : Mạch vi xử lý giao tiếp máy tính và hiển thị kết quả trên LCD 42

Hình 2.3.4 : Sơ đồ nguyên lý mạch điện cho thiết bị đo áp suất 43

Hình 2.3.5 : Sơ đồ boar mạch in của thiết bị đo áp suất 43

Hình 2.3.6 : Sơ đồ bố trí linh kiện của thiết bị đo áp suất 44

Hình 2.3.7 : Thiết bị đo và điều khiển bằng áp suất đã được chế tạo 44

Hình 2.4.1 : Bình khí nén (JUN-AIR) dùng để chuẩn hóa thiết bị đo 47

Hình 2.4.2 : Giao diện hiển thị kết quả đo trên máy tính 49

Hình 3.1.1 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(a) 50

Hình 3.1.2 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(b) 52

Hình 3.1.3 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(c) 52

Hình 3.1.4 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(d) 53

Hình 3.1.5 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(f) 54

Hình 3.1.6 : Đường đặc trưng H(d) theo cấu hình 2.2.1(g) 55

Hình 3.2.1 : Cách xác định thông số đặc trưng của cảm biến van spin 57

Hình 3.2.2 : Đường đặc trưng V(H) của cảm biến van spin 58

Hình 3.2.3 : Đường đặc trưng V(d) của cảm biến van spin (dx = 4,7mm) 59

Hình 3.2.4 : Đường đặc trưng V(d/2) của cảm biến van spin (dx = 2,5mm) 61

Hình 3.2.5 : Đường đặc trưng theo góc quay V(φ) của cảm biến 61

Hình 3.3.2 : Đặc trưng V(H) của thiết bị đo áp suất 66

Hình 3.3.3 : Đặc trưng V(d) của thiết bị đo áp suất 67

Hình 3.3.4 : Đặc trưng V(P) của thiết bị đo áp suất 68

Hình 3.5.1 : Cấu tạo của đầu đo hay van chuyển mạch chân không 71

Bảng 2.4.1 : Thực nghiệm đánh giá sai số của thiết bị đo áp suất Pr-MR.01 48

Bảng 3.4.1 : Thông số kỹ thuật chính của thiết bị đo Pr-MR.01 69

2.2.1 Cấu hình đo, khảo sát từ trường theo khoảng cách, theo góc 35

2.2.2 Cấu hình đo đặc trưng của cảm biến……… 37

2.3 Thiết kế mạch cho thiết bị đo áp suất ……….…….… 38

2.3.1 Thiết kế sơ đồ khối ……….… ….… 38

2.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý/ mạch in và bố trí linh kiện …….…… 40

2.3.3 Xây dựng phần mềm và thử nghiệm ……….…… 45

2.4 Hiệu chuẩn thiết bị đo ……….… 47

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ………. 50

3.1 Các đặc trưng của từ trường theo khoảng cách H(d) 50

3.2 Các đặc trưng của cảm biến van spin ……… … 56

3.2.1 Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo từ trường V(H) ….…… 58

3.2.2 Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo khoảng cách V(d) … 59

3.2.3 Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo góc quay V(φ) …… … 61

3.2.4 Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến theo áp suất V(p) ……….… 63

3.2.5 Nhận xét chung về cảm biến van spin ……… 64

3.3 Thiết bị đo/chuyển mạch bằng áp suất Pr-MR.01và các đặc trưng của thiết bị 64 3.3.1 Thiết bị đo /chuyển mạch áp suất Pr-MR.01 64 3.3.2 Đặc trưng tín hiệu ra của thiết bị theo cường độ từ trường V(H) 66 3.3.3 Đặc trưng tín hiệu ra của thiết bị theo khoảng cách V(d) …… 67

3.3.4 Đặc trưng tín hiệu ra của thiết bị theo áp suất V(p) ……… 68

3.4 Các thông số kỹ thuật của thiết bị đo áp suất……….… 69

3.5 Một số đề xuất nhằm hoàn thiện thiết bị đo ……… 71

KẾT LUẬN CHUNG……….…… 73

LỜI MỞ ĐẦU

Hiệu ứng GMR là một hiện tượng vật lý mới xảy ra ở một số màng mỏng từ có cấu trúc đa lớp gồm các lớp sắt từ xen kẽ bới các lớp kim loại phi từ, trong đó có sự thay đổi lớn về giá trị điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện vào các năm 1986 và 1988 bởi 2 nhóm nghiên cứu, là nhóm của Peter Grünberg thuộc trung tâm nghiên cứu Jülich(Đức) trên màng mỏng Fe/Cr/Fe; và bởi nhóm của Albert Fert ở Đại học Paris-Sub trên các màng đa lớp Fe/Cr Bản chất của hiện tượng vật lý này là do sự tán xạ phụ thuộc spin của điện tử gây ra, đã mở đầu cho việc hình thành nên một hướng nghiên cứu mới của lĩnh vực điện tử học trong đó spin

là đối tượng được sử dụng trong các linh kiện điện tử thế hệ mới: Các linh kiện spintronics

Khái niệm về hiệu ứng van spin xuất phát từ hiệu ứng GMR trong các màng mỏng từ có cấu trúc đa lớp như đã trình bày ở trên Có thể thấy rằng trạng thái điện trở của hệ phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của véc tơ từ độ trong các lớp sắt từ, nghĩa là trạng thái véc tơ từ độ giữa các lớp sắt từ mà song song nhau thì chỉ cho phép dòng của một kênh spin đi qua và ngược lại nếu phản song thì không cho phép dòng của bất kỳ kênh spin nào đi qua, nói cách khác, từ độ của các lớp sắt từ hoạt động như một chiếc van đóng mở cho các kênh spin [6]

Trên thế giới hiệu ứng Van spin đã được biết đến ngay sau năm 1988 – 1989 và

đã được đưa vào ứng dụng trong các linh kiện điện tử mới như các cảm biến từ trường ứng dụng trong các ổ đĩa cứng của máy vi tính, trong các bộ nhớ MRAM, trong la bàn điện tử, máy dò kim loại và các thiết bị giám sát an ninh tại các khu vực sân bay, khách sạn v.v… Các cảm biến này thường rất nhạy với từ trường yếu và có ưu điểm là tiêu thụ năng lượng ít, làm việc ổn định tốt theo nhiệt độ

Hiện nay việc nghiên cứu thử nghiệm chế tạo cảm biến van spin và tiếp cận ứng dụng công nghệ spintronics ở nước ta đã được tiến hành tại viện ITIMS thông qua hoạt

động của nhóm Vật lý spin và Công nghệ spintronics Tuy nhiên trong đời sống thực tế

việc ứng dụng cảm biến van spin vào chế tạo các thiết bị đo lường, điều khiển hay chuyển mạch điện tử vẫn chưa được quan tâm đúng mức Do vậy nhiệm vụ được giao cho đề tài của luận văn là nghiên cứu, ứng dụng hiệu ứng van spin để chế tạo thiết bị đo lường hay chuyển mạch điện tử bằng áp suất, nhằm bước đầu thử nghiệm công nghệ điện tử mới, công nghệ spintronics, một lĩnh vực của công nghệ cao ứng dụng vào đời sống Trong ứng dụng này, van spin đóng vai trò là phần tử chuyển đổi tín hiệu từ trường thành dạng tín hiệu điện, sau đó được khuếch đại và xử lý thông qua việc lập trình để vừa hiển thị số liệu trên màn hình LCD, vừa ghép nối để hiển thị trên máy tính

và có thể điều khiển chuyển mạch điện tử cho các thiết bị khác ở bên ngoài.Vì vậy đề tài của luận văn có tên là:

“Ứng dụng hiệu ứng van spin để đo lường hay chuyển mạch điện tử bằng áp lực/áp suất”

Vấn đề đo áp suất hay chuyển mạch điện tử dựa vào nguyên lý hoạt động của cảm biến van spin, chính là dựa vào nguyên lý đo cường độ từ trường khi khoảng cách thay đổi bằng độ lớn của hiệu ứng GMR, từ đó chuyển đối thành dạng tín hiệu điện Vì vậy nghiên cứu đề tài này trước hết là tìm hiểu về bản chất vật lý của hiệu ứng GMR, nguyên lý đo cường độ từ trường bằng hiệu ứng GMR, cấu trúc của một van spin và cấu tạo của một cảm biến điện tử dựa trên van spin cũng như nguyên lý hoạt động của

nó Tiếp theo là khảo sát các đặc tuyến tín hiệu của cảm biến van spin sử dụng trong luận văn với cường độ từ trường tác dụng lên cảm biến được thay đổi theo khoảng cách,

từ đó thiết kế mạch điện khuếch đại thích hợp với tín hiệu ra của cảm biến van spin, thường có giá trị thay đổi nằm trong vùng từ 0V đến 5V, ứng với một khoảng cường độ

từ trường xác định; trên cơ sở đó tiến hành thử nghiệm, thiết kế và chế tạo hoàn thiện một thiết bị có thể đo được giá trị áp suất trong đường ống dẫn khí hoặc áp suất trong bình khí có phạm vi từ (0,4 ÷ 5) bar với độ phần giải 0,1 bar và sai số tuyệt đối ∆b = 0,095 bar hay sai số tương đối quy đổi δ ≈ 1,9 %

Kết cấu của luận văn gồm các chương sau :

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày về một số phương pháp đo lường áp suất truyền thống, lấy

đó làm cơ sở cho việc so sánh với giải pháp đo lường áp suất ứng dụng cảm biến van spin, trình bày nguyên lý cơ bản về hiệu ứng GMR và các mô hình giải thích hiệu ứng,

cơ sở lý thuyết về van spin và đồng thời nêu lên một số ứng dụng tiêu biểu của cảm biến van spin đã có trong thực tế

Chương 2: Phương pháp thực nghiệm

Chương này trình bày các phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu Xây dựng các cấu hình khảo sát đặc trưng của từ trường theo khoảng cách với loại cảm biến SV-01, khảo sát các đặc trưng của cảm biến này theo từ trường, xây dựng cấu trúc và các chức năng của thiết bị, thiết kế lắp ráp các mạch điện tử và các giải pháp hiệu chỉnh, thiết kế phần mềm giao diện cho thiết bị đo áp suất, chuẩn hóa

và xác định độ chính xác cho thiết bị

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu trên cảm biến và thiết bị chế tạo được, phân tích, nhận xét các kết quả đo các đường đặc trưng đối với cảm biến theo từ trường, theo khoảng cách và theo áp suất; nhận xét kết quả đối với các đường đặc trưng của thiết bị, xác định các thông số kỹ thuật của thiết bị đo áp suất và một số giải pháp

đề suất nhằm phát triển tính năng sẵn có của thiết bị

Kết luận chung

Tài liện tham khảo

- Khi nói đến áp suất thường người ta nói đến áp suất dư là chủ yến hơn là áp suất khí quyển [3] Vậy áp suất dư là gì? nó chính là hiệu của áp suất tuyệt đối cần đo với áp suất khí quyển và đây cũng là đối tượng mà đề tài đang quan tâm

- Một số giá trị tương quan giữa các đại lượng đo áp suất:

1.1.2 Nguyên tắc đo áp suất

- Đo áp suất chất lưu không chuyển động ( dùng áp kế kiểu lò xo)

- Đo áp suất chất lưu chuyển động ( dùng áp kế píttông)

- Đo áp suất lấy qua lỗ có tiết diện hình tròn được khoan trên thành bình

- Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình hay màng ngăn do áp suất gây nên

- Đo bằng một dạng cảm biến để chuyển đổi tính hiệu vào là áp suất ra là điện

1.1.3 Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu cơ học

¾ Áp kế cơ học kiểu ống “buốc đông”

Nguyên tắc hoạt động của loại áp kế

này là: Khi có áp suất khí đưa vào làm cho

ống “buốc đông”dẫn khí bị giãn nở với

khoảng cách tùy theo áp lực khí Sự giãn nở

của thanh “buốc đông”sẽ tác động đến cơ

cấu kim chỉ thị làm cho kim quay một góc

tương ứng với giá trị áp suất đưa vào áp kế

¾ Áp kế cơ học kiểu chữ u : Là một loại áp kế có dạng chữ U, đo áp suất dựa trên sự chênh lệch của cột chất lỏng được minh họa trên hình 1.1.2

Nguyên tắc hoạt động của loại áp kế

này là dựa vào độ chênh lệch áp suất của cột

chất lỏng, giá trị áp suất cần đo cân bằng

với độ chênh áp của cột chất lỏng

Khi đo một đầu nối áp suất khí quyển, đầu

kia nối áp suất cần đo, ta đo được áp suất

dư, tuy nhiên cần đọc chính xác giá trị h1 và

h2 tại cùng một thời điểm

¾ Áp kế thủy ngân: Là dụng cụ thường được dùng để đo áp suất khí quyển, đây

là dụng cụ do khí áp chính xác nhất

Nguyên tắc hoạt động của loại áp kế

này là dựa trên sự chênh lệch độ cao cột

chất lỏng

Đối với loại áp kế này thì nhiệt độ

môi trường xung quang rất quan trọng, do

vậy khi đo cần phải chú ý đến yếu tố nhiệt

độ môi trường để hiệu chỉnh khi cần thiết

¾ Áp kế kiểu màng mỏng, kiểu vi sai và kiểu màng xi phông:

Công nghệ ngày càng phát triển đòi hỏi cần phải có các thiết bị đo có độ chính xác cao hơn, khi đó người ta lại sử dụng những thiết bị đo dựa trên cơ sở tự biến dạng đàn hồi của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất Các phần tử biến dạng thường dùng là màng mỏng, lò xo hoặc ống xi phông như trên hình 1.1.4

¾ Áp kế kiểu màng mỏng , màng lò xo xi phông thường được dùng trong trường hợp khi đo áp suất nhỏ, người ta thường dùng màng dẻo hình tròn phẳng hoặc uốn nếp, chế tạo từ kim loại có tính đàn hồi cao hoặc vải cao su vv…Nguyên tắc đo và

hiển thị của những áp kế loại này là dựa vào sự biến dạng cơ học của màng, làm dịch chuyển cơ cấu kim chỉ thị hoặc dựa vào sự chênh lệch về khoảng cách hay độ cao, từ đó

có thể xác định được giá trị của áp suất cần đo

1.1.4 Nhóm dụng cụ đo áp suất kiểu cơ điện

Nhóm áp kế cơ điện được cấu tạo bằng sự kết hợp giữa cơ cấu cơ học và bộ phận cảm nhận bằng tín hiệu điện, nhóm này về nguyên lý cấu tạo thì vậy nhưng cũng rất đa dạng và hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi áp suất thành điện áp

¾ Áp kế kiểu biến áp vi sai:

Nguyên lý hoạt động của bộ

biến đổi vi sai là dòng điện I1 chạy

trong cuộn sơ cấp sinh ra từ thông biến

thiên trong 2 nửa cuộn thứ cấp, làm

xuất hiện ở 2 nửa cuộn dây này các

suất điện động cảm ứng e1 và e2 Khi

áp xuất thay đổi thì lò xo vòng sẽ dịch

chuyển lõi thép làm thay đổi điện áp

cảm ứng trên 2 cuộn thứ cấp kéo theo

sự thay đổi điện áp đầu ra Ura

Bộ biến đổi kiểu điện dung: Nguyên lý các áp suất p1 và p2 của 2 môi trường đo tác động lên màng (1), làm màng dịch chuyển giữa 2 bản cực tĩnh(2;3) và tạo ra tín hiệu

ra tỉ lệ với áp suất giữa 2 môi trường (4) là chất điện môi; (5) là dầu silicon Bộ biến đổi kiểu điện dung có thể đo được áp suất đến 120Mpa, sai số cỡ ± (0,2 – 5)%

Bộ biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm: Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi này

là dưới tác dụng của áp suất đo, màng dịch chuyển làm thay đổi khe hở từ giữa tấm sắt

từ và lõi từ của nam châm điện, do đó thay đổi độ tự cảm của cuộn dây, tín hiệu điện cảm ứng tỉ lệ với áp suất tác dụng được đưa ra bên ngoài để xử lý và hiển thị kết quả

- Nhóm 2 Dựa trên sự thay đổi tính chất của một số vật liệu khi chịu tác dụng của

áp suất: như áp kế điện trở, áp kế điện, áp kế từ vv

Bộ biến đổi kiểu áp trở : Làm việc trong dải nhiệt độ từ - 400C đến 1250C phụ thuộc vào độ pha tạp Người ta cũng có thể bù trừ ảnh hưởng của nhiêt độ bằng cách đưa thêm vào bộ chuyển đổi 1 bộ phận hiệu chỉnh được điều khiển qua đầu đo nhiệt độ

Bộ biến đổi kiểu áp điện : Bộ chuyển đổi này dùng phần tử biến đổi là phần tử áp điện, cho phép biến đổi trực tiếp ứng lực dưới tác động của lực F do áp suất gây nên thành tín hiệu điện, minh họa trên hình 1.1.7

Đối với những dụng cụ đo thuộc nhóm cơ điện thì khả năng xử lý kết quả đo cũng như truyền tín hiệu đi xa dễ dàng hơn, có thể hiển thị dưới nhiều hình thức khác nhau, linh hoạt hơn và phù hợp trong môi trường tự động hóa cao

1.1.5 Một số dụng cụ đo áp suất dùng trong công nghiệp

¾ “Áp kế điện tử” đo áp suất tương đối: EJA440A

Thiết bị này được tích hợp một mạch

vi xử lý có chức năng hiển thị kết quả trên

màn hình LCD Một vài thông số kỹ thuật

- Dải đo: 1 ÷ 32 MPa

¾ “Áp kế điện tử”: MTK IS - 20-S

Đây là loại áp kế điện tử có khoảng đo

khá rộng từ 50 ÷ 15.000 psi Dòng điện ra

tương ứng là 4-20mA, loại áp kế này hoạt động

dựa trên nguyên lý của phẩn tử áp điện

Khi áp suất tác dụng trực tiếp sẽ làm

thay đổi điện trở của màng, kéo theo sự thay

đổi tính chất điện và tín hiệu nay được gửi ra

bên ngoài để xử lý điều khiển hoặc hiển thị

¾ Một số đồng hồ đo áp suất tích hợp: Loại này vừa hiển thị mà vừa gửi tín hiệu điện ra bên ngoài để điều khiển các thiết bị khác, những loại đồng hồ này thường dùng trong công nghiệp hay trong dây chuyển tự động hóa:

Như vậy ta thấy từ xa xưa cho đến ngày nay, người ta đã sử dụng rất nhiều loại dụng cụ cũng như phương pháp đo áp suất, về cơ bản nó được chia ra thành 2 dạng

chính đó là: Áp kế cơ học thuần túy và áp kế cơ điện Với áp kế cơ học thuần túy thì nguyên tắc là dựa vào sự biến dạng của vật liệu tỷ lệ với áp suất, những biến dạng về cơ học sẽ kéo theo cơ cấu kim để chỉ thị kết quả Đối với áp kế cơ điện thì thực chất cũng xuất phát từ sự biến dạng cơ học tỷ lệ với áp suất, kéo theo các cơ cấu biến đổi từ - điện, tín hiệu này được đưa đến mạch xử lý và hiển thị kết quả

Từ nhận định trên cho thấy, chúng ta hoàn toàn có thể ứng dụng cảm biến từ trường để chế tạo một đồng hồ đo áp suất hoặc hơn thế là một thiết bị đo tích hợp áp suất/ chân không vv… Vì vậy mục tiêu trong đề tài này sẽ nghiên cứu và ứng dụng một

số tính chất mới của ngành khoa học vật liệu để chế tạo ra thiết bị đo áp suất tích hợp bộ chuyển mạch điện tử, đồng thời nó cũng là cơ sở để thực hiện hàng loạt những ứng dụng tiếp theo dựa trên nền tảng của khoa học vật liệu

1.2 Cơ sở lý thuyết về từ điện trở GMR

1.2.1 Hiện tượng từ - điện trở (MR)

Hiện tượng “từ - điện trở”, hay còn gọi tắt là “từ trở”, là tính chất của một số vật

liệu, có thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với sự thay đổi điện trở không vượt quá 5%[26] Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường (Magnetoresistance) Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều loại hiệu ứng từ điện trở trong nhiều loại vật liệu khác nhau đem lại khả năng ứng dụng hết sức

to lớn Để đánh giá độ lớn của hiệu ứng MR, thể hiện mức độ thay đổi điện trở suất khi

có từ trường so với khi không có từ trường tác dụng, người ta thường dùng khái niệm tỉ

số phần trăm từ trở MR(%) và nó được tính bởi công thức:

Đôi khi, trong một số thiết bị, tỉ sổ này cũng được định nghĩa bởi:

(1.1)

(1.2)

Trong đó : ρ(H), ρ(0), R(H), R(0) lần lượt là điện trở suất và điện trở tại từ trường H và

từ trường H = 0 Tương tự ở công thức thứ hai H max là từ trường cực đại Hai cách định nghĩa này hoàn toàn tương đương nhau

Quá trình nghiên cứu về hiệu ứng MR người ta đã làm thí nghiệm trên tấm InSb bằng cách dùng một từ trường tác dụng theo hướng vuông góc với bề mặt tấm InSb, sau

đó tiến hành đo giá trị điện trở của tấm InSb bằng thực nghiệm

Mặt khác để tính toán các hiệu ứng đo người ta cũng có thể xác định thông qua biểu thức sau:

Dưới tác dụng của từ trường ngoài thì tùy theo dấu và trị số của từ trường mà sẽ làm cho giá trị của điện trở thay đổi theo, hiện tường này gọi là hiệu ứng từ trở Như vậy chứng tỏ từ trường ngoài đã làm ảnh hưởng tới độ linh động của điện tử dẫn trong vật liệu

Để giải thích cho hiện tượng này thì ta thấy rằng khi không có từ trường ngoài, dòng điện có thể đi qua tấm InSb dễ dàng hình 1.2.1(a), Tuy nhiên nếu đặt vào đó một

từ trường nào đó thì tại đây sẽ xuất hiện một lực Lorentz tỷ lệ thuận với mật độ thông

