Luận án Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro-nano dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng

161 trang thiennha21 14/04/2022 5470

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro-nano dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_an_nghien_cuu_che_tao_cam_bien_tu_truong_co_kich_thuoc.pdf

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro-nano dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ___ LÊ KHẮC QUYNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG CÓ KÍCH THƯỚC MICRO-NANO DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ Hà Nội – 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ___ LÊ KHẮC QUYNH ĐẠI HỌC HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ___ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG CÓ KÍCH THƯỚC MICRO-NANO DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nanô Mã số: 944012801.QTD LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Đỗ Thị Hương Giang 2. TS. Trần Mậu Danh Hà Nội – 2020
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang, TS Trần Mậu Danh, những người thầy, người cô đã hướng dẫn tận tình, đầy hiệu quả, đã trau dồi cho em những kiến thức đại cương và chuyên sâu về lĩnh vực nghiên cứu, thường xuyên dành cho em sự chỉ bảo, giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Sự nhiệt huyết và động viên kịp thời của các thầy cô là động lực quan trọng đã giúp em hoàn thành luận án, có những lúc tưởng chừng như em đã bỏ cuộc. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS. TS. NGND Nguyễn Hữu Đức, TS Bùi Đình Tú, những người thầy đã theo dõi, khuyến khích việc nghiên cứu của em và đóng góp nhiều ý kiến chuyên môn sâu sắc cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nanno; thầy, cô trong Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã có nhiều giúp đỡ NCS về cả chuyên môn và cơ sở vật chất. Em xin cảm ơn các anh chị nghiên cứu sinh, học viên cao học trong khoa đã tham gia thảo luận, góp ý nhiều vấn đề chi tiết trong quá trình nghiên cứu đề tài. Trong quá trình triển khai nghiên cứu, NCS đã nhận được sự giúp đỡ to lớn của cơ quan nhà nước, các phòng, viện nghiên cứu khoa học. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới: Phòng Đào tạo Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội; Khoa Vật lý, Phòng Đào tạo, Phòng Tổ chức Hành chính, Trường ĐHSP Hà Nội 2. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các anh em, bạn bè gần xa và người thân trong gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện để luận án được hoàn thành. Luận án này được thực hiện với sự tài trợ kinh phí từ các Đề tài Khoa học công nghệ cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QG.16.26, QG.16.89. Tác giả luận án Lê Khắc Quynh
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực. Các nội dung liên quan đến công bố chung sử dụng trong luận án đã được cho phép của các đồng tác giả. Tác giả luận án Lê Khắc Quynh
Mục lục DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU SẮT TỪ MỀM VÀ CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG 4 1.1. Tổng quan về vật liệu sắt từ 4 1.1.1. Vật liệu sắt từ 4 1.1.2. Vật liệu sắt từ mềm NiFe 10 1.1.3. Vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở dị hướng 12 1.2. Các cảm biến từ trường dựa trên vật liệu sắt từ mềm 13 1.2.1. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện-từ 13 1.2.2. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ 14 1.2.3. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở xuyên hầm 15 1.2.4. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng 16 1.2.5. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng 18 1.2.6. Hiện tượng nhiễu trong các cảm biến 23 1.2.7. So sánh các loại cảm biến từ trường cấu trúc micro-nano 24 1.3. Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến đo từ trường 27 1.3.1. Mạch cầu điện trở Wheatstone 27 1.3.2. Ưu điểm của mạch cầu Wheatstone 28 1.3.3. Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến từ trường 29 1.3.4. Mạch cầu Wheatstone trong thiết kế cảm biến AMR của luận án 30 1.4. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu 32 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu 32 1.4.2. Mục tiêu nghiên cứu 33 1.4.3. Nội dung nghiên cứu 33
1.5. Kết luận Chương 1 34 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 35 2.1. Chế tạo màng mỏng và cảm biến 35 2.1.1. Thiết kế và chế tạo mặt nạ cảm biến 36 2.1.2. Quang khắc chế tạo cảm biến 43 2.1.3. Phún xạ màng mỏng 47 2.1.4. Hàn dây cho thiết bị cảm biến 50 2.2. Đo đạc và khảo sát đặc trưng của cảm biến 52 2.2.1. Khảo sát cấu trúc và vi cấu trúc 52 2.2.2. Khảo sát tính chất từ của vật liệu màng mỏng 55 2.2.3. Khảo sát tính chất từ-điện trở 58 2.3. Kết luận Chương 2 61 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÀNG NiFe 62 3.1. Nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc của màng NiFe 62 3.1.1. Phân tích thành phần bằng phương pháp EDX 62 3.1.2. Khảo sát chiều dày màng mỏng bằng hiển vi điện tử FE-SEM 63 3.1.3. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X 64 3.2. Nghiên cứu tính chất từ của màng mỏng NiFe 65 3.2.1. Sự phụ thuộc vào từ trường ghim (Hpinned) 65 3.2.2. Sự phụ thuộc vào hình dạng 66 3.2.3. Sự phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng (L/W) 68 3.2.4. Sự phụ thuộc vào chiều dày 68 3.3. Tính chất từ-điện trở trên màng mỏng NiFe 70 3.3.1. Sự phụ thuộc vào từ trường ghim (Hpinned) 70 3.3.2. Sự phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng (L/W) 73 3.3.3. Sự phụ thuộc vào chiều dày 73 3.4. Kết luận Chương 3 75
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG 76 4.1. Tính toán, mô phỏng tối ưu cấu hình thiết kế cảm biến 76 4.1.1. Tối ưu thiết kế tỉ số dị hướng hình dạng thanh điện trở 76 4.1.2. Tối ưu cách ghép đa thanh điện trở của mỗi nhánh cầu 78 4.2. Chế tạo cảm biến với cấu trúc tối ưu 85 4.2.1. Cảm biến kích thước milimet (nhóm 1) 85 4.2.2. Cảm biến kích thước micro-milimet (nhóm 2) 86 4.2.3. Cảm biến kích thước micromet (nhóm 3) 88 4.3. Khảo sát tín hiệu điện áp và độ nhạy trên cảm biến cầu Wheatstone 90 4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ số dị hướng hình dạng lên tín hiệu điện áp và độ nhạy cảm biến 90 4.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của cách mắc thanh điện trở nối tiếp, nối tiếp-song song lên tín hiệu điện áp và độ nhạy cảm biến 95 4.3.3. Khảo sát ảnh hưởng đồng thời cả tỉ số dị hướng hình dạng và cách mắc thanh điện trở lên tín hiệu điện áp và độ nhạy cảm biến 99 4.4. Kết luận Chương 4 102 PHÁT TRIỂN KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG 104 5.1. Cảm biến đo hướng từ trường của Trái đất 104 5.1.1. Lựa chọn cảm biến 104 5.1.2. Thực nghiệm và kết quả 105 5.2. Cảm biến sinh học 108 5.2.1. Cảm biến phát hiện hạt từ tính nano 108 5.2.2. Cảm biến phát hiện phần tử sinh học 113 5.3. Kết luận Chương 5 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bảng trích xuất một số thông số vật lý của với màng mỏng nano NiFe với phần trăm Ni khác nhau trong công thức NixFe1- x so sánh với vật liệu khác [3, 72, 73, 120, 127]. 11 Bảng 1.2. Bảng so sánh độ nhạy và tỉ số S/N [8, 27, 30] của một số loại cảm biến đo từ trường cấu trúc màng mỏng nano dựa trên vật liệu sắt từ. 24 Bảng 1.3. Dải làm việc của các loại cảm biến từ [17, 120]. 26 Bảng 2.1. Tên các mặt nạ ứng với tên các cảm biến và diễn giải cách ghép tương ứng được nghiên cứu trong luận án. 36 Bảng 2.2. Một số thông số kỹ thuật của máy khắc laser fiber. 39 Bảng 2.3. Các bước làm sạch đế Si/SiO2 49 Bảng 2.4. Các thông số được dùng khi phún xạ các lớp màng Ta, NiFe, Cu, SiO2 49 Bảng 2.5. Các thông số của mối hàn dây nhôm được lựa chọn khi hàn điện cực cảm biến nghiên cứu trong luận án. 51 Bảng 3.1. Các giá trị: Ms, Hc, Hk, K được rút ra từ dữ liệu đường cong từ hóa các mẫu màng nano NiFe với chiều dày khác nhau 70 Bảng 3.2. Các giá trị tỉ số AMR trên màng với kích thước khác nhau. 74 Bảng 4.1. Giá trị R, I, ΔV và SH tương ứng với các cảm biến nhóm 1 có thông số khác nhau. 94 Bảng 4.2. Giá trị lực kháng từ, điện trở nội, độ lệch điện áp, độ nhạy cảm biến theo đơn vị (mV/Oe) và độ nhạy cảm biến theo đơn vị (mV/V/Oe) của cảm biến nhóm 2 đo tại 0,1 mA [96] 99 Bảng 4.3. Các giá trị chiều dày, điện trở, độ lệch điện áp, độ nhạy tương ứng với 2 cấu trúc của cảm biến nhóm 3, loại S3-18-sp so sánh với loại S3-6-s, phép đo tại dòng cấp 5 mA. 101 i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mô tả đường cong từ hóa, mô tả cơ chế từ hóa (a,b) và từ trễ (a) của vật liệu sắt từ theo từ trường [2]. 5 Hình 1.2. Mô phỏng hướng của véctơ và véctơ của mẫu bị từ hoá. 7 Hình 1.3. Trường khử từ bên trong mẫu hình chữ nhật được từ hoá theo phương mặt phẳng (a) và vuông góc với mặt phẳng (b). 7 Hình 1.4. Đường cong từ trễ theo mô hình Stonner – Wohlfarth đối với trục khó từ hóa (a) và trục dễ từ hóa (b) [99]. 8 Hình 1.5. Hình minh họa trật tự từ trong màng mỏng NiFe với các trật tự từ trong vùng không gian của lõi và bề mặt. 9 Hình 1.6. Các thông số vật lý phụ thuộc vào tỉ phần của Ni(x) gồm: hằng số dị hướng, lực kháng từ (a) [120], tỉ số phần trăm độ thay đổi điện trở suất AMR % (b) [73] của màng mỏng NiFe. 11 Hình 1.7. Hình minh họa hai cấu hình từ độ (hình trên) và sơ đồ mạch điện tương đương (hình dưới) khi không có từ trường ngoài tác dụng (a) và khi có từ trường ngoài tác dụng lên linh kiện GMR (b). 14 Hình 1.8. Minh họa cấu trúc vật liệu có hiệu ứng TMR (a) và cảm biến TMR tương ứng (b) [15]. 16 Hình 1.9. Minh họa hiệu ứng Hall phẳng trong cấu trúc màng mỏng. 17 Hình 1.10. Minh họa cảm biến Hall phẳng dạng chữ thập [97]. 18 Hình 1.11. Hình minh họa để giải thích hiệu ứng AMR (a,b) và điện trở suất của mẫu vật liệu khi dòng điện có phương dọc theo từ độ (ρp) và vuông góc với từ độ (ρorth) (c) [50]. 19 Hình 1.12. Mô tả điện trở suất của màng mỏng sắt từ đáp ứng từ trường ngoài. 20 Hình 1.13. Minh họa các thông số xác định hiệu ứng AMR (a) và sự thay đổi điện trở theo góc θ (b) [102]. 20 Hình 1.14. Mô hình cảm biến AMR dạng vòng xuyến (a) và ảnh thực tế (b) [75]. 22 Hình 1.15. Mô tả WB ảnh hưởng bởi từ trường ngoài do hiệu ứng AMR [96]. 28 ii
Hình 1.16. Mô tả cảm biến có cấu trúc WB dạng hình cung tròn (a) và hình thanh dài (b) [42]. 29 Hình 1.17. Mô tả cách tạo ra hiệu ứng AMR bằng cách thay đổi từ trường ngoài trong hai trường hợp: Happ vuông góc với trục dễ và song song với dòng điện - ρp (a) và Happ song song với trục dễ và vuông góc với dòng điện - ρorth (b). 31 Hình 1.18. Các dạng cảm biến WB: cấu trúc tổ hợp nối tiếp 3 thanh với điện cực kết nối là chính vật liệu từ tính (a) [41] và có điện cực kết nối bằng Cu không từ tính (b), mô hình cảm biến cấu trúc tổ hợp NT-SS (c). 32 Hình 2.1. Quy trình chế tạo cảm biến, linh kiện. 35 Hình 2.2. Ảnh hệ khắc laser fiber. 37 Hình 2.3. Dạng mặt nạ của các cảm biến nhóm 1: điện trở (a) và điện cực (b) và mô phỏng cảm biến khi hoàn thiện (c). 38 Hình 2.4. Mặt nạ bằng kim loại nhôm của cảm biến loại S1-1-s và S1-3-s của nhóm 1: mặt nạ điện trở (a) và mặt nạ điện cực (b). 39 Hình 2.5. Dạng mặt nạ của các cảm biến nhóm 2: mặt nạ cho quy trình chế tạo các lớp NiFe làm điện trở (a) và mặt nạ cho quy trình chế tạo lớp điện cực (b) và minh họa cảm biến sau khi hoàn thiện (c). 41 Hình 2.6. Dạng mặt nạ của các cảm biến nhóm 3: mặt nạ điện trở (a), mặt nạ điện cực (b) và minh họa cảm biến hoàn thiện (c). 42 Hình 2.7. Hình ảnh thực tế mặt nạ của cảm biến nhóm 3 được in trên đế thủy tinh tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano (phần khoanh tròn). 43 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị quang khắc MJB4. 43 Hình 2.9. Các bước quang khắc trong luận án [7]. 44 Hình 2.10. Mô hình nguyên lý máy quay phủ Suss MicroTech. 45 Hình 2.11. Kính hiển vi quang học AX10 tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro- Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. 46 Hình 2.12. Mô tả sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ ATC-2000F tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. 48 iii
