Khóa luận Khảo sát hiệu ứng từ - Điện trên vật liệu tổ hợp từ giảo / áp điện

từ) mà trong mỗi đômen này các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau tạo thành từ độ tự phát của vật liệu (có nghĩa là 8 độ từ hoá tồn tại ngay cả khi không có từ trƣờng). Nếu không có từ trƣờng, do năng lƣợng nhiệt làm cho các mômen từ các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hoá của toàn khối vẫn bằng 0. Nếu ta đặt từ trƣờng ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tƣợng xảy ra nhƣ sau: - Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phƣơng từ trƣờng. - Sự quay của các đômen từ theo hƣớng từ trƣờng. Khi tăng dần từ trƣờng đến mức đủ lớn ta có hiện tƣợng bão hoà từ, lúc đó tất cả các mômen từ sẽ sắp xếp song song với nhau theo chiều của từ trƣờng tác dụng và trong vật liệu chỉ có một đomen duy nhất. Nếu ta ngắt từ trƣờng, các mômen từ lại có xu hƣớng trở về với hƣớng ban đầu và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên các đômen này vẫn còn tƣơng tác với nhau do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0 gọi là độ từ dƣ (remanent magnetiration). Điều này tạo thành hiện tƣợng trễ của vật liệu. Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trƣờng ngƣợc sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực kháng từ (coercivity hay coercivity field). Đƣờng cong từ hoá (sự phụ thuộc của từ độ vào từ tƣờng ngoài) của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó có đƣờng cong phi tuyến tính (chất thuận từ là đƣờng cong tuyến tính) và đạt tới bão hoà khi đƣờng cong đủ lớn. Đƣờng cong từ trễ là đặc trƣng quan trọng nhất của vật liệu sắt từ. Về cơ bản đƣờng cong từ trễ của các vật liệu sắt từ có dạng nhƣ hình 1.4. Khi tất cả các đômen trong vật liệu quay theo hƣớng từ trƣờng ngoài thì vật liệu đạt trạng thái từ hóa bão hòa và từ độ bão hòa đƣợc ký hiệu là MS. Khi vật liệu bị từ hóa và từ trƣờng giảm về không thì vật liệu vẫn còn tồn tại một giá trị từ độ gọi là từ dƣ Mr. Giá trị Mr/MS còn thể hiện thông tin về tính 9 chất dị hƣớng từ tinh thể của vật liệu. Muốn khử từ hoàn toàn vật liệu thì cần phải tác dụng một từ trƣờng ngƣợc chiều từ trƣờng ban đầu và có giá trị Hc và đƣợc gọi là lực kháng từ. Giá trị của lực kháng từ cho biết thông tin về tính chất từ của vật liệu (từ cứng hay từ mềm) và cấu trúc từ của vật liệu. Hình 1.4. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ. Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế ngƣời ta phân biệt vật liệu từ thành vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm, vật liệu ghi từ. Chúng khác biệt nhau ở khả năng tồn giữ từ tính sau khi đƣợc từ hoá. Trong các vật liệu từ cứng thì từ dƣ và lực kháng từ lớn hơn so với vật liệu từ mềm và do đó năng lƣợng cần thiết để triệt tiêu tính chất từ của vật liệu từ cứng cũng lớn hơn so với vật liệu từ mềm. Do các tính chất khác nhau này thì vật liệu từ cứng thƣờng đƣợc sử dụng để chế tạo các nam châm vĩnh cửu. Ngoài đƣờng cong từ trễ ra thì chất sắt từ có đặc trƣng là nhiệt độ Curie Tc. Nhiệt độ Curie là nhiệt độ tại đó chất bị mất trật tự và khi T>Tc chất trở thành chất thuận từ, T<Tc chất trở thành chất sắt từ. Nhiệt độ Tc đƣợc gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ. Tc là một thông số đặt trƣng cho chất. 10 Ví dụ một số chất có nhiệt độ Curie nhƣ dƣới đây: Fe: 1043K; Co: 1388K; Ni: 627K; Gd: 292.5K. Hình 1.5. Biến đổi của momen từ tại nhiệt độ Curie sắt từ 1.1.4. Tính phản sắt từ Vật liệu phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có hai phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị. Là vật liệu từ có 0  , giá trị không lớn lắm (cỡ 10 -4 đến 1), có từ tính yếu. Vật liệu phản sắt từ đƣợc liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. Đôi khi, cũng có ngƣời gọi vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ bởi từ tính của chúng cũng yếu. Tính chất phản sắt từ bắt nguồn từ tƣơng tác trao đổi giữa các spin. Nếu nhƣ tƣơng tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là tƣơng tác trao đổi dƣơng, làm cho các spin song song nhau thì tƣơng tác trao đổi trong phản sắt từ là tƣơng tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song với nhau. 11 Ở không độ tuyệt đối (0 Kelvin), các spin của vật liệu phản sắt từ sắp xếp đối song song nhau nên từ độ. Nhiệt độ tăng dần dẫn đến việc phá vỡ trật tự từ kiểu phản song song làm tăng độ từ hóa (độ cảm từ χ) của vật liệu phản sắt từ. Từ trƣờng ngoài cũng là nguyên nhân phá vỡ trật tự phản song song của vật liệu. Hình 1.6. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân mạng spin đối song và bằng nhau. Hình 1.7. Sự phụ thuộc của 1  vào nhiệt độ. Nhiệt độ Néel (TN): Là đại lƣợng đặc trƣng của vật liệu phản sắt từ (cũng giống nhƣ nhiệt độ Curie trong chất sắt từ) là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản 12 sắt từ bị phá vỡ và vật liệu sẽ chuyển sang tính chất thuận từ. Ở dƣới nhiệt độ Néel, vật liệu sẽ mang tính chất phản sắt từ. Nếu ta đo sự phụ thuộc của hệ số từ hóa (độ cảm từ χ) vào nhiệt độ của chất phản sắt từ thì tại nhiệt độ Néel sẽ xuất hiện một cực đại, hay nói cách khác có chuyển pha tại nhiệt độ Néel. Một số chất phản sắt từ điển hình: Crôm - Cr, TN = 310 K FeO - TN = 198 K NiO - TN = 523 K CoO - TN = 291 K 1.1.5. Tính Feri từ Feri từ là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhƣng có độ lớn khác nhau. Ferri từ còn đƣợc gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Là vật liệu có 0  , giá trị tƣơng đối lớn. Khi chƣa có từ trƣờng và T<Tc, trong tinh thể các spin sắp xếp phản song song với nhau. Vì feri từ có 2 phân mạng từ bù trừ không hoàn toàn, nên nó có từ độ tự phát và từ độ này đƣợc bù trừ từ mômen từ của 2 phân mạng: λ.MA – ( 1- λ).MB (1.3) MA, MB lần lƣợt là mômen từ của 2 phân mạng A và B, λ là tỉ phần giữa 2 phân mạng. Nhìn chung, tính chất từ của feri từ gần giống với sắt từ, tức là cũng có các đặc trƣng nhƣ vật liệu sắt từ: từ trễ, nhiệt độ trật tự từ (nhiệt độ Curie), từ độ tự phát... Điểm khác biệt cơ bản nhất là do nó có 2 phân mạng ngƣợc chiều nhau, nên thực chất trật tự từ của nó đƣợc cho bởi 2 phân mạng trái dấu, vì thế, có một nhiệt độ mà tại đó mômen từ tự phát của 2 phân mạng bị bù trừ nhau gọi là "nhiệt độ bù trừ". ì n h 1 . 