(1.3)

lượng từ tính sẽ làm cho dòng điện đi lệch hướng hình 1.2.1(b), dòng điện đi trong trường hợp này sẽ dài hơn là trường hợp của hình 1.2.1.(a),tương ứng với giá trị điện trở tăng lên

Năm 1988, nhóm Albert Fert của trường Đại học Tổng hợp Nam Paris (Université Paris-Sud, France) đã nghiên cứu hệ siêu mạng từ (001)Fe/(001)Cr được chế tạo theo phương pháp Epitaxy chùm phân tử (MBE) Nhóm đã nghiên cứu tính chất dẫn điện phụ thuộc vào từ trường ngoài của hệ, khi đặt hệ ở từ trường khoảng 20 kG và tại nhiệt độ 4,2K kết quả thu được gây một sự ngạc nhiên lớn, ti số từ điện trở (MR) của mẫu rất lớn khoảng 50%, đây là một giá trị lớn nhất thu nhận được, giá trị này lớn hơn rất nhiều so với các hiệu ứng từ điện trở trước đó Hiệu ứng xuất hiện trong cấu trúc

siêu mạng từ Fe/Cr trên sau này được gọi là hiệu ứng từ điện trở lớn(Giant Magnetoresistance) hay từ điện trở khổng lồ (GMR)

(1.4)

Hình 1.2.2: Từ điện trở của ba siêu mạng từ Fe/Cr đo ở nhiệt độ thấp 4,2K

Hình vẽ 1.2.2 thể hiện kết quả quan hệ từ trở (MR) của 3 mẫu siêu mạng từ

Fe/Cr [12], [23] Tiếp theo đó hàng loạt các hệ từ đa lớp khác đã được chế tạo và

nghiên cứu cũng cho thấy sự xuất hiện hiệu ứng GMR, ngoài ra hiệu ứng GMR cũng xuất hiện trong những hệ từ không phân lớp khác, điều này chứng tỏ hiệu ứng GMR là

hiện tượng khá phổ biến trong các hệ từ cấu trúc không liên tục ở thang na nô mét

1.2.2 Hiện tượng từ - điện trở khổng lồ (GMR)

Từ những năm cuối của thập niên 80 trở lại đây, có nhiều hiện tượng hay tính chất vật lý mới của vật liệu đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ, đặc biệt ở các vật liệu từ có đặc trưng kích thước thu nhỏ Một trong số những khám phá tiêu biểu của thời kỳ này là:

- Hiệu ứng GMR trong các màng mỏng từ đa lớp hay trong các siêu mạng từ, gồm các lớp sắt từ xen kẽ với các lớp kim loại phi từ

- Hiệu ứng GMR trong các màng đơn lớp của các hợp kim dị thể hai pha, trong đó một pha là kim loại sắt từ, còn một pha là kim loại phi từ đóng vai trò là chất nền

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, các màng mỏng nhiều lớp có hiệu ứng GMR lớn nhưng phải làm việc trong môi trường có từ tính cao và nhiệt độ thấp [21], thường ở nhiệt độ rất thấp 4,2 K Trong điều kiện này rất khó ứng dụng, đối với các màng mỏng

từ dạng hạt thì hiệu ứng GMR thấp hơn nhưng công nghệ chế tạo lại đơn giản, phù hợp với điều kiện kỹ thuật hiện nay ở Việt nam

Stuart Parkin là một trong những nhà khoa học nghiên cứu hiệu ứng GMR hàng đầu của IBM cho rằng hệ từ đa lớp từ sự hiếu kỳ khoa học trở thành một vật liệu quan trọng trong công nghệ chế tạo thiết bị lưu trữ gọi là "bộ nhớ racetrack".Hiệu ứng GMR

sẽ mở ra một kỳ vọng về tương lai trong lĩnh vực công nghiệp điện tử [28]

Hiệu ứng GMR xuất hiện trong một cấu trúc đa lớp không liên tục đồng nhất bao gồm các lớp sắt từ được ngăn cách bởi các lớp phi từ, những cấu trúc như thế được gọi

là siêu mạng từ hình 1.2.3(a), các lớp phi từ là những màng rất mỏng ngăn cách các lớp

từ gọi là lớp cách Hiệu ứng GMR còn xuất hiện trong các cấu trúc dạng hạt cách ly

gồm các hạt từ nằm trong một nền kim loại phi từ [25], một cấu hình như thế được gọi

là hệ granular hình 1.2.3(b) Cấu trúc GMR điển hình là cấu trúc ba lớp gồm có hai lớp sắt từ được ngăn cách bởi một lớp phi từ được gọi là van-spin hình 1.2.3(c)

Tương tự như các hiệu ứng từ điện trở khác hiệu ứng GMR là sự thay đổi điện trở của mẫu khi có từ trường ngoài đặt vào, người ta thấy rằng khi đặt từ trường ngoài vào

hệ đa lớp Fe/Cr thì điện trở của hệ giảm rõ rệt, tuy nhiên sự thay đổi này lớn hơn rất nhiều so với các hiệu ứng từ điện trở cổ điển đã biết

Sự thay đổi điện trở của hệ đa lớp xuất hiện khi từ trường ngoài sắp xếp lại mô men từ của các lớp sắt từ kế tiếp Quá trình này được mô tả như trên hình 1.2.4 cho thấy, khi không có từ trường ngoài từ độ của các lớp phản song ứng với giá trị điện trở của mẫu lớn nhất Khi có từ trường ngoài tác dụng từ độ trong các lớp sắt từ được sắp xếp lại và song song với nhau, khi đó điện trở của mẫu giảm đột ngột [14]

Hình 1.2.3: Mô hình một số cấu trúc GMR

Từ hình 1.2.4 ta thấy đường cong GMR của một màng mỏng đa lớp với các cấu hình từ độ tương ứng Khi trường ngoài H= 0, có sự liên kết phản sắt từ (AF) của các lớp từ và hệ ở trạng thái điện trở suất cao Khi H > HS, sự liên kết từ giữa các lớp trở thành sắt từ (FM) hoàn toàn và hệ có trạng thái điện trở suất thấp nhất

Năm 1992, nhóm của A E Berkowitz (Đại học California, San Diego, Mỹ) phát hiện ra hiệu ứng GMR trên các màng hợp kim dị thể Co-Cu với cấu trúc là các hạt Co siêu thuận từ trên nền Cu có tỉ số từ trở đạt tới hơn 20% Các nghiên cứu về sau tiếp tục phát triển và lý giải hiệu ứng này, tính từ "khổng lồ" không nên hiểu theo nghĩa độ lớn của sự thay đổi điện trở theo từ trường nữa, mà hiểu theo nghĩa cơ chế tạo nên hiệu ứng: đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử

1.2.3 Các mô hình giải thích hiện tượng

Kể từ khi khám phá ra hiệu ứng GMR việc tìm kiếm một lý thuyết để có thể giải thích hiệu ứng đã là một mối quan tâm lớn của các nhà vật lý Cũng có nhiều lý thuyết được đưa ra, tuy nhiên để hiểu rõ hơn về hiệu ứng GMR ta có thể sử dụng một số mô hình giải thích sau:

1.2.3.1 Mô hình của Mott

Mô hình thường được sử dụng để giải thích GMR là mô hình hai dòng của Mott,

mô hình này ra đời từ rất sớm(1936) dùng để giải thích các tính chất bất thường của