Hình 2.13. Ảnh chụp giá đỡ (holder) khi có từ trường ghim được tạo ra bởi 2 thanh nam châm đặt song song (a) và giá đỡ không có từ trường ghim (b). 50 Hình 2.14. Thiết bị hàn dây HYBOND Model 626. 51 Hình 2.15. Ảnh chụp hệ SEM S-3400N tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-nano, Trường ĐHCN (a) và hệ Nova nanoSEM 450 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (b), ĐHQG Hà Nội. 52 Hình 2.16. Ảnh chụp hệ thiết bị JEOL JSM-7600F tại ĐH Bách khoa Hà Nội. 53 Hình 2.17. Nguyên lý nhiễu xạ tia X (a) và minh họa xác định độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ cực đại (b). 53 Hình 2.18. Mô tả sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung Lake Shore 7404. 55 Hình 2.19. Một số giao diện và cửa sổ tiện ích có trong phần mềm mô phỏng. 56 Hình 2.20. Minh họa sự khác biệt lưới chia tự động (a) và lưới chia can thiệp (b) bởi phần mềm. 57 Hình 2.21. Mô tả sơ đồ đầu đo từ-điện trở bằng phương pháp 4 mũi dò. 58 Hình 2.22. Hệ đo hiệu ứng AMR trên màng mỏng trong dải đo từ trường lớn 59 Hình 2.23. Hệ đo hiệu ứng từ-điện trở trên cảm biến trong thang đo từ trường nhỏ.60 Hình 3.1. Hình ảnh phổ thành phần hóa học của màng NiFe ngay sau khi chế tạo. . 62 Hình 3.2. Ảnh quan sát chiều dày của màng NiFe được phún xạ trong 50 phút. 63 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng NiFe với các chiều dày 5, 10, 15, 20 nm. 64 Hình 3.4. Đường cong từ trễ tỉ đối của các mẫu sắt từ với từ trường ghim bằng 0 Oe theo 2 phương song song và trực giao (vuông góc) với trục dễ từ hóa. 65 Hình 3.5. Đường cong từ trễ tỉ đối thu được của các mẫu được ghim 900 Oe theo phương song song và trực giao với trục dễ từ hóa. 66 Hình 3.6. Đường cong từ trễ tỉ đối của các mẫu đo theo phương dễ từ hóa với hình dạng khác nhau. 67 Hình 3.7. Đồ thị so sánh tỉ số Mr/Ms của mẫu hình chữ nhật, hình elip và hình tròn theo phương dễ và phương khó từ hóa 67 iv
Hình 3.8. Đường cong từ trễ tỉ đối theo phương dễ từ hóa của các thanh điện trở có chiều dài khác nhau, chiều rộng 1 mm. 68 Hình 3.9. Đường cong từ trễ tỉ đối của các màng với có chiều dày 5 nm và 20 nm (a, b) theo hai phương khác nhau và giá trị từ độ, Hk, Hc của các mẫu với chiều dày khác nhau từ 5 ÷ 20 nm (c, d ) 69 Hình 3.10. Đồ thị tín hiệu điện áp (a) và tỉ số từ-điện trở AMR (b) theo 2 phương vuông góc và song song trên mẫu được chế tạo khi không có từ trường ghim 71 Hình 3.11. Đồ thị tín hiệu điện áp (a) và tỉ số từ-điện trở AMR (b) theo 2 phương: từ trường ngoài tác dụng vuông góc với phương ghim và song song với phương ghim trên mẫu NiFe được chế tạo trong từ trường ghim có cường độ 900 Oe. 72 Hình 3.12. Đường cong đáp ứng từ trường ngoài của tỉ số AMR đo trên màng có chiều dày tNiFe = 15 nm, chiều dài 4 mm, chiều rộng khác nhau W = 150, 300, 450 μm. 73 Hình 3.13. Đáp ứng theo từ trường ngoài của tỉ số AMR của các màng có chiều dài L = 4 mm, chiều rộng 150 μm và chiều dày khác nhau là tNiFe = 5, 10, 15 nm. 74 Hình 4.1. Kết quả mô phỏng thu được trên màng NiFe có chiều dài 250 μm, chiều rộng thay đổi từ 10 ÷ 100 μm: phân bố cảm ứng từ hiệu dụng trên bề mặt (a), cảm ứng từ hiệu dụng của vật liệu NiFe được vẽ dọc theo chiều dài (b) và cảm ứng từ hiệu dụng phụ thuộc tỷ lệ chiều dài/chiều rộng (c). 77 Hình 4.2. Mô phỏng nhánh điện trở gồm 6 thanh được nối với nhau bằng Cu hoặc NiFe (a) và tỉ số AMR đáp ứng theo từ trường ngoài đo được với hai trường hợp điện cực nối khác nhau (b). 79 Hình 4.3. Mô phỏng phân bố cảm ứng từ hiệu dụng trên các thanh điện trở NiFe: điện cực nối bằng Cu (a) và điện cực bằng NiFe (b) và đồ thị sự phân bố cảm ứng từ hiệu dụng theo tọa độ (c). 80 Hình 4.4. Mô phỏng khi ghép tổ hợp gồm 3 thanh điện trở sắt từ NiFe lại gần ở khoảng cách 20 m cho 2 trường hợp thanh có chiều rộng×dài khác nhau 50×250 μm2 (a,b), 10×250 μm2 (c,d) và 6 thanh điện trở 2 loại trên ghép gần nhau (e). 82 Hình 4.5. Giá trị cảm ứng từ hiệu dụng Beff tính trung bình trên các thanh ở các vị trí khác nhau khi khoảng cách giữa các thanh thay đổi cho 2 trường hợp thanh có chiều v
rộng×dài khác nhau: (a) 50×250 μm2 và (b) 10×250 μm2 so sánh với trường hợp đơn thanh kích thước tương đương. 83 Hình 4.6. Mô tả WB với các cấu trúc khác nhau và điện tương đương (hình dưới) với các dạng: đơn thanh (a), 3 thanh nối tiếp (b) và 9 thanh NT-SS (c). 84 Hình 4.7. Ảnh cảm biến nhóm 1 loại đa thanh điện trở mắc nối tiếp S1-3-s. 86 Hình 4.8. Ảnh cảm biến nhóm 2 loại: đơn thanh S2-1-s (a) [1, 4, 5, 6], tổ hợp nối tiếp S2-3-s (b) [6], S2-5-s (c) [6] và tổ hợp NT-SS S2-6-sp (d) [1]. 87 Hình 4.9. Ảnh quan sát bằng thiết bị SEM S-3400N của cảm biến đơn thanh S2-1 kích thước 0,15×4 mm2 (a), ảnh quan sát theo chiều rộng (b) và theo chiều dài (c). 88 Hình 4.10. Ảnh cảm biến nhóm 3: cảm biến tổ hợp nối tiếp loại S3-6-s (a), cảm biến tổ hợp NT-SS loại S3-18-sp (b) được chụp bằng thiết bị Nova NanoSEM 450. 89 Hình 4.11. Ảnh quan sát bề mặt 1 nhánh mạch cầu bằng thiết bị Nova NanoSEM 450 của cảm biến nhóm 3: loại S3-6-s (a), loại S3-18-sp (b). 89 Hình 4.12. Đồ thị đáp ứng điện áp lối ra (a) và độ nhạy (b) theo từ trường ngoài của 2 các cảm biến cảm biến dạng thanh đơn S1-1-s, kích thước rộng×dài là 1×7 mm có chiều dày NiFe khác nhau tNiFe = 5, 10 và 15 nm, đo tại dòng cấp 5 mA. 91 Hình 4.13. Đường cong đáp ứng của ΔV thu được của cảm biến S1-1-s theo H trên các cảm biến có W = 1 mm và L khác nhau, đo tại dòng cấp 5 mA. 92 Hình 4.14. Đường cong đáp ứng sự thay đổi của điện áp lối ra (a) và độ nhạy (b) của cảm biến S1-3 theo từ trường ngoài 93 Hình 4.15. Đường cong đáp ứng điện áp của cảm biến theo từ trường ngoài đo tại dòng 1 mA (a) và tín hiệu độ lệch điện áp Vmax trên các linh kiện cảm biến S2-1-s tại các dòng cấp khác nhau (b) [4, 95]. 96 Hình 4.16. Đường cong đáp ứng độ lệch điện áp theo từ trường ngoài trên các cảm biến nhóm 2 loại S2-3-s, S2-5-s so sánh với S2-1-s (a) và đồ thị mô tả quy luật độ nhạy, lực kháng từ của các cảm biến tương ứng (b), đo tại 0,1 mA. 96 Hình 4.17. Đường cong đáp ứng độ lệch điện áp theo từ trường ngoài trên các cảm biến nhóm 2 loại S2-3-s, S2-5-s so sánh với S2-1-s đo tại 0,2 mA. 97 vi
Hình 4.18. Đường cong tín hiệu độ lệch điện áp đáp ứng theo từ trường ngoài trên các cảm biến nhóm 2 loại S2-6-sp so sánh với S2-1-s, S2-3-s (a) và đường cong độ nhạy SH đáp ứng theo từ trường ngoài của các cảm biến tương ứng (b), dòng cấp 0,1 mA. 98 Hình 4.19. Đáp ứng theo từ trường ngoài của độ lệch điện áp (a) và độ nhạy dV/dH (b) được đo trên cảm biến nhóm 3, loại S3-18-sp so sánh với loại S3-6-s. 101 Hình 5.1. Mô tả các điểm làm việc (điểm A và điểm B) của cảm biến S3-18-sp 106 Hình 5.2. Thực nghiệm khảo sát đáp ứng điện áp lối ra của cảm biến theo hướng từ trường của Trái đất: (a) minh họa góc định hướng giữa từ trường Trái đất Hearth và trục từ hóa dễ -EA của cảm biến; (b) hệ mâm quay được điều khiển tự động khảo sát phụ thuộc góc của từ trường Trái đất (cảm biến gắn ở chính giữa mâm quay) 107 Hình 5.3. Đáp ứng điện áp lối ra theo góc giữa từ trường của Trái đất và chiều dòng điện, đo tại dòng cấp 5 mA. 107 Hình 5.4. Thực nghiệm khảo sát đáp ứng góc của cảm biến theo hướng từ trường của Trái đất khi được nuôi bởi từ trường nhờ cuộn Helmholtz. 107 Hình 5.5. Đáp ứng điện áp lối ra theo góc giữa từ trường của Trái đất và chiều dòng điện, đo tại dòng cấp 5 mA và tại từ trường nuôi cỡ 9,1 Oe của cuộn Helmholtz. 108 Hình 5.6. Giản đồ phân bố kích thước hạt từ chitosan đo bằng thiết bị LB – 550, tại Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. 109 Hình 5.7. Đường cong từ trễ của dung dịch từ - chitosan nồng độ 10 µg/µl (a) [36] và Từ độ đo được với các lượng hạt từ khác nhau tại 100 Oe (b) 109 Hình 5.8. Minh họa sơ đồ phát hiện các hạt từ tính trong chất lỏng từ sử dụng cảm biến S2-6-sp. 112 Hình 5.9. Đáp ứng độ lệch điện áp của cảm biến theo thời gian vào lượng hạt từ khác nhau (a) và đồ thị độ lệch điện áp của cảm biến theo độ lớn của từ độ (b) 113 Hình 5.10. Sơ đồ các bước chế tạo thẻ sử dụng một lần SPA. 114 Hình 5.11. Sơ đồ lai sợi đơn ADN đích trên thẻ SPA (a) và Sơ đồ dán nhãn hạt từ streptavidin lên sợi ADN đích có gắn biotin trên thẻ SPA (b). 115 Hình 5.12. Ảnh FE-SEM của hạt từ streptavidin (a) và đường cong từ hóa của 30 μg hạt từ streptavidin (26 % là Fe3O4) đo trên thẻ SPA (b). 116 vii
Hình 5.13. Cấu hình linh kiện AMR phát hiện hạt từ trên thẻ SPA đã lai với ADN đích và đánh dấu bằng hạt từ: Minh họa thực nghiệm (a), minh họa linh kiện và thẻ SPA trong cuộn Helmholtz (b) và minh họa từ trường H do nam châm gây ra và từ trường h tán xạ của hạt từ (c). 117 Hình 5.14. Độ lệch điện áp của cảm biến với thẻ SPA có lượng hạt từ streptavidin khác nhau (a) và tín hiệu điện áp của linh kiện theo khối lượng hạt sắt từ trên thẻ SPA (b). 118 Hình 5.15. (a) Sơ đồ mô tả thí nghiệm phát hiện ADN đích và các thí nghiệm đối chứng; (b) Độ lệch điện áp lối ra của linh kiện đối với thẻ SPA với các lượng ADN khác nhau và (c) Đồ thị đáp ứng độ lệch điện áp lối ra của linh kiện vào lượng ADN trên thẻ SPA. 119 viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2D 2 chiều 3D 3 chiều α Góc giữa từ độ và phương dễ từ hóa β Độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ cực đại γ Góc giữa từ độ và ứng suất tác dụng ɛ Tỉ số điện trở η Khối lượng riêng  Góc giữa từ độ và chiều dòng điện χ Độ cảm từ λs Hệ số từ giảo bão hòa λ Bước sóng tia X o Độ từ thẩm của chân không B Độ từ thẩm của vật liệu ρ Điện trở suất ∆ Hiệu điện trở suất ρp Điện trở suất theo phương dễ ρorth Điện trở suất theo phương khó ρ0 Điện trở suất ban đầu (khi từ trường ngoài bằng 0) ρH Điện trở suất khi đặt trong từ trường ngoài có cường độ H tác dụng σ Ứng suất б Góc giữa tia X và mặt phẳng mẫu φ Góc từ trường Trái đất và dòng điện 16S rARN Tên gen Axit Ribonucleic 16S ribosome ae Bán trục lớn của elip ix
ADN Phân tử mang thông tin di truyền (Axit Deoxiribonucleic) AMR Từ-điện trở dị hướng APTES Dung dịch (3-Aminopropyl)triethoxysilane be Bán trục nhỏ của elip B Cảm ứng từ (BH)max Tích năng lượng từ cực đại Beff Cảm ứng từ hiệu dụng d Khoảng cách giữa 2 mặt phẳng nguyên tử D Kích thước tinh thể DC Nguồn 1 chiều ĐHCN Đại học Công nghệ ĐHQG Đại học Quốc gia EA Hướng/trục dễ từ hóa Ea Năng lượng dị hướng từ tinh thể Eelastic Năng lượng dị hướng từ đàn hồi Ehd Năng lượng dị hướng hình dạng ∆f Dải tần số FFM Sắt từ tự do FM Chất sắt từ (từ tính) GMR Từ-điện trở khổng lồ HA Hướng khó từ hóa H Cường độ từ trường Happ Cường độ từ trường ngoài Hc Lực kháng từ Hd Từ trường khử từ Hk Từ trường dị hướng x
⃗⃗⃗⃗표 Từ trường ban đầu Hs Từ trường bão hòa từ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ Từ trường của các hạt từ Hpinned Cường độ từ trường ghim ⃗⃗⃗⃗푡표푡⃗⃗⃗⃗ Từ trường tổng cộng Hearth Từ trường của Trái đất h Từ trường tán xạ của các hạt từ I Cường độ dòng điện IDC Cường độ dòng một chiều K Hằng số dị hướng từ đơn trục kB Hằng số Boltzmann L Chiều dài thanh điện trở Leff Chiều dài hiệu dụng Lex Độ dài tương tác trao đổi LPTM Lập phương tâm mặt LPTK Lập phương tâm khối ⃗⃗ Mômen từ nguyên tử M Từ độ Ms Từ độ bão hòa kĩ thuật Mr Từ dư MNPs Các hạt từ tính nano n Số dãy điện trở mắc nối tiếp n’ Số nguyên N Hệ số trường khử từ N’ Số vòng dây xi
ns Số dãy điện trở mắc nối tiếp (dùng trong trường hợp riêng) np Số thanh điện trở ghép song song trong 1 dãy Na Hệ số trường khử từ theo phương bán trục lớn của elip Nb Hệ số trường khử từ theo phương bán trục nhỏ của elip NM Chất không từ tính NT-SS Nối tiếp-song song PCR Phản ứng/phương pháp khuếch đại gen (Polymerase chain reaction) PDMS Dung dịch Poly dimethyl siloxane PFM Sắt từ bị ghim PHE Hiệu ứng Hall phẳng PM Lớp ghim từ PTN Phòng Thí nghiệm q Điện tích R Điện trở ∆R Hiệu điện trở RDC Điện trở ứng với dòng 1 chiều RF Nguồn xoay chiều Rp Điện trở theo phương dễ Rorth Điện trở theo phương khó R0 Điện trở ban đầu (khi từ trường ngoài bằng 0) RH Điện trở khi đặt trong từ trường ngoài có cường độ H tác dụng Rtđ Điện trở tương đương Sφ Độ nhạy góc dV/d훼 SH Độ nhạy dV/dH S*H Độ nhạy dV/V.dH xii
Si-j-ab Kí hiệu cấu trúc của cảm biến Sm Diện tích vòng dây Ss Diện tích cảm biến SAA Hợp chất hữu cơ Succinic acid anhydride SI Hệ đo lường quốc tế SI S/N Tỉ số tín hiệu/nhiễu S.suis Liên cầu khuẩn Streptococcus suis t Thời gian T Nhiệt độ tuyệt đối Tt Chu kỳ dao động tuần hoàn tNiFe Chiều dày màng NiFe tsputt Thời gian phún xạ TLTK Tài liệu tham khảo TMR Từ-điện trở xuyên ngầm UVO Tia tử ngoại và ozone (Ultraviolet Ozonex) V Điện áp V0 Điện áp ban đầu (khi từ trường ngoài bằng 0) VH Điện áp khi đặt trong từ trường ngoài có cường độ H tác dụng Vp Điện áp theo phương song song với từ trường ngoài ∆V Độ lệch điện áp ∆Vmax Độ lệch điện áp cực đại VS Van-spin VSM Từ kế mẫu rung Điện áp ban đầu ( ⃗⃗⃗⃗표⃗ ) Điện áp tổng cộng ( ⃗⃗⃗⃗표⃗ +⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ) xiii
Vmax Điện áp cực đại Voffset Điện áp nền Vin Điện áp đặt vào Vout Điện áp đầu ra υsputt Tốc độ phún xạ W Chiều rộng thanh điện trở WB Mạch cầu Wheatstone xiv
