Khóa luận Hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến dạng cầu wheatstone cấu trúc hỗn hợp nối tiếp - Song song

ủa mẫu, đƣợc giáo sƣ William Thomson, Đại học Glasgow (Scotland, Vƣơng quốc Anh) phát hiện vào năm 1856. William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là Ni, Fe dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài của một nam châm điện có thể đạt tới 3-5% ở nhiệt độ phòng [8,7]. Kể từ khi phát hiện, ngƣời ta đã tìm cách nâng cao hiệu ứng và ứng dụng nó vào trong thực tiễn cuộc sống. Các cảm biến dựa trên hiệu ứng AMR đã đƣợc nghiên cứu nhƣ cảm biến AMR dạng vòng đƣợc công bố bởi Miller vào năm 2002 sử dụng để dò tìm các hạt từ [12]. Cảm biến AMR dạng mạch cầu Wheatstone đƣợc công bố bởi M. J. Haji-Sheikh vào năm 2007 [9, 10]. Một trong những ƣu điểm quan trọng nhất của mạch cầu Wheatstone là tính ổn định nhiệt độ và chế tạo đơn giản. Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của Giáo sƣ Nguyễn Hữu Đức đã bƣớc đầu thành công trong việc chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone có cấu trúc đơn giản dựa trên hiệu ứng AMR và ứng dụng trong việc phát hiện từ trƣờng của trái đất, từ trƣờng hạt từ, ứng dụng phát hiện phần tử sinh học. Với mục đích tăng cƣờng hớn tín hiệu cảm biến đồng thời không làm tăng nhiều giá trị điện trở nội của cảm biến, chúng tôi thiết kế cảm biến cấu trúc mà mỗi nhánh cầu gồm tổ hợp nhiều thanh điện trở mắc nối tiếp – song song. Do đó, tên đề tài khóa luận đƣợc nghiên cứu là: “Hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến dạng cầu Wheatstone cấu trúc hỗn hợp nối tiếp- song song.” 2. Mục tiêu khóa luận - Chế tạo cảm biến dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ - điện trở 2 dị hƣớng AMR có cấu trúc mỗi nhánh điện trở dạng nối tiếp – song song, kích thƣớc 0,15 x 4 mm, bề dày màng NiFe 5 nm. - Khảo sát các tính chất từ và từ điện trở của cảm biến 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm - Chế tạo cảm biến với vật liệu Ni80Fe20 - Khảo sát tính chất của cảm biến đã chế tạo 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Một số loại hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance – MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn dƣới tác động của từ trƣờng, đƣợc xác định bằng công thức: (1.1) 1.1.1. Hiệu ứng từ trở khổng lồ Hiệu ứng từ-điện trở (MagnetoResistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trƣờng ngoài và đƣợc xác định thông qua công thức (1.1). Hiệu ứng thƣờng xuất hiện trong một vật liệu sắt từ dƣới tác dụng của từ trƣờng. Nguồn gốc của MR từ sự kết cặp spin-quỹ đạo giữa các điện tử và các mô-men từ của các nguyên tử mạng. Hình 1.1: (a) Trạng thái điện trở cao và (b) Trạng thái điện trở thấp của linh kiện GMR Hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magneto resistance – GMR) là hiệu ứng từ điện trở đƣợc phát hiện vào năm 1988 bởi Baibich và các đồng nghiệp. Hiệu 𝑀𝑅 = ∆𝜌 𝜌 = 𝜌 0 − 𝜌 𝐻 𝜌 0 = 𝑅 0 −𝑅 𝐻 𝑅 0 4 ứng từ điện trở khổng lồ thƣờng đƣợc quan sát thấy trên màng tổ hợp của các lớp kim loại sắt từ và các lớp kim loại không từ tính xen kẽ. Hiệu ứng