ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG QUỐC VIỆT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MICRO – NANO CHẾ TẠO TỔ HỢP CẢM BIẾN TỪ U N V N THẠC S V T LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG QUỐC VIỆT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MICRO - NANO CHẾ TẠO TỔ HỢP CẢM BIẾN TỪ Chuyên ngành: Vậ ệ ệ N C ạ í ểm U N V N THẠC S V T LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO N ƣờ ƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Mậu Danh Hà Nội - 2013 LỜI CẢ ƠN Trước tiên, cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Trần Mậu Danh và ThS. Bùi Đình Tú, những người thầy 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 luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các cán bộ, thầy cô trong bộ môn Vật liệu và Linh kiện nano đặc biệt là PSG.TS. Đỗ Thị Hương Giang đã giúp đỡ cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của bộ môn. Trong quá trình thực hiện luận văn em đã cũng nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của NCS. Nguyễn Xuân Toàn, NCS. Lê Khắc Quynh, NCS. Phạm Anh Đức, ThS. Nguyễn Thị Ngọc. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các anh các chị. Luận văn này được hoàn thành với sự hỗ trợ của đề tài mã số QGTĐ. 13. 24 và đề tài nghiên cứu và phát triển khoa học công nghệ thuộc chương trình khoa học và công nghệ vũ trụ năm 2010-2011. Cuối cùng, con xin gửi là cảm ơn tới toàn thể gia đình. Gia đình chính là nguồn động lực lớn lao nhất đối với con. Hà Nội, ngày tháng năm Học viên Đồng Quốc Việt LỜI CA ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác. Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều được trích dẫn một cách rõ ràng. Hà Nội, ngày tháng năm Học viên Đồng Quốc Việt MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CA ĐOAN DANH ỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................1 DANH ỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .........................................................................................5 1.1 Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến ...............................................................5 1.1.1 Cảm biến flux - gate ........................................................................................5 1.1.2 Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall .....................................................................6 1.1.3 Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện ..............................................................7 1.2 Nhiễu cảm biến ......................................................................................................9 1.3 Cảm biến đo từ trường bằng hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) ...................11 1.3.1 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng .......................................................................11 1.3.2 Mạch cầu điện trở Wheatstone ......................................................................12 CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...................................................15 2.1 Phương pháp chế tạo cảm biến ............................................................................15 2.1.1 Xử lý bề mặt mẫu...........................................................................................15 2.1.2 Chế tạo mặt nạ và hốc chứa cảm biến ...........................................................16 2.1.3 Phún xạ tạo màng...........................................................................................21 2.2 Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến ..............................................24 2.2.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến ................................................................24 2.2.2 Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến ..................................................25 2.2.3 Hệ khảo sát đáp ứng góc của cảm biến từ trường..........................................27 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LU N .............................................................28 3.1 Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone .................................................................28 3.2 Khảo sát ảnh hưởng kích thước đơn thanh trong mạch cầu Wheatstone lên tích chất của cảm biến. ......................................................................................................30 3.2.1 Tính chất từ của cảm biến 1×5 mm và cảm biến 1×3 mm ............................30 3.1.2 Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến 1×5 mm và cảm biến 1×3 mm .32 3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày màng NiFe lên tính chất của cảm biến 1×5 mm ..............................................................................................................................35 3.3.1 Khảo sát tính chất từ của hệ cảm biến 1×5 mm.............................................35 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng chiều dày màng NiFe lên tính chất từ điện của cảm biến 1×5 mm ...................................................................................................................36 3.4 Khảo sát tính chất từ của cảm biến 3 thanh điện trở ............................................37 3.4.1 So sánh tính chất của cảm biến 3 thanh và cảm biến đơn thanh. ..................37 3.4.1.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm .............38 3.4.1.2 Khảo sát tính chất từ - điện trở của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm ................................................................................................................................38 3.4.2 Khảo sát bề dày màng NiFe tới tính chất của cảm biến 3 thanh ...................40 3.5 Khảo sát đáp ứng góc của cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR với từ trường trái đất .................................................................................41 3.5.1 Khảo sát từ trường làm việc của cảm biến ....................................................41 3.5.2 Sự phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào định hướng của từ trường trái đất ........42 KẾT U N ..................................................................................................................45 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ IÊN QUAN ĐẾN LU N V N ..................................................................................................................46 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................47 1 DANH ỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của máy ...........................................................................18 Bảng 2.2: Thông số cắt mặt nạ của máy laser VLS3.60 ...............................................20 Bảng 2.3: Thông số cắt hốc chứa cảm biến ...................................................................21 Bảng 2.4: Thông số phún xạ của các lớp Ta/NiFe/Ta ...................................................23 Bảng 2.5: Các thông số phún xạ điện cực ....................................................................24 Bảng 3.1: Thông số tính chất từ của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm ............................31 Bảng 3.2: Độ biến thiên điện áp và độ nhạy của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm..........33 Bảng 3.3: Độ biến thiên thế lối ra của cảm biến theo 2 phương song song và vuông góc của từ độ với từ trường ..................................................................................................35 Bảng 3.4: Các thông số thu được từ đường cong từ hóa 3.6a và 3.6b ..........................36 Bảng 3.5: Điện trở thanh, độ biến thiên điện áp và độ nhạy của cảm biến 1×5 mm khi thay đổi chiều dày màng NiFe 5, 10, 15 nm ..................................................................37 Bảng 3.6: Thông số từ đường từ hóa tỉ đối M/MS của cảm biến 3 thanh ......................38 Bảng 3.7: Thông số độ biến thiên và độ nhạy của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm .................................................................................................................................39 Bảng 3.8: Độ biến thiên điện thế lối của cảm