MỞ ĐẦU Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ đã tạo ra hàng loạt các cảm biến kích thước nhỏ cỡ micro và được triển khai ứng dụng trong mọi lĩnh vực, cuộc sống. Sự ra đời của công nghệ spintronic và công nghệ nano đã tạo ra các cảm biến có kích thước micro-nano, tinh vi và độ nhạy cao như các thiết bị lab-on chip, smart phone, smart home, các thiết bị tự động hóa [18, 23, 128]. Các linh kiện, cảm biến dựa trên hiệu ứng spintronic nhằm khai thác thuộc tính spin của điện tử đã đạt được những tính năng vượt trội so với các linh kiện điện tử truyền thống như tiêu thụ năng lượng ít hơn, giảm thiểu các loại nhiễu, đáp ứng tín hiệu nhanh hơn, giảm thiểu tối đa về kích thước so với các linh kiện dựa trên việc dẫn điện bằng dòng điện tích. Nhiều loại cảm biến, linh kiện khác nhau đã được sử dụng dựa trên hiệu ứng bán dẫn, siêu dẫn [17, 120], hiệu ứng nhiệt [112], hiệu ứng điện [35, 92], hiệu ứng điện-từ [37, 50, 56, 142], hiệu ứng từ [18-19, 28, 135]. Trong số đó, các cảm biến dựa trên các hiệu ứng từ thể hiện nhiều ưu điểm như độ nhạy cao, độ chính xác cao, ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố ngoại biên [61, 68, 95]. Nhờ sự chuyển đổi trực tiếp giữa năng lượng từ thành năng lượng điện, cảm biến dựa trên các hiệu ứng từ được ứng dụng rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, trong việc định vị GPS [33, 36,137], ứng dụng trong trong y - sinh học phát hiện các vi khuẩn lây lan bệnh [65, 71, 87, 111] và nhiều ứng dụng dân dụng khác [85, 93, 125, 138] Các loại cảm biến, linh kiện có kích thước micro-nano hoạt động dựa theo nguyên lý hiệu ứng từ bao gồm: từ điện-trở khổng lồ (GMR) [52, 100, 116], từ-điện trở dị hướng (AMR) [86, 101, 104], Hall phẳng (PHE) [16, 67, 88], từ-điện trở xuyên hầm (TMR) [29, 55, 79]. Mặc dù các linh kiện, cảm biến hoạt động theo các nguyên lý và hiệu ứng Vật lý khác nhau nhưng hầu hết chúng đều dựa trên nguyên tắc đo hiệu điện áp lối ra phụ thuộc vào Happ [32, 34, 41, 56]. Với ưu điểm về kích thước, độ nhạy cao, dễ dàng tích hợp với các linh kiện điện-điện tử, các cảm biến từ-điện trở được khai thác và ứng dụng sâu rộng trong cuộc sống, có thể kể ra như cảm biến GMR [66, 89, 133], cảm biến PHE [78, 102], cảm biến TMR [15, 54, 101]. Nhược điểm của các cảm biến GMR, PHE, TMR là có cấu trúc màng mỏng phức tạp, với nhiều lớp vật liệu khác nhau, khó kiểm soát với những lớp có bề dày rất mỏng, đòi hỏi chi phí cao và sử dụng các thiết bị công nghệ hiện đại nhưng hiệu quả kinh tế chưa cao [62, 109]. 1
Đối với các linh kiện, cảm biến từ-điện trở kể trên thì linh kiện, cảm biến dựa trên hiệu ứng AMR có cấu trúc vật liệu đơn giản hơn cả nhưng vẫn cho độ nhạy, độ phân giải cao, dải tần số làm việc rộng, độ nhạy có thể đạt được cỡ 6 mV/Oe [10] và có thể cho nhiều ứng dụng vượt trội hơn hẳn trong đo lường từ trường [17, 103], đo góc định hướng, đo dòng điện độ chính xác cao (sai số cỡ ± 0,05 %) [63, 91], oát kế độ chính xác cao [125], từ kế [94, 103], cảm biến sinh học Xét về hiệu quả kinh tế thì cảm biến AMR do cấu trúc đơn giản nên dễ chế tạo, giá thành rẻ, thiết kế linh hoạt, dễ dàng thích ứng với thiết bị vi điện tử, chủ động thiết kế và điều chỉnh công nghệ chế tạo đáp ứng theo từng đặc thù ứng dụng cụ thể. Để đáp ứng các mục đích ứng dụng đo lường từ trường thấp, các cảm biến phải có độ nhạy cao hoạt động trong dải từ trường nhỏ (độ nhạy cỡ mV/Oe trong dải từ trường cỡ Oe), độ phân giải đạt 10-3 Oe trở lên. Nghiên cứu từ những năm 1951 của J. Smit và cộng sự [110] đã chỉ ra các vật liệu có thể thỏa mãn được yêu cầu này thường là các hợp kim dựa trên các nguyên tố kim loại chuyển tiếp 3d như Fe, Ni, Co như các vật liệu hợp kim NiFe, NiCo vì có tính chất từ tính mềm với lực kháng từ (Hc) nhỏ (< 10 Oe), từ độ bão hòa kĩ thuật (gọi tắt là từ độ bão hòa, kí hiệu 3 3 là Ms) cao (~ 10 emu/cm ). Nghiên cứu chỉ ra, với hợp kim NixFe1-x thì x = 0,8 ÷ 0,95 sẽ cho hiệu ứng AMR cao nhất đạt tới 5 % ở nhiệt độ phòng [73]. Cho đến nay, vật liệu truyền thống NiFe vẫn còn được tập trung nghiên cứu và chiếm lĩnh đa số thị trường cảm biến thương mại AMR [18, 52, 68]. Các nghiên cứu chủ yếu theo hướng tối ưu cấu hình cảm biến, tối ưu thiết kế để nâng cao độ nhạy cảm biến. Trên cơ sở tìm hiểu và phân tích vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở dị hướng, dựa theo điều kiện thực tế tại cơ sở nghiên cứu, chúng tôi chọn lựa vật liệu Ni80Fe20 là đối tượng vật liệu mà luận án nghiên cứu. Luận án tập trung vào việc tối ưu thiết kế cấu hình nhằm nâng cao độ nhạy của cảm biến. Cụ thể, luận án không thay đổi tính chất nội tại của vật liệu mà thay đổi các thông số vật lý bên ngoài như thay đổi tính dị hướng hình dạng, thay đổi từ trường cưỡng bức (từ trường ghim) nhằm tăng cường tính dị hướng từ đơn trục và do đó sẽ tăng cường hiệu ứng AMR và tăng cường hiệu quả hoạt động của cảm biến. Trong các thiết kế cảm biến AMR thì cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone (Wheatstone brigde, kí hiệu là WB) [102] vừa cho độ nhạy cao vừa cho tỉ số tín hiệu/nhiễu (S/N) lớn nhờ vào đặc tính là điện trở của mạch cầu có khả năng tự bù trừ cho nhau và do đó giảm tối đa nhiễu Johnson (nhiễu nhiệt) [54, 95]. Trong luận án này, chúng tôi sử 2
dụng vật liệu Ni80Fe20 để chế tạo cảm biến dạng WB kích thước micro-nano. Định hướng của luận án là xuất phát từ nghiên cứu cơ bản, hướng tới sản phẩm được đóng gói hoàn thiện theo một số ứng dụng cụ thể được lựa chọn trong luận án. Tên đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro-nano dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng”. Nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã được thực hiện trên hệ vật liệu NiFe và dựa trên các hiệu ứng từ khác nhau nhưng nghiên cứu một cách đầy đủ, có hệ thống và đặc biệt tối ưu được thiết kế cảm biến AMR có độ nhạy cao dựa trên việc tính toán mô phỏng lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, từ đó triển khai một số ứng dụng cụ thể thì đây là luận án đầu tiên được thực hiện. Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án, nghiên cứu sinh đã hướng dẫn một số khóa luận của sinh viên trong nhóm nghiên cứu. Một số các kết quả và tính toán đơn giản đã được báo cáo trong khóa luận của sinh viên. Luận án cũng đã trích dẫn đầy đủ, rõ ràng. 3
TỔNG QUAN VẬT LIỆU SẮT TỪ MỀM VÀ CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG Trong Chương 1, luận án tập trung trình bày khái quát về vật liệu sắt từ đặc biệt vật liệu màng mỏng nanomet, trong đó đi sâu vào trình bày vật liệu từ mềm NiFe (permalloy), các ứng dụng của vật liệu sắt từ mềm trong việc chế tạo linh kiện, cảm biến từ trường dạng màng mỏng cấu trúc nano. Luận án tập trung sâu vào trình bày về cảm biến từ-điện trở (AMR), đối tượng và mục tiêu luận án. 1.1. Tổng quan về vật liệu sắt từ 1.1.1. Vật liệu sắt từ Người ta thường dùng độ cảm từ χ đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu bởi từ trường ngoài để phân loại vật liệu sắt từ. Theo cách này, vât liệu từ tính được chia làm ba loại: (i) vật liệu nghịch từ, có độ cảm từ âm (χ 0 và độ lớn ~ +10-5),  phụ thuộc vào nhiệt độ theo định luật Curie; (iii) vật liệu sắt từ có χ > 0, χ ~ 6 +10 ). Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Curie (Tc), trạng thái sắt từ trở thành trạng thái thuận từ [3]. Luận án tập trung nghiên cứu và chế tạo trên vật liệu sắt từ mềm NiFe ở nhiệt độ phòng. Các vật liệu sắt từ còn được gọi là vật liệu từ tính. Trong hệ SI thì véctơ cảm ứng từ của vật liệu ( ⃗ ) khi có từ trường ngoài ( ⃗⃗ ) tác dụng được biểu diễn bằng công thức (1.1) [2, 3, 96]: (1.1) ⃗ = 휇0( ⃗⃗ + ⃗⃗ ) -7 trong đó, ⃗ : véctơ cảm ứng từ, μo = 4π.10 (H/m): độ từ thẩm chân không, ⃗⃗ là véctơ cường độ từ trường ngoài và ⃗⃗ là véctơ từ độ của vật liệu. Sự khác nhau chủ yếu giữa vật liệu từ cứng và từ mềm được mô tả bởi đường cong từ trễ VSM đặc trưng (Hình 1.1): (i) trong các vật liệu sắt từ cứng thì từ dư (Mr) và lực kháng từ Hc lớn hơn rất nhiều so với vật liệu sắt từ mềm (vật liệu sắt từ cứng có độ từ dư và lực kháng từ cỡ kOe); (ii) diện tích đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ cứng lớn (vật liệu sắt từ cứng có tích (BH)max lớn cỡ MGOe) còn diện tích đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ mềm rất nhỏ. Các vật liệu sắt từ mềm được ứng dụng 4
nhiều trong lõi biến thế, cuộn cảm, cuộn chặn đặc biệt ứng dụng chế tạo cảm biến từ trường. Vật liệu sắt từ cứng thường được sử dụng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu [3]. Hình 1.1. Mô tả đường cong từ hóa, mô tả cơ chế từ hóa (a,b) và từ trễ (a) của vật liệu sắt từ theo từ trường [2]. - Chất sắt từ tồn tại các cấu trúc đômen từ: Trong vật liệu sắt từ, mômen từ không hoàn toàn trật tự trong thể tích mẫu mà chỉ tồn tại trật tự trong từng vùng có kích thước xác định gọi là đômen. Ngay sau khi chế tạo, chưa bị từ hóa, từ độ trong một đômen khác không nhưng trong toàn bộ mẫu, mỗi đômen có hướng khác nhau nên từ độ tổng cộng của mẫu bằng không. Khi có từ trường ngoài tác dụng, các đômen của mẫu sắt từ sẽ định hướng theo chiều từ trường ngoài và làm cho từ độ tổng cộng của mẫu khác không. Các đômen được hình thành để giảm năng lượng tĩnh từ của các vật liệu từ có hình dạng xác định. Đối với vật liệu có tính dị hướng đơn trục, véctơ từ độ của hai đômen liền kề nhau sẽ phản song song, nghĩa là chúng làm thành một góc 180o. Độ dày của vách đômen được xác định bởi cạnh tranh của năng lượng dị hướng và năng lượng tương tác trao đổi. Năng lượng dị hướng có xu hướng định hướng các véctơ từ độ theo một trục được gọi là trục/phương dễ từ hóa (Easy axis – EA), còn năng lượng tương tác trao đổi thúc đẩy các mômen từ sắp xếp song song với nhau. Tương tác trao đổi chỉ có hiệu quả trong một phạm vi nhất định gọi là độ dài trao đổi (exchange interaction length - Lex) [2]. Khi từ hóa vật liệu sắt từ, quá trình từ hóa trong từ trường thấp sẽ theo chiều hướng các đômen có mômen từ cùng chiều với từ trường ngoài sẽ được mở rộng và các đômen ngược chiều với chiều từ trường ngoài sẽ bị thu hẹp lại. Đây được gọi là quá trình dịch chuyển vách đômen (xem Hình 5
1.1b). Sau quá trình này là đến quá trình quay các đômen theo cùng chiều từ trường ngoài xảy ra trong dải từ trường lớn. Với vật liệu dạng màng mỏng và có cấu trúc đơn đômen khi từ hóa thì quá trình đảo từ chủ yếu diễn ra quá trình quay của các véctơ mômen từ theo chiều từ trường ngoài. - Chất sắt từ tồn tại tính trễ từ: Xét mẫu sắt từ chịu tác dụng của từ trường ngoài, độ từ hóa tăng không tuyến tính với từ trường ngoài (theo đường cong từ hóa cơ bản, xem Hình 1.1), khi từ trường ngoài tăng lên đến một giá trị nào đó (Hs) sẽ làm cho véctơ độ từ hóa cùng chiều từ trường ngoài, vật liệu đạt trạng thái từ độ bão hòa kĩ thuật. Từ trạng thái bão hòa, nếu giảm từ trường về không thì vật liệu không bị khử từ mà vẫn còn tồn tại một độ từ hóa còn gọi là từ dư. Tỉ số Mr/Ms thể hiện tính chất dị hướng từ tinh thể của vật liệu sắt từ. Muốn khử từ vật liệu thì cần tác dụng vào mẫu sắt từ một từ trường ngược chiều với từ trường từ hóa ban đầu và có giá trị (- Hc). Nếu tiếp tục tăng từ trường thì vật sẽ bị từ hóa theo chiều ngược lại. Khi từ trường ngoài tăng lên đến một giá trị (-Hs), vật liệu lại đạt trạng thái từ độ bão hòa nhưng có giá trị âm (-Ms), kết thúc một nửa chu trình từ trễ (xem Hình 1.1). - Tồn tại dị hướng hình dạng: Khi từ hóa mẫu sắt từ có năng lượng từ hóa khác nhau theo các chiều khác nhau của mẫu sắt từ. Tính dị hướng này phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mẫu sắt từ. Đường cong đo được trên các vật liệu sắt từ mềm dạng băng hoặc dạng màng ở đó có sự bất đối xứng trong hình thái học của mẫu càng lớn thì quan sát thấy càng rõ phụ thuộc nhiều vào hình dạng và kích thước mẫu. Điều này có thể được giải thích đơn giản là với vật liệu sắt từ, do có các cực từ tự do luôn luôn tồn tại ở hai đầu nên từ trường tán xạ ⃗⃗ mà các lưỡng cực từ này sinh ra luôn có chiều ngược với ⃗⃗ trong lòng vật liệu (Hình 1.2). Từ trường này có xu hướng khử từ vật liệu và nó chính là ⃗⃗⃗⃗⃗ [2]. Độ lớn của véctơ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗d tỉ lệ với độ lớn của vectơ ⃗⃗ của vật liệu đồng thời phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai cực từ và diện tích bề mặt của chúng. Đối với một khối chữ nhật, khi véctơ ⃗⃗ nằm trong mặt phẳng màng, hai cực khá xa nhau nên ⃗⃗⃗⃗⃗ sẽ nhỏ (Hình 1.3a), ngược lại, khi ⃗⃗ nằm theo hướng vuông góc, hai cực rất gần nhau nên ⃗⃗⃗⃗⃗ sẽ rất lớn (Hình 1.3b) và ⃗⃗⃗⃗⃗ được xác định thông qua hệ số trường khử từ N bằng biểu thức: (1.2) ⃗⃗⃗⃗⃗ = − . ⃗⃗ 6