này đƣợc biểu hiện dƣới dạng điện trở của mẫu giảm cực mạnh từ trạng thái điện trở cao khi không có từ trƣờng ngoài tác dụng sang trạng thái điện trở thấp khi có từ trƣờng ngoài tác dụng. 1.1.2. Hiệu ứng Hall phẳng Hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall effect - PHE) cũng tƣơng tự nhƣ hiệu ứng AMR đó là Hiệu điện thế lối ra phụ thuộc vào góc giữa từ độ và dòng qua linh kiện. Dựa vào sự tán xạ của điện tử theo phƣơng từ độ của lớp sắt từ, khi cho dòng điện I chạy qua linh kiện theo hƣớng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hƣớng của từ độ M tạo ra điện trƣờng E theo hƣớng của từ độ M. Điện trƣờng E này tạo ra hiệu điện thế V theo hƣớng y vuông góc với dòng điện (hình 1.2). Hình 1.2: Mô hình hiệu ứng Hall phẳng Dƣới tác dụng của dòng Ix đặt theo phƣơng x, nếu từ trƣờng ngoài H hợp với dòng điện Ix một góc θ thì véctơ từ độ của mẫu M nằm trong mặt phẳng của linh kiện sẽ lệch một góc θ so với phƣơng của dòng điện Ix, khi đó sẽ có thế ra Vy xuất hiện theo phƣơng vuông góc với dòng điện Ix. Vy = Ix Rsinθcosθ (1.2) Với R = (// - )/t, // và  lần lƣợt là điện trở suất của mẫu đo theo phƣơng song song và vuông góc với phƣơng từ hóa, t là chiều dày tổng cộng 5 của màng. Để nghiên cứu về hiệu ứng Hall phẳng trong các linh kiện Hall, ngƣời ta thƣờng sử dụng mô hình Stonner Wohlfarth. Vật liệu sử dụng cho hiệu ứng Hall phẳng là vật liệu permalloy. 1.1.3. Hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng AMR Hiệu ứng từ điện trở (Anisotropic magnetoresistance - AMR) đƣợc giáo sƣ William Thomson, Đại học Glasgow (Scotland, Vƣơng quốc Anh) phát hiện vào năm 1856. William Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là Ni, Fe dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài của một nam châm điện có thể đạt tới 3-5% ở nhiệt độ phòng. Hiệu ứng AMR là sự thay đổi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào góc tƣơng đối giữa cƣờng độ dòng điện và từ trƣờng ngoài hay chiều của độ từ hóa của mẫu, phát hiện đầu tiên này bởi J. Smit vào năm 1951. Lý thuyết về hiệu ứng AMR lần đầu tiên đƣợc giải thích vào năm 1971 bởi mô hình tán xạ điện tử trên các điện tử dẫn của G. T. Meaden. Nguồn gốc vật lý của hiệu ứng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo. Các đám mây điện tử bao quanh mỗi hạt nhân, đám mây này thay đổi hình dạng phụ thuộc vào định hƣớng của momen từ và sự biến dạng của các đám mây điện tử làm thay đổi lƣợng tán xạ của điện tử dẫn khi nó đi qua mạng tinh thể. Ta có thể giải thích sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn vào định hƣớng của momen từ với chiều dòng điện nhƣ sau: Nếu từ trƣờng đƣợc định hƣớng vuông góc với chiều của dòng điện thì khi đó quỹ đạo chuyển động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện và nhƣ vậy chỉ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ của điện tử, dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ. Ngƣợc lại, khi từ trƣờng áp vào song song với chiều dòng điện, và mặt cắt đối với tán xạ điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao (xem hình 1.3). 