Hình 1.2.4: Mô hình đường cong mô tả hiệu ứng GMR

điện trở trong các kim loại sắt từ khi chúng bị nung nóng lên quá nhiệt độ Curie Theo Mott có hai điểm chính:

- Thứ nhất là: Độ dẫn điện của kim loại có thể được mô tả bằng hai kênh dẫn không phụ thuộc với nhau tương ứng với hai trạng thái spin-up, spin-down của điện tử

và được phân biệt bởi hình chiếu spin của điện tử dọc theo trục lượng tử Xác suất tán

xạ lật spin trong kim loại thông thường nhỏ hơn so với quá trình tán xạ mà spin của điện tử vẫn được bảo toàn Điều này có nghĩa là các điện tử có spin-up và spin-down không trộn lẫn với nhau ở một khoảng cách dài và do đó độ dẫn điện của hai trạng thái spin điện tử là song song (hay được biểu diễn bằng hai kênh dẫn song song)

- Thứ hai là: Trong kim loại sắt từ tỉ số tán xạ của điện tử spin-up và spin-down rất khác nhau bất kể tâm tán xạ là gì

Cũng theo Mott dòng điện cơ bản được tạo ra bởi sự di chuyển của điện tử ở

vùng hoá trị sp do khối lượng hiệu dụng của chúng nhỏ và độ linh động cao Vùng d đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra trạng thái để "bắt giữ" các điện tử sp tán xạ Trong kim loại sắt từ vùng d bị tách vì vậy mật độ trạng thái không giống nhau đối với

hai loại điện tử có hai trạng thái spin khác nhau tại mức năng lượng Fermi Xác suất điện tử bị bắt giữ vào những trạng thái này tỉ lệ với mật độ trạng thái của chúng, do đó

tỉ lệ tán xạ phụ thuộc vào spin sẽ khác nhau với hai kênh dẫn [17] Mặc dù mô hình này

đơn giản nhưng cũng giải thích được sự dẫn phụ thuộc spin trong kim loại chuyển tiếp

Sử dụng mô hình hai dòng của Mott để giải thích ta thấy đối với cấu hình trên, trường hợp 2 lớp sắt từ có Spin cùng chiều thì tổng trở sẽ nhỏ còn trường hợp 2 lớp có Spin ngược chiều thì tổng trở sẽ lớn hơn Trường hợp hệ gồm nhiều lớp từ ta cũng có thể áp dụng mô hình của Mott để giải thích hiệu ứng GMR, ở đây chúng ta xem xét một cấu hình như trên (hình 1.2.5) ta giả sử rằng điện tử với spin có hướng song song với hướng từ độ của lớp sắt từ sẽ bị tán xạ yếu, điện tử có spin phản song với hướng từ độ của lớp sắt từ bị tán xạ mạnh hơn, giả thiết này phù hợp với sự bất đối xứng trong mật

độ trạng thái tại mức Fermi, mặt khác theo quan điểm thứ hai của Mott đối với các lớp

sắt từ sắp xếp song song điện tử có spin-up sẽ đi ngang qua cấu trúc mà không bị tán xạ

do spin của nó song song với từ độ của các lớp từ Ngược lại các điện tử có spin-down

sẽ bị tán xạ mạnh hơn khi đi qua các lớp sắt từ bởi vì spin của nó có hướng phản song với từ độ của lớp sắt từ Độ tán xạ của điện tử dẫn ảnh hưởng tới quãng đường tự do trung bình của chúng [17], [23], mặt khác quãng đường tự do trung bình của điện tử lại quyết định độ dẫn điện của hai loại điện tử

Theo hình 1.2.5 ta nhận thấy rằng ở cấu hình liên kết phản sắt từ thì mỗi kênh điện tử với spin-up và spin-down đều lần lượt bị tán xạ và không bị tán xạ (đúng ra là đều lần lượt bị tán xạ nhiều và tán xạ ít) khi đi qua các lớp sắt từ Kết quả là toàn bộ điện tử dẫn đều bị tán xạ như nhau, hệ đa lớp lúc này giống như một cái van đối với các spin, hạn chế dòng chảy của cả hai kênh spin và điện trở suất ứng với hai kênh là lớn như nhau Trong trường hợp cấu hình liên kết sắt từ thì chỉ có một kênh điện tử có spin luôn ngược chiều với từ độ mới bị tán xạ mạnh, còn kênh spin kia luôn cùng chiều nên

tỷ lệ truyền qua cao, trong tình huống này hệ đa lớp giống như một cái van mở thông cho một kênh spin truyền qua Như vậy ở trường hợp sau thì điện trở suất của toàn hệ nhỏ hơn trong trường hợp trước do có sự đoản mạch đối với một kênh spin

Hình 1.2.5: Cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau

1.2.3.2 Mô hình cấu trúc vùng

Hiệu ứng GMR có thể được giải thích bằng một mô hình cấu trúc vùng năng lượng như (hình 1.2.6), trong sơ đồ này các lớp sắt từ ký hiệu là FM, các lớp phi từ ký hiệu là NM Giả sử bề dày các lớp nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử,

theo như phân tích ở trên thì chỉ có những điện tử 3d ở lân cận mức Fermi mới tham gia tán xạ do mật độ trạng thái chưa bị lấp đầy, chỉ có sự tán xạ s-d mới gây ra sự dị thường

trong của điện trở suất của mẫu khi có từ trường ngoài tác dụng các tán xạ khác được

bỏ qua Điện tử dẫn 4s có spin-up và spin-down được xuất phát từ một lớp kim loại phi

từ khi chuyển đến các lớp sắt từ tiếp theo thì có hai trường hợp xảy ra ứng với hai cấu hình sắp xếp từ độ

Trong trường hợp thứ nhất hình1.2.6(a) môment từ độ trong các lớp sắt từ lân cận phản song Trong quá trình truyền các điện tử spin-down sẽ chuyển ngay sang các

trạng thái 3d ứng với trạng thái spin-down còn trống của lớp sắt từ lân cận nghĩa là điện

tử bị tán xạ (thể hiện bằng các đường gạch đậm) Ngược lại các điện tử có spin-up có

hướng spin trùng với hướng từ độ sẽ không chuyển sang trạng thái 3d ứng với spin-up

do không còn trạng thái trống nào cả nghĩa là chúng không bị tán xạ, trong lớp sắt từ này điện tử có trạng thái này tiếp tục chuyển sang lớp sắt từ bên cạnh tại đây điện tử có

spin-up sẽ chuyển sang trạng thái 3d spin-up còn trống (thể hiện bằng đường gạch mờ)

và khi đó nó mới bị tán xạ Các trạng thái 3d ứng với spin-up và spin-down đều được

phân bố đều nhau nên cả hai kênh dẫn ứng với điện tử có hai trạng thái spin sẽ tương đương nhau và các điện tử sẽ tán xạ như nhau do đó điện trở của cả hệ sẽ cao