Hình 1.2. Mô phỏng hướng của véctơ ⃗⃗ và véctơ ⃗⃗⃗⃗⃗ của mẫu bị từ hoá. Đối với một mẫu sắt từ hình elip tròn xoay có bán trục là ae và be, hệ số trường khử từ tương ứng sẽ là Na và Nb (với 2Na + Nb = 1). Nếu ⃗⃗ hợp với trục EA một góc α thì năng lượng dị hướng hình dạng Ehd nhận được là [2] : 1 = 휇 2( − )sin2훼 (1.3) ℎ 2 표 Đối với mẫu vật liệu dạng màng mỏng micro-nano hoặc dạng băng có độ dày rất nhỏ so với kích thước các chiều còn lại của mẫu thì các mômen từ có xu hướng nằm trong mặt phẳng mẫu để cực tiểu về năng lượng trường khử từ, các hệ số trường khử từ nhận giá trị: Nz = 1 ; Nx = Ny = 0. Áp dụng biểu thức (1.3) với Na = Nz = 1 ; Nb = Nx = 0, ta có: 1 = 휇 2sin2훼 (1.4) ℎ 2 표 Hình 1.3. Trường khử từ bên trong mẫu hình chữ nhật được từ hoá theo phương mặt phẳng (a) và vuông góc với mặt phẳng (b). - Dị hướng từ tinh thể: tính chất dị hướng từ tinh thể trong vật liệu sắt từ có xu hướng định hướng các mômen từ nằm dọc theo phương ưu tiên nào đó (gọi là trục EA), phụ thuộc vào tính đối xứng trong ô mạng tinh thể. Khi từ hóa theo phương trục 7
dễ thì vật liệu rất dễ đạt được trạng thái bão hòa. Ngược lại, khi từ hóa theo phương khác, khó đạt trạng thái bão hòa hơn [2]. Năng lượng dị hướng từ của các màng mỏng thường được viết dưới dạng: 2 = 퐾. 푠푖푛 훼 (1.5) trong đó, α là góc giữa từ độ và trục từ hóa dễ của màng, K là hằng số dị hướng từ đơn trục. Khi véctơ từ hóa theo hướng trục dễ EA (α = 0 và α = ), trạng thái năng lượng dị hướng là thấp nhất. Khi véctơ từ hóa lệch khỏi trục dễ do từ trường ngoài o tác dụng, Ea sẽ tăng và sẽ lớn nhất tại α = 90 , lúc này đó véctơ từ hóa đã hướng dọc theo trục khó (HA). Khi đó, từ trường dị hướng (Hk) được xác định thông qua biểu thức (1.6) [2, 3, 99], trong đó K là hằng số dị hướng từ đơn trục, Ms là từ độ bão hòa. 2퐾 (1.6) = 푠 Hình 1.4. Đường cong từ trễ theo mô hình Stonner – Wohlfarth đối với trục khó từ hóa (a) và trục dễ từ hóa (b) [99]. Khi từ trường ngoài H tăng từ giá trị 0 đến giá trị Hk, từ độ đạt trạng thái bão hòa, khi đó, các mômen từ song song với từ trường ngoài trong toàn bộ mẫu. Hk là từ trường tối thiểu cần thiết để kéo ⃗⃗ từ trục dễ sang trục khó. Stoner và Wohlfarth đã phát triển lý thuyết S-W để tính toán từ độ cho đơn đômen, dị hướng đơn trục của các hạt sắt từ trong trường hợp từ trường có giá trị và hướng bất kỳ. Lý thuyết S-W dự đoán được đáp ứng khác nhau của véctơ từ hóa đối với đường cong từ trễ đo theo trục dễ và trục khó từ hóa [99] (xem Hình 1.4). Đại lượng Hk phụ thuộc vào thành phần vật liệu, vào độ dày màng mỏng. Với vật liệu màng mỏng NiFe, Hk có giá trị dao 8
động từ 5,0 Oe đến 29 Oe [99]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ nhạy của cảm biến Hall, cảm biến AMR [118-120] tỉ lệ nghịch với Hk. Nghĩa là Hk càng nhỏ thì cảm biến cho độ nhạy càng lớn. - Dị hướng từ bề mặt: Các nghiên cứu chỉ ra rằng, trật tự sắt từ chỉ tồn tại trong vùng thể tích bên trong lớp màng còn tại 2 lớp bề mặt trên và dưới chiếm vùng không gian với chiều dày khoảng 0,6 nm [49, 76] thì do tính bất đối xứng không gian nên trật tự từ này sẽ bị phân tán khiến cho giá trị từ độ tính trung bình trên toàn bộ thể tích phụ thuộc vào đóng góp cả 2 phần lõi (từ độ lớn) và phần bề mặt (từ độ nhỏ) trên các màng thu được càng nhỏ với các màng càng mỏng (minh họa Hình 1.5) [59, 76, 140]. Kết quả này cũng được quan sát bởi P. Saravanan và các cộng sự cho lớp màng có chiều dày nhỏ hơn chiều dài tương tác trao đổi (Lex) [105] và cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của được chỉ ra bởi S Tumanski [120]. Hình 1.5. Hình minh họa trật tự từ trong màng mỏng NiFe với các trật tự từ trong vùng không gian của lõi và bề mặt. - Dị hướng ứng suất: Dị hướng ứng suất (dị hướng từ ứng suất hay dị hướng từ đàn hồi) được gây nên bởi ứng suất trong các vật liệu có pha từ giảo. Dị hướng ứng suất đóng góp đến năng lượng dị hướng từ tổng cộng, đặc biệt trong các trường hợp của màng mỏng từ có từ giảo lớn, dị hướng này thể hiện càng rõ. Năng lượng dị hướng từ đàn hồi 푒푙 푠푡𝑖 được viết bởi công thức: 3 = − 휆 𝜎sin2훾 (1.7) 푒푙 푠푡𝑖 2 푠 2 trong đó, λs: hệ số từ giảo bão hòa; σ: ứng suất (N/m ); 훾 là góc giữa ⃗⃗ và phương tác dụng của ứng suất. Tùy thuộc vào dấu của λs và σ (ứng suất kéo hoặc nén), điều kiện cực tiểu của Eelastic sẽ cho phép xác định phương của trục từ hóa dễ do ứng suất gây nên [2]. 9
1.1.2. Vật liệu sắt từ mềm NiFe 1.1.2.a. Vật liệu sắt từ mềm NiFe dạng khối Vật liệu sắt từ mềm NixFe1-x với x nhận giá trị 0,2 ÷ 0,85 gọi là vật liệu permalloy. Vật liệu NiFe được cấu tạo từ kim loại Fe có cấu trúc lập phương tâm mặt (LPTK) và Ni cấu trúc lập phương tâm khối (LPTM). Ở dạng khối và dạng đơn tinh thể, vật liệu permalloy có cấu trúc LPTM điển hình, nhưng cấu trúc tinh thể có thể bị thay đổi phụ thuộc vào phương pháp chế tạo vật liệu. Ví dụ như ở dạng màng mỏng, bằng công nghệ epitaxy chùm phân tử tinh thể NiFe có dạng lục giác xếp chặt. Hằng số mạng phụ thuộc vào thành phần hóa học như hợp kim permalloy Ni 75 % có cấu trúc LPTM với hằng số mạng a ≈ 0,3555 nm và khối lượng riêng η = 8,57×103 kg/m3. Đặc trưng của permalloy là cho độ từ thẩm cao (có thể lên tới 300.000), Hc nhỏ (< 10 3 Oe), Ms lớn (cỡ 1000 emu/cm nằm trong khoảng giữa từ độ bão hòa của Ni là 500 3 3 emu/cm và Fe là 1700 emu/cm ) và bão hòa ngay tại từ trường nhỏ (cỡ 50 Oe theo phương dễ) [2, 3]. Các tính toán vùng năng lượng cho thấy, do hiệu ứng bề mặt, từ độ của các kim loại Fe, Ni, Co và hợp kim của chúng ở dạng màng mỏng tăng lên so với chúng ở dạng thể khối [2, 3]. Chính vì đặc tính từ mềm như vậy, nên các hợp kim permalloy được đặc biệt quan tâm trong các nghiên cứu đáp ứng nhạy với từ trường trong lĩnh vực đo lường hoặc các ứng dụng đòi hỏi vật liệu từ có độ từ thẩm cao như chế tạo các lõi từ mềm trong các thiết bị điện. 1.1.2.b. Vật liệu sắt từ mềm NiFe dạng màng mỏng cấu trúc nano Vật liệu màng mỏng nano NixFe1-x (có chiều dày thay đổi từ vài nm đến 1 μm) tồn tại dưới dạng màng đơn lớp hoặc đa lớp được tạo ra nhằm thay đổi tính chất của màng theo mục đích mong muốn, chúng đã được triển khai ứng dụng từ rất sớm, một số thông số cơ bản đặc trưng cho vật liệu như Hk, lực kháng từ Hc, tỉ số AMR . phụ thuộc vào phần trăm của Ni [120] được chỉ ra trên Hình 1.6a. Giá trị cụ thể của các thông số vật lý ứng với một vài giá trị phần trăm Ni trong công thức được liệt kê dưới Bảng 1.1. Nghiên cứu chỉ ra rằng màng NiFe tỉ lệ nguyên tử 81:19 và 80:20 cho tỉ số AMR bằng 2,2 % tại nhiệt độ phòng [72, 127]. Sự phụ thuộc hiệu ứng AMR của vật liệu màng permalloy NiFe vào hàm lượng của Ni chỉ ra bởi T. R. Mcguire [73] được mô tả như Hình 1.6b. Ngoài ra, từ Hình 1.6a và Bảng 1.1, ta thấy với các màng sắt từ có hàm lượng Ni xung quanh giá trị 80 ÷ 85% thì hệ số từ giảo khá nhỏ gần với giá trị không, khi hàm lượng Ni lớn hơn thì hệ số từ giảo âm. Đối tượng nghiên cứu của 10
luận án có hàm lượng nguyên tử Ni là 80%, có thể lấy hệ số từ giảo λ ~ 0, điều này dẫn đến năng lượng dị hướng từ hàn hồi được đề cập ở công thức 1.7 có giá trị xấp xỉ bằng không. Do đó, khi nghiên cứu hiệu ứng AMR trên vật liệu Ni80Fe20, luận án sẽ không đề cập đến năng lượng dị hướng từ đàn hồi (Eelactis) của vật liệu. Hình 1.6. Các thông số vật lý phụ thuộc vào tỉ phần của Ni(x) gồm: hằng số dị hướng, lực kháng từ (a) [120], tỉ số phần trăm độ thay đổi điện trở suất AMR % (b) [73] của màng mỏng NiFe. Bảng 1.1. Bảng trích xuất một số thông số vật lý của với màng mỏng nano NiFe với phần trăm Ni khác nhau trong công thức NixFe1- x so sánh với vật liệu khác [3, 72, 73, 120, 127]. -8 -6 NixFe1-x (%) ∆ρ/ρ (%) ρ (10 Ωm) Hk (Oe) Hc (Oe) λ (10 ) Ni81Fe19 2,2 22 3,1 1 ~ 0 Ni80Fe20 2,2 25 3,3 1 ~ 0 Ni86Fe14 3 15 2,5 1,25 -12 Ni70Co30 3,8 26 2500 7,9 -20 Ni50Co50 2,2 26 2500 10 ~ 0 Ni60Fe10Co30 3,2 18 1900 10,3 -5 Ni74Fe10Co16 2,8 23 1000 10,1 ~ 0 Ni87Fe8Mo5 0,7 72 490 5,1 ~ 0 Co65Fe15B20 0,07 86 2000 1,03 ~ 0 11
Các nghiên cứu bởi M. Neagu [82] trên màng NiFe cho thấy tính chất nhám bề mặt màng khi phún xạ với nguồn DC cho độ nhám bề mặt lớn hơn nguồn xoay chiều RF, với nguồn DC cho độ nhám bề mặt từ 0,197 nm đến 0,376 nm khi công suất thay đổi từ 50 đến 250 W, công suất nguồn xoay chiều RF càng lớn thì độ nhám càng nhỏ. Xu hướng tương tự với sự thay đổi Hc, độ nhám càng lớn thì Hc càng lớn Nghiên cứu của tác giả S. Ingvarsson [49] và CheolGi Kim [48] chỉ ra rằng từ độ bão hòa của màng mỏng NiFe có giá trị cỡ 800 emu/cm3 và không có sự thay đổi nhiều với chiều dày màng từ 2 đến 10 nm. Xuất phát từ các nghiên cứu trên màng mỏng từ mềm NiFe đã được công bố, cùng với đặc tính từ mềm cao, nhạy trong vùng làm việc từ trường rất thấp cho các ứng dụng nhạy từ trường, trong luận án này, chúng tôi quan tâm nghiên cứu trên màng mỏng có cấu trúc đơn giản dạng màng đơn lớp và tập trung vào khai thác hiệu ứng từ-điện trở dị hướng của các cấu trúc này cho các ứng dụng đo lường nhạy từ trường thấp. Kết hợp với điều kiện thực tế phòng thí nghiệm và cơ sở vật chất trong nước, từ các nghiên cứu ở trên, màng mỏng NiFe với tỉ lệ Ni:Fe là 80:20 sẽ được lựa chọn trong các nghiên cứu và phát triển ứng dụng của luận án. Mục tiêu chính của nghiên cứu sẽ tập trung theo hướng tối ưu cấu hình, hình dạng, kích thước và thiết kế cảm biến để nâng cao độ nhạy và độ phân giải của cảm biến đo từ trường cho một số ứng dụng cụ thể. 1.1.3. Vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở dị hướng Các nghiên cứu về vật liệu đã chỉ ra rằng, vật liệu có hiệu ứng AMR có thể chia ra làm 3 nhóm: (i) nhóm vật liệu mới như vật liệu U3As4, U3P4, La0,3Pr0,4Ca0,3MnO3 [51, 133] có đặc điểm cho hiệu ứng AMR lớn nhưng yêu cầu kĩ thuật cao và chi phí lớn; (ii) nhóm vật liệu siêu cổ điển đó là một số bán kim như Bi, GaAs, Ga1-xMnxAs . cho hiệu ứng AMR nhỏ; (iii) nhóm vật liệu cổ điển đó là vật liệu có lớp điện tử chưa điền đầy (lớp 3d): Fe, Ni, Co. Đó là vật liệu vật liệu Ni-Co, vật liệu permalloy NixFe1- x (x = 0,2 ÷ 0,85), hiệu ứng AMR đạt được đến 5 % ở nhiệt độ phòng [110, 114, 123]. Các nghiên cứu hiệu ứng AMR sử dụng vật liệu NiFe được tập trung nhiều hơn cả như công bố của nhóm Michael J. Haji-Sheikh [38, 39] trên màng NiFe để chế tạo cảm biến AMR dạng cầu Wheatstone (WB) (năm 2005, 2007) hay nghiên cứu trên vật liệu màng đa lớp lớp Ni80Fe20 có cấu trúc [NiFe/SiO2]×N của nhóm M. Urse (2005) [122], khi N lớn thì cho tính chất từ tính mềm tốt hơn và điện trở suất lớn hơn 12
với trường hợp N nhỏ, đặc biệt khi ủ ở nhiệt độ cao thì cho điện trở suất nhỏ hơn. Nghiên cứu của M. Neagu [82] chỉ ra rằng vật liệu màng NiFe khi đem ủ ở nhiệt độ cao cỡ khoảng 330 ºC đến 370 ºC trong vòng 30 phút lực kháng từ Hc giảm từ 10 Oe xuống còn 4,6 Oe và hiệu ứng Hall, hiệu ứng AMR được tăng cường. Một loạt các nghiên cứu hiệu ứng AMR gần đây nhất trên màng NiFe có thể kể ra như nghiên cứu bởi Imran Hashim trên đế SiO2 bằng phương pháp epitaxi [40], nghiên cứu trên vật liệu Ni81Fe19 của nhóm Slamet Widodo (2015) [132], của nhóm Volmer Marius (2015) [71] Ngoài ra, hiệu ứng AMR còn được nghiên cứu dưới dạng dây nano NiFe như công bố của nhóm Mohamed Shaker năm 2012 [77], hiệu ứng AMR trên dây nano Ni80Fe20 kích thước 30 ÷ 80 nm đạt 0,4 % bởi A. O. Adeyeye năm 2014 [11]. Ngày nay, hiệu ứng AMR trên vật liệu permalloy vẫn được nghiên cứu mạnh mẽ, đặc biệt là các cảm biến thương mại vẫn khai thác đa số trên vật liệu permalloy [52, 68]. Vật liệu NiFe có đặc điểm là chế tạo đơn giản, chi phí thấp, cho hiệu ứng AMR tương đối cao nên vật liệu vẫn được các nhóm sử dụng để nghiên cứu theo hướng tối ưu cấu hình thiết kế cảm biến để nâng cao độ nhạy và độ phân giải của cảm biến. 1.2. Các cảm biến từ trường dựa trên vật liệu sắt từ mềm Cảm biến đo từ trường được sử dụng khá phổ biến, trong đó, có thể kể đến các loại cảm biến Flux-gate, cảm biến Hall, Van-spin (VS) [62,), AMR [51, 84, 115-119] Đa số các cảm biến này đều hoạt động dựa trên việc ghi nhận tín hiệu điện áp theo cường độ và hướng của từ trường. Mỗi loại linh kiện đều có những thế mạnh và hạn chế riêng, ta có thể lựa chọn loại cảm biến theo mục đích phù hợp. 1.2.1. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện-từ Cảm biến từ trường Flux-gate (Fluxgate magnetometer) hoạt động dựa vào hiện tượng cảm ứng điện-từ, thông qua đặc trưng độ từ thẩm μ của các vật liệu sắt từ đáp ứng khác nhau theo trường từ ngoài H [101]. Cảm biến Flux-gate được nghiên cứu từ những năm 1930 và đến nay cảm biến có kích thước ngày càng nhỏ gọn và độ nhạy cao hơn. Dải làm việc của cảm biến là từ 10-6 ÷ 102 Oe [37]. Đặc biệt trong những năm gần đây, cảm biến Flux-gate được ứng dụng làm từ kế và trong y học cho độ nhạy lên tới cỡ V/Oe [142]. Lợi thế của cảm biến là công nghệ đơn giản, chi phí thấp, cho độ nhạy lớn ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, đến nay hạn chế lớn nhất là kích thước vẫn tương đối lớn không 13