6 Hình 1.3: Nguồn gốc vật lý của AMR Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hƣớng thƣờng đƣợc chế tạo dƣới dạng màng mỏng sao cho trên màng tồn tại hai phƣơng từ hóa: phƣơng dễ và phƣơng khó. Phƣơng dễ từ hoá là phƣơng mà sự từ hoá đạt đến trạng thái bão hoà dễ dàng nhất (bão hoà ở từ trƣờng thấp). Phƣơng khó từ hóa là phƣơng mà sự từ hóa khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (bão hoà ở từ trƣờng cao) [1]. Hình 1.4: Sự thay đổi của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hƣớng AMR trong các màng mỏng bằng vật liệu sắt từ rất phức tạp. Để đơn giản, đầu tiên ta giả định rằng, vector từ hóa trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hòa ⃗⃗⃗⃗ ⃗, khi có sự tác động của từ trƣờng ngoài sẽ làm thay đổi hƣớng của vector từ hóa này. Ngoài ra, ta có thể xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh đơn giản, đó là mối quan hệ giữa điện trở và hƣớng của vector từ độ (vector từ hóa) và mối quan hệ giữa hƣớng của vector từ độ và từ trƣờng ngoài. 7 . Hình 1.5: (a) Minh họa hiệu ứng AMR phụ thuộc vào các thông số màng và (b) Mô tả điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vector từ hoá Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua góc – góc giữa chiều dòng điện và vector từ độ (1.3) Trong đó: + và là hằng số của vật liệu + là độ dài của màng mỏng + b là độ rộng của màng mỏng + d là độ dày của màng mỏng   )2cos( 22 1)2cos( 2 coscos)( ,0,0 2 ,0,0   RR R R R RR bd l bd l R pp pn        n,0  l 8 + là điện trở khi vector từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa + là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trƣờng ngoài Từ (1.3) ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của và nhƣ hình 1.5. 1.2. Nhiễu cảm biến Tín hiệu lối ra của cảm biến luôn bị tác động bởi các nhân tố của môi trƣờng bên ngoài nhƣ nhiệt độ, tần số..., những ảnh hƣởng này gọi chung là nhiễu. Nhiễu là sự thay đổi ngẫu nhiên tín hiệu lối ra của cảm biến khi giá trị đo bằng 0. Một thông số quan trọng để đánh giá các cảm biến là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (signal/noise). Việc đánh giá nhiễu dựa trên 3 loại chủ yếu là nhiễu tần số 1/f, nhiễu nhiệt và nhiễu lƣợng tử, đƣợc xác định bởi[9]: (1.4) Với ΔVy là biên độ nhiễu, Δf là dải thông tần số, nc là số hạt tải mang điện, f tần số đo, kB là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của mẫu, L là chiều dài của mẫu, e là điện tích cơ bản. Ở vùng tần số thấp (f <300Hz), nhiễu chủ yếu là nhiễu tần số 1/f, ở tần số cao (trên 1kHz) nhiễu chủ yếu là nhiễu nhiệt. 1.2.1. Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt là thành phần nhiễu sinh ra do các thành phần điện trở. Trong dải tần số Δf, độ lớn của nhiễu nhiệt đƣợc tính theo công thức (1.5): (1.5) Trong đó: + T là nhiệt độ tuyệt đối (K) + RDC là điện trở của cảm biến (trong dòng DC ) pR ,0 R 9 + Δf dải tần số của phép đo + kB là hằng số Boltzmann Nhiễu nhiệt có trong tất cả các loại cảm biến (còn gọi là nhiễu Johnson), phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của điện trở. Trong một vài trƣờng hợp, nó thể hiện dƣới dạng nhiễu dòng nguồn