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

Nội dung text: Cảm biến đo từ trường thấp dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng

1. 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 1Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 2Trường 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
2. 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.
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 4/2016 73 Hình 2.2. (a) Mặt nạ chế tạo cảm biến và (b) Ảnh cảm biến sau khi hoàn thiện Trong thiết kế này, phƣơng từ hóa dễ (phƣơng từ trƣờng ghim) đƣợc tạo ra dọc theo chiều dài và rộng của các cặp điện trở đối nhau. Phƣơng ghim của các thanh điện trở đƣợc tạo ra bằng cách đặt từ trƣờng lớn (Hghim = 900 Oe) trong suốt quá trình phún xạ. Điện cực nối các thanh điện trở tạo bằng vật liệu Cu. Các phép đo tính chất từ và từ - điện trở của các cảm biến đã đƣợc thực hiện tại nhiệt độ phòng. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hƣởng của chiều dày lớp màng NiFe Để khảo sát ảnh hƣởng của chiều dày lớp màng NiFe đến hiệu ứng từ điện trở, chúng tôi khảo sát hiệu ứng trên một thanh điện trở có cùng kích thƣớc 2×10mm, chiều dày lớp màng NiFe khác nhau là 5, 10 và 15 nm, tại dòng cấp 3 mA. Phƣơng từ trƣờng ghim dọc theo trục của mỗi điện trở và vuông góc với từ trƣờng ngoài. Kết quả sự thay đổi điện áp lối ra theo từ trƣờng ngoài đƣợc chỉ ra trên hình 3.1. Kết quả độ lệch thế trên các thanh điện trở đƣợc liệt kê trong bảng 3.1. Hình 3.1. Đƣờng cong tín hiệu thế lối ra theo từ trƣờng ngoài trên mỗi thanh điện trở kích thƣớc 2,0 × 10 mm, chiều d y thay đổi t = 5 10, 15 nm, dòng cấp 1 mA
4. 74 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ HÀ NỘI Bảng 3.1. Độ lệch tín hiệu từ điện trở tr n các thanh điện trở với bề dày khác nhau đo tại dòng cấp 3 mA Chiều dày t (nm) Độ lệch thế ΔV (mV) 15 0,6 10 1,4 5 2,5 Từ hình vẽ 3.1 ta thấy, tín hiệu thế lối ra có độ nhiễu tƣơng đối cao thể hiện bởi sự lồi lõm của đƣờng cong, sự không cân xứng nhƣng tuân theo quy luật mẫu có bề dày càng mỏng thì điện áp lối ra càng lớn. Thanh điện trở có chiều dày t = 5 nm cho sự thay đổi điện áp lớn nhất ΔV = 2,5 mV. Thanh điện trở có chiều dày t = 15 nm cho sự thay đổi điện áp nhỏ nhất ΔV = 0,6 mV nhỏ hơn khoảng 4 lần so với trƣờng hợp t = 5 nm. Điều này đƣợc lý giải dựa trên bản chất của hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng AMR phụ thuộc mạnh vào chiều dày lớp sắt từ. Theo qui luật thay đổi này, chiều dày tối ƣu cho cảm biến đƣợc lựa chọn là t = 5 nm để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo. 3.2. Ảnh hƣởng của tính dị hƣớng hình dạng Để nghiên cứu ảnh hƣởng của tính dị hƣớng hình dạng lên tính chất từ điện trở của cảm biến, chúng tôi khảo sát tín hiệu tín hiệu từ điện trở trên mỗi thanh điện trở với các tỉ số kích thƣớc khác nhau là: n = 5, 10, 20, bề dày không đổi t = 5nm. Phƣơng từ trƣờng ghim dọc theo trục của mỗi điện trở và vuông góc với từ trƣờng ngoài. Đƣờng cong tín hiệu thế lối ra phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài tại dòng cấp I = 1 mA đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.2. Từ hình vẽ 3.2 ta thấy, độ lệch thế trên các thanh điện trở tuân theo quy luật mẫu có kích thƣớc chiều rộng (w) càng nhỏ thì tín hiệu từ điện trở càng lớn. Hay nói cách khác, tỉ số dài/rộng (L/W) càng lớn thì tín hiệu càng cao. Kết quả cụ thể đƣợc liệt kê trong bảng 3.2. Hình 3.2. Đƣờng cong tín hiệu thế lối ratheo từ trƣờng ngoài trên một thanh điện trở với các tỉ số kích thƣớc khác nhau: n = 5, 10, 20,tại t = 5 nm, dòng cấp 1 mA