phù hợp cho một số ứng dụng tích hợp trong các thiết bị vi điện tử (cỡ cm). Thêm vào đó, thời gian trễ với cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng này là khá lớn (cỡ 3 giây). Ngoài ra, cảm biến có hiện tượng trễ từ do lõi sắt từ, dẫn đến sự lặp lại không cao. 1.2.2. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ Hiệu ứng từ-điện trở (Magnetoresistance, kí hiệu là MR) thể hiện sự thay đổi điện trở (điện trở suất) của vật liệu khi có từ trường ngoài tác dụng thay đổi. Tỉ số MR % được xác định [2, 65, 102]: 𝜌 − 𝜌 푅 − 푅 − 푅 = 0 = 0 = 0 𝜌0 푅0 0 (1.8) trong đó, 푅0và 𝜌0 là điện trở và điện trở suất khi từ trường ngoài tác dụng bằng không; 푅 và 𝜌 là điện trở và điện trở suất khi có từ trường ngoài tác dụng khác không; 0 và là tín hiệu điện áp đo được khi từ trường ngoài tác dụng bằng không và khác không. Hình 1.7. Hình minh họa hai cấu hình từ độ (hình trên) và sơ đồ mạch điện tương đương (hình dưới) khi không có từ trường ngoài tác dụng (a) và khi có từ trường ngoài tác dụng lên linh kiện GMR (b). Hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance – GMR) (1988, Baibich) [14] tìm được trong các vật liệu sắt và được giải thích dựa trên cơ học lượng tử [2]. Cảm biến GMR có thể ở dạng băng mỏng dài làm bằng vật liệu từ mềm giàu sắt như nghiên cứu của nhóm GS. Nguyễn Hoàng Nghị, Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội. Cấu trúc của một linh kiện GMR dạng màng thường bao gồm 3 lớp màng mỏng nano vật liệu FM/NM/FM như Fe/Cr/Fe. Ở trạng thái chưa bị từ hóa, mômen từ của 2 14
lớp sắt từ ở trạng thái phản song song và có điện trở lớn (Hình 1.7a). Khi có từ trường tác dụng, từ độ của các lớp sắt từ định hướng trạng thái song song với nhau theo từ trường ngoài, dẫn đến điện trở suất của mẫu giảm (Hình 1.7b). Các nghiên cứu đã chỉ ra tỉ số S/N của các cảm biến GMR cao và có nhiều triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh phát hiện hạt từ đơn lẻ [65]. Công bố của J.C. Rife năm 2003 [100], cảm biến GMR đã phát hiện được đơn hạt Ni30Fe70 và phát hiện được 10 hạt sắt từ Dynalbead M-280. Gần đây nhất, năm 2017, Yu-Chi Liang công bố cảm biến GMR cấu trúc van spin có thể phát hiện được đơn hạt nano sắt từ đường kính 225 nm [64]. Các công trình gần đây cho thấy, cảm biến GMR có tỉ số S/N lớn nhất cỡ 380 lần tại dải tần số nhỏ và giới hạn phát hiện của cảm biến trong việc đo từ trường là 93 nT [53], dải hoạt động của cảm biến trong khoảng 10-1 ÷ 108 Oe [56]. Ưu điểm của cảm biến GMR là tín hiệu lớn, độ nhạy tương đối cao cỡ vài mV/Oe, tỉ số S/N cỡ 102 [8]. Nhược điểm của cảm biến loại này là sử dụng màng cấu trúc gồm nhiều lớp, thiết kế khá phức tạp và do vậy chi phí cao. 1.2.3. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở xuyên hầm Từ-điện trở xuyên hầm (Tunnelling magnetoresistance-TMR) là sự thay đổi đáng kể của điện trở (điện trở suất) ở lớp tiếp xúc từ xuyên hầm đó là lớp điện môi, đóng vai trò lớp rào cản trở chuyển động của các electron. Cảm biến TMR đơn giản có cấu trúc gồm 2 lớp sắt từ ngăn cách nhau bởi một lớp điện môi. Khi chiều dày lớp điện môi đủ mỏng, hiệu ứng điện tử chui qua lớp rào thế sẽ xảy ra tạo thành sự dẫn điện qua các lớp vật liệu. Hoạt động của linh kiện TMR tương tự như linh kiện GMR đó là khi không có từ trường ngoài tác dụng, từ độ của 2 lớp sắt từ ở trạng thái phản song song. Khi từ trường ngoài khác 0, từ độ của 2 lớp sắt từ ở trạng thái định hướng song song với nhau, hiện tượng chui ngầm sẽ xảy ra mạnh nhất và do đó điện trở suất của linh kiện sẽ giảm mạnh so với khi từ trường ngoài bằng 0 (Hình 1.8) [15]. Hiệu ứng TMR được Michel Julliere tìm ra vào năm 1975 [55] trên màng đa lớp Fe/Ge/Co, xảy ra ở nhiệt độ thấp tới 4,2 K. Cấu trúc chuẩn của linh kiện sử dụng hiệu ứng xuyên ngầm TMR bao gồm 3 lớp vật liệu: lớp sắt từ/lớp điện môi/lớp sắt từ (năm 1998, Baselt) [15]. Ưu điểm nói chung của cảm biến TMR là tín hiệu lớn, độ nhạy cao cỡ mV/Oe, tỉ số S/N cỡ 102 [8]. Nhược điểm của cảm biến loại này là sử dụng màng 15
đa lớp khá phức tạp, vật liệu đắt tiền, công nghệ chế tạo đòi hỏi kiểm soát được độ dày lớp màng điện môi rất mỏng và chất lượng màng với độ chính xác cao, cấu trúc và thiết kế phức tạp, đặc biệt dễ bị đánh thủng là đặc trưng của cảm biến TMR. Chính vì những lý do này, mặc dù với độ nhạy cao nhưng các linh kiện, cảm biến TMR đến nay giá thành cao và không phổ biến so với các cảm biến GMR và cảm biến Hall. Hình 1.8. Minh họa cấu trúc vật liệu có hiệu ứng TMR (a) và cảm biến TMR tương ứng (b) [15]. 1.2.4. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng Hiệu ứng Hall phẳng (kí hiệu PHE) có tín hiệu điện áp lối ra phụ thuộc vào góc θ giữa ⃗⃗⃗⃗ và chiều dòng điện (có cường độ là I) qua linh kiện. Khi I chạy theo hướng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ ⃗⃗ tạo ra điện trường ⃗ theo hướng của ⃗⃗ . Điện trường ⃗ này sinh ra điện áp Vy (vuông góc với trục x) (Hình 1.9). Khi có dòng Ix và ⃗⃗ hợp với nhau góc θ với dòng điện Ix thì véctơ ⃗⃗ sẽ lệch một góc θ so với dòng điện Ix, do đó Vy đo theo phương vuông góc với Ix ta có [8, 102]: Vy = Ix Rsinθcosθ (1.9) với R = ( p - orth)/tNiFe, trong đó: p và orth tương ứng là điện trở suất của màng theo phương song song với phương từ hóa và theo phương vuông góc với phương từ hóa; tNiFe: chiều dày màng mỏng. Trong cấu trúc Hall phẳng, khi tác dụng từ trường ngoài, từ độ bị quay, làm điện trở thay đổi và thay đổi hiệu điện thế Hall. Tỉ số từ-điện trở thường 16
thay đổi R/R cỡ 2 ÷ 3 % đối với lớp NiFe dày 20 ÷ 30 nm [78]. Lý thuyết về hiệu ứng Hall phẳng được giải thích bằng mô hình Stonner - Wohlfarth [8]. Hình 1.9. Minh họa hiệu ứng Hall phẳng trong cấu trúc màng mỏng. Cảm biến Hall phẳng thường dùng vật liệu NiFe, có dạng chữ thập được chỉ ra trên Hình 1.10. Các nghiên cứu trong những năm gần đây trên cảm biến Hall phẳng dạng chữ thập cho thấy, độ nhạy SH có giá trị cỡ vài chục µV/Oe trên màng đa lớp chứa NiFe [48, 57, 71, 86, 115-119], độ nhạy lớn nhất được công bố bởi Marius Volmer đạt 72 µV/Oe (2015) [71]. Năm 2010, A. D. Henriksen đã đưa ra cảm biến Hall phẳng dạng cầu, độ nhạy tăng đến 100 lần so với cảm biến Hall dạng chữ thập (đạt 150 µV/Oe) [41]. Đặc biệt, những năm gần đây cảm biến Hall dạng “ring” (vòng xuyến) cho độ nhạy cao được nghiên cứu mạnh mẽ như công bố của Sunjong Oh (2011) [84] và công bố của Brajalal Sinh (2013) [109] độ nhạy đạt 600 μV/Oe trên cảm biến Hall gồm 7 “ring” tổ hợp với nhau. Ngoài ra, ảnh hưởng dị hướng hình dạng của cảm biến Hall phẳng cũng đã được nghiên cứu bởi nhóm V. Mor và đồng nghiệp trên vật liệu NiFe [81], các công bố về cảm biến Hall có cấu trúc dạng elip có trường dị hướng với một dải giá trị khá rộng từ 10 ÷ 100 Oe. Đây là cơ sở để nghiên cứu làm tăng độ phân giải tín hiệu thế Hall phẳng. Trong những năm gần đây, cảm biến Hall phẳng đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều trong việc phát hiện các hạt thuận từ kích thước micro-nano được chức năng hóa, ứng dụng trong sinh học [24, 52, 71, 77, 113]. Ưu điểm chính của cảm biến Hall phẳng dùng màng mỏng NiFe là công nghệ dễ chế tạo, vật liệu rẻ tiền nhưng tín hiệu lại tương đối nhỏ cỡ μV/Oe (với cảm biến dạng chữ thập). Việc tăng cường tín hiệu trên cảm biến Hall phẳng có thể đạt được bằng cách sử dụng cấu trúc VS dạng màng đa lớp có lớp ghim phản sắt từ kết hợp với thiết kế mạch cầu giúp cải thiện tín hiệu với độ nhạy cao (cỡ mV/Oe) và tỉ số S/N lớn cỡ 103 [8, 9, 41- 43]. Tuy nhiên, giải pháp này lại khiến cho giá thành sản phẩm cao do phải sử dụng màng đa lớp cấu trúc VS khá phức tạp, chi phí cao. 17
Hình 1.10. Minh họa cảm biến Hall phẳng dạng chữ thập [97]. 1.2.5. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng 1.2.5.a. Hiệu ứng từ -điện trở dị hướng Hiệu ứng từ-điện trở dị hướng (Anisotropic magnetoresistance-AMR) được W. Thomson tìm ra năm 1856, khi có sự thay đổi điện trở suất của các kim loại sắt từ khi tác dụng từ trường ngoài và đạt dưới 5 % [73], tỉ số AMR được tính theo công thức thực nghiệm (1.8). Hiệu ứng AMR được định nghĩa tương tự như hiệu ứng Hall phẳng là sự thay đổi điện trở suất (điện trở) của vật liệu theo vào góc θ giữa từ độ và chiều dòng điện. Điện trở suất lớn nhất khi I qua mẫu chạy dọc (parallel) theo phương từ hóa (ρp) và nhỏ nhất khi I qua mẫu vuông góc (orthogonal) với phương từ hóa (ρorth) [127]. Điện trở suất ρ được tính theo công thức (1.10) do T.R. Mc Guire đưa ra [73, 127]: 1 2 (1.10) 𝜌 = 𝜌 + 𝜌 3 3 표 푡ℎ Khi đó, tỉ số AMR (AMR%) được tính theo biểu thức (1.11) [120, 127]: ∆𝜌 𝜌 − 𝜌표 푡ℎ (1.11) 푅% = = 1 2 𝜌 𝜌 + 𝜌 3 3 표 푡ℎ Sự khác nhau của điện trở suất đo được giữa hai trạng thái có góc θ khác nhau là nguyên nhân gây ra hiệu ứng AMR. Do hiệu ứng AMR, độ lớn của điện trở suất được quyết định bởi góc θ và được xác định bởi [52, 102]: 2 2 ρ(θ) = ρorth + (ρp- ρorth).cos θ = ρorth + ∆ρ.cos θ (1.12) 18
Hình 1.11 minh họa để giải thích đơn giản bản chất hiệu ứng AMR. Ta có chiều chuyển động có hướng của electron dẫn luôn cùng phương và ngược chiều với chiều dòng điện của mẫu vật liệu. Khi mẫu vật liệu đặt trong từ trường ngoài thì từ độ của vật liệu sẽ quay theo chiều từ trường ngoài, hình thành các đám mây electron có dạng hình đĩa dẹt tại các nút mạng tinh thể của mẫu vật liệu (phần có màu nâu trong Hình 1.11a, b). Nếu phương của dòng điện có cùng phương với từ độ của mẫu thì các electron dẫn sẽ có xác suất va chạm với đám mây điện tử ở nút mạng tinh thể lớn hơn do tiết diện tán xạ lớn hơn, dẫn đến trong trường hợp này vật dẫn có điện trở suất lớn (Hình 1.11a). Ngược lại, nếu phương dòng điện vuông góc với từ độ của mẫu thì các electron dẫn sẽ có xác suất va chạm với đám mây điện tử ở nút mạng tinh thể ít hơn do tiết diện tán xạ nhỏ hơn, điều này dẫn đến vật dẫn có điện trở suất nhỏ (Hình 1.11b). Hai trạng thái này sẽ gây ra sự thay đổi điện trở suất theo hai xu hướng ngược nhau như Hình 1.11c [50]. Hình 1.11. Hình minh họa để giải thích hiệu ứng AMR (a,b) và điện trở suất của mẫu vật liệu khi dòng điện có phương dọc theo từ độ (ρp) và vuông góc với từ độ (ρorth) (c) [50]. G. T. Meaden [74] đã sử dụng mô hình tán xạ điện tử trên các điện tử dẫn để giải thích hiệu ứng AMR vào năm 1971, theo đó hiệu ứng AMR được quyết định bởi sự thay đổi của khối lượng hiệu dụng electron khi tán xạ trên các vùng năng lượng, tỉ số AMR phụ thuộc vào bình phương cường độ từ trường (H2) của vật liệu theo công thức: 19
∆𝜌 1 1 2 (1.13) 푅% = ~ 2 ( − ) 𝜌 1 2 trong đó, ∆𝜌, 𝜌 lần lượt là khoảng thay đổi điện trở suất và điện trở suất; m1, m2 là khối lượng hiệu dụng của các electron. Hình 1.12. Mô tả điện trở suất của màng mỏng sắt từ đáp ứng từ trường ngoài. Hình 1.13. Minh họa các thông số xác định hiệu ứng AMR (a) và sự thay đổi điện trở theo góc θ (b) [102]. Điện trở suất của màng đáp ứng khi có từ trường ngoài tác dụng được mô tả theo đồ thị Hình 1.12. Hiệu ứng AMR thường được tìm thấy trên các kim loại sắt từ gồm Fe, Ni, Co có lớp 3d chưa điền đầy, hiệu ứng bị chi phối bởi cấu trúc tinh thể, tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử trong tinh thể, cấu trúc đômen của chất sắt từ. Ta giả định rằng, khi có sự tác dụng của từ trường ngoài H sẽ làm véctơ từ độ của màng sắt từ sẽ 20
quay theo từ trường ngoài. Khi đó, điện trở của vật liệu được xác định qua góc  theo công thức (1.14) và độ lệch điện thế AMR (∆Vx) theo công thức (1.15) [102]. 퐿 2 (1.14) 푅(휃) = 𝜌(휃). = 푅표 푡ℎ + ∆푅. 표푠 휃 푊. 푡 𝑖퐹푒 퐿 2 (1.15) ∆ = . . (𝜌표 + ∆𝜌 표푠 휃) 푊. 푡 𝑖퐹푒 trong đó: ∆R = Rp – Rorth: thay đổi R đo theo hai phương khác nhau (song song và vuông góc); L là độ dài; W là độ rộng màng NiFe; tNiFe là chiều dày của lớp sắt từ (Hình 1.13a). Từ công thức (1.14), ta có thể vẽ được quy luật phụ thuộc điện trở R như theo hàm của θ (Hình 1.13b). Khi chế tạo màng mỏng từ tính có hiệu ứng AMR, người ta thường định hướng 2 phương: một là phương dễ từ hóa (EA), theo phương này thì sự bão hòa từ diễn ra dễ dàng nhất (ở từ trường nhỏ). Hai là phương khó từ hóa (HA), theo phương này thì sự bão hòa từ diễn ra khó nhất (ở từ trường cao). 1.2.5.b. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng AMR Các cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng AMR chủ yếu được công bố gồm 2 dạng: cảm biến dạng vòng xuyến và cảm biến dạng WB. - Cảm biến AMR dạng vòng xuyến Cảm biến AMR có cấu trúc dạng vòng xuyến, sử dụng vật liệu sắt từ NiFe, được thiết kế lần đầu tiên bởi Miller như Hình 1.14. Vào năm 2002, Miller cũng đã sử dụng vòng cảm biến AMR sử dụng vật liệu SiN/NiFe/Cu/SiN để dò tìm các hạt từ khi có sự có mặt của hạt từ tín hiệu cảm biến thay đổi ∆V = 1μV [75]. Khi cảm biến mang dòng I và từ trường ngoài tác dụng bằng không, từ độ của vòng là một đường tròn khép kín như Hình 1.14. Đây là trường hợp dòng điện chạy qua linh kiện song song với mômen từ ( p). Ngược lại, khi có từ trường ngoài như sự có mặt của hạt từ tính với mômen từ vuông góc với bề mặt của linh kiện, đặt tại tâm của linh kiện thì từ độ của vòng xuyến sẽ vuông góc với dòng điện và ngăn cản sự chuyển động của các electron khi chạy qua vòng linh kiện ( orth). Sự thay đổi từ trạng thái p (chưa có mặt hạt từ) sang trạng thái orth (có mặt hạt từ) làm điện trở của linh kiện thay đổi và tạo ra sự thay đổi điện áp. 21