phát của cƣờng độ: It 2 = 4kBT Δf /R (1.6) 1.2.2. Nhiễu 1/f Nhiễu 1/f gây ra bởi sự dao động độ dẫn do sự tiếp xúc không hoàn hảo giữa 2 lớp vật liệu. Nó xảy ra ở bất kì chỗ nào khi 2 vật tiếp xúc với nhau. Nhiễu 1/f tỷ lệ thuận với giá trị dòng 1 chiều. Mật độ năng lƣợng biến thiên tỷ lệ nghịch với tần số 1/f. Dòng nhiễu If trên căn bậc 2 của dải thông có đƣợc thể hiện nhƣ sau: (1.7) Với IDC là giá trị trung bình của dòng DC, f là tần số, K là hằng số phụ thuộc vào loại vật liệu và hình dạng của nó, B là dải thông tần số[12]. 1.2.3. Nhiễu Barkhausen Nhiễu Barkhausen bắt nguồn từ các hiệu ứng Barkhausen. Nhiễu Barkhausen là hiện tƣợng điện tích biến đổi không liên tục trong mật độ từ thông ở các vật liệu sắt từ khi từ trƣờng thay đổi liên tục. Nguồn phát Barkhausen bị ảnh hƣởng lớn bởi sự thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu từ và ứng suất. Gần đây, nhiễu Barkhausen đƣợc biết đến nhƣ hiệu ứng phụ thuộc vào điện thế bên trong bởi các vách domain từ khi chúng di chuyển qua vật liệu[11]. Từ công thức (1.5), ta thấy, nếu điện trở của cảm biến cực đại thì nhiễu đạt cực đại. Ở tần số thấp, nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu 1/f (do từ trƣờng gây ra nhiễu từ) đƣợc biểu diễn bởi công thức: If sqrt(B) ≈ K×IDC sqrt(f) 10 V21/f = (γ/Nc) R 2I2(1/f) ∆f (1.8) Trong đó γ là hằng số hiện tƣợng thuận từ (hằng số Hooge), Nc là số hạt tải gây nhiễu trong cảm biến, I là dòng điện qua cảm biến và f là tần số đo. Để đạt đƣợc tỷ số SNR lớn nhất có thể, cảm biến phải hoạt động phía trên 1/f trong chế độ nhiễu nhiệt, thƣờng xảy ra ở tần số vài trăm kHz đối với van - spin, nhƣng trên 100 MHz đối với tiếp xúc xuyên ngầm. Các phép đo ở tần số cao về mặt cơ bản có thể đƣợc sử dụng để nhận biết hạt từ có kích thƣớc nhỏ đƣợc gắn vào từng đơn phân tử sinh học, cung cấp độ nhạy sinh học cực đại cho cảm biến. 1.3. Mạch cầu điện trở Wheatstone Mạch cầu điện trở Wheatstone đƣợc mô tả lần đầu vào năm 1833 bởi Samuel Hunter Christie (1784-1865). Tuy nhiên sau đó Sir Charles Wheatstone đã đƣa mạch này vào ứng dụng trong thực tế nên mạch này có tên là mạch cầu Wheatstone. Cho đến ngày nay, sử dụng mạch cầu Wheatstone vẫn là phƣơng pháp hiệu nghiệm chính xác khi đo lƣờng giá trị thay đổi của trở kháng [6]. Hình 1.6: (a) Mạch cầu Wheatstone (b) Mạch cầu Wheatstone dưới tác dụng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng. Cấu trúc một mạch cầu Wheatstone cơ bản gồm có bốn điện trở R1, R2, R3, R4 đƣợc mắc song song với nhau. Một điện kế G có độ nhạy cao đƣợc dùng để đo thế ra của mạch. Giả sử ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch, khi đó ta có: 11 (1.9) Từ biểu thức (1.9), khi cung cấp một hiệu điện thế khác không vào mạch, nếu R1/R2 = R4/R3 (R1.R3 = R2.R4) thì số chỉ điện kế G bằng 0, mạch cầu cân bằng. Nếu một điện trở bất kì trong mạch cầu điện trở thay đổi thì R1/R2  R4/R3 (R1.R3  R2.R4), do đó số chỉ điện kế G khác 0, mạch cầu không cân bằng. Một đặc điểm nổi bật và quan trọng của mạch cầu Wheatstone đó là có thể đo đƣợc sự thay đổi của trở kháng với sự thay đổi điện trở không quá 10% và có thể