5 a 13 Nhiệt độ bù trừ thấp hơn nhiệt độ Curie (đôi khi nhiệt độ Curie của feri từ cũng đƣợc gọi là nhiệt độ Néel), ở trên nhiệt độ Curie chất bị mất trật tự từ và trở thành thuận từ. Hình 1.8. (a) Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử; (b) Sự phụ thuộc của 1  vào nhiệt độ. Hình 1.9. Sự bù trừ từ tính của 2 phân mạng và các điểm nhiệt độ đặc biệt: Nhiệt độ Curie, nhiệt độ bù trừ. (a) (b) 14 1.2. Tính chất từ của băng từ mềm Tính chất từ mềm của băng từ nền Fe đƣợc thể hiện: - Giá trị của lực kháng từ HC cực nhỏ cỡ vài Oe. - Độ từ thẩm ban đầu và độ từ thẩm cực đại lớn: ~ 104 đến 105 - Cảm ứng từ bão hoà BS hay từ độ bão hoà MS lớn: khoảng vài Tesla (ví dụ hợp kim Fe65Co35 đạt đƣợc 2,34T). - Hệ số từ giảo bão hoà λS rất nhỏ: ~ 10 -5 đến 10-6. - Tính chất từ giảo mềm cao trong vùng từ trƣờng thấp: Độ cảm từ giảo χλ = dλ/dH ~ 10 -2 T -1 trong vùng từ trƣờng nhỏ ~ mT. 1.3. Hiện tƣợng từ giảo Từ giảo là hiện tƣợng hình dạng và kích thƣớc của vật liệu từ thay đổi khi mà trạng thái từ của vật liệu thay đổi khi chịu tác dụng của từ trƣờng ngoài và ngƣợc lại. Hiện tƣợng từ giảo đã đƣợc James Prescott Joule (1818 - 1889) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842 [16]. Trạng thái từ của vật liệu có thể bị thay đổi khi chịu tác dụng của từ trƣờng ngoài hoặc khi nhiệt độ thay đổi (hình 1.10). Hiện tƣợng khi thể tích của vật liệu từ thay đổi do sự thay đổi trạng thái từ khi nhiệt độ thay đổi đƣợc gọi là hiện tƣợng từ giảo tự phát hay từ giảo thể tích (hình 1.10a). Từ giảo xuất hiện khi đặt vật liệu từ trong từ trƣờng ngoài đƣợc gọi là từ giảo cƣỡng bức hay từ giảo tuyến tính Joule (hình 1.10b). Bản chất từ giảo tuyến tính Joule liên quan đến sự định hƣớng của mômen từ dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. Hiện tƣợng từ giảo tuyến tính của các vật liệu từ đƣợc giải thích dựa trên mô hình tƣơng tác tĩnh điện giữa đám mây điện tử từ và điện tích môi trƣờng xung quanh. Dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài, sự phân bố của điện tử (tức là mômen quỹ đạo) sẽ bị biến đổi tuỳ theo mức độ tƣơng tác của chúng với mômen từ (mômen spin). Các vật 15 liệu khác nhau sẽ có từ giảo khác nhau tuỳ thuộc vào hình dạng đám mây điện tử từ của chúng. Hình 1.10. Hiệu ứng từ giảo của mẫu hình cầu: (a) từ giảo thể tích và (b) từ giảo tuyến tính Joule. Từ giảo của các vật liệu đƣợc đặc trƣng bởi hệ số từ giảo  đƣợc xác định theo công thức sau:      0 0 0 0 0 0 l H l H l H l l         với lo là chiều dài ban đầu của mẫu khi không có từ trƣờng ngoài và l(oH) là chiều dài của mẫu khi có từ trƣờng ngoài oH đặt vào. Hình 1.11. Hình minh họa biến dạng tuyến tính của vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng mỏng. (1.4) 16 Từ giảo là một đại lƣợng không có thứ nguyên. Trong các vật liệu từ giảo dạng khối hoặc dạng băng, hiện tƣợng từ giảo thể hiện bởi biến dạng tuyến tính (l/l) phƣơng từ trƣờng ngoài (hình 1.11). 