Trường hợp thứ hai hình 1.2.6(b) khi từ độ trong các lớp sắt từ có từ độ song

song với nhau thì chỉ có các trạng thái 3d ứng với spin-down là còn trống nên trong quá

trình truyền qua hệ thì chỉ các điện tử có spin-down là bị tán xạ (thể hiện bằng đường chấm chấm), ngược lại các điện tử có spin-up không bị tán xạ vì không có trạng thái 3d spin-up còn trống (biểu thị bằng đường cong liền nét), đây là trường hợp một kênh dẫn

bị đoản mạch nghĩa là điện trở của cả mẫu trong trường hợp này sẽ thấp

1.3 Hiệu ứng van spin

Hiệu ứng van spin được hình thành sau những phát hiện về hiệu ứng từ điện trở

khổng lồ (giant magnetoresistance - GMR) vào năm 1988 và hiệu ứng điện trở chui hầm (tunneling magnetoresistance - TMR) vào năm 1995, đồng thời bởi 2 nhóm nghiên

cứu người Pháp do Albert Fert và người Đức do Peter Grünberg đứng đầu Hai tác giả đứng đầu hai nhóm này đã nhận được giải thưởng Nobel Vật lý năm 2007 do những đóng góp quan trọng cho sự hình thành của spintronics trên cơ sở phát minh về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR

1.3.1 Cấu trúc van spin

Cấu trúc Valve spin được hình thành từ một màng mỏng đa lớp gồm các lớp sắt

từ ngăn cách bởi các lớp phi từ mà ở đó điện trở của hệ thay đổi phụ thuộc vào sự định hướng của từ độ trong các lớp sắt từ Trong cấu trúc van-spin các lớp từ không có liên kết kiểu phản sắt từ, hoặc có nhưng cường độ yếu Ngược lại trong hệ đa lớp thì tương tác cặp trao đổi giữa hai lớp sắt từ rất mạnh do đó những sensor GMR sử dụng cấu trúc

đa lớp (nhiều hơn ba lớp) có độ nhạy thấp, đây chính là một nhược điểm Trong cấu

trúc van-spin tương tác cặp trao đổi yếu nên chỉ cần một từ trường có cường độ rất yếu

là có thể làm thay đổi sự định hướng tương đối giữa các mô men từ độ và làm thay đổi điện trở của mẫu Để có thể tạo ra được một cấu hình phản song giữa các từ độ của hai lớp sắt từ người ta tạo ra hai lớp sắt từ có lực kháng từ khác nhau, điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng hai vật liệu sắt từ khác nhau một lớp là vật liệu từ cứng còn lớp kia làm từ vật liệu từ mềm, hoặc chế tạo bề dày của hai lớp khác nhau Ta cũng có thể sử dụng một cấu trúc van-spin khác trong đó có thêm một lớp vật liệu phản sắt từ, giữa lớp vật liệu này với một lớp vật liệu sắt từ có tồn tại tương tác trao đổi dịch, tương tác này sẽ ghim từ độ của một lớp sắt từ trong khi từ độ của lớp sắt từ kia không bị

ghim nên có thể quay tự do hơn

1.3.1.1 Cấu trúc van spin không ghim

Trong cấu trúc van spin không ghim để có cấu hình từ độ phản song người ta chế tạo hai lớp sắt từ có hệ số lực kháng từ khác nhau bằng cách sử dụng hai loại vật liệu từ cứng hoặc từ mềm hoặc có thể làm bề dày của hai lớp sắt từ khác nhau Người ta đã khảo sát và thấy rằng khi bề dày lớp sắt từ thay đổi thì lực kháng từ thay đổi

Hình1.3.1 trình bày một số các cấu trúc van-spin không ghim, các mũi tên lớn biểu diễn các véc tơ từ độ trong các lớp sắt từ

Trong cấu trúc van-spin không ghim đối xứng hai lớp sắt từ là hai lớp những hợp kim sắt từ mềm (NiFe hoặc CoNiFe) ở (hình 1.3.1a), lớp giữa phi từ phải đủ dày để giữa hai lớp sắt từ đó không có liên kết hoặc có liên kết yếu với nhau Khi cho dòng điện chạy qua phần tử van-spin, với cường độ từ vài đến vài chục mA, cũng đủ tạo ra từ trường ở quanh phần tử để sắp xếp từ độ của hai lớp theo kiểu phản song Từ trường

Hình 1.3.1: Mô tả cấu trúc van spin không ghim

ngoài có tác dụng làm cho từ độ của hai lớp định hướng song song trở lại với nhau Loại van-spin này được ứng dụng để làm các cảm biến từ trường nhỏ Cấu trúc van-

spin không ghim bất đối xứng sử dụng hai lớp từ có Hc khác nhau xem (hình 1.3.1b),

đường cong từ trễ và đường đáp tuyến van-spin của cấu trúc này có dạng như trên hình 1.3.2

Khi từ trường mạnh hai từ độ của hai lớp sắt từ cùng định hướng theo từ trường

ngoài và do đó chúng song song nhau, từ trường H giảm dần véc tơ từ độ của lớp sắt từ

có trở kháng từ (H c1) nhỏ sẽ quay theo từ trường ngoài trước so với véc tơ từ độ của lớp

sắt từ có lực kháng từ (H c2) lớn, khi đó từ độ của hai lớp sắt từ sẽ phản song với nhau

và vì vậy điện trở của mẫu tăng Khi độ lớn của từ trường đạt tới giá trị H c2 thì sẽ làm cho véc tơ từ độ của lớp sắt từ thứ hai quay về vị trí song song với véc tơ từ độ của lớp sắt từ thứ nhất Hệ từ đa lớp trong trường hợp này như một chiếc van nên được đặt tên

là van-spin

Trên hình (1.3.3) biểu diễn đường từ hoá và đường R-H của một cấu trúc

van-spin khác được chế tạo bởi Barnas cùng đồng sự (1990) Van-van-spin gồm ba lớp Co/Au/Co Lớp Co đầu tiên được lắng đọng trên đế GaAs [110], sau đó lớp Co thứ hai lắng đọng trên lớp Au Do sự khác nhau về cấu trúc tinh thể (một lớp được tạo theo

Hc1

Hc2

Hình 1.3.2: Đường cong từ hóa của van spin không ghim

phương pháp epitaxi, lớp thứ hai có cấu trúc đa tinh thể) nên hai lớp Co sẽ có lực kháng

từ khác nhau [11]

Lực kháng từ khác nhau giữa hai lớp sắt từ có thể đạt được bằng cách đặt một từ trường ngoài trong suốt quá trình chế tạo van-spin Lớp phi từ trong van-spin không ghim phải có chiều dày vừa đủ sao cho tương tác cặp trao đổi giữa hai lớp sắt từ nhỏ tới mức có thể bỏ qua Mặc dù vậy khi bề dầy lớp phi từ quá lớn sẽ dẫn đến biến mất hiệu ứng

Cấu trúc van-spin không ghim (sử dụng các lớp sắt từ có trở kháng từ khác nhau)

có những ưu điểm so với những cấu trúc van-spin khác Độ nhạy của nó rất lớn, mặt khác việc chế tạo chúng tương đối đơn giản do không phải thêm lớp ghim vào (như trong trường hợp cấu trúc van-spin có ghim) Dạng đường R-H của chúng thích hợp cho những ứng dụng chuyển mạch điện tử số, vì vậy cấu trúc này thường ứng dụng trong việc thiết kế các phần tử của bộ nhớ MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory).Trong các van-spin không ghim để tạo ra trở kháng từ khác nhau trong các lớp sắt từ thì thường chế tạo với các lớp sắt từ có bề dầy khác nhau

1.3.1.2 Cấu trúc van spin có ghim

Mô hình màng mỏng đa lớp với các lớp sắt từ xen kẽ bởi các lớp mỏng phi từ tạo lên cấu trúc van- spin sơ khai đầu tiên Tuy nhiên, đây là cấu trúc đơn giản với sự quay