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 4/2016 75 Bảng 3.2. Độ lệch tín hiệu từ điện trở tr n các thanh điện trở với kích thƣớc khác nhau đo tại dòng cấp 1mA Tỉ số n = L/W Độ lệch thế ΔV (mV) 5 0,8 10 3,0 20 5,6 Từ bảng số liệu 3.2 ta thấy, điện trở có tỉ số n = 20 cho tín hiệu gấp gần 2 lần tín hiệu trên điện trở có n = 10 và gấp 7 lần tín hiệu trên điện trở có n = 5. Kết quả này là khẳng định tính dị hƣớng từ đơn trục liên quan đến tính dị hƣớng hình dạng chi phối đến tín hiệu từ điện trở trên các mẫu nghiên cứu. Từ kết quả nghiên cứu này, kích thƣớc tối ƣu cho cảm biến đƣợc lựa chọn là 0,5 × 10 mm để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo. 3.3. Tính chất từ điện trở trên các cảm biến có kích thƣớc tối ƣu Từ việc nghiên cứu tính chất từ điện trở trên một thanh điện trở với các chiều dày và kích thƣớc khác nhau chúng tôi chế tạo và nghiên cứu hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến tối ƣu với cấu trúc cầu Wheatstone có kích thƣớc các thanh điện trở0,5 × 10 mm (n = 20), bề dày màng NiFe là t = 5 nm. Dòng điện cấp cho các cảm biến đƣợc chọn là 1mA. Phƣơng từ trƣờng ghim dọc theo trục của cảm biến và đặt vuông góc với từ trƣờng ngoài. Hình vẽ 3.3a là đƣờng cong tín hiệu thế lối ra phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài. Ta thấy đƣờng cong tín hiệu rất trơn, mịn chứng tỏ cảm biến có độ ổn định cao, độ lệch tín hiệu thế lối ra khi đo trên cảm biến lớn hơn nhiều so với khi đo trên một thanh điện trở tƣơng ứng. Đây chính là ƣu điểm tuyệt vời của mạch cầu điện trở Wheatstone nhƣ đã trình bày trong phần lý thuyết ở trên. Kết quả cho thấy độ lệch thế của cảm biến ∆V = 14,4 mV gấp gần 3 lần tín hiệu đo trên một thanh điện trở tƣơng ứng (∆V = 5,6 mV). Từ giá trị độ lệch thế của cảm biến, ta xác định đƣợc độ nhạy của cảm biến bằng cách đạo hàm độ lệch thế theo từ trƣờng ngoài, xác định bởi công thức (mV/ Oe). Đƣờng cong độ nhạy của cảm biến theo từ trƣờng đƣợc biểu diễn bởi đồ thị hình 3.3b. Độ nhạy lớn nhất của các cảm biến xác định đƣợc Smax= 6,5 mV/ Oe.
6. 76 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ HÀ NỘI Hình 3.3.(a) Đƣờng cong độ lệch thế v (b) Đƣờng cong độ nhạy của các cảm biến 0,5 × 10 mm (n = 20), t = 5 nm, tại dòng cấp 1 mA Với mục đích khai thác các khả năng ứng dụng đo từ trƣờng thấp, độ nhạy của cảm biến là quan trọng và đƣợc quan tâm hơn cả. Cảm biến đòi hỏi phải có độ nhạy cao trong vùng từ trƣờng thấp. Chúng tôi thử nghiệm cảm biến chế tạo đƣợc khảo sát sự đáp ứng góc với từ trƣờng trái đất. 3.4. Ứng dụng đo góc từ trƣờng trái đất Kết quả sự phụ thuộc thế lối ra vào góc định hƣớng của cảm biến và phƣơng bắc-nam của từ trƣờng trái đất trong hai chu kì đƣợc thể hiện trên hình 3.4b. Trong phép đo này, ban đầu, cảm biến đƣợc đặt trong mặt phẳng nằm ngang, trục cảm biến đặt dọc theo phƣơng bắc - nam của từ trƣờng trái đất và đƣợc nuôi bằng từ trƣờng của cuộn Helmholtz tại giá trị H = 3,0 Oe là từ trƣờng mà cảm biến có độ nhạy lớn nhất, dòng cấp cho cảm biến 1mA. Khi quay cảm biến trong mặt phẳng nằm ngang thì từ trƣờng trái đất tác dụng vào cảm biến sẽ thay đổi. Từ trƣờng tổng cộng tác dụng vào cảm biến xác định theo công thức: H = Hhelmholtz + Htrái đất. Kết quả là làm cho thế lối ra của cảm biến phụ thuộc vào góc quay α theo quy luật hình cosin với chu kì 1800. Sơ đồ bố trí hệ đo từ từ trƣờng trái đất đƣợc bố trí nhƣ hình 3.4a. Điện áp lối ra của cảm biến phụ thuộc vào góc định hƣớng α của phƣơng bắc - nam từ trƣờng trái đất đƣợc fit thể hiện quy luật tuần hoàn V = A + V0.cosα. Trong đó, A là thế nền ban đầu có giá trị 12 mV, biên độ V0 = 1,8 mV. Độ nhạy theo góc của cảm biến xác định đƣợc có giá trị Hα = 29 μV/độ.