1.4. Hiện tƣợng áp điện Hiệu ứng áp điện đƣợc phát hiện vào năm 1880 bởi Jacques và Pierre Curie [9] là hiện tƣợng vật liệu khi chịu tác dụng của ứng suất nén hoặc kéo thì trong lòng của vật liệu sẽ xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng hoặc ngƣợc lại, khi vật liệu chịu tác dụng của điện trƣờng thì vật liệu sẽ bị biến dạng ngắn lại hoặc dài ra tùy thuộc vào điện trƣờng ngoài cùng chiều hay ngƣợc chiều với véc tơ phân cực điện của vật liệu. Hình 1.12. Hiệu ứng áp điện xảy ra khi một đĩa gốm áp điện (a) chịu tác dụng của ứng suất nén (b) và giãn cơ học (c). Hình 1.12 mô tả hiệu ứng áp điện dƣới tác dụng của ứng suất bên ngoài. Nếu vật liệu chịu ứng suất nén (hình 1.12b) hoặc kéo theo hƣớng phân cực (hình 1.12c) thì sẽ dẫn đến sự giảm hoặc tăng của độ phân cực điện trong lòng vật liệu và kết quả sẽ làm xuất hiện trong lòng vật liệu một điện trƣờng cùng chiều hay ngƣợc chiều với véc tơ phân cực điện. Kết quả là trên hai mặt đối diện của vật liệu áp điện sẽ xuất hiện thế áp điện có dấu và độ lớn phụ thuộc vào ứng suất tác dụng theo công thức: E g    (1.5) 17 với g là hệ số tỉ lệ đặc trƣng cho từng vật liệu và  là độ lớn ứng suất tác dụng (ứng suất nén   0 và ứng suất kéo   0). Hiệu ứng áp điện xảy ở một số điện môi tinh thể nhƣ thạch anh, tuamalin, ... hoăc dƣới dạng vật liệu đa tinh thể. Cho đến nay, ngƣời ta tạo ra vật liệu áp điện dƣới 2 dạng: gốm áp điện (PbZnxTi1-xO3 - PZT) và Polyme áp điện. Vật liệu áp điện về cơ bản là vật liệu dạng gốm và có cấu trúc dạng Perovskite. Các vật liệu có cấu trúc dạng Perovskite là vật liệu có cả tính chất sắt điện và áp điện. Các vật liệu này có số lƣợng rất lớn nên chúng đang đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều. Theo định nghĩa, vật liệu có cấu trúc Perovskite là các vật liệu có cấu trúc tinh thể tƣơng tự với cấu trúc của CaTiO3. Cấu tạo chung của vật liệu này có dạng ABO3 (trong đó A và B là hai ion dƣơng, A thƣờng có bán kính lớn hơn B) (hình 1.13). Hình 1.13. Cấu trúc tinh thể của vật liệu Perovskite Cấu trúc Perovskite là biến thể của hai cấu trúc lập phƣơng với ion A nằm ở 8 đỉnh, ion B nằm ở tâm. Ion B cũng đồng thời là tâm bát diện tạo bởi các ion O-2. Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phƣơng sang dạng khác nhƣ hệ trực giao, trực thoi khi các ion A, B bị thay thế bởi các nguyên tố khác. PZT đƣợc hình thành do sự kết hợp của PbZrO3 (một chất phản sắt điện có cấu trúc tinh thể trực thoi) và PbTiO3 (một chất sắt điện có cấu trúc Perovskite 18 tứ giác). PZT có cấu trúc tinh thể dạng Perovskite với các ion Ti4+ và Zr4+ đóng vai trò là ion B một cách ngẫu nhiên. Hiệu ứng áp điện xuất hiện ở vật liệu Perovskite có đƣợc là do sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể (hình 1.14). Hình 1.14. Sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể Perovskite khi có điện trường ngoài Khi có điện trƣờng ngoài, các ion Zr4+/Ti4+ và Pb2+ dịch chuyển theo phƣơng điện trƣờng và ngƣợc lại thì ion O2- bị dịch chuyển theo phƣơng ngƣợc với điện trƣờng. Hiện tƣợng này làm thay đổi khoảng cách giữa các ion và dẫn đến sự biến dạng của vật liệu và đƣợc gọi là hiệu ứng áp điện nghịch. Ngƣợc lại, khi có tác động cơ học bên ngoài làm biến dạng vật liệu sẽ dẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữa các ion và làm thay đổi mômen lƣỡng cực và sự phân cực điện trong tinh thể. Tƣơng ứng với điều này là sự xuất hiện một điện trƣờng thứ cấp trong vật liệu và đƣợc gọi là hiện tƣợng áp điện thuận. Từ đầu thế k 21 