tự bù trừ đƣợc nhiệt độ [5]: Vg = Vin/4 (ΔR1/ R1 - ΔR2/R2 + ΔR3/R3 - ΔR4/ R4) (1.10) Từ công thức ta thấy sự thay đổi điện trở của hai nhánh liền kề trong mạch cầu tự triệt tiêu nhau nên mạch cầu có thể dùng làm mạch ổn định nhiệt độ và chế tạo các thiết kế đặc biệt khác [5]. Mạch cầu Wheatstone đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong các mạch điện tử nhƣ: dùng để đo trở kháng, điện cảm, điện dung trong mạch AC. Trong một số bộ điều khiển động cơ, mạch cầu Heaviside (một dạng khác của mạch cầu Wheatstone) đƣợc sử dụng để điều khiển hƣớng quay của động cơ [4]. Một ứng dụng rất phổ biến trong ngành công nghiệp là để giám sát các thiết bị cảm biến, chẳng hạn nhƣ đồng hồ đo 12 dòng. Ngoài ra, mạch cầu còn đƣợc ứng dụng để xác định chính xác vị trí phá vỡ một đƣờng dây điện. Phƣơng pháp này nhanh và chính xác, không đòi hỏi công nghệ hỗ trợ cao [6]. Với ƣu điểm nổi trội là khả năng tự bù trừ nhiệt, chúng tôi đã chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm tối đa ảnh hƣởng của môi trƣờng, đặc biệt là nhiễu nhiệt, do đó tỉ số tín hiệu/nhiễu (signal/noise) sẽ lớn. Trong thiết kế cảm biến dạng cầu Wheatstone, chúng tôi chọn giá trị bốn điện trở bằng nhau R1 = R2 = R3 = R4. Chúng tôi chọn Ni80Fe20 làm vật liệu chế tạo các điện trở vì Ni80Fe20 là một vật liệu từ mềm (HC ˂ 10 Oe), rất thích hợp để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trƣờng nhỏ. Cảm biến mạch cầu Wheatstone đƣợc tạo ra bằng công nghệ quang khắc và phún xạ. Vì các điện trở trong mạch cầu làm từ vật liệu từ NiFe nên khi đặt cảm biến trong từ trƣờng, trở kháng của các điện trở sẽ thay đổi không giống nhau do phƣơng từ hóa của các điện trở trong mạch đƣợc chế tạo khác nhau. Vì vậy, khi chƣa tác dụng từ trƣờng thì mạch cầu cân bằng, nhƣng khi chịu tác dụng của từ trƣờng thì mạch cầu không còn cân bằng nữa. Khi đó ta sẽ đo đƣợc tín hiệu lối ra của cảm biến. 1.4. Kết luận chƣơng 1 Trong chƣơng 1, chúng tôi đã trình bày các hiệu ứng từ điện trở, các loại nhiễu cảm biến và cảm biến dạng cầu Wheatstone. Ở chƣơng này, chúng tôi đã nghiên cứu lý thuyết của hiệu ứng từ điện trở và chọn hiệu ứng này làm cơ sở chế tạo cảm biến. Qua nghiên cứu về một số loại nhiễu thì cảm biến nào cũng bị ảnh hƣởng bởi nhiễu nhiệt, do đó chúng tôi đã lựa chọn mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cảm biến để giảm nhiễu nhiệt. 13 CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Thiết bị quay phủ Khi thực hiện quá trình quay phủ chất cản quang, chúng tôi sử dụng thiết bị quay phủ Suss MicroTec. Chất cản quang đƣợc sử dụng là AZ5214- E. Hình 2.1: Thiết bị quay phủ Suss MicroTec và bảng điều khiển Thiết bị quay phủ gồm 3 bộ phận chính: buồng quay phủ, bơm hút chân không và bảng điều khiển. Trong buồng quay phủ có một trục quay thẳng đứng, trên đầu trục là một lỗ nhỏ dùng để hút chân không giữ mẫu. Buồng có nắp đậy ở trên để ngăn chặn bụi rơi vào mẫu khi quay phủ và giữ an toàn cho ngƣời sử dụng khi mẫu đƣợc quay với tốc độ cao. Hệ thống chống rung giúp máy vận hành êm, giảm thiểu hạt sinh ra trong quá trình quay phủ. Bảng điều khiển cho ta tùy