Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường 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. Đỗ Thị Hương Giang 2. 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. 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.

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.

Tổng quan về vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ. Vật liệu sắt từ mềm NiFe. Vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở dị hướng.

Các cảm biến từ trường dựa trên vật liệu sắt từ mềm. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện-từ. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở xuyên hầm.

Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng. Hiện tượng nhiễu trong các cảm biến. So sánh các loại cảm biến từ trường cấu trúc micro-nano.

Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến đo từ trường. Mạch cầu điện trở Wheatstone. Ưu điểm của mạch cầu Wheatstone. Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến từ trường.

Mạch cầu Wheatstone trong thiết kế cảm biến AMR của luận án. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu.

Nội dung nghiên cứu. Kết luận Chương 1. 34 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM. Chế tạo màng mỏng và cảm biến.

Thiết kế và chế tạo mặt nạ cảm biến. Quang khắc chế tạo cảm biến. Phún xạ màng mỏng. Hàn dây cho thiết bị cảm biến.

Đo đạc và khảo sát đặc trưng của cảm biến. Khảo sát cấu trúc và vi cấu trúc. Khảo sát tính chất từ của vật liệu màng mỏng. Khảo sát tính chất từ-điện trở.

Kết luận Chương 2. 61 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÀNG NiFe. Nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc của màng NiFe. Phân tích thành phần bằng phương pháp EDX.

Khảo sát chiều dày màng mỏng bằng hiển vi điện tử FE-SEM. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X. Nghiên cứu tính chất từ của màng mỏng NiFe. Sự phụ thuộc vào từ trường ghim (Hpinned).

Sự phụ thuộc vào hình dạng. Sự phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng (L/W). Sự phụ thuộc vào chiều dày. Tính chất từ-điện trở trên màng mỏng NiFe.

Sự phụ thuộc vào từ trường ghim (Hpinned). Sự phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng (L/W). Sự phụ thuộc vào chiều dày. 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. Tính toán, mô phỏng tối ưu cấu hình thiết kế cảm biến. Tối ưu thiết kế tỉ số dị hướng hình dạng thanh điện trở. Tối ưu cách ghép đa thanh điện trở của mỗi nhánh cầu.

Chế tạo cảm biến với cấu trúc tối ưu. Cảm biến kích thước milimet (nhóm 1). Cảm biến kích thước micro-milimet (nhóm 2). Cảm biến kích thước micromet (nhóm 3).

Khảo sát tín hiệu điện áp và độ nhạy trên cảm biến cầu Wheatstone. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ số dị hướng hình dạng lên tín hiệu điện áp và độ nhạy cảm biến. 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. 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.

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. Cảm biến đo hướng từ trường của Trái đất. Lựa chọn cảm biến.

Thực nghiệm và kết quả. Cảm biến sinh học. Cảm biến phát hiện hạt từ tính nano. Cảm biến phát hiện phần tử sinh học.

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.

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]. 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. Dải làm việc của các loại cảm biến từ [17, 120]. Tên các mặt nạ ứng với tên các cảm biến và diễn giải cách ghép tương ứng được nghiên cứu trong luận án.

Một số thông số kỹ thuật của máy khắc laser fiber. Các bước làm sạch đế Si/SiO2. Các thông số được dùng khi phún xạ các lớp màng Ta, NiFe, Cu, SiO2. Các thông số của mối hàn dây nhôm được lựa chọn khi hàn điện cực cảm biến nghiên cứu trong luận án.

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. Các giá trị tỉ số AMR trên màng với kích thước khác nhau. Giá trị R, I, ΔV và SH tương ứng với các cảm biến nhóm 1 có thông số khác nhau. 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].

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. 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]. Mô phỏng hướng của véctơ 𝑀 và véctơ 𝐻𝑑 của mẫu bị từ hoá.

Trường khử từ bên trong mẫu hình chữ nhật được từ hoá theo phương mặt phẳng (a) và vuông góc với mặt phẳng (b). Đường cong từ trễ theo mô hình Stonner – Wohlfarth đối với trục khó từ hóa (a) và trục dễ từ hóa (b) [99]. Hình minh họa trật tự từ trong màng mỏng NiFe với các trật tự từ trong vùng không gian của lõi và bề mặt. 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.

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). Minh họa cấu trúc vật liệu có hiệu ứng TMR (a) và cảm biến TMR tương ứng (b) [15]. Minh họa hiệu ứng Hall phẳng trong cấu trúc màng mỏng. Minh họa cảm biến Hall phẳng dạng chữ thập [97].

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]. Mô tả điện trở suất của màng mỏng sắt từ đáp ứng từ trường ngoài. Minh họa các thông số xác định hiệu ứng AMR (a) và sự thay đổi điện trở theo góc θ (b) [102].