Cấu trúc cảm biến vòng xuyến AMR thích hợp trong việc ứng dụng phát hiện các hạt từ tính đơn lẻ có kích thước cỡ micromet. Khi đó, các hạt từ tính đặt ở trung tâm của vòng tròn xuyến và nằm trọn bên trong vòng xuyến. Cảm biến AMR dạng vòng xuyến có độ nhạy SH cỡ 2 µV/Oe, có tỉ số S/N cỡ 50 lần [53]. Hình 1.14. Mô hình cảm biến AMR dạng vòng xuyến (a) và ảnh thực tế (b) [75]. - Cảm biến AMR dạng WB Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của WB sẽ được luận án đề cập chi tiết ở mục 1.3.1. Dựa vào công nghệ micro-nano, trong những năm gần đây, các cảm biến AMR được chế tạo chủ yếu dựa trên mạch cầu Wheatstone [39, 91, 112, 127, 132] và cho độ nhạy ngày càng tăng. Năm 1996, hãng Philips Semiconductors đã công bố cảm biến thương mại dạng WB dựa trên vật liệu màng NiFe cho độ nhạy 0,96 mV/Oe khi cấp dòng 1 V (tương đương 0,96 mV/V/Oe) (bảng dữ liệu, năm 1996) [145]. Năm 2004, Richard Gambino cùng các cộng sự chế tạo cảm biến WB, sử dụng vật liệu màng NiFe cho độ nhạy SH = 0,4 mV/Oe [31]. Các cảm biến WB dựa trên hiệu ứng AMR thương mại AFF 755B cho độ nhạy cỡ 1,35 mV/Oe khi cấp dòng 1 V (bảng dữ liệu, năm 2017) [144]. Các cảm biến AMR được ứng dụng để đo dòng điện chính xác [91, 112], ứng dụng làm oát kế [127], ứng dụng làm thiết bị đo hệ số nhiệt điện trở độ chính xác cao [126]. Ưu điểm nói chung của cảm biến AMR dạng WB so với các cảm biến đo từ trường khác là chỉ cần sử dụng màng đơn lớp, công nghệ chế tạo và chi phí thấp nhưng lại cho tín hiệu lớn, độ nhạy cao (cỡ mV/Oe), tỉ số S/N cỡ 102 bậc [8]. 22
1.2.6. Hiện tượng nhiễu trong các cảm biến Để đánh giá cảm biến một cách đầy đủ, trọn vẹn ngoài các thông số kĩ thuật như độ nhạy, dải từ trường hoạt động, độ phân giải thì nhiễu, ồn là một tiêu chí đánh giá cảm biến. Đặc biết đối với các ứng dụng chính xác và đối với các cảm biến thương mại, việc giảm thiểu các loại nhiễu (ồn) ảnh hưởng đến cảm biến rất quan trọng. Hiệu suất của cảm biến chỉ được xác định khi so sánh với nguồn nhiễu nội tại của chúng. Nhiễu thường chồng lên các tín hiệu thật đo được của cảm biến đồng thời che mờ đi các tín hiệu yếu. Người ta thường dùng tỉ số S/N là tiêu chí đánh giá cảm biến. Tỉ số S/N càng lớn thì cảm biến cho tín hiệu càng chính xác. Các loại nhiễu cơ bản gồm: nhiễu tần, nhiễu lượng tử và nhiễu Johnson. Ở tần số nhỏ (f 1 kHz thì nhiễu Johnson chiếm chủ yếu [102]. - Nhiễu Johnson: Nhiễu Johnson hay nhiễu nhiệt [54] là yếu tố nhiễu sinh ra do sự tỏa nhiệt trên điện trở khi có dòng điện được tính theo công thức (1.16): (1.16) = √4퐾 푅 ∆ trong đó, T (K): nhiệt độ tuyệt đối; RDC: điện trở ứng với dòng một chiều DC; kB là hằng số Boltzmann; Δf khoảng tần số khi đo. Để giảm nhiễu Johnson, ta phải giảm RDC và giảm I. Cảm biến AMR khi ứng dụng đo từ trường, nhiễu Johnson được xác định có giá trị rất nhỏ cỡ 20 ppm/độ [127]. - Nhiễu lượng tử: Khi có dòng IDC qua một rào thế năng thì nhiễu lượng tử được sinh ra, cường độ dòng nhiễu I được xác định: 2 I = 2q.IDC.B ( 1 . 17) ở đây: q là điện tích (C), B là dải nhiễu, IDC là dòng DC trung bình. Nhiễu lượng tử do sự thăng giáng của dòng điện. - Nhiễu tần số: Nhiễu tần số 1/f do sự dao động của độ dẫn điện tại chỗ tiếp xúc giữa 2 lớp màng vật liệu khác nhau. Nhiễu 1/f phụ thuộc vào tần số và tỷ lệ với I2 [9]. Để giảm nhiễu tần số có 2 cách: (i) tần số f hoạt động đủ cao, (ii) tăng diện tích cảm biến, tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N tỉ lệ với căn bậc hai của diện tích (Ss) của linh kiện [9]. (1.18) S/N ~ √푆푠 23
Để giảm các loại nhiễu do các nguồn từ trường bên ngoài như từ trường Trái đất và từ trường do các nguồn thiết bị xung quanh, khi tiến hành thực nghiệm đánh giá độ nhạy cảm biến, người ta thường đặt cảm biến cần khảo sát trong một ống chắn từ [9]. Ngoài ra, người ta còn dùng bộ lọc thông, bộ khuếch đại để giảm nhiễu. Đối với nghiên cứu trong luận án, do điều kiện thực tế Phòng Thí nghiệm (PTN), chúng tôi không đặt vấn đề khảo sát độ nhiễu của cảm biến. Tuy vậy, khi thiết kế cảm biến chúng tôi tính toán thiết kế mạch cầu sao cho giảm được điện trở nội của cảm biến và đồng thời thực hiện với dòng cấp IDC nhỏ, do đó sẽ giảm được nhiễu Johnson tác động lên cảm biến. Khi tiến hành khảo sát thực nghiệm đo đạc, cảm biến được đặt cách xa các nguồn phát từ trường để giảm các loại nhiễu từ trường từ bên ngoài. Từ công thức (1.18), việc tính toán kích thước (diện tích) của cảm biến để giảm nhiễu tần số 1/f cũng được đề cập đến, tuy nhiên điều này sẽ dẫn đến việc làm tăng kích thước của cảm biến. Đây cũng là một yếu tố chúng tôi xem xét để chế tạo cảm biến phù hợp với mục đích ứng dụng. 1.2.7. So sánh các loại cảm biến từ trường cấu trúc micro-nano Các loại cảm biến từ trường đã được liệt kê đều cho thấy luôn tồn tại một số nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng, chẳng hạn với cảm biến Hall có độ phân giải từ trường thấp (~ Oe), cảm biến Flux – gate thì thời gian đáp ứng chậm và kích thước lớn. Những nhược điểm này của cảm biến sẽ được khắc phục với cảm biến từ- điện trở sử dụng vật liệu sắt từ mềm, đồng thời các cảm biến này cũng ít chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu. Độ nhạy, tỉ số S/N của các loại cảm biến từ như cảm biến dựa trên hiệu ứng GMR, TMR, PHE, AMR được chỉ ra tại Bảng 1.2. Bảng 1.2. Bảng so sánh độ nhạy và tỉ số S/N [8, 27, 30] của một số loại cảm biến đo từ trường cấu trúc màng mỏng nano dựa trên vật liệu sắt từ. TLTK Cảm Cấu trúc vật liệu Độ Tỉ Đặc điểm cảm biến biến nhạy số tín hiệu /nhi ễu [134]. GMR Ta/NiFeCr/PtMn/Co 500 ~ Phức tạp, đắt tiền Fe/Ru/CoFe μV/Oe 400 24
[69]. VS (Si/SiO2)/Ta/NiFe/C 500 ~ Phức tạp, đắt tiền μV/Oe 450 o/Cu/Co80Fe20/IrMn/ Ta [29]. TMR IrMn/Mn/CoFe/Ru/ 32 ~ Phức tạp, đắt tiền 2 CoFeB/MgO/CoFeB mV/Oe 10 /Ta/NiFe/CaP [57]. PHE Chữ thập: 19,86 ~ - Nếu vật liệu truyền 2 Ta/NiFe/Cu/IrMn/T μV/Oe 10 thống, đơn lớp thì: tín a hiệu nhỏ, công nghệ đơn giản, giá thành [41]. Cầu Wheatstone: 150 ~ thấp. Ta/NiFe/Ta μV/Oe 150 0 - Nếu vật liệu màng đa [109]. 7 vòng xuyến: 600 ~ lớp cấu trúc van spin μV/Oe 103 thì: tín hiệu lớn, công Ta/IrMn/Cu/NiFe/T nghệ phức tạp, chi phí a lớn. [84]. Cảm 1 vòng xuyến: 9,5 ~ biến lai μV/Oe 102 giữa Ta/NiFe/Cu/NiFe/Ir AMR Mn/Ta và PHE 17 vòng xuyến: 102,6 ~ μV /Oe 103 Ta/NiFe/Cu/NiFe/Ir Mn/Ta [53]. AMR Vòng: NiFe ~ 2 ~ - Tín hiệu nhỏ, công 1 μV/Oe 10 nghệ đơn giản, chi phí thấp. Cầu Wheatstone: ~ ~ - Tín hiệu lớn, công mV/Oe 102 Ta/NiFe/Ta nghệ đơn giản, chi phí thấp. 25
[143] Cảm Dựa trên hiệu ứng 3,5 ~ 2 biến GMR mV/Oe 10 thương mại [144] Cảm Dựa trên hiệu ứng 1,35 ~ 2 biến AMR mV/Oe 10 thương mại [142] Cảm Vật liệu từ ~V/Oe 102 - Chi phí thấp, kích biến thước lớn (~ cm), thời Flux- gate gian đáp ứng chậm, phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Các loại linh kiện, cảm biến từ khác nhau có những đặc trưng về cấu trúc và các thông số làm, dải hoạt động việc khác nhau của chúng được thống kê dưới Bảng 1.3. Bảng 1.3. Dải làm việc của các loại cảm biến từ [17, 120]. Mỗi cảm biến có ưu, nhược điểm riêng, với cảm biến dựa trên hiệu ứng điện-từ thì có độ nhạy cao nhưng thời gian đáp ứng chậm và kích thước cồng kềnh, ccs cảm biến dựa trên vật liệu bán dẫn có chi phí rẻ, độ nhạy cao nhưng lại không bền và phụ 26
thuộc mạnh vào điều kiện nhiệt độ, các cảm biến TMR và cảm biến Hall phẳng cấu trúc van spin có độ nhạy lớn nhưng công nghệ lại phức tạp, chi phí tốn kém. Cảm biến AMR dạng vòng xuyến có cấu trúc đơn giản nhưng hiệu ứng lại thấp. Trong các cảm biến trên, cảm biến AMR dạng WB vừa có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và lại cho tín hiệu lớn, đây là đối tượng chính mà Nhóm nghiên cứu tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường Đại học Công nghệ (ĐHCN), Đại học Quốc gia (ĐHQG) Hà Nội đứng đầu là GS Nguyễn Hữu Đức định hướng và tập trung nghiên cứu. 1.3. Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến đo từ trường 1.3.1. Mạch cầu điện trở Wheatstone Samuel Hunter Christie đưa ra khái niệm mạch cầu điện trở vào năm 1833. Đến năm 1843, S.C. Wheatstone (1802-1875) [28] đã ứng dụng chúng vào nghiên cứu nên gọi là mạch cầu Wheatstone (Wheatstone brigde - WB). Khi đo đạc các giá trị điện trở thì sử dụng WB vẫn là phương pháp cho độ tin cậy cao. Cấu trúc mạch cầu gồm 4 các điện trở thành phần R1, R2, R3, R4 được kết nối với nhau (Hình 1.15). Trong Vật lý đại cương, WB thường được ứng dụng để xác định một thành phần điện trở (cần độ chính xác cao) khi đã biết trị số 3 điện trở còn lại, từ Hình 1.15, dựa vào biểu thức liên hệ khi so sánh các điện trở trên 4 nhánh cầu khi mạch cầu cân bằng theo công thức: 푅 푅 (1.19) 2 = 3 = ɛ 푅1 푅4 Với ứng dụng đo từ trường, cảm biến cần độ chính xác cao, mạch cầu thường sử dụng một đồng hồ/điện kế để đo điện áp lối ra rất nhạy cỡ mV đến nV. Trong sơ đồ thực nghiệm của luận án, nguồn điện một chiều cấp dòng được nối vào 2 điểm A, C còn điện kế G được nối với 2 điểm B và D. Khi ta đặt vào mạch điện áp Vin, ta có: 푅1푅3 − 푅2푅4 (1.20) = 𝑖푛 (푅1 + 푅2) (푅3 + 푅4) Khi từ trường ngoài khác không, do hiệu ứng AMR sẽ tạo ra sự biến đổi (∆Ri) và điện áp của mạch cầu khi đó: 27
Giả sử ban đầu, cầu cân bằng, khi đó công thức (1.19) được thỏa mãn. Khi có sự thay đổi nhỏ của điện trở, ta có thể viết phương trình trên được là [96, 141]: (1.21) Trường hợp R1 = R2 = R3 = R4 thì ɛ = 1, khi đó công thức (1.21) trở thành: (1.22) Hình 1.15. Mô tả WB ảnh hưởng bởi từ trường ngoài do hiệu ứng AMR [96]. 1.3.2. Ưu điểm của mạch cầu Wheatstone Khi nghiên cứu trên cảm biến Hall, F. W. Østerberg [88] chỉ ra rằng, với kích thước tương đương độ nhạy của cảm biến dạng WB lớn hơn độ nhạy của cảm biến dạng chữ thập cỡ 6,8 lần. Đối với cảm biến dựa trên WB, ngoài ưu điểm cho độ nhạy cao hơn cảm biến có cấu trúc chữ thập hay cấu trúc vòng xuyến như đã đề cập trong mục 1.2.5 thì cảm biến WB còn có ưu điểm vượt trội đó là khả năng giảm nhiễu Johnson. Đối với cảm biến dạng cầu Wheatstone của luận án nghiên cứu, do hiệu ứng AMR, khi đặt trong từ trường ngoài thì điện trở của cảm biến sẽ thay đổi. Trong đó, có một cặp điện trở đối diện này sẽ tăng lên (R1 và R3) thì sẽ có một cặp điện trở đối diện khác (R2 và R4) giảm xuống một lượng ∆R dẫn đến điện trở tổng cộng của cảm 28
biến là không đổi (xem Hình 1.15). Như vậy, mạch cầu có thể tự bù trừ điện trở khi có sự thăng giáng điện trở của hai nhánh nên ưu điểm của mạch cầu là giảm thiểu được nhiễu Johnson rất tốt so với cảm biến khác (xem công thức (1.16)). Mạch cầu WB được ứng dụng hữu hiệu trong các mạch điện tử như dùng để đo trở kháng, cảm kháng, dung kháng của mạch xoay chiều, ứng dụng rà phá bom mìn, đo dòng, phát hiện phương diện giao thông, ứng dụng phát hiện hạt từ tính trong lĩnh vực y-sinh học. Phương pháp WB cho độ chính xác cao, kết quả nhanh. 1.3.3. Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến từ trường Những năm gần đây, các cảm biến từ dựa trên WB vẫn chủ yếu sử dụng vật liệu permalloy. Các nghiên cứu chủ yếu theo hướng tối ưu thiết kế cấu hình cảm biến để nâng cao độ nhạy đo từ trường. Trong đó, đáng chú ý nhất là nghiên cứu của Sunjong Oh vào năm 2011 đã công bố cảm biến dạng lai giữa cảm biến AMR và PHR dạng vòng xuyến “ring” [84]: với cảm biến có 1 vòng xuyến, cho độ nhạy 9,5 μV/Oe; để nâng cao độ nhạy, nhóm tác giả đã tăng cường tính dị hướng hình dạng cảm biến bằng cách tổ hợp nhiều các “ring” nhỏ, kết quả đạt được ứng với 17 “ring” độ nhạy cảm biến cho giá trị 102,6 μV/Oe (xem Bảng 1.2). Nhóm tác giả A. D. Henriksen [42] đã nghiên cứu và so sánh hai cấu hình cảm biến dạng WB đó là mạch cầu dạng vòng xuyến (mỗi nhánh điện trở có dạng cung tròn) và mạch cầu dạng hình vuông (mỗi nhánh điện trở có dạng thanh dài) có kích thước tương đương (Hình 1.16). Kết quả cho thấy, cảm biến WB dạng thanh dài cho độ nhạy lớn hơn cảm biến dạng vòng xuyến khoảng 41 % (khi tính toán lý thuyết) và khoảng 30 % (khi đo đạc thực nghiệm). Hình 1.16. Mô tả cảm biến có cấu trúc WB dạng hình cung tròn (a) và hình thanh dài (b) [42]. 29