biến 1×5 mm, cảm biến 3 thanh 5 và cảm biến 3 thanh 15 ..............................................................................................................41 2 DANH ỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux – gate ...........................................................5 Hình 1.2: Sơ đồ hiệu ứng Hall .........................................................................................6 Hình 1.3: Sơ đồ minh họa hiệu ứng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện .....................................................................................8 Hình 1.4: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài ......................8 Hình 1.5: Nguồn gốc vật lý của AMR ...........................................................................11 Hình 1.6: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện ..........................12 Hình 1.7: Mạch cầu điện trở Wheatstone ......................................................................13 Hình 2.1: Buồng xử lý mẫu ...........................................................................................15 Hình 2.2: Cấu tạo chung của một máy cắt laser ............................................................16 Hình 2.3: Máy cắt laser VLS3.60 ..................................................................................17 Hình 2.4: Mặt nạ được sử dụng để chế tạo cảm biến 1× 3 mm: (a) là mặt nạ điện trở, (b) là mặt nạ điện cực và (c) hình dạng cảm biến hoàn thiện........................................19 Hình 2.5: Hệ mask của cảm biến 1× 5 mm: (a) là mặt nạ điện trở, (b) là mặt nạ điện cực (c) hình dạng cảm biến hoàn thiện .........................................................................19 Hình 2.6: Hệ mask của cảm biến 3 thanh: (a) là mặt nạ điện trở, (b) là mặt nạ điện cực .......................................................................................................................................19 Hình 2.7: Mặt nạ của các cảm biến ...............................................................................20 Hình 2.8: Nguyên lý của quá trình hình thành màng mỏng bằng phún xạ catot ...........21 Hình 2.9: Thiết bị phún xạ catot ....................................................................................22 Hình 2.10: Thanh điện trở của mạch cầu Wheatstone sau khi được phún xạ tạo màng Ta/NiFe/Ta.....................................................................................................................23 Hình 2.11: Cảm biến thu được sau quá trình phún xạ điện cực ....................................24 Hình 2.12: (a) Sơ đồ nguyên l của thiết bị từ kế mẫu rung. (b) Thiết bị từ kế mẫu rung VSM...............................................................................................................................25 Hình 2.13: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở....................................................25 Hình 2.14: (a) Cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh. (b)Cảm biến được kết nối với hệ đo điện từ .......................................................................................................................26 3 Hình 2.15: Mâm quay góc phương vị và cuộn Helmholtz ...........................................27 Hình 3.1: Sự phụ thuộc điện áp lối ra vào từ trường ngoài của cảm biến (a) dạng thanh điện trở (b) dạng mạch cầu Wheatstone. .......................................................................29 Hình 3.2: Sự biến thiên của các điện trở thành phần trong mạch cầu Wheatstone .......29 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của điện trở suất vào từ trường ngoài với trường hợp từ trường song song và vuông góc với dòng điện .........................................................................30 Hình 3.4: Đường cong từ hóa theo phương song song và vuông góc với phương ghim của từ độ (a) cảm biến 1×3 mm (b) cảm biến 1×5 mm .................................................30 Hình 3.5 : Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm (a) Khi từ trường ngoài vuông góc với trục từ hóa dễ (b) Khi từ trường song song với trục từ hóa dễ .............................................................................................................................31 Hình 3.6: Sự thay đổi điện áp lối ra cảm biến phụ thuộc vào từ trường tác dụng trong dải (a) – 60 Oe ÷ 60 Oe (b) 10 ÷ 20 Oe ........................................................................32 Hình 3.7: Sự thay đổi hiệu điện thế lối ra theo từ trường ngoài trong dải -120 ÷ 120 Oe với phương từ độ của cảm biến cùng phương với từ trường ngoài ...............................34 Hình 3.8: Đường cong từ hóa tỉ đối M/MS của cảm biến 1×5 mm với chiều dày màng NiFe là 5, 10 và 15 nm (a) theo phương vuông góc với trục từ hóa dễ, (b) theo phương song song với trục từ hóa dễ ..........................................................................................35 Hình 3.9: Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào từ trường ngoài của cảm biến 1×5 mm với chiều dày màng NiFe khác thay đổi 5, 10 và 15 nm ...............................................37 Hình 3.10: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của cảm biến cảm biến 3 thanh theo phương vuông góc và song song với trục từ hóa dễ .....................................................38 Hình 3.11: Sự thay đổi điện áp lối ra của cảm biến 3 thanh và 1×5 mm theo từ trường .......................................................................................................................................39 Hình 3.12: Sự phụ thuộc điện áp lối ra vào từ trường ngoài của cảm biến 3 thanh với chiều dày lớp màng NiFe thay đổi.................................................................................40 Hình 3.13: Sự phụ thuộc hiệu điện thế lối ra của cảm biến 3 thanh theo từ trường (a) 10 Oe ÷ 20 Oe (b) -60 Oe ÷ 60 Oe. ...............................................................................42 Hình 3.14: Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào góc định hướng giữa phương ghim của cảm biến và phương bắc nam của từ trường trái đất .....................................................43 Hình 3.15: Sự biến thiên điện áp lối ra của cảm biến trong dải góc 1350 ÷ 2250 .........44 4 Ở ĐẦU Trên thế giới có rất nhiều loại cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau được sử dụng để đo từ trường thấp, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên hiệu ứng quang và từ như cảm biến giao thoa lượng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa trên hiệu ứng điện - từ, cảm ứng điện từ (Flux-Gate), hiệu ứng Hall... Mặc dù các cảm biến hoạt động dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhưng các cảm biến đều dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích hiệu điện thế lối ra từ cảm biến thay đổi phụ thuộc vào cường độ của từ trường tác dụng lên cảm biến. Mỗi loại cảm biến đều có đặc thù riêng, có các ưu điểm và nhược điểm riêng tùy thuộc vào mục đích và phạm vi trong từng lĩnh vực ứng dụng. Với mục tiêu đặt ra là nghiên cứu và chế tạo cảm biến đo từ trường thấp đáp ứng yêu cầu giảm được tối đa độ ảnh hưởng của các loại nhiễu lên cảm biến, đặc biệt là nhiễu nhiệt, chúng tôi đã lựa chọn thiết kế cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone là cấu hình tổ hợp các cảm biến đơn 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 luận văn nghiên cứu này, vật liệu được lựa chọn để chế tạo cho phần nhạy từ của 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, ... Với hướng nghiên cứu này, các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận văn bao gồm:  Chế tạo, khảo sát tính chất điện từ của thanh trở.  Chế tạo cảm biến với các cấu hình khác nhau, khảo sát và tìm ra cấu hình cảm biến tối ưu.  Chế tạo cảm biến với bề dày màng khác nhau, khảo sát tìm ra bề dày màng của cảm biến có tín hiệu và độ nhạy cao.  Khảo sát đáp ứng góc của cảm biến 1 chiều với từ trường trái đất. 