Hình 1.3.3: Đường cong từ hóa và đường R[H]của van spin có 3 lớp Co/Au/Co

của các lớp sắt từ theo từ trường khá tự do và việc điều khiển tín hiệu trở nên khó khăn Nhóm nghiên cứu của Peter Grunberg đã cải tiến mô hình này thành cấu trúc spin valve như hiện nay với việc sử dụng một lớp phản sắt từ Cấu trúc cơ bản của mô hình này gồm 4 lớp chính như hình 1.3.4 Lớp bên dưới là lớp màng mỏng vật liệu phản sắt từ thường sử dụng là IrMn , bên trên lớp này là lớp sắt từ đầu tiên có từ độ bị ghim bởi lớp phản sắt từ nên có từ độ bị giữ theo một hướng gọi là lớp ghim, phía trên là lớp phi

từ hoặc lớp điện môi, trên cùng là lớp sắt từ với từ độ quay tự do

Với mô hình này, khi đặt từ trường ngoài chỉ có từ độ của lớp tự do bị quay theo

từ trường ngoài do đó hiệu ứng từ điện trở hầu như chỉ phụ thuộc vào từ độ lớp bên trên Từ độ của lớp ghim bên dưới chỉ bị quay đi khi có từ trường ngoài đủ lớn để phá

vỡ liên kết với lớp phản sắt từ

Các van-spin có ghim là cấu trúc GMR được khảo sát nhiều nhất do khả năng ứng dụng rất triển vọng của chúng để làm đầu đọc từ và các cảm biến từ trường Hình 1.3.5 sẽ mô tả một số cấu trúc van- spin có ghim

Hình 1.3.4: Cấu trúc của màng mỏng từ đa lớp

Các cấu trúc van-spin có ghim được trình bày như trên (hình 1.3.5) Một cấu trúc như vậy tối thiểu có bốn lớp gồm lớp phản sắt từ, hai lớp sắt từ và một lớp cách phi từ Việc thực hiện sắp xếp từ độ trong các lớp sắt từ ở kiểu van-spin có ghim được thực hiện chủ động và chắc chắn hơn so với cấu trúc van-spin không ghim Đặc biệt chúng ta

có thể tuyến tính hóa đặc tuyến của phần tử van-spin khi dùng làm cảm biến

Tương tác trao đổi dịch đã được biết tới từ nhiều năm trước, Meiklejohn và Bean phát hiện ra từ năm 1956 Tương tác này hình thành tại bề mặt tiếp xúc giữa lớp sắt từ

với lớp phản sắt từ và được biểu hiện qua sự dịch tâm đường từ trễ khỏi gốc H=0

(hình1.3.4 & hình1.3.6)

Đường cong từ hoá của van-spin ghim có hai phần, phần thứ nhất là đường cong

từ hoá tương ứng với lớp ghim, phần thứ hai (dưới) là đường cong từ hoá của lớp tự do

Hình 1.3.6: Đường cong từ hóa của mấu có tương tác NiFe/FeMn và NiFe/NiO

Hình 1.3.5: Một số cấu trúc van spin có ghim

Hình 1.3.7 mô tả đường cong từ hoá của mẫu van-spin có ghim, đường từ hoá với hệ số trở kháng từ nhỏ tương ứng với lớp sắt từ tự do, đường từ hoá với hệ số lực kháng từ lớn tương ứng với lớp bị ghim, tương ứng với quá trình từ hoá trong mẫu là quá trình thay đổi điện trở của mẫu, hình 1.3.7b là đường ∆R/R=f(H) của mẫu [16] Ta

thấy khi H từ giá trị 800G giảm dần thì véc tơ từ độ trong hai lớp từ đang ở trạng thái

song song sẽ chuyển dần sang trạng thái phản song và do đó điện trở của mẫu thay đổi theo Sự thay đổi điện trở đột ngột của mẫu trong giá trị từ trường xấp xỉ không (H~0) thường được sử dụng cho những ứng dụng cảm biến trong đầu đọc, MRAM

1.3.2 Cơ chế hoạt động của van spin

Cơ chế hoạt động của van spin dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ mà ở đó điện trở của hệ màng mỏng từ đa lớp gồm các lớp sắt từ ngăn cách bởi lớp phi từ có thể

thay đổi rất lớn dưới tác dụng của từ trường ngoài [27] Cơ chế của hiệu ứng được lý

Hình 1.3.7: Đường cong từ hóa(a) và đường quan hệ từ điện

trở (b) của van spin có ghim [NiFe/Cu/NiFe/FeMn]

giải qua cơ chế "tán xạ phụ thuộc spin" của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi điện trở của hệ Có thể thấy rằng trạng thái của hệ (điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của từ độ của các lớp sắt từ Có nghĩa là việc từ độ các lớp này định hướng tương đối với nhau ra sao (song song hay phản song song) có thể cho phép dòng dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua hoặc không thể truyền qua, nói cách khác là từ độ của các lớp sắt từ hoạt động như một chiếc van đóng mở spin Các cấu trúc spin valve đã và đang được ứng dụng trong các đầu đọc ổ cứng máy tính [19] Trong tương lai nó sẽ được ứng dụng rộng dãi để chế tạo các linh kiện điện tử và được coi là linh kiện điện tử thế hệ mới(linh kiện spintronic) [22]

Hình 1.3.8 mô tả quá trình quay từ độ trong cấu trúc van-spin, khi véc tơ mô men từ trường ngoài quay thì hướng từ độ của lớp sắt từ tự do sẽ bị quay theo, trong khi

đó thì véc tơ từ độ của lớp sắt từ bị ghim bên dưới không quay Kết quả là giá trị điện trở của cấu trúc van spin cũng bị thay đổi tỷ lệ với góc quay của từ trường ngoài Đường đặc tuyến trong hình 1.3.8 cũng thể hiện mối quan hệ giữa góc quay của vec tơ

từ trường ngoài và điện trở của cấu trúc van spin

Hình 1.3.8: Đặc tuyến mô tả quan hệ R(φ)giữa góc quay

từ trường với điện trở của cấu trúc van spin

Trở lại với mô hình (hình1.2.7) ta có thể thấy đây là mô hình đơn giản nhất thể hiện được cơ chế tán xạ phụ thuộc spin trong một cấu trúc từ đa lớp hay còn được gọi là van spin Nhận thấy rằng các điện tử có phương spin cùng chiều với phương của từ độ

có sác xuất tán xạ nhỏ hơn so với các điện tử có phương spin ngược chiều với phương

từ độ trong các lớp sắt từ Như vậy khi từ độ của các lớp sắt từ sắp xếp song song nhau (kiểu sắt từ) sẽ dẫn đến một kênh spin có hệ số truyền qua cao hơn so với kênh còn lại, khi từ độ các lớp sắt từ sắp xếp phản song nhau (kiểu phản sắt từ) thì cả hai kênh spin cùng có sác xuất tán xạ như nhau Nói khác là điện trở của hệ ở trường hợp từ độ song song nhỏ hơn so với trường hợp phản song như thể hiện ở hình vẽ

1.3.3 Một số cảm biến van spin đã được sử dụng

¾ Cảm biến AA005-02: Là loại cảm biến hiệu ứng GMR rất nhạy với từ trường

ngoài Loại cảm biến này thường được sử dụng trong kỹ thuật đo lường như đo từ trường trái đất, xác định phương hướng vv