Với cảm biến dạng thanh dài, khi nghiên cứu trên hiệu ứng Hall, Henriksen cũng như một số nhóm nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng, độ nhạy (SH) của cảm biến được tăng cường với cấu trúc đơn đômen và phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng của cảm biến, khi tăng số dãy nối tiếp của mỗi nhánh mạch cầu từ 3 lên 5 lần và 7 lần thì độ nhạy tăng lên 1,6 và 2,2 lần tương ứng [41]. 1.3.4. Mạch cầu Wheatstone trong thiết kế cảm biến AMR của luận án Từ các kết quả nghiên cứu ở trên, dựa trên vật liệu permalloy Ni80Fe20 và WB có dạng thanh dài hình chữ nhật, luận án chế tạo cảm biến AMR theo cách tối ưu cấu hình thiết kế cảm biến nhằm nâng cao độ nhạy. Cũng tương tự như hiệu ứng Hall phẳng, để có hiệu ứng AMR cao thì cảm biến cần phải có cấu trúc đơn đômen hay tính dị hướng từ đơn trục trên thanh điện trở. Có 2 cách để tăng cường tính dị hướng từ đơn trục: (i) Can thiệp vào tính chất nội tại của cảm biến (intrinsic) đó là thay đổi loại vật liệu, thay đổi thành phần vật liệu, thay đổi cấu trúc tinh thể, ứng suất khi xử lý nhiệt; (ii) Can thiệp từ bên ngoài (extrinsic) bằng cách tăng cường tính dị hướng từ đơn trục (nhờ tác dụng 1 từ trường cưỡng bức gọi là từ trường ghim theo một trục (trục dễ – EA)) và thay đổi hình thái học cảm biến bằng cách tăng cường tính dị hướng hình dạng nhờ vào việc tăng cường chiều dài hiệu dụng Leff của cảm biến đồng thời giảm chiều dày lớp màng từ tính (xem công thức (1.15)). Nếu Leff càng lớn thì độ nhạy của cảm biến càng cao. Ở đây, chiều dài hiệu dụng Leff của cảm biến, được định nghĩa theo công thức: Leff = n×L/W (1.23) trong đó, khi xét một nhánh của cảm biến thì n là số dãy điện trở mắc nối tiếp, L/W là tỉ số chiều dài/chiều rộng của một thanh điện trở. Luận án chọn cách thứ hai (can thiệp từ bên ngoài). Chúng tôi tối ưu thiết kế hình thái học của cảm biến tới từng nhánh cầu điện trở, từ việc thay đổi chiều dài, chiều rộng, độ dày đến việc tổ hợp cách ghép mỗi thành phần điện trở nhỏ tại mỗi nhánh cầu. Do đó, có rất nhiều nội dung cần nghiên cứu mà các tác giả trên thế giới chưa khai thác. Đây cũng là tính mới của luận án. 30
Từ công thức (1.15), để đo hiệu ứng AMR và để tăng cường độ lệch điện áp lối ra cho cảm biến, chúng tôi thay đổi góc  (góc giữa ⃗⃗⃗⃗ và chiều I) bằng cách giữ nguyên chiều I, chỉ thay đổi từ trường ngoài theo hai trường hợp: (i) từ trường ngoài vuông góc với trục dễ (hay Happ song song I) (ta có điện trở suất theo phương song song-ρp) và (ii) từ trường ngoài song song với trục dễ (hay Happ vuông góc I) (ta có điện trở suất theo phương trực giao-ρorth) như Hình 1.17. Khi đó, từ trường ngoài tăng lên thì từ độ ban đầu của vật liệu sẽ bị “bẻ” theo từ trường ngoài, do đó thay đổi được góc  và tạo ra hiệu ứng AMR. Khi thiết kế cảm biến, luận án chọn cách tiếp cận thay đổi thiết kế cảm biến cầu để nâng cao độ nhạy bằng cách tăng cường dị hướng hình dạng (tổ hợp nối tiếp nhiều thành phần điện trở nhỏ trong một nhánh cầu) như tác giả Henriksen [41]. Ở đây, chúng tôi cũng thiết kế cảm biến cầu từ cảm biến đơn thanh (chỉ có 1 thành phần điện trở nhỏ trong một nhánh cầu) đến cảm biến đa thanh nối tiếp (có 3, 5, 6 thành phần điện trở nhỏ trong một nhánh cầu) (ví dụ như Hình 1.18b mô tả trường hợp 3 thanh nối tiếp). Đặc biệt, chúng tôi đưa ra một thiết kế hoàn toàn mới, lần đầu tiên trên thế giới đó là cấu trúc tổ hợp nối tiếp-song song (NT-SS) (ví dụ như Hình 1.18c) (có 2 cấu hình NT-SS trong luận án, đó là: mạch mắc NT-SS có 6 thành phần điện trở nhỏ trong mỗi nhánh cầu và 18 thành phần điện trở nhỏ mắc NT-SS trong mỗi nhánh cầu). Cấu hình cảm biến mắc NT-SS với mục đích là vừa tăng cường được tính dị hướng từ đơn trục, vừa giảm thiểu được điện trở nội của cảm biến (do đó giảm thiểu được nhiễu Johnson) lại vừa giảm thiểu được kích thước cảm biến. Với mạch cầu ghép NT-SS thì cần lưu ý là chiều dài hiệu dụng vẫn được định nghĩa theo công thức (1.23), n vẫn là số dãy nối tiếp nhưng được kí hiệu là ns, đồng thời bổ sung thêm kí hiệu np là số thanh điện trở ghép song song trong 1 dãy (np không xuất hiện trong công thức này). Hình 1.17. Mô tả cách tạo ra hiệu ứng AMR bằng cách thay đổi từ trường ngoài trong hai trường hợp: Happ vuông góc với trục dễ và song song với dòng điện - ρp (a) và Happ song song với trục dễ và vuông góc với dòng điện - ρorth (b). 31
Ngoài ra, khi làm điện cực để ghép nối các thành phần điện trở ở mỗi nhánh cầu, nếu như một số nhóm tác giả khác dùng luôn chính vật liệu từ tính NiFe để kết nối (sẽ giảm được số bước trong quy trình chế tạo) (Hình 1.18a) thì ở trong luận án này, chúng tôi khảo sát nghiên cứu và lựa chọn vật liệu kết nối điện cực là từ tính (vật liệu NiFe) hay không từ tính (vật liệu Cu). Đây cũng cũng được xem là những đóng góp mới của luận án (xem Hình 1.18). Hình 1.18. Các dạng cảm biến WB: cấu trúc tổ hợp nối tiếp 3 thanh với điện cực kết nối là chính vật liệu từ tính (a) [41] và có điện cực kết nối bằng Cu không từ tính (b), mô hình cảm biến cấu trúc tổ hợp NT-SS (c). 1.4. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu Từ các kết quả phân tích ở trên, luận án chọn đối tượng nghiên cứu là: - Hiệu ứng nghiên cứu: hiệu ứng AMR vì vừa có cấu trúc đơn giản (chỉ cần màng vật liệu đơn lớp) lại vừa cho hiệu ứng cao ngay ở nhiệt độ phòng, cảm biến cho độ nhạy lớn, phù hợp với điều kiện thực tế PTN tại Việt Nam. - Vật liệu nghiên cứu: luận án vẫn lựa chọn vật liệu truyền thống NiFe bởi đây là vật liệu có chi phí thấp, dễ chế tạo, chỉ cần màng mỏng đơn lớp, ở nhiệt độ phòng vẫn cho hiệu ứng AMR cao. - Mạch cầu Wheatstone: luận án lựa chọn WB dạng thanh dài để chế tạo cảm biến vì vừa cho độ nhạy cao, vừa giảm thiểu được nhiễu Johnson nhờ đó tăng cường được tỉ số S/N. Trên cơ sở sử dụng vật liệu NiFe, luận án tập trung theo hướng tối ưu cấu hình thiết kế cảm biến để nâng cao độ nhạy bằng cách một phần kế thừa việc thiết kế cảm biến WB cấu trúc nối tiếp đa thanh để tăng cường dị hướng hình dạng; một phần mới hoàn toàn chúng tôi thiết kế WB cấu trúc NT-SS vừa tăng cường được tính 32
dị hướng hình dạng, vừa giảm thiểu được nhiễu Johnson và thu nhỏ được kích thước cảm biến. 1.4.2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro-nano, có độ nhạy cao, đáp ứng được ứng dụng đo từ trường thấp cỡ từ trường của Trái đất và ứng dụng làm cảm biến y-sinh học. 1.4.3. Nội dung nghiên cứu Các nghiên cứu sẽ tập trung theo hướng tối ưu cấu hình, hình dạng, kích thước và thiết kế cảm biến để nâng cao độ nhạy và độ phân giải của cảm biến đo từ trường theo ứng dụng cụ thể. Cảm biến phải có độ nhạy cao hoạt động trong vùng từ trường thấp và để hướng tới mục đích thương mại, cảm biến phải có công nghệ đơn giản, hạ thấp chi phí sản phẩm, phù hợp với điều kiện trong nước. Do đó, nội dung của luận án là: - Tăng cường dị hướng từ đơn trục tập trung vào dị hướng hình dạng và dị hướng từ theo phương ghim nhằm mục đích tăng cường hiệu ứng AMR trên màng từ tính. - Tối ưu các quy trình và công nghệ chế tạo khác nhau, từ đó lựa chọn công nghệ phù hợp để chế tạo cảm biến có kích thước micro-nano. - Tính toán mô phỏng, thiết kế, chế tạo và tối ưu cấu hình cảm biến dạng WB có kích thước micro-nano, theo hướng tăng cường tính dị hướng từ đơn trục do đó tăng cường được độ nhạy, độ phân giải và giảm nhiễu Johnson cho các ứng dụng đo lường nhạy từ trường thấp. - Phát triển khả năng ứng dụng cảm biến chế tạo được trong (i) đo góc từ trường của Trái đất dùng làm la bàn và (ii) cảm biến sinh học phát hiện phần tử sinh học có lai hóa hạt từ. * Cấu trúc luận án gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan về vật liệu sắt từ mềm và cảm biến từ trường. Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Luận án chia làm 2 môđun, bao gồm: (i) các thiết bị phục vụ cho việc chế tạo cảm biến như các thiết bị phún xạ, thiết bị quang khắc, thiết bị hàn dây (ii) các thiết bị phục vụ mục đích đo đạc, khảo sát tín 33
hiệu như thiết bị đo tính chất từ VSM, thiết bị quan sát cấu trúc bề mặt và vi cấu trúc, hệ đo từ-điện trở Chương 3: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của màng NiFe. Luận án trình bày kết quả nghiên cứu cấu trúc, vi cấu trúc, tính chất từ, tính chất điện trên màng NiFe có các thông số khác nhau phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, cấu trúc, đánh giá ảnh hưởng của dị hướng từ đơn trục tới tính chất từ của màng mỏng, từ đó tối ưu thông số thiết kế màng để chế tạo cảm biến từ AMR cho độ nhạy cao hoạt động trong dải từ trường thấp. Chương 4: Thiết kế chế tạo, nghiên cứu cảm biến từ trường dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng. Luận án trình bày kết quả tính toán, mô phỏng tối ưu thiết kế cảm biến, từ đó chế tạo cảm biến theo hướng tối ưu. Nội dung chương này sẽ tập trung trình bày các kết quả nghiên cứu khảo sát tín hiệu điện áp, độ nhạy của các các cảm biến AMR dạng cấu trúc đơn giản và cấu trúc tổ hợp nối tiếp, NT-SS phụ thuộc vào từ trường ngoài, trên cơ sở đó lựa chọn cảm biến tối ưu để sử dụng cho từng ứng dụng cụ thể. Chương 5: Phát triển khả năng ứng dụng của cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng. Từ cảm biến chế tạo được, luận án lựa chọn cảm biến phù hợp để ứng dụng trong 2 lĩnh vực: (i) ứng dụng đo góc từ trường Trái đất; (ii) ứng dụng làm cảm biến sinh học. 1.5. Kết luận Chương 1 Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về vật liệu, các hiệu ứng và các loại cảm biến khác nhau, đối tượng nghiên cứu luận án lựa chọn bao gồm: - Hiệu ứng từ-điện trở dị hướng (AMR). - Vật liệu: vật liệu NiFe. - Cấu hình thiết kế cảm biến: cấu trúc WB. Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, cảm biến có độ nhạy cao, đáp ứng được ứng dụng đo từ trường thì các nghiên cứu luận án sẽ tập trung theo hướng: (i) tối ưu các quy trình và công nghệ chế tạo khác nhau để lựa chọn công nghệ phù hợp với từng cảm biến có kích thước micro-nano; (ii) tăng cường dị hướng đơn trục tập trung vào dị hướng hình dạng; (iii) tính toán, mô phỏng, tối ưu cấu hình thiết kế và kích thước của cảm biến giúp nâng cao độ nhạy; (iv) triển khai ứng dụng cảm biến chế tạo được trong luận án cho mục đích đo lường và cảm biến sinh học. 34
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Các phương pháp thực nghiệm trong luận án được chia làm 2 môđun, bao gồm: (i) môđun thứ nhất trình bày các thiết bị chế tạo như thiết bị phún xạ, thiết bị quang khắc, thiết bị hàn dây, ; (ii) môđun thứ hai trình bày các thiết bị đo đạc như thiết bị đo tính chất từ VSM, thiết bị quan sát cấu trúc bề mặt và vi cấu trúc, hệ đo từ-điện trở, Các thiết bị thực nghiệm chủ yếu được thực hiện tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. Các thiết bị được trang bị hiện đại, đồng bộ nên đảm bảo độ tin cậy cao của các kết quả thu được trong luận án. 2.1. Chế tạo màng mỏng và cảm biến Quy trình chế tạo một linh kiện, cảm biến hoàn thiện bao gồm 8 bước theo sơ đồ sau: Hình 2.1. Quy trình chế tạo cảm biến, linh kiện. 35
Sau đây, luận án sẽ phân tích các bước trong quy trình chế tạo cảm biến: 2.1.1. Thiết kế và chế tạo mặt nạ cảm biến Đây là bước 1 trong sơ đồ Hình 2.1, mặt nạ linh kiện cảm biến dùng trong luận án được thiết kế và chế tạo dựa trên các công nghệ khác nhau từ đơn giản đến phức tạp tùy thuộc vào kích thước của linh kiện muốn chế tạo sao cho quy trình chế tạo cảm biến là đơn giản nhất. Mục đích của luận án là chế tạo cảm biến AMR phải đáp ứng hai yêu cầu là vừa phải đơn giản hóa tối đa quy trình công nghệ chế tạo và vừa phải đáp ứng được mục đích ứng dụng. Mặt nạ sử dụng trong luận án được chia làm 3 nhóm theo các công nghệ chế tạo khác nhau, gồm: (i) Mặt nạ cảm biến bằng kim loại, kích thước milimet, không cần quang khắc (nhóm 1); (ii) Mặt nạ cảm biến bằng polymer, kích thước micro-milimet, có quang khắc (nhóm 2) và (iii) Mặt nạ cảm biến bằng thủy tinh phủ crôm, kích thước micromet, có quang khắc (nhóm 3). Tên các mặt nạ tương ứng với các cảm biến được liệt kê theo Bảng 2.1. Bảng 2.1. Tên các mặt nạ ứng với tên các cảm biến và diễn giải cách ghép tương ứng được nghiên cứu trong luận án. Kí hiệu cảm Tên nhóm Số thanh điện Cách ghép Diễn giải cách biến (Si-j-ab) (i = 1 ÷ 3) trở mỗi nhánh điện trở (ab) ghép (j) S1-1-s 1 1 s Nối tiếp S1-3-s 3 s Nối tiếp S2-1-s 2 1 s Nối tiếp S2-3-s 3 s Nối tiếp S2-5-s 5 s Nối tiếp S2-6-sp 6 sp NT-SS S3-6-s 3 6 s Nối tiếp S3-18-sp 18 sp NT-SS 36