đến nay, các vật liệu có cấu trúc Perovskite (BaSrO3, PbTiO3, Pb(ZnxTi1-x)O3) đã đƣợc nhiều nhà khoa học hàng đầu thế giới quan tâm nghiên cứu do chúng có hiệu ứng áp điện và độ phân cực tự phát lớn. Không chỉ dừng lại ở các nghiên cứu cơ bản, vật liệu áp điện PZT còn đƣợc tập trung nghiên cứu ứng dụng và đặc biệt là đã đƣợc nhiều công ty phát triển thành các sản phẩm thƣơng mại. Một số ứng dụng rất thành công của vật liệu 19 áp điện phải kể đến nhƣ thiết bị cảm biến và tích hợp chúng trên các vi mạch hoặc các mạch số [12,17]. 1.5. Hiệu ứng từ - điện Hiệu ứng từ - điện là hiệu ứng vật liệu bị phân cực điện (PE) dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài (H) gọi là hiệu ứng từ - điện hay ngƣợc lại, vật liệu bị từ hóa dƣới tác dụng của điện trƣờng. Đây là một hiệu ứng tích của hai hiệu ứng: hiệu ứng từ giảo và hiệu ứng điện và đƣợc đặc trƣng bởi hệ số từ - điện E = dE/dH (hình 1.15) Hình 1.15. Mô tả hiệu ứng từ điện Hiệu ứng từ - điện thƣờng đƣợc quan sát thấy trên các vật liệu Multifrroic tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Trong số các vật liệu từ - điện đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng phải kể đến vật liệu gồm hai pha từ giảo và áp điện. Từ giảo PZT Từ giảo Hình 1.16. Vật liệu tổ hợp áp điện/từ giảo Nếu đặt vật liệu trong từ trƣờng, pha từ giảo sẽ bị biến dạng cƣỡng bức, tạo ra một ứng suất cơ học tác động chặt chẽ lên pha áp điện, làm pha áp điện 20 bị phân cực điện cảm ứng nghĩa là tạo ra trên hai bề mặt của pha áp điện những điện tích trái dấu hay trong lòng vật liệu có một điện trƣờng. Nếu nối ra mạch ngoài ta sẽ đƣợc một thế hiệu một chiều. Vật liệu có hiệu ứng từ - điện đƣợc nghiên cứu trong khóa luận này là vật liệu tổ hợp dạng tấm: dán kết dính tấm sắt điện (PZT) giữa các tấm từ giảo Fe76,8Ni1,2B13,2Si8,8 1.6. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện Hình 1.17. Sơ đồ thí nghiệm cảm biến từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện của Zhai và đồng nghiệp Mỗi loại cảm biến đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm và tuỳ theo mục đích sử dụng mà ta nên chọn loại cảm biến nào cho phù hợp. Để xác định từ trƣờng trái đất chúng ta có thể sử dụng cảm biến Hall, cảm biến AMR,... nhƣng các loại cảm biến này công nghệ chế tạo phức tạp, giá thành cao. Chính vì vậy chúng tôi mạnh dạn tìm hiểu và nghiên cứu loại cảm biến chế tạo đơn giản, giá thành thấp, phù hợp với công nghệ ở Việt Nam mà vẫn đảm bảo đƣợc độ nhạy của cảm biến, đặc biệt là trong vùng từ trƣờng thấp đó là cảm biến dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện. Cảm biến dựa trên vật liệu multiferroics. Nó là vật liệu lƣỡng pha sắt từ - sắt điện với sự tồn tại đồng thời của cả tính chất từ, tính chất từ đàn hồi và tính chất áp điện. Với độ nhạy 21 trong khoảng từ trƣờng nanô-tesla (nT), các vật liệu này có khả năng ứng dụng các đầu đọc thông tin, các cảm biến sinh học và cảm biến xác định phƣơng vị bắc trong các thiết bị dẫn đƣờng,... Hơn thế nữa, cảm biến loại này còn có nhiều thế mạnh không thể tìm thấy trên các loại cảm biến thông thƣờng nhƣ có thể phát hiện cả từ trƣờng một chiều và xoay chiều