Cảm biến đo từ trường thấp dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng

Bài viết nghiên cứu tính chất từ điện trở trên các thanh điện trở có tỉ số dài/rộng (n = L/W = 5, 10, 20) và độ dày khác nhau, sau đó chế tạo cảm biến tối ưu để đo từ trường thấp dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng sử dụng màng mỏng đơn lớp Ni80Fe20 có cấu trúc cầu Wheatstone kích thước 0,5x10mm (n = 20), bề dày t = 5 nm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến đo từ trường thấp dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng TẠP CHÍ KHOA HỌC  SỐ 4/2016 71 CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƢỜNG THẤP DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ DỊ HƢỚNG Lê Khắc Quynh1(1), Bùi Đình Tú2 1 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 2 Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu tính chất từ điện trở trên các thanh điện trở có tỉ số dài/rộng (n = L/W = 5, 10, 20) và độ dày khác nhau, sau đó chế tạo cảm biến tối ưu để đo từ trường thấp dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng sử dụng màng mỏng đơn lớp Ni80Fe20 có cấu trúc cầu Wheatstone kích thước 0,510mm (n = 20), bề dày t = 5 nm. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu ứng từ điện trở tăng lên khi giảm độ dày của lớp sắt từ và tăng tỉ số n = L/W trên mỗi thanh điện trở. Điều này được giải thích nhờ vào việc tăng cường tính dị từ hướng đơn trục trên các thanh điện trở. Độ nhạy lớn nhất của cảm biến chế tạo được đạt giá trị 6,5 mV/Oe, dòng cấp 1mA. Thử nghiệm ứng dụng cảm biến đo từ trường trái đất, độ nhạy góc xác định được Sα= 29 µV/độ. Cảm biến có cấu trúc đơn giản nhưng độ nhạy tương đương so với những cảm biến dựa trên cấu trúc van spin, từ trở khổng lồ, từ trở xuyên hầm, rất hứa hẹn khả năng ứng dụng đo từ trường thấp. Từ khóa: Hiệu ứng từ điện trở dị hướng, mạch cầu Wheatstone, cảm biến từ, dị hướng từ 1. MỞ ĐẦU Hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng (AMR - Anisotropic magnetoresistance) là sự thay đổi điện trở của vật liệu dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, phụ vào góc giữa véctơ từ độ và chiều dòng điện [1]. Các kết quả công bố cho thấy, hiệu ứng từđiện trở dị hƣớng tồn tại trên các màng mỏng sử dụng vật liệu từ mềm theo cả hai phƣơng dễ và khó từ hóa. Có nhiều cảm biến đã đƣợc chế tạo dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhằm mục đích đo từ trƣờng thấp (cỡ từ trƣờng trái đất) đã đƣợc công bố [2]. Tuy vậy, các cảm biến này thƣờng có kích thƣớc khá cồng kềnh và gặp phải các loại nhiễu nhƣ nhiễu nhiệt sẽ ảnh hƣởng đến tín hiệu. Ngoài ra, một số cảm biến hoạt động tốt hơn nhƣng lại có cấu trúc dạng màng đa lớp khá phức tạp nhƣ cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall, hiệu ứng spin-van, 1 Nhận bài ngày 20.04.2016; gửi phản biện và duyệt đăng ngày 10.05.2016 Liên hệ tác giả: Lê Khắc Quynh; Email: quynhlk@gmail.com 72 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ HÀ NỘI hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm [2-5]… Việc tối ƣu hóa kích thƣớc, đơn giản hóa quy trình công nghệ, giảm chi phí chế tạo mà vẫn đáp ứng đƣợc đòi hỏi của cảm biến đo từ trƣờng thấp là mục tiêu nghiên cứu của đề tài. Lợi dụng tính chất từ mềm của vật liệu NiFe và tính ổn định nhiệt của mạch cầu Wheatstone, chúng tôi chế tạo các cảm biến đo từ trƣờng thấp dạng mạch cầu Wheatstone với cấu tr c màng đơn lớp Ni80Fe20 dựa trên hiệu ứng AMR. Các cảm biến chế tạo giảm đƣợc tối đa ảnh hƣởng các loại nhiễu đặc biệt là nhiễu nhiệt. Do đó, kết quảthu đƣợc có tỉ số tín hiệu/nhiễu sẽ lớn. 2. THỰC NGHIỆM Các thanh điện trở có tỉ số kích thƣớc khác nhau, bao gồm: 0,5×10; 1,0×10; 2,0×10 mm (tƣơng ứng với n = 5, 10, 20) với bề dày lớp màng NiFe thay đổi t = 5, 10, 15 nm và cảm biến kích thƣớc 0,510mm, t = 5nm đã đƣợc chế tạo bằng công nghệ quang khắc trong phòng sạch sử dụng thiết bị MJB4 và phƣơng pháp ph n xạ bằng thiết bị ATC- 2000FC. Sơ đồ nguyên lý và công thức xác định tín hiệu cảm biến đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.1, khi ta cấp vào mạch một hiệu điện thế Vvào (hoặc dòng điện Ivào) thì ta thu đƣợc một hiệu điện thế lối ra Vra(Vg). Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, sự thay đổi điện trở khác nhau trên các cặp điện trở khác nhau (ΔRi) do hiệu ứng AMR sẽ tạo ra các đóng góp khác nhau vào sự thay đổi điện áp lối ra Vg, tỉ số này khác nhau càng lớn giữa các cặp điện trở (R1,R3) và (R2,R4) cho tín hiệu cảm biến càng cao. Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý và công thức tính thế lối ra của mạch cầu Wheatstone Trong các nghiên cứu của mình, để tạo ra sự khác biệt này, các cặp thanh điện trở (R1, R3) và (R2, R4)đƣợc tạo ra với các phƣơng từ hóa dễ khác nhau vuông góc với nhau (hình 2.2). Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, sự thay đổi từ độ khác nhau theo từ trƣờng dẫn đến sự thay đổi điện trở khác nhau do hiệu ứng AMR sẽ tạo ra sự thay đổi điện áp lối ra ΔVra phụ thuộc vào từ trƣờng. Các nghiên cứu đã đƣợc thực hiện theo hƣớng chuẩn hóa quy trình công nghệ chế tạo, tối ƣu bề dày lớp màng,tối ƣu kích thƣớc thanh điện trở NiFe, nhằm tăng cƣờng tính dị hƣớng từ đơn trục để cảm biến có độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng nhỏ. TẠP CHÍ KHOA HỌC  SỐ 4/2016 ...