Trong mục này, chúng tôi đặt tên mặt nạ cảm biến (tương ứng với các cảm biến chế tạo được và khảo sát ở Chương 4 của luận án) theo kí hiệu sau: Si-j-sp (2.1) trong đó: S là viết tắt của chữ sensor (cảm biến), i là tên nhóm (i = 1 ÷ 3), j là số thanh điện trở trong 1 nhánh cầu, s (series hay ghép nối tiếp), p (parallel hay ghép song song) và sp (series-parallel hay ghép NT-SS). 2.1.1.a. Mặt nạ cảm biến kim loại, kích thước milimet (nhóm 1) Với mục đích chế tạo mặt nạ đơn giản, độ chính xác không cần quá cao, mặt nạ sử dụng được nhiều lần, chúng tôi dùng hệ khắc laser fiber công nghiệp để thiết kế mặt nạ cảm biến nhóm 1. Khi chế tạo cảm biến, không cần quy trình quang khắc trong phòng sạch. Mặt nạ được chế tạo nhờ thiết bị laser fiber do Trung Quốc sản xuất có dạng như Hình 2.2. Các thông số hoạt động của máy khắc laser được đưa ra như trên Bảng 2.2. Hình 2.2. Ảnh hệ khắc laser fiber. Mặt nạ cảm biến nhóm 1 được làm bằng vật liệu nhôm dạng tấm mỏng có chiều dày 0,2 mm, được gia công gồm 2 loại S1-1-s và S1-3-s: loại S1-1-s là mặt nạ cảm biến loại đơn thanh điện trở với các mặt nạ có kích thước chiều rộng là W = 1 mm và chiều 37
dài thay đổi, bao gồm: L = 3, 5, 7 mm; loại S1-3-s là mặt nạ cảm biến tổ hợp nối tiếp gồm 3 thanh điện trở, trong đó 2 thanh có chiều dài L1 = 7,0 mm và 1 thanh có chiều dài L2 = 4,2 mm được mắc nối tiếp với nhau thông qua điện cực nối. Độ rộng các thanh không đổi là W = 0,3 mm. Hình dạng mặt nạ cảm biến nhóm 1 được mô tả như Hình 2.3 bao gồm mặt nạ điện trở dùng để tạo hình lớp màng vật liệu sắt từ khi phún xạ (Hình 2.3a) và mặt nạ điện cực dùng để tạo hình điện cực trên lớp vật liệu sắt từ đã chế tạo (Hình 2.3b) và linh kiện cảm biến sau khi đã chế tạo hoàn thiện gồm cả lớp sắt từ và lớp điện cực (Hình 2.3c). Trong nhóm cảm biến loại này, mục đích của việc thay đổi chiều dài của thanh điện trở là muốn tăng cường tỉ số dị hướng hình dạng (L/W) (do đó tăng cường tính dị hướng từ đơn trục) nhằm nâng cao độ nhạy của cảm biến. Ảnh thực tế của mặt nạ điện trở, điện cực của cảm biến nhóm 1 sau khi chế tạo được thể hiện như trên Hình 2.4. Ngoài mặt nạ điện cực, chúng tôi còn thiết kế mặt nạ bảo vệ với mục đích dùng để phún lớp màng bảo vệ cảm biến tránh những tác nhân oxi hóa và bảo vệ bề mặt cảm biến. Hình 2.3. Dạng mặt nạ của các cảm biến nhóm 1: điện trở (a) và điện cực (b) và mô phỏng cảm biến khi hoàn thiện (c). Đặc điểm của mặt nạ nhóm 1 này là đơn giản, tái sử dụng được nhiều lần, bền về mặt cơ học. Quy trình chế tạo hoàn thiện cảm biến nhóm 1 là chỉ cần duy nhất phún xạ mà không cần quang khắc. 38
Bảng 2.2. Một số thông số kỹ thuật của máy khắc laser fiber. STT Tên thông số Giá trị 1 Công suất laser 30 W 2 Độ sâu khắc tối đa 0,4 mm 3 Tốc độ khắc < 70000 mm/s 4 Chiều rộng tối thiểu 0,1 mm 5 Độ phân giải 0,05 mm 6 Nhà sản xuất Trung Quốc Hình 2.4. Mặt nạ bằng kim loại nhôm của cảm biến loại S1-1-s và S1-3-s của nhóm 1: mặt nạ điện trở (a) và mặt nạ điện cực (b). Cảm biến được chế tạo bằng cách cố định mặt nạ lên đế cần phún, sau đó phún xạ trực tiếp các lớp sắt từ và lớp điện cực lên đế thông qua mặt nạ. Sau khi phún xạ hoàn tất, chỉ cần tháo mặt nạ và thực hiện hàn dây điện cực. Nhược điểm lớn nhất của mặt nạ nhóm 1 là do giới hạn về công nghệ cắt laser, kích thước của cảm biến nhỏ nhất chỉ đạt cỡ 50 μm và đường biên của mặt nạ có độ mịn không cao, điều này sẽ 39
tác động trực tiếp đến độ mịn đường rìa của linh kiện sau khi chế tạo, do vậy, với loại mặt nạ nhóm 1 này chỉ phù hợp với cảm biến to (kích thước mỗi thanh điện trở cỡ mm). 2.1.1.b. Mặt nạ cảm biến polymer, kích thước micro-milimet (nhóm 2) Mặt nạ cảm biến nhóm 2 có kích thước micro-milimet, khi chế tạo cảm biến cần quy trình quang khắc trong phòng sạch. Mặt nạ được chế tạo bằng vật liệu polymer nhờ công nghệ in phun, gồm 4 loại S2-1-s, S2-3-s, S2-5-s và S2-6-sp, các loại mặt nạ có các thanh điện trở cùng kích thước chiều rộng W = 150 μm nhưng có chiều dài cũng như cách sắp xếp các thanh điện trở khác nhau. Loại S2-1-s là mặt nạ cảm biến loại đơn thanh điện trở, kích thước chiều dài L = 4,0 mm; loại S2-3-s là mặt nạ cảm biến tổ hợp nối tiếp 3 thanh điện trở có chiều dài L = 4,0 mm và S2-5-s là mặt nạ cảm biến tổ hợp nối tiếp 5 thanh điện trở có chiều dài L = 3,2 mm. Cũng giống như mặt nạ nhóm 1, mục đích của việc tổ hợp các thanh điện trở là muốn tăng cường tỉ số dị hướng hình dạng (L/W) để nâng cao độ nhạy của cảm biến. Việc làm tăng dị hướng hình dạng (tăng L/W) dẫn đến việc tăng điện trở nội của cảm biến, điều này sẽ dẫn đến hao phí nhiệt lớn. Do đó, chúng tôi chế tạo mặt nạ cảm biến dạng tổ hợp NT-SS: mặt nạ cảm biến loại S2-6-sp, gồm 6 thanh điện trở chia thành 3 dãy nối tiếp, mỗi dãy gồm 2 thanh điện trở có chiều dài L = 3,2 mm mắc song song. Hình dạng mặt nạ cảm biến nhóm 2 với mặt nạ polymer được mô tả như Hình 2.5, bao gồm mặt nạ cho quy trình chế tạo các lớp sắt từ làm điện trở (Hình 2.5a) và mặt nạ cho quy trình chế tạo lớp điện cực (Hình 2.5b), minh họa cảm biến hoàn thiện như Hình 2.5c. Ngoài ra, chúng tôi còn thiết kế mặt nạ bảo vệ dùng để phún xạ lớp màng bảo vệ cho bề mặt cảm biến. Đặc điểm của mặt nạ nhóm 2 là công nghệ chế tạo đơn giản, rẻ tiền và có chất lượng tốt hơn so với nhóm 1, chủ động ngay tại Việt Nam ở một số cơ sở chuyên in ấn giúp cho việc dễ dàng điều chỉnh thay đổi các thiết kế tùy theo mục đích ứng dụng cụ thể. Với nhóm cảm biến sử dụng mặt nạ loại này, quy trình chế tạo cảm biến được thực hiện kết hợp giữa việc phún xạ và quy trình quang khắc trong phòng sạch. Tuy nhiên với mặt nạ nhóm 2 này thì hạn chế lớn nhất là chỉ cho phép sử dụng được một lần. Độ phân giải tương đối cao, kích thước nhỏ nhất có thể định hình được cỡ 10 μm. Với các cảm biến cần chế tạo ở kích thước cỡ vài trăm μm thì sử dụng công nghệ này loại này tương đối phù hợp. 40
Hình 2.5. Dạng mặt nạ của các cảm biến nhóm 2: mặt nạ cho quy trình chế tạo các lớp NiFe làm điện trở (a) và mặt nạ cho quy trình chế tạo lớp điện cực (b) và minh họa cảm biến sau khi hoàn thiện (c). 2.1.1.c. Mặt nạ cảm biến thủy tinh phủ crôm, kích thước micromet (nhóm 3) Mặt nạ nhóm 3 được làm bằng công nghệ quang khắc chùm điện tử (electron beam lithography) sử dụng đế thủy tinh được in phủ lớp crôm lên trên, sản xuất bởi Công ty Microimage (Hàn Quốc). Mặt nạ cảm biến có kích thước micromet, khi chế tạo cảm biến cần quy trình quang khắc trong phòng sạch. Mặt nạ cảm biến nhóm 3 41
gồm 2 loại S3-6-sp, S3-18-sp. Loại S3-6-s là mặt nạ cảm biến tổ hợp nối tiếp 6 thanh điện trở mắc nối tiếp, mỗi thanh có chiều rộng W = 50 μm, chiều dài L = 250 μm. Cũng giống như mặt nạ nhóm 2, với mục đích vừa tăng cường tính dị hướng hình dạng lại vừa giảm điện trở nội của cảm biến, chúng tôi chế tạo mặt nạ S3-18-sp cấu trúc tổ hợp NT-SS, gồm 18 thanh điện trở, mỗi thanh có chiều rộng W = 10 μm, chiều dài L = 250 μm, mắc thành 6 dãy nối tiếp, mỗi dãy gồm 3 thanh điện trở mắc song song. Hình dạng mặt nạ cảm biến nhóm 3 được mô tả như Hình 2.6, bao gồm mặt nạ chế tạo các lớp sắt từ làm điện trở (Hình 2.6a) và mặt nạ cho quy trình chế tạo điện cực (Hình 2.6b), minh họa cảm biến hoàn thiện như Hình 2.6c. Hình ảnh mặt nạ thực tế trên đế thủy tinh như Hình 2.7. Hình 2.6. Dạng mặt nạ của các cảm biến nhóm 3: mặt nạ điện trở (a), mặt nạ điện cực (b) và minh họa cảm biến hoàn thiện (c). Ưu điểm của mặt nạ nhóm 3 so với mặt nạ nhóm 1 và mặt nạ nhóm 2 đã trình bày ở trên là cho phép chế tạo được cảm biến loại nhỏ cỡ vài μm với chất lượng cao, có thể sử dụng được mặt nạ nhiều lần, dễ dàng làm sạch nhờ sử dụng các hóa chất chuyên dụng. Cảm biến có độ sắc nét cao, độ phân giải cao cỡ 1 μm [146], đường biên sắc nét, Khi chế tạo linh kiện với mặt nạ nhóm này cần kết hợp công nghệ phún xạ và quang khắc trong phòng sạch. 42
Nhược điểm của mặt nạ loại này là giá thành mặt nạ tương đối cao, khi thao tác thực hành đòi hỏi thao tác kỹ thuật cao và đặc biệt do không chủ động chế tạo được mặt nạ nên việc thay thế điều chỉnh thiết kế sẽ mất thời gian gia công, phụ thuộc các công nghệ nước ngoài. Hình 2.7. Hình ảnh thực tế mặt nạ của cảm biến nhóm 3 được in trên đế thủy tinh tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano (phần khoanh tròn). 2.1.2. Quang khắc chế tạo cảm biến 2.1.2.a. Thiết bị quang khắc MJB4 Chúng tôi sử dụng hệ quang khắc MJB4 (Suss Microtec, Germany) có sơ đồ nguyên lý như Hình 2.8 để quang khắc, thiết bị có thể chế tạo những linh kiện nhỏ với độ chính xác cao, độ phân giải lớn nhất là 0,5 µm. Hệ thiết bị được đặt trong phòng sạch, khi hoạt động, phòng được duy trì ở nhiệt độ cỡ 27 oC, độ ẩm 40 %. Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị quang khắc MJB4. 43
Các chế độ khi hệ hoạt động, bao gồm: (i) tiếp xúc gần; (ii) tiếp xúc chân không cao; (iii) tiếp xúc chân không thấp. Trong luận án này, chế độ tiếp xúc chân không thấp đã được sử dụng để chế tạo linh kiện. 2.1.2.b. Quy trình quang khắc Đây là bước 2, bước 4 và bước 5 trong sơ đồ Hình 2.1, quy trình chế tạo hoàn chỉnh một linh kiện AMR trong luận án được mô tả trên Hình 2.9. Để hoàn thiện một linh kiện AMR (khi không cần phún lớp bảo vệ) cần 2 lần quang khắc là quang khắc với mặt nạ điện trở và quang khắc với mặt nạ điện cực. Muốn bảo vệ cảm biến sử dụng lâu dài, cần phủ thêm một lớp bảo vệ thì quang khắc thêm một lần thứ 3 với mặt nạ lớp bảo vệ. Bước 1: chuẩn bị đế và làm sạch đế Đế được sử dụng là đế Si/SiO2 thương mại đã được ôxi hóa bề mặt, mỗi tấm có 2 kích thước 10×10 mm và chiều dày đế Si là 1,0 mm, đã được ôxi hóa một lớp SiO2 (có chiều dày 0,5 µm). Đế được làm sạch theo quy trình Bảng 2.3. Hình 2.9. Các bước quang khắc trong luận án [7]. 44
Bước 2: quay phủ chất cản quang Dùng hệ Suss MicroTech (Hình 2.10), lớp chất cản quang được sử dụng là cản quang dương, có chiều dày khoảng 1,5 µm lên bề mặt đế. Mẫu sau quay phủ được sấy khô ở 100C trong 60 giây để lớp cản quang khô và có khả năng bám dính chặt trên bề mặt của đế. Bước 3: quang khắc (chiếu UV) Sử dụng mặt nạ đã chọn để tạo hình dạng linh kiện, khi quang khắc dùng ánh sáng UV chiếu sáng trong thời gian 60 giây, liều chiếu là 19,0 mW.cm-2. Khi đó, phần cản quang bị chiếu sáng, liên kết hóa học sẽ bị phá hủy, còn lại phần cản quang không bị chiếu sáng sẽ không bị phá vỡ hủy. Sau đó đem mẫu được rửa trôi: lắc nhẹ mẫu trong dung dịch developer AZ300MIF với thời gian 40 giây thì phần cản quang bị chiếu sáng bởi tia UV sẽ bị developer rửa trôi, phần còn lại sẽ được giữ nguyên. Sau đó, mẫu được rửa với nước khử iôn và sấy khô bề mặt. Công đoạn tiếp theo là sấy khô bề mặt: thời gian 1 phút, nhiệt độ 100ºC làm cho lớp cản quang hoá rắn và bám chặt trên bề mặt đế với máy sấy khô bề mặt “hot plate”. Công đoạn cuối cùng của bước này là soi kính hiển vi: để kiểm tra lại chất lượng và độ sắc nét của mẫu sau khi tạo hình quang khắc, mẫu được soi qua kính hiển vi độ phân giải cao, giữ lại những mẫu đạt yêu cầu và loại đi những mẫu bị hỏng. Luận án sử dụng kính hiển vi phản xạ quang học AX10 tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội (Hình 2.11). Kết quả của các quá trình quang khắc là tạo ra hình dáng mặt nạ của linh kiện AMR theo mục đích của luận án. Sau khi quang khắc xong, mẫu được phún xạ tạo màng mỏng. Hình 2.10. Mô hình nguyên lý máy quay phủ Suss MicroTech. Bước 4: phún xạ màng mỏng điện trở 45
Lớp màng điện trở được phún theo cấu trúc màng 3 lớp theo thứ tự các lớp Ta/NiFe/Ta sẽ được mô tả trong mục 2.1.3.b. Bước 5: lift – off (rửa trôi) Màng mỏng sau khi phún xạ xong được đưa đi rửa trôi “lift-off” theo các bước làm sạch như Bảng 2.3. Sau khi rửa trôi, ta sẽ thu được cấu trúc các thanh điện trở rời rạc của linh kiện mạch cầu cần chế tạo. Hình 2.11. Kính hiển vi quang học AX10 tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro- Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. Quy trình chế tạo điện cực được lặp lại tương tự như quy trình chế tạo màng mỏng điện trở cảm biến, bao gồm các bước 6, 7, 8, 9 như Hình 2.9. Bước 6 & 7: quay phủ rồi quang khắc điện cực Sau khi phún xạ màng điện trở, mẫu được quang khắc lần 2 theo dạng mặt nạ điện cực tương ứng. Quá trình quang khắc cũng diễn ra như các bước khi quang khắc điện trở. Mặt nạ điện cực được sử dụng có vai trò nối các nhánh điện trở của WB với nhau. Bước 8 & 9: phún xạ lớp màng điện cực Điện cực được phún xạ với vật liệu Cu, phún xạ theo cấu trúc 3 lớp Ta/Cu/Ta sẽ được mô tả trong mục 2.1.3.b. Sau khi phún lớp điện cực xong, đem “lift-off” theo các bước làm sạch như Bảng 2.3, ta được linh kiện WB hoàn chỉnh. Cuối cùng, linh kiện cảm biến được quang khắc thêm một lượt với mặt nạ bảo vệ và được phún xạ một lớp bảo vệ SiO2 trên bề mặt để chống xước và chống ăn mòn, 46