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Các loại cảm biế ừ rƣờng phổ biến Trên thế giới, cảm biến đo từ trường đã và đang được sử dụng rộng rãi và đa dạng. Trong đó, 3 loại cảm biến đo từ trường đang được sử dụng phổ biến hiện nay là cảm biến dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện - từ, cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện, cảm biến dựa trên hiệu ứng hall. Sau đây, chúng tôi sẽ đi vào chi tiết cụ thể của các loại cảm biến. 1.1.1 Cảm biến flux - gate Cảm biến flux-gate có cấu tạo gồm một lõi sắt từ mềm hình xuyễn có độ tự cảm lớn xung quanh được cuốn bởi hai cuộn dây: Cuộn kích thích và cuộn tín hiệu (xem hình 1.1) Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux – gate Cuộn kích thích có dòng xoay chiều AC chạy qua, cuộn dây này sẽ tạo ra từ trường xoay chiều khép kín chạy vòng xung quanh lõi sắt từ hình xuyến. Cuộn tín hiệu được quấn xung quanh lõi sắt từ mềm và cuộn kích thích để thu tín hiệu lối ra. Nguyên lý hoạt động của cảm biến flux-gate: Từ trường xoay chiều do cuộn dây kích thích sinh ra sẽ làm xuất hiện từ thông biến thiên và do đó sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng sinh ra trong lòng cuộn dây tín hiệu. Khi không có từ trường ngoài, từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu bằng không do từ trường khép kín chạy trong lòng lõi sắt từ làm cho điện áp của cuộn tín hiệu bằng không. Khi có sự tác động của từ trường ngoài, một nửa của vòng dây kích thích sẽ sinh ra từ trường cảm cùng chiều với từ trường ngoài, một nửa còn lại của vòng dây kích thích sẽ sinh ra từ trường cảm ngược chiều với từ trường ngoài. Điều này dẫn tới sự chênh lệch từ thông trong hai nửa vòng dây của cuộn kích thích, nó sẽ tạo ra một suất điện động cảm ứng và do đó tạo ra điện áp trong cuộn tín hiệu. Điện áp này sẽ tỉ lệ với cường độ của 6 từ trường ngoài tác dụng. Như vậy thông qua việc đo điện áp lối ra của cuộn tín hiệu, ta có thể xác định được cường độ từ trường ngoài tác dụng. Ưu điểm của cảm biến loại này là công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ. Tuy nhiên, hạn chế của nó là khá cồng kềnh, không bền và có thời gian đáp ứng chậm khoảng 2-3 giây. Đây chính là các mặt hạn chế của cảm biến loại này trong một số ứng dụng cụ thể đặc biệt cho việc định vị các đối tượng tốc độ cao và máy bay không người lái [11]. 1.1.2 Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall Cảm biến Hall có thể đo được cả từ trường một chiều DC và từ trường xoay chiều AC trong dải tần số lên đến 30 kHz. Ngoài việc đo từ trường, cảm biến Hall còn được phát triển thành các cảm biến đo vị trí, đo góc, đo vận tốc và đo tốc độ quay [5]. Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall. Hiệu ứng này được phát hiện vào năm 1879 do giáo sư Edwin Hall khi ông đang làm việc tại đại học Jonhs Hopkins ở Baltimore, Maryland [2]. Khi cho một dòng điện chạy qua một vật dẫn là chất bán dẫn được đặt trong từ trường ngoài, ở hai mặt đối diện vuông góc với chiều dòng điện sẽ xuất hiện chênh lệch điện áp trên vật liệu này. Hình 1.2: Sơ đồ hiệu ứng Hall Các điện tích chuyển động trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài, chúng sẽ chịu tác dụng của lực Lorent hướng vuông góc với chiều dòng điện và từ trường ngoài: F  q.EH  q[v x B] (1.1) Trong đó: q : Điện tích của điện tử (q = 1.6 × 10-19c ) 7 ⃗ : Tốc độ chuyển động của electron. ⃗⃗ : Cảm ứng từ. ⃗⃗ : Là điện trường Hall. Dưới tác dụng của lực Lorent các điện tích sẽ chuyển động theo hai hướng ngược nhau về hai mặt của vật dẫn và tạo ra ở hai mặt đối diện của vật dẫn các điện tích trái dấu làm xuất hiện một điện trường Hall EH hướng vuông góc với chiều dòng điện. Lực tĩnh điện do điện trường này gây ra sẽ ngược hướng với lực Lorent. Trạng thái cân bằng nhanh chóng được hình thành cùng với sự tăng dần của lực điện cho đến khi bù trừ hoàn toàn với lực từ. Khi đạt đến trạng thái cân bằng, lực gây ra do từ trường B sẽ cân bằng với lực điện trường E gây ra. Khi đó, thế Hall được cho bởi công thức: RH VH  I .B t (1.2) Trong đó, RH là điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là chiều dày tấm vật liệu 1.1.3 Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - ện Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp [9,15] đã công bố kết quả nghiên cứu một loại cảm biến đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu Metglas/PZT dạng tấm. Những cảm biến này có thể xác định chính xác cả độ lớn và góc định hướng của từ trường. Ngoài ra, chúng hoạt động không