Khóa luận Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng dạng chữ thập

ưa đặt chất thuận từ vào trong từ trường ngoài thì tổng các mômen từ này bằng không vì đặc tính phân bố ngẫu nhiên hỗn loạn của các mômen từ của các nguyên tử riêng biệt. Nếu ta đặt mẫu gồm N nguyên tử như vậy vào từ trường thì các mômen từ nguyên tử sẽ định hướng theo từ trường. Chất có tính như vậy gọi là chất thuận từ. Mômen từ hoặc do các spin không bù trừ của các điện tử trong nguyên tử hoặc do chuyển động quỹ đạo của điện tử xung quanh hạt nhân hoặc do đồng thời cả hai nguyên nhân gây nên. Các chất thuận từ điển hình như: các kim loại kiềm (Na, K,...), oxi nitơ dưới dạng khí (NO), oxi, không khí, Platin (Pt), Al và một số kim loại khác. Hình 1.1: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp mômen từ nguyên tử của chất thuận từ 1.1.3. Chất phản sắt từ Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có 2 phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị. Vật liệu phản sắt từ được liệt vào nhóm vật liệu có trật tự từ. Người ta còn gọi vật liệu phản sắt từ là vật liệu phi từ vì từ tính của chúng yếu. Tính chất phản sắt từ bắt đầu từ tương tác trao đổi giữa các spin. Nếu như tương tác trao đổi trong các vật liệu sắt từ là 5 tương tác trao đổi dương, làm cho các spin song song nhau thì tương tác trao đổi trong phản sắt từ là tương tác trao đổi âm, làm cho các spin phản song song nhau. Hình 1.2: Hình ảnh mô tả sự sắp xếp các mômen từ của chất phản sắt từ Nhiệt độ Néel là đại lượng đặc trưng của vật liệu phản sắt từ cũng giống như nhiệt độ Curie trong chất sắt từ là nhiệt độ mà tại đó trật tự phản sắt từ bị phá vỡ và vật liệu sẽ chuyển sang chất thuận từ. Ở dưới nhiệt độ Néel vật liệu sẽ mang tính chất phản sắt từ. Một số vật liệu có tính phản sắt từ như: MnO, Mn, Cr, Au.... 1.1.4. 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 nhưng có độ lớn khác nhau. Feri từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Feri từ thực chất là các vật liệu gốm, bán dẫn từ, có điện trở suất và độ bền rất cao, vì thế các ferrite từ mềm thường được dùng trong các ứng dụng ở tần số cao và siêu cao (làm các lõi dẫn từ sử dụng ở từ trường tần số cao và siêu cao) trong các mạch điện tử. Feri từ là nhóm các vật liệu gốm có công thức hóa học chung là XO.Y2O3 với X là một kim loại hóa trị 2, Y là kim loại hóa trị 3 (mà dùng phổ biến nhất là sắt - Fe). Đây là ví dụ về nhóm ferrite có tên gọi chung là ferrite spinel (ví dụ ZnO.Fe2O3, MnO.Fe2O3...), thường mang cấu trúc lập phương tâm mặt. 6 Feri - từ là trạng thái có trật tự từ của một số chất đặc biệt (chất feri - từ), chúng có mạng tinh thể thường gồm nhiều mạng con mà vectơ độ từ hoá của các mạng con này hợp lại với nhau có giá trị khác không, tạo ra độ từ hoá chung của cả mạng. Chất feri - từ thông dụng là các loại ferit (vd. đá nam châm thiên nhiên) có vai trò quan trọng trong kĩ thuật điện tử ngày nay. Hình 1.3: Hình ảnh mô tả cấu trúc của ferrite spinel 1.1.5. Chất sắt từ Các chất có tính từ hoá mạnh gọi là các chất sắt từ như: sắt, niken, coban là ba chất sắt từ điển hình. Ở đây, sắt có tính từ hoá mạnh là do có cấu trúc đặc biệt về phương diện từ: trong sắt có nhiều miền từ hoá tự nhiên, đó là các kim nam châm nhỏ. Ở điều kiện thường, các kim nam châm nhỏ sắp xếp hỗn loạn khi đó trong sắt không có từ tính. Khi thanh sắt đặt trong từ trường ngoài các kim nam châm nhỏ sắp xếp theo từ trường ngoài khi đó trong sắt có từ tính. Tính từ hoá mạnh ở sắt được giải thích là do sắt có cấu trúc đặc biệt về phương diện từ. Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử. Các mômen từ này lớn hơn các mômen từ của chất thuận từ và có khả năng tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ). Tương tác này bản chất là tương tác tĩnh điện đặc biệt. Tương tác này hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là đômen từ) mà trong mỗi đômen này các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau và tạo 7 thành từ độ tự phát của vật liệu (có nghĩa là độ từ hoá tồn tại ngay cả khi không có từ trường). Nếu không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho các mômen từ các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn và như vậy tổng độ