công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành thấp, có thể làm việc ở nhiệt độ phòng Đặc biệt, năm 2007, Zhai và đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cứu cảm biến từ trƣờng trái đất dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện (hình 1.17) sử dụng nguồn dòng xoay chiều 10 mA đạt độ nhạy từ trƣờng vùng nT và góc lệch 10-5 độ. Đây là hƣớng nghiên cứu mà nhóm nghiên cứu ở Trƣờng ĐH Công nghệ cũng đã tiếp cận kịp thời và đã có một số kết quả ban đầu rất khả quan. 1.7. Một số cảm biến từ dựa trên hiệu ứng vật lí khác 1.7.1. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng Hall là thiết bị mang tính phổ biến cao (đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau ví dụ nhƣ trong các phòng thí nghiệm hiện đại). Cảm biến loại này có dải đo nhiệt độ hoạt động nằm trong khoảng từ -1000C đến +1000C và từ trƣờng lớn hơn 1mT. Ngoài ra thiết bị này còn có một ƣu điểm nổi bật nữa đó là có thể xác định đƣợc cả từ trƣờng một chiều và xoay chiều. Cũng giống nhƣ các loại cảm biến từ trƣờng khác, cảm biến loại này còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ: định vị và đo vận tốc dài, xác định góc định hƣớng và đo vận tốc quay. Cảm biến từ trƣờng này có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall xuất hiện trên các vật liệu bán dẫn (hình 1.18). Hiệu ứng Hall trên vật liệu bán dẫn là hiện tƣợng xuất hiện một điện áp Hall theo phƣơng vuông góc với dòng điện chạy qua vật dẫn dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. 22 Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn và từ trƣờng ngoài, các điện tích tự do chịu tác dụng của lực Loren theo công thức: (1.6) trong đó q, là điện tích và véc tơ vận tốc của hạt tải điện, và là véc tơ điện trƣờng Hall và từ trƣờng tƣơng ứng. Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall Khi đó các hạt tải điện tự do trái dấu sẽ dịch chuyển ngƣợc chiều nhau về phía hai mặt của vật liệu dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài. Quá trình này tạo ra một điện trƣờng vuông góc với chiều dòng điện và đƣợc gọi là điện trƣờng Hall . Điện trƣờng này có xu hƣớng ngăn cản chuyển động của các hạt tải điện để đạt đến trạng thái cân bằng. Lực tĩnh điện do điện trƣờng Hall cân bằng với lực Lorentz do từ trƣờng ngoài khi ở trạng thái cân bằng. Khi trạng thái cân bằng đƣợc thiết lập, điện thế Hall VH đƣợc xác định bởi công thức: (1.7) (RH: điện trở Hall, : vec tơ cƣờng độ dòng điện, : vec tơ cƣờng độ từ trƣờng, t: chiều dày của vật liệu) Công thức này đƣợc sử dụng để xác định từ trƣờng thông qua giá trị điện áp Hall thu đƣợc đối với cảm biến từ trƣờng Hall. 23 Hiệu ứng Hall xuất hiện ở cả kim loại và bán dẫn, tuy nhiên vật liệu bán dẫn thƣờng đƣợc dùng để chế tạo cảm biến từ trƣờng Hall. Nguyên nhân là do bán dẫn có điện trở lớn hơn rất nhiều so với kim loại nên dẫn đến điện thế Hall trên bán dẫn cũng lớn hơn. Giá trị điện thế Hall lớn giúp cho cảm biến từ trƣờng có độ nhạy và độ phân giải tốt hơn. Ngoài ra thì cảm biến này còn có một số ƣu điểm nổi trội khác nhƣ: ít chịu ảnh hƣởng của tác động môi trƣờng (độ ẩm, độ rung, bụi bẩn ...), ổn định theo thời gian. Bên cạnh các ƣu điểm trên, cảm biến này cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ: bị giới hạn theo khoảng cách, tồn tại tín hiệu nền. Ngoài ra cảm biến này có độ nhạy và độ phân giải chƣa đủ lớn phục vụ cho các ứng dụng đòi hỏi xác định từ trƣờng rất nhỏ với độ chính xác cao. 1.7.2. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng từ điện trở Hiệu ứng từ - điện trở là hiện tƣợng dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài điện trở của vật liệu thay đổi. Hiệu ứng này đƣợc đặc trƣng bởi công thức: (1.8) Hiệu ứng từ - điện trở đƣợc chia thành các loại khác nhau nhƣ: hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ, hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng, hiệu ứng từ - điện trở xuyên ngầm ... Về cơ bản thì nguyên lí hoạt động của các cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ - điện trở là xác định sự biến đổi điện trở của vật liệu để suy ra cƣờng độ từ trƣờng tác dụng. Dựa trên các hiệu ứng từ - điện trở khác nhau thì các cảm biến có cấu tạo và đặc trƣng riêng biệt tƣơng ứng với hiệu ứng cụ thể. Mặc dù khác nhau về hiệu ứng và cấu tạo nhƣng các cảm biến từ trƣờng này nói chung có độ nhạy cao (< 0,1 mOe), vùng từ trƣờng làm việc trong khoảng từ 10-2 Oe đến 10 Oe và đặc biệt phải cần đến từ trƣờng kích thích (bias). 24 Với điều kiện công nghệ Việt Nam, một nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Hữu Đức trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã phát triển thành công cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hƣớng (Anisotropic MagnetoResistance - AMR). Nguyên tắc hoạt động của cảm biến này là dựa trên sự tán xạ của điện tử theo hƣớng mômen từ của vật liệu làm cảm biến. Sự thay đổi điện trở không chỉ phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng mà còn phụ thuộc vào góc định hƣớng giữa véc tơ từ độ và vec tơ dòng điện chạy qua cảm biến. Hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng có thể đƣợc mô tả nhƣ trong hình 1.19. Hình 1.19. Sơ đồ minh họa hiệu ứng từ - điện trở dị hướng Vật liệu sắt từ (thông thƣờng có dạng là các màng mỏng) có dị hƣớng từ đơn trục (trục dễ) - Ox đƣợc tạo ra nhờ dị hƣớng hình dạng hoặc nhờ quá trình phún xạ trong từ trƣờng HBias (Hx). Khi có từ trƣờng ngoài hƣớng dọc theo trục Oy (Hy), các mômen từ của vật liệu sẽ có xu hƣớng quay một góc θ với trục Ox. Góc quay θ đƣợc xác định bởi công thức: (1.9) Công thức (1.9) chỉ đúng ứng với trƣờng hợp màng mỏng sắt từ đƣợc coi là lý tƣởng (là màng mỏng có sự từ hóa tự phát thay đổi bởi sự quay đồng bộ). Khi đó góc quay θ đƣợc xác định bằng lý thuyết thông qua nguyên lý cực tiểu 25 năng lƣợng. Sự biến đổi của điện trở vào góc quay θ đƣợc xác định thông qua công thức: (1.10) (1.10) Cảm biến từ trƣờng dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hƣớng có ƣu điểm là: độ nhạy cao, vùng nhiệt độ làm việc rộng (bao gồm cả nhiệt độ phòng), độ ổn định tín hiệu tốt (cao hơn so với cảm biến từ trƣờng Hall), có thể làm việc với từ trƣờng xoay chiều có tần số lên đến 10 MHz. Tuy nhiên cảm biến loại này vẫn còn một nhƣợc điểm đó là công nghệ chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành cao và khó có thể chế tạo đại trà với số lƣợng lớn. Mặc dù cảm biến từ trƣờng AMR đã đƣợc nghiên cứu và phát triển ứng dụng, tuy nhiên hiệu ứng từ - điện trở chƣa cao (< 6 ) vẫn là một cản trở không dễ khắc phục. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance - GMR) cho thấy đây là một giải pháp khắc phục tốt ( MR(%) = 10 1 – 102 ). Nhờ có hiệu ứng lớn nên cảm biến từ trƣờng GMR cho tín hiệu lối ra lớn hơn và đặc biệt là có công suất tiêu thụ thấp, kích thƣớc nhỏ và giá thành rẻ hơn. Vật liệu GMR có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu từ (màng mỏng từ NiFe) xen giữa là các lớp vật liệu không từ (thông thƣờng là màng mỏng Cu). Hình 1.20. Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ: khi không có từ trường ngoài (a) và có từ trường ngoài (b) 26 Khi không có từ trƣờng ngoài, mômen từ của 2 lớp sắt từ liền kề có định hƣớng phản song song với nhau. Ở trạng thái này, các điện tử bị tán xạ nhiều khi đi qua các lớp vật liệu và do đó điện trở lớn nên tín hiệu điện ở mạch ngoài là nhỏ (hình 1.20a). Khi có từ trƣờng ngoài tác dụng, mômen từ của 2 lớp sắt từ liền kề có xu hƣớng định hƣớng lại song song với nhau và định hƣớng theo phƣơng của từ trƣờng (hình 1.20b). Ở trạng thái này, các điện tử ít bị tán xạ khi đi qua các lớp vật liệu và do đó điện trở giảm mạnh dẫn đến tín hiệu điện ở mạch ngoài là tăng đáng kể. 1.7.3. Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng AMR Từ điện trở dị hƣớng là một hiệu ứng từ điện trở mà tại đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất dƣới tác dụng của từ trƣờng ngoài) phụ thuộc vào hƣớng của dòng điện (không đẳng hƣớng trong mẫu), mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tƣơng đối giữa từ độ và dòng điện. Hiệu ứng AMR chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại sắt từ hoặc trong một số chất bán dẫn hoặc bán kim (có xảy ra hiệu ứng Hall lớn dị thƣờng) nhƣng khá nhỏ. Nguồn gốc vật lý của hiện tƣợng từ điện trở phụ thuộc vào liên kết spin quỹ đạo. Hình 1.21. Sơ đồ thể hiện nguồn gốc vật lý của AMR. Các đám mây điện từ bay quanh mỗi hạt nhân, theo định hƣớng của momen từ thì các đám mây này thay đổi hình dạng và sự biến dạng của các đám mây điện từ làm thay đổi lƣợng tán xạ của điện tủ dẫn khi nó đi qua mạng tinh thể. Ta có thể giải thích sự phụ thuộc của điện trở của của vật dẫn 27 vào định hƣớng của mômen từ với chiều dòng điện nhƣ sau: Quỹ đạo chuyển động của các điện tử nằm trong mặt phẳng của dòng điện nếu từ trƣờng đƣợc định hƣớng vuông góc với chiều dòng điện và nhƣ vậy chỉ tồn tại một mặt cắt nhỏ đối với tán xạ của điện từ dẫn tới vật dẫn có điện trở nhỏ. Ngƣợc lại, khi từ trƣờng áp vào song song với chiều dòng điện thì quỹ dạo chuyển động của điện tử đƣợc định hƣớng vuông góc với chiều của dòng điện và cắt đối với tán xạ của điện tử tăng lên, dẫn tới vật dẫn có điện trở cao. Hình 1.22. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vectơ từ hoá Để giải thích hiệu ứng từ trở dị (AMR) trong các màng mỏng bằng vật liệu từ, giả định rằng véctơ từ hoá trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà Ms khi có sự tác động của từ trƣờng ngoài sẽ làm thay đổi hƣớng của vectơ từ ho