Thông số kỹ thuật

- Điện áp cung cấp : 5-12 VDC

- Từ trường làm việc : 100 (Oe)

- Trở kháng : 5 KΩ

¾ Cảm biến AD22151: Đây là IC cảm biến từ hiệu ứng GMR có trở kháng đầu ra

tuyến tính với cường độ từ trường ngoài khi tác dụng vuông góc với bề mặt cảm biến Loại cảm biến này được tích hợp từ nhiều phần tử van spin và có khả năng giảm sự dao động nhiệt trong một số ứng dụng Tín hiệu đầu ra là nguồn dòng, giá trị đạt tới 1mA

Thông số kỹ thuật

- Điện áp cung cấp : 12VDC

- Từ trường làm việc : Không hạn chế

¾ Cảm biến AC004-01: Đây là cảm biến hiệu ứng GMR rất nhạy cảm với từ

trường yếu, kể cả khi có một dòng điện rất nhỏ đi qua dây dẫn đặt trên bề mặt cảm biến

nó cũng đủ gây ra hiệu ứng Vì thế loại cảm biến này thường được ứng dụng trong các thiết bị để phát hiện dòng điện AC có tần số lên đến 1MHZ , hoặc ta có thể ứng dụng nó

để chế tạo ra thiết bị phát hiện dây dẫn điện âm tường trong trạng thái không phá hủy

Thông số kỹ thuật - Điện áp cung cấp

- Điện áp cung cấp : (5 ÷ 25)VDC

- Từ trường làm việc : (0 ÷ 1,14) KA/m

- Trở kháng : (2.4 đến 4.7)KΩ

¾ Cảm biến ADV001-00E: Đây là loại cảm biến hiệu ứng GMR có trở kháng thay

đổi rất nhạy theo từ trường ngoài Cảm biến được tích hợp gồm 4 phần tử van spin ghép theo kiểu cầu Wheatstone, phối hợp với mạch khueecshs đại bên trong

¾ Cảm biến KMZ43T : Đây là một cảm biến nhạy từ trường sử dụng hiệu ứng từ

điện trở của màng mỏng permalloy Bộ cảm biến này có chứa hai cầu Wheatstone đặt lệch nhau 450 Khi có một từ trường quay trong mặt phẳng xy sẽ tạo ra hai tín hiệu độc lập biến thiên liên tục ở các đầu ra Loại cảm biến này phù hợp cho các ứng dụng để đo góc độ rất chính xác kể cả trường hợp đặt trong từ trường yếu

¾ Cảm biến SV- 01: Cảm biến SV-01 là loại cảm biến van spin hiệu ứng GMR đã

được chế tạo thử nghiệm từ rất sớm, cấu trúc bên trong gồm có 4 phần tử van spin đơn ghép với nhau theo kiểu cầu Wheatstone [15] Cảm biến này rất nhạy đối với từ trường ngoài [24], đặc biệt là khoảng thay đổi tuyến tính giữa MR được kéo dài theo trục X

1.4 Một số ứng dụng của hiệu ứng van spin

1.4.1 Đo cường độ dòng điện

Về nguyên tắc khi dòng điện đi qua một ống dây thì trong lòng ống dây sẽ sinh ra

các đường sức từ hay còn gọi là từ trường (H), khi đó nó được xem như một thanh nam

châm có cường độ từ trường phụ thuộc vào cường độ của dòng điện chạy qua, chiều của

từ trường thì phụ thuộc vào chiều của dòng điện Nếu như phía một đầu của ống dây ta đặt một cảm biến hiệu ứng van spin thì tín hiệu ra của cảm biến sẽ tỉ lệ với cường độ của dòng điện đi qua ống dây

Tín hiệu ra của cảm biến cần phải được khuếch đại cho đủ lớn để đưa đến mạch

vi xử lý, ở đó bộ vi xử lý sẽ được lập trình để hiển thị kết quả giá trị dòng điện tương ứng với dòng điện đi qua ống dây

1.4.2 Chế tạo la bàn điện tử

Về nguyên tắc thì từ trường của trái đất cũng có sự phân cực theo hướng Bắc – Nam, tuy nhiên từ trường của trái đất là từ trường yếu chỉ khoản 10-1 đến 10-3 Gauss do vậy cần phải có một cảm biến từ trường có độ nhạy cao, đặc biệt là loại cảm biến từ trường có hiệu ứng GMR hoặc từ điện trở dị hướng AMR Dưới đây là sơ đồ khối của một la bàn điện tử:

Hình 1.4.1: Cấu hình bố trí cảm biến và cuộn dây để đo dòng điện

1.4.3 Bộ chuyển đổi từ - điện sử dụng cảm biến van spin

Trong thực tế có rất nhiều những ứng dụng cần thiết đến việc chuyển đổi giữa các đại lượng vật lý như chuyển đổi cơ học sang tín hiệu điện thực hiện chức năng đóng / ngắt mạch điện, sự dịch chuyển theo góc quay có chu kỳ có thể dùng trong các thiết bị

tự động điều khiển góc mở, đo vận tốc hay đo góc, sự dịch chuyển theo phương ngang

có thể dùng trong các thiết bị cần xác định vị trí, đóng ngắt mạch điện theo chu trình vv dưới đây là hình ảnh minh họa một số ứng dụng thực tế của cảm biến Van spin dùng trong các bộ chuyển đổi từ - điện:

1.4.4 Đầu đọc sử dụng hiệu ứng van spin

Một trong những ứng dụng quan trọng của cảm biến van spin mang tính đột phá

về công nghệ đó là dùng trong các đầu đọc ổ cứng máy tính [20], các bộ nhớ MRAM hay một số linh kiện điện tử thế hệ mới

Hình 1.4.3: Ứng dụng cảm biến Van spin trong đầu đọc ổ đĩa cứng

Hình 1.4.2: Ứng dụng cảm biến Van spin để đóng /ngắt mạch điện

Một dẫn chứng khác đó là công ty Công ty Toshiba đã chế tạo thành công tế bào

bộ nhớ MRAM tích hợp các công nghệ mới và đã được kiểm tra tính ổn định của nó Để đạt được những tiến bộ về công nghệ, Toshiba đã ứng dụng và chứng minh kỹ thuật STS(spin transfer switching) và các công nghệ PMA (perpendicular magnetic anisotropy) dựa trên hiệu ứng xuyên hầm từ tính [23] Các bít thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ M-RAM (magnetic random access memory) đã được sử dụng rộng dãi hiện nay trong các máy tính cá nhân

Kỹ thuật STS sử dụng các tính chất của spin của electron để đảo ngược sự từ hóa

và lưu trữ dữ liệu với mức sử dụng năng lượng là thấp nhất [27] Nó được xem là một ứng cử viên chính trong các nguyên lý thế hệ tiếp theo cho các thiết bị nhớ mới

1.4.5 Spin Transistor

Gần đây, các nhà khoa học Hàn Quốc đã chế tạo thành công linh kiện điện tử thế

hệ mới có tên là “spin transitor” Một transitor hiệu ứng trường spin, kiểm soát phương hướng spin của các hạt, là một đột phá trong lĩnh vực điện tử học spin Không giống các thiết bị bán dẫn truyền thống chỉ kiểm soát được dòng điện, spin transitor thế hệ mới có thể sử dụng spin của các hạt chuyển động quanh hạt nhân

Hình 1.4.4: Cấu trúc của bộ nhớ M-RAM công nghệ mới