Nghiên cứu chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE) cho độ nhạy cao

Hệ các cảm biến đo từ trường dạng chữ thập dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE), cấu trúc màng mỏng đơn lớp Ni80Fe20 đã được chúng tôi nghiên cứu và chế tạo dựa trên thiết bị phún xạ sputtering ATC-2000FC.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE) cho độ nhạy cao Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL PHẲNG (PHE) CHO ĐỘ NHẠY CAO Trần Tiến Dũng*, Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Văn Diễn, Nguyễn Huy Hoàng Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 *Tác giả liên lạc: trantiendung97@gmail.com TÓM TẮT Hệ các cảm biến đo từ trường dạng chữ thập dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE), cấu trúc màng mỏng đơn lớp Ni80Fe20 đã được chúng tôi nghiên cứu và chế tạo dựa trên thiết bị phún xạ sputtering ATC-2000FC. Các nghiên cứu theo hướng tối ưu hóa cấu trúc, hình dạng cảm biến với mục đích tăng cường độ nhạy theo từ trường, bao gồm cảm biến có các kích thước: 1×5 mm2 , 1×7 mm2, 1×10 mm2 và có độ dày lớp màng mỏng từ tính khác nhau 5, 10, 15 nm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, độ nhạy của cảm biến phụ thuộc mạnh vào tính dị hướng hình dạng và bề dày của lớp NiFe. Tính dị hướng hình dạng càng lớn, bề dày lớp màng NiFe càng mỏng thì độ nhạy cảm biến càng cao. Độ nhạy lớn nhất đạt được trên cảm biến chữ thập có kích thước 1×10 mm2, có bề dày 5 nm cho giá trị S(H)max = 0,1 mV/Oe, tại dòng cấp 5 mA, tương đương với độ nhạy 20 mΩ/Oe. Với qui trình công nghệ chế tạo đơn giản, cấu trúc màng đơn lớp nhưng độ nhạy của cảm biến có thể so sánh được với các cảm biến có cùng loại, cùng chức năng được chế tạo từ màng đa lớp rất phức tạp như cảm biến cấu trúc van-spin (VS), cảm biến từ điện trở xuyên hầm (TMR), từ điện trở dị hướng (AMR) đã công bố. Từ khóa: Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), hiệu ứng Hall phẳng (PHE). RESEARCH, MANUFACTURING HIGH SENSITIVITY SENSOR BASED ON PLANAR HALL EFFECT (PHE) Tran Tien Dung*, Nguyen Van Ha, Nguyen Van Dien, Nguyen Huy Hoang Hanoi Pedagogical University 2 *Corresponding Author: trantiendung97@gmail.com ABSTRACT Cross-shape sensors measure magnetic field based on planar Hall effect, single layer Ni80Fe20 thin film has been designed and fabricated by sputtering ATC- 2000FC. Optimizing the structure and shape of the sensor for the purpose of enhancing the sensitivity of sensor, sensors: 1 × 5 mm2, 1 × 7 mm2, 1 × 10 mm2 and thickness of 5, 10, 15 nm. The results showed that the sensitivity of the sensor is depended on the shape magnetic anisotropy and thickness of permalloy film. The greater the shape anisotropy, the thinner the permalloy film, the higher the sensitivity of the sensor. The highest sensitivity achieved on a 1 × 10 mm2 sensor cross-shaped geometry, with 5 nm-thickness, gives a value of S(H)max = 0.1 mV/Oe, at a supplied currents of 5 mA, equivalent to sensitivity 20 mΩ/Oe. Simple fabrication process, the sensitivity of the sensor still can be compared to others sensor has the same type, and the same functions are made of complex multi- layer membranes such as: sensors spin valve structure (VS), Tunnelling magnetoresistance (TMR), AMR announced. Keywords: Anisotropic magnetoresistance effect (AMR), Planar Hall effect (PHE). 478 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học TỔNG QUAN liệu permalloy để chế tạo cảm biến đo Hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall từ trường thấp với cấu trúc chữ thập, sử effect - PHE), trong đó sự thay đổi điện dụng màng đơn lớp Ni80Fe20 dựa trên trở của vật liệu dưới tác dụng của từ hiệu ứng Hall phẳng. Theo cách bố trí trường ngoài phụ thuộc vào góc giữa này, khi ta cấp một dòng điện theo vector từ độ M và chiều dòng điện I. phương x là Ix vào cảm biến thì hiệu Có nhiều loại cảm biến đo từ trường điện thế lối ra của cảm biến là Vy theo hoạt động dựa trên các hiệu ứng từ- phương vuông góc với trục x được xác điện trở khác nhau, trong đó, các cảm định thông qua biểu thức: biến có hiệu ứng lớn thường được sử Vy = Ix∆Rsinθcosθ dụng với các cấu trúc dạng màng đa trong đó, ∆R = (ρ// - ρ┴)/t, với t là chiều lớp khá phức tạp sử dụng các công dày của lớp màng từ tính, ρ// và ρ┴ là nghệ hiện đại, thiết bị đắt tiền như hiệu điện trở suất khi đo theo phương song ứng từ điện trở khổng lồ cấu trúc spin- song và vuông góc với phương từ hóa van, từ điện trở xuyên ngầm (TMR), từ dễ của mẫu, θ là góc giữa vector từ độ điện trở dị hướng (AMR)… Khi và chiều dòng điện. nghiên cứu trên màng đa lớp NiFe/IrMn, NiFe/Cu/NiFe, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NiFe/Cu/NiFe/IrMn, các cảm biến NGHIÊN CỨU Hall dạng chữ thập cho độ nhạy lớn Mỗi cảm biến gồm 2 thanh điện trở nhất đạt cỡ 19,86 µV/Oe, các cảm biến giống nhau đặt vuông góc dạng chữ dạng mạch cầu cho độ nhạy lớn hơn cỡ thập. Các loại cảm biến có kích thước 100 lần (150 μV/Oe) được công bố bởi khác nhau, bao gồm: 1×5; 1×7 và 1×10 A. D. Henriksen. Việc đơn giản hóa mm2 với chiều dày lớp màng từ tính qui trình công nghệ, giảm chi phí chế NiFe là t = 5, 10 và 15 nm đã được chế tạo mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu tạo bằng thiết bị quang khắc MJB4 sử ứng dụng đo từ trường thấp là mục đích dụng mặt nạ polymer và thiết bị phún của cảm biến hướng đến đích thương xạ catốt ATC-2000FC. Điện cực được mại hóa sản phẩm. Tiếp cận theo mục chế tạo bằng vật liệu Cu. Quy trình chế tiêu này, nhóm chúng tôi kết hợp với tạo cảm biến được mô phỏng như hình nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm 1. Các phép khảo sát tính chất từ và tín Micro-nano, Đại học Quốc gia Hà Nội hiệu Hall của cảm biến đã được thực đã khai thác thuộc tính từ mềm của vật hiện tại nhiệt độ phòng. Hình 1. (a) Quy trìn ...