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 4/2016 77 Hình 3.4.(a) Sơ đồ thực nghiệm hệ đo từ trái đất v (b) Đƣờng cong thế lối ra cảm biến phụ thuộc vào góc giữa trục cảm biến v phƣơng bắc-nam từ trƣờng trái đất Ƣu điểm của cảm biến đã đƣợc nghiên cứu trong việc đo góc của từ trƣờng trái đất là chế tạo đơn giản, gọn nhẹ, ít chịu ảnh hƣởng của các loại nhiễu. Tín hiệu cảm biến này nhỏ hơn so với hiệu ứng AMR trên mạch cầu Wheatstone đã công bố trên thế giới [2] nhƣng so với các cảm biến có cùng chức năng dựa trên các cấu tr c phức tạp nhƣ Hall, van-spin thì tín hiệu lớn hơn rất nhiều [6,7]. Kết quả trên cho ta một hƣớng đi mới trong việc chế tạo các cảm biến có cấu tr c đơn giản mà vẫn đạt đƣợc mục đích mong muốn. 4. KẾT LUẬN Tính chất từ điện trở trên các thanh điện trở phụ thuộc mạnh vào bề dày lớp màng NiFe, tỉ số n = L/W của mỗi thanh điện trở. Tín hiệu AMR càng lớn khi chiều dày lớp màng càng giảm và tỉ số n = L/W càng tăng. Cảm biến tối ƣu có bề dày t = 5 nm, n= 20 cho độ nhạy lớn nhất đạt giá trị 6,5 mV/Oe tại dòng cấp 1mA. Ứng dụng cảm biến đo từ trƣờng trái đất cho quy luật V = A + V0*cosα với A=12 mV,V0= 1,8 mV, độ nhạy góc Hα= 29 μV/độ. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. JaniceNickel (1995), “Magnetoresistance Overview”, Hewlett-Packard Laboratories, Technical Publications Department. 2. M.J. Haji-Sheikh, Y. Yoo, “An accurate model of a highly ordered 81/19 Permalloy AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ring-magnet”, Int. J. Intell. Syst. Technol, Appl. 3 (2007) 95. 3. D. Henriksen, B. T. Dalslet, D. H. Lee, F. Okkels, and M. F. Hansena, “Planar Hall effect bridge magneticfield sensor”, J. Appl. Phys. Lett 97, (2012) 013507.
8. 78 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ HÀ NỘI 4. H. Kim, V. Reddy, K. Woo Kim, I. Jeong, X.H. Hu, and C.G. Kim (2014), “Single Magnetic Bead Detection ina Microfluidic Chip Using Planar Hall Effect Sensor”, J. of Magnetics, 19 (2014)10. 5. N. T. Thanh, B. Parvatheeswara Rao, N. H. Duc, and CheolGi Kim (2007), “Planar Hall resistance sensor for biochip application”, Phys. Stat. Sol. A 204, 4053. 6. Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim, “Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers”, Journal of applied Physics 104, 074701, 2008. 7. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and Cheol Gi Kim (2009), “Optimization of Spin-Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based Biochips”, IEEE Transactions on Magnetics 45, 2378. SENSOR MEASURETHELOW MAGNETIC FIELD BASED ON ANISOTROPIC MAGNETORESISTANCE EFFECTS Abstract: In this paper, we studied the effects of anisotropic magnetoresistance on resistance bar with different length/width ratios (n = L/W = 5, 10, 20) and different thicknesses of NiFe (t = 5, 10, 15 nm). We fabricated the optimal sensor for measuring the low magnetic fields based on anisotropic magnetoresistance effects of single thin Ni80Fe20 film layer has been designed in Wheatstone bridge configuration with dimensions of 0.5 10 mm (n = 20), the thickness t = 5 nm. The results shows that the sensors sensitivity increases with increasing length/width ratio and decreasing the ferromagnetic thickness layer of single resistor within the bridge. The highest sensitivity of 6.5 mV/Oe at a supplied currents of 1mA has been obtained in the sensor. Application of the sensor to measure Earth's magnetic field, the sensitivity Sα was estimated to be 29 μV/deg. These observations have been intergrated in terms of strengthening the uniaxial magnetic anisotropy thanks to the shape magnetic anisotropy enhancement. The sensor has a simple structure but has equivalent sensitivity compared with sensors based on spin-valve structures, giant magnetoresistance, tunneling magnetoresistance which makes this sensor very promissing for detection of low magnetic field. Keywords: Anisotropic magnetoresistance effect, Wheastone Bridge, Magnetic sensor, Magnetic shape anisotropy.