chỉnh các thông số: STEP: Số bƣớc trong một chu trình quay phủ (v/p) RPM: Tốc độ quay phủ trong mỗi bƣớc : Số lần gia tốc trong mỗi bƣớc TIME: Thời gian thực hiện mỗi bƣớc (s) 14 Bơm hút chân không có tác dụng hút chân để giữ mẫu khỏi bị văng ra ngoài khi quay phủ thông qua một lỗ nhỏ. 2.2. Hệ quang khắc Khi chế tạo cảm biến chúng tôi sử dụng máy quang khắc MJB4 (Suss microtech). MJB4 có thể tạo ra những vi linh kiện có độ chính xác cao. Máy đƣợc trang bị cấu hình quang học cao, có thể thực hiện quang khắc với nhiều bƣớc sóng khác nhau. Cƣờng độ chiếu cực đại khoảng 80 mw/cm2, độ phân giải tối đa là 0,5 µm. Hình 2.2: Thiết bị quang khắc MJB4 Các chế độ làm việc của Hệ quang khắc MJB4: - Tiếp xúc xa (Soft Contact): Chế độ tiếp xúc xa có thể đạt đƣợc độ phân giải 2,0 µm. Độ phân giải cuối cùng phụ thuộc chủ yếu vào quy trình kỹ thuật nhƣ phạm vi quang phổ, khoảng cách giữa mặt nạ và tấm nền - Tiếp xúc gần (Hard Contact): Ở chế độ này, khoảng cách giữa mẫu và mặt nạ đƣợc rút ngắn hơn nhờ một hệ thống đẩy bằng khí nitơ ở dƣới mẫu. Độ phân giải có thể đạt đƣợc đến 1µm. - Tiếp xúc chân không (Vacuum Contact): Chế độ này giúp đạt đƣợc độ phân giải cao hơn tiếp xúc xa và gần vì khoảng cách giữa mặt nạ và mẫu tiếp tục đƣợc giảm. Để đạt đƣợc độ phân giải cao nhất thì độ dày lớp cảm quang 15 phủ trên mẫu cũng cần đƣợc tối ƣu hóa. - Tiếp xúc chân không thấp (Low Vacuum Contact): Đối với các mẫu dễ vỡ ta có thể quang khắc bằng chế độ chân không thấp. Tiếp xúc chân không thấp giúp giảm tác động đến mẫu hơn tiếp xúc chân không thƣờng, đồng thời cho độ phân giải cao hơn tiếp xúc xa và gần Độ phân giải phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ kích cỡ tấm nền, độ phẳng, chất lƣợng của màng cảm quang phủ trên đế, điều kiện phòng sạch,... 2.3. Buồng xử lý mẫu và rung siêu âm Các thao tác làm sạch, sấy khô, tráng rửa mẫu đều đƣợc thực hiện trong buồng xử lý mẫu và máy rung riêu âm. Buồng xử lý mẫu bao gồm bếp nung, súng xì khô, các hóa chất tẩy rửa nhƣ cồn, axeton, nƣớc DI, dung dịch developer AZ300MIF. Đế silic đƣợc làm sạch bằngAxeton và máy rung siêu âm (hình 2.3b) trƣớc khi chế tạo cảm biến và làm bong phần màng có phủ photoresist. Cồn có tác dụng làm rửa trôi axeton còn dính trên đế. Nƣớc DI làm sạch lƣợng cồn bám trên đế silic. Dung dịch developer có tác dụng làm cho phần cần tạo quang khắc hiện hình trên lớp cản quang. (a) (b) Hình 2.3: (a) Buồng xử lý mẫu và (b) Thiết bị rung siêu âm Bếp nung (hotplate) dùng để sấy khô mẫu ở các nhiệt độ khác nhau và đóng rắn lớp cản quang trƣớc và sau khi quang khắc. Các thông số có thể tùy chỉnh gồm nhiệt độ cần đặt, tốc độ gia nhiệt. Yêu cầu đối với hotplate trong 16 quá trình nung mẫu là nhiệt độ luôn luôn phải giữ ổn định cho phép sai số ± 1 0 C trong quá trình nung mẫu đã phủ màng cản quang [4]. 