cần từ trường làm việc (bias) và được kích thích bởi một dòng xoay chiều nhỏ 10 mA, có độ phân giải từ trường cao 10-9 Tesla và độ phân giải góc 10-5 độ. Hiệu ứng điện – từ đầu tiên được dựa đoán bởi P.Curie vào năm 1894 [12]. Thuật ngữ “điện – từ” được đưa ra bởi P. Debye năm 1926 [13]. Một dựa đoán chặt chẽ hơn về sự liên kết giữa pha sắt từ và sắt điện được xây dựng bởi L.D.Landau và E. Lifshitz [10]. Vào năm 1959 Dzyaloshinskii [7] đã dựa đoán rằng hiệu ứng điện - từ có thể quan sát được trong vật liệu đơn pha Cr2O3. Sự phân cực cảm ứng bởi từ trường của Cr2O3 được quan sát lần đầu tiên vào năm 1960 bởi Astrov [3]. Hiệu ứng điện - từ thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Hiệu ứng điện – từ được chia thành hiệu ứng điện từ thuận (direct magnetoelectric effect) và hiệu ứng điện từ nghịch (converse magnetoelectric effect) (hình 1.3) trong đó, hiệu ứng thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện 8 (P) khi đặt trong từ trường ngoài (H) và ngược lại hiệu ứng nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (M) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E). Hình 1.3: Sơ đồ minh họa hiệu ứng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện Hiệu ứng điện từ thuận: Khi vật liệu chịu tác dụng của một từ trường ngoài H, pha sắt từ (do hiệu ứng từ giảo) sẽ bị biến dạng sinh ra ứng suất tác dụng lên pha áp điện. Do hiệu ứng áp điện, độ phân cực điện bên trong vật liệu sẽ bị thay đổi và do đó trên hai mặt đối diện của vật liệu sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu nhau như hình 1.4. Hiệu ứng từ điện thuận được đặc chưng bởi hệ số từ điện: E = dE/dH. Hiệu ứng điện từ ngược: Ngược với hiệu ứng điện từ thuận, trong hiệu ứng này, dưới tác dụng của điện trường, do hiệu ứng áp điện ngược, pha áp điện sẽ bị biến dạng cưỡng bức sinh ra ứng suất cơ học truyền cho pha sắt từ (từ giảo). Do hiệu ứng Villary, mômen từ của pha sắt từ sẽ bị thay đổi để cực tiểu hóa năng lượng từ đàn hồi sinh ra do ứng suất. Hiệu ứng từ điện nghịch được đặc trưng bởi hệ số từ điện: M = dM/dE. (a) (b) Hình 1.4: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài Hiệu ứng từ-điện có sự chuyển hóa trực tiếp từ năng lượng điện thành năng lượng từ và ngược lại. Nhờ tính chất này, hiệu ứng này đã và đang được nghiên cứu và 9 khai thác ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong vài năm trở lại đây. Để hướng tới mục tiêu ứng dụng chế tạo cảm biến đo từ trường, hiệu ứng từ - điện thuận tỏ ra có nhiều ưu thế do khả năng chuyển đổi trực tiếp từ trường thành tín hiệu điện áp lối ra. 1.2 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: (1.3) 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 chúng 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 (1.4): VNrms = √4K B TR DC ∆f (1.4) 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 (1.5) 10 * Dải tần nhiễ ƣơ ƣơ : là dải thông voltage-gain-squared của hệ thống hay mạch. Đối với bất kỳ hàm chuyển đổi mạng nào A(f) có 1 dải tần nhiễu tương đương với biên độ truyền không đổi A0 và dải tần: (1.6) * Nhiễ ƣợng tử: Khi dòng điện chạy qua một rào thế thì sẽ xuất hiện nhiễu lượng tử, vì sự thăng giáng dòng qua một giá trị trung bình gây ra bởi sự biến thiên điện tử và lỗ trống được phát ra. Dòng nhiễu được xác định: I sh2 = 2qIDCB (1.7) Trong đó: q là điện tích, IDC là dòng DC trung bình và B là dải nhiễu. * Nhiễu 1/f: Nhiễu 1/f gây ra bởi sự dao động độ dẫn do sự tiếp xúc không hoàn hảo giữa 2 lớp vật liệu. Nó xảy ra ở bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp xúc với nhau. Nhiễu 1/f tỷ lệ thuận với giá trị dòng 1 chiều. Mật độ năng lượng biến thiên tỷ lệ nghịch với tần số 1/f. Dòng nhiễu If trên căn bậc 2 của dải thông có được thể hiện như sau: If K×IDC ≈ sqrt(B) sqrt(f) (1.8) Với IDC là giá trị trung bình của dòng DC, f là tần số, K là hằng số phụ thuộc vào loại vật liệu và hình dạng của nó, B là dải thông tần số. * Nhiễu Barkhausen: Nhiễu Barkhausen bắt nguồn từ các hiệu ứng Barkhausen. Nhiễu Barkhausen là hiện tượng điện tích biến đổi không liên tục trong mật độ từ thông ở các vật liệu sắt từ khi từ trường thay đổi liên tục. Nguồn phát Barkhausen bị ảnh hưởng lớn bởi sự thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu từ và ứng suất. Gần đây, nhiễu Barkhausen được biết đến như hiệu ứng phụ thuộc vào điện thế bên trong bởi các vách domain từ khi chúng di chuyển qua vật liệu. Từ công thức (1.4), ta thấy nếu điện trở của cảm biến cực đại thì nhiễu đạt cực đại. Ở tần số thấp, nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu 1/f (do từ trường gây ra nhiễu từ) được biểu diễn bởi công thức: V21/f = (γ/Nc) R2I2(1/f) ∆f (1.9) Trong đó: γ là hằng số hiện tượng thuận từ (hằng số Hooge), Nc là số hạt tải gây nhiễu trong cảm biến, I là dòng điện qua cảm biến và f là tần số đo. Để đạt được tỷ số SNR lớn nhất có thể, cảm biến phải hoạt động phía trên 1/f trong chế độ nhiễu nhiệt, thường xảy ra ở tần số vài trăm kHz đối với van-spin, trên 100 MHz đối với tiếp xúc 11 xuyên ngầm. Các phép đo ở tần số cao về mặt cơ bản có thể được sử dụng để nhận biết hạt từ có kích thước nhỏ được gắn vào từng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy sinh học cực đại cho cảm biến. 1.3 Cảm biế ừ rƣờng bằng hiệu ứng từ ện trở dị ƣớng (AMR) 1.3.1 Hiệu ứng từ ện trở dị ƣớng Hiệu ứng từ điện trở xuất hiện trong một vật liệu sắt từ [14]. 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: ∆ ( ) ( ) R( ) R( ) R= = = ( ) ( ) R( ) 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 [1]. 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 1.5) [8]. Hình 1.5: Nguồn gốc vật lý của AMR 12 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 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗, 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: l l R( )   0, n   cos   R0, p  R cos 2  bd bd (1.11) R  R0 , p  cos(2 )  1  R0, p  R  R cos(2 ) 2 2 2 Trong đó: +  0,n và  là hằng số của vật liệu + l là độ dài của màng mỏng + b là độ rộng của màng mỏng + d là độ dày của màng mỏng + R0, p và  0,n là điện trở và điện trở suất khi vectơ từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa + R và  là độ thay đổi điện trở và điện trở cực đại khi có tác dụng của từ trường ngoài Từ (1.11) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào  như hình 1.6. Hình 1.6: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và hướng của vectơ từ hoá 1.3.2 Mạch cầ ện trở Wheatstone Mạch cầu Wheatstone là mạch điện được sử dụng để đo một điện trở chưa xác định, bằng cách so sánh hai nhánh của 1 mạch cầu, trong đó một nhánh chứa thành 13 phần điện trở chưa xác định. Mạch cầu Wheatstone được phát minh bởi Samuel Hunter Christe vào năm 1833 và được phát triển, đưa 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 được mắc song song với nhau. Một nguồn điện một chiều được 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 được 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: Vin = VABC = VADC ⇒ IABC (R1 + R2) = IADC (R4 + R3) V VB= BC R = R R R V VD= DC R = R R R Khi đó: V V V = VB VD= R R R R R R R R R R = V ( ) (R R ) (R R ) Dưới tác dụng của trường ngoài, do sự đóng góp của hiệu ứng từ-điện trở dị hướng trên các điện trở nên sẽ tạo ra sự thay đổi điện trở thành phần của mạch ( R ). Sự biến đổi này dẫn tới sự thay đổi của điện thế lối ra theo biểu thức 1.13 (R R )(R R ) (R R )(R R ) V V = V ( ) (R R R R )(R R R R ) 14 Trong trường hợp l tưởng, nếu ban đầu mạch cầu cân bằng, điện thế lối ra được biểu diễn sẽ như sau: R R R R V = V = ( 4) (R R ) (R R ) ⇒ R R = R R hay R R = = R R Khi đó, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình 1.13 khi có sự thay đổi của điện trở của các điện trở thành phần trong mạch cầu, với sự thay đổi điện trở là nhỏ hơn 5% như công thức 1.15: R R R R V = ( )V ( ) ( ) R R R R 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. 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 xoay chiều (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. 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 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. 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 được thiết kế 2 điện trở đối diện có dị hướng hình dạng giống nhau và 2 điện trở liền kề khác nhau. Nhờ vậy, dưới tác dụng của từ trường ngoài tín hiệu lối ra của cảm biến thu được sẽ lớn hơn.