2.4. Thiết bị phún xạ Quá trình phún xạ các lớp màng vật liệu đƣợc thực hiện nhờ vào thiết bị phún xạ catot ATC – 2000FC. Cấu tạo của thiết bị phún xạ bao gồm các bộ phận chính là: Buồng phún xạ (main chamber), buồng đệm (load lock), bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không. Thiết bị này còn đƣợc ghép nối với hệ thống máy tính để điều khiển các thông số trong quá trình lắng đọng tạo màng. Hình 2.4: Thiết bi phún xạ catot ATC – 2000FC Hệ thống bơm chân không gồm hai bơm chân không kết nối với nhau là bơm Turbo phân tử và bơm cơ học thông qua các valve. Các valve này có thể đóng mở tự động nhờ vào việc điều khiển các dòng khí nén. Bơm Turbo có thể tạo chân không cao 10-8 đến 10-9 Torr, tốc độ đạt đƣợc chân không nhanh và không làm nhiễm bẩn buồng chân không do không dùng cơ chế đốt nóng bằng dầu nhƣ bơm khuếch tán. Hệ thống phún xạ catot có hai buồng chân không đƣợc kết nối với nhau thông qua một vách ngăn là buồng chính và buồng phụ. Mẫu đƣợc đƣa vào buồng phụ trƣớc, sau đó mới đƣa vào buồng chính. 17 Bia là các tấm vật liệu (Cu, Fe, Ta, FePt, IrMn, FeCo, NiFe) hình tròn dày 3 mm đƣờng kính 2 inch. Mỗi bia đƣợc đặt trên một nguồn phún xạ, các bia vật liệu từ đƣợc đặt trên các nguồn RF, còn các bia vật liệu phi từ đƣợc đặt trên các nguồn DC. 2.5. Kính hiển vi quang học Kính hiểu vi quang học dùng để quan sát các vật thể có kích thƣớc nhỏ mà mắt thƣờng không thể quan sát đƣợc bằng cách tạo ra hình ảnh phóng đại của vật thể đó. Về nguyên lý, kính hiển vi quang học có thể tạo độ phóng đại lớn tới vài ngàn lần, nhƣng độ phân giải của các kính hiển vi quang học truyền thống bị giới hạn bởi hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng và cho bởi: (2.1) Trong đó: λ là bƣớc sóng ánh sáng, NA là thông số khẩu độ. Trong khóa luận này, chúng tôi dùng kính hiển vi quang học M1 (carl Zeiss) với độ phóng đại tối đa là 1000 lần đƣợc đặt trong phòng sạch tại phòng thí nghiệm micro – nano của trƣờng Đại học Công nghệ. Sau khi quang khắc và tráng rửa mẫu, kính hiển vi là phƣơng tiện hữu hiệu để kiểm tra và đánh giá mức độ thành công của quá trình quang khắc. 2.6. Quy trình chế tạo cảm biến Trong mạch cầu sẽ có bốn điện trở giống nhau. Các điện trở trên cảm biến có dạng thanh hình chữ nhật mắc nối tiếp-song song, có kích thƣớc là 0,15 × 4 mm và bề dày lớp màng NiFe là 5 nm.Chúng tôi lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là Ni80Fe20 - một loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ 2 Oe ÷ 5 Oe), rất thích hợp để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trƣờng nhỏ. Để nối các thanh trở trong một điện trở và để nối các điện trở với nhau, chúng tôi chọn vật liệu dẫn điện tốt là Cu. Quy trình 2 d NA   18 chế tạo cảm biến trải qua hai giai đoạn là chế tạo điện trở và chế tạo các điện cực, bao gồm 9 bƣớc chính đƣợc minh họa trên hình 2.5. Hình 2.5: Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến Toàn bộ quy trình chế tạo cảm biến đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm micro - nano của trƣờng đại học Công nghệ. 2.6.1. Quá trình quang khắc điện trở Bước 1: Làm sạch bề mặt mẫu Đế đƣợc dùng để chế tạo cảm biến là đế Si, một mặt đƣợc oxi hóa thành lớp SiO2 (có chiều dày khoảng từ 500 nm đến 1000 nm) để cách điện giữa đế với màng trên đế. Trên đế Si có nhiều chất bẩn và chất hữu cơ nên ta phải làm sạch đế để không ảnh hƣởng tới chất lƣợng của màng. - Cho đế vào dung dịch axeton, rung siêu âm trong 10 phút để loại bỏ hết chất chất bẩn và chất hữu cơ trên đế. (1) Làm sạch đế Si/Si02 (2) Phủ chất cản quang (4) Phủ màng NiFe (5) Lift – off (6) Phủ chất cản quang (7) Quang khắc (UV) (8) Phủ điện cực Cu (9) Lift – off (3) Quang khắc (UV) 19 - Sau khi rung siêu âm, cho đế vào dung dịch cồn, lắc đều để loại bỏ hết axeton còn bám trên đế. - Cho đế vào nƣớc DI để rửa sạch cồn bám dính. - Xì khô bằng khí khí khô, cho lên bếp nung ở 1000 trong thời gian 5 phút để bốc bay hết hơi nƣớc còn trên bề mặt đế. Bước 2: Quay phủ mẫu với chất cản quang AZ5214-E - Các mẫu đƣợc phủ lớp cản quang bằng cách cho các mẫu quay trên thiết bị quay phủ (spin coater) Suss MicroTec. - Chất cản quang sử dụng là AZ5214-E (AZ5214-E là một chất cản quang đặc biệt, nó có thể đƣợc sử dụng cho cả quá trình quang khắc dƣơng và âm). Quá trình quay phủ gồm 2 bƣớc với các thông số cho trong bảng 2.1. Độ dày của chất cản quang đƣợc tính theo công thức (2.2) √ (2.2) Với tốc độ quay phủ cho trong bảng 2.1 thì chiều dày của chất cản quang sau khi nung khoảng 3,6 µm. Bảng 2.1: Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E Bước Tốc độ quay phủ (v/p) Thời gian gia tốc (s) Thời gian quay phủ (s) 0 600 6 6 1 3500 6 30 Bước 3: Sấy sơ bộ (soft bake hay pre-bake) Các mẫu đƣợc sấy ở 800C trong khoảng 15s. Mục đích sấy sơ bộ để loại bỏ hơi dung môi còn trong chất cản quang sau khi quay phủ lên đế. Bước 4: Chiếu tia UV Trong quá trình quang khắc, chúng tôi đặt máy quang khắc với các 20 thông số: cƣờng độ chiếu sáng 2,4 mW/cm2, công suất chiếu sáng 195 W. Các mẫu sau khi sấy sẽ đƣợc chiếu tia UV trong khoảng 90 s với mask sử dụng là mặt nạ dành cho chế tạo mạch cầu Wheatstone hình 2.6. Hình 2.6: Ảnh chụp mask điện trở của mạch cầu Wheatstone cấu trúc nội tiếp – song song Bước 5: Tráng rửa Cho mẫu vào dung dịch developer AZ300MIF để tráng rửa hiện hình. Lắc đều mẫu trong khoảng 40 s đến khi phần cản quang phủ trên các điện trở cần tạo hình bị rửa trôi hết. Cho vào nƣớc DI khuấy cho trôi hết developer trên bề mặt mẫu. Quan sát mẫu dƣới kính hiển vi, nếu thấy trên đế xuất hiện các điện trở mạch cầu Wheatstone, chứng tỏ quá trình quang khắc đã thành công. Bước 6: Quá trình phún xạ Sau khi tạo hình cho các điện trở mạch cầu Wheatstone, mẫu đƣợc đem đi phún xạ lớp vật liệu nhạy từ trƣờng NiFe. Mẫu đƣợc phún trong từ trƣờng ghim 900 Oe, cấu màng dạng: Ta/ Ni80Fe20/Ta. Mục đích của việc phún lớp Ta là để cho lớp Ni80Fe20 bám chắc vào đế và tăng cƣờng dị hƣớng cho lớp Ni80Fe20 và làm nhiệm vụ bảo vệ cho lớp NiFe. Các thông số của quá trình phún đƣợc cho trong bảng 2.2. Khi đã phún xong, chúng tôi tiến hành lift-off nhƣ bƣớc 1. Phần màng phún trên chất cản quang sẽ bị trôi hết trong quá trình rung siêu âm, chỉ còn lại phần màng điện trở NiFe trên đế Si. 21 Bảng 2.2: Thông số phún xạ màng điện trở Màng Chân không cơ sở Pbase (mTorr) Áp suất khí Ar (mTorr) Công suất phún (W) Vận tốc quay của đế (prm) Chiều dày màng (nm) Ta 2*10 -7 2,2 25 30 5 NiFe 2,2 75 30 5 2.6.2. Quá trình chế tạo điện cực Điện cực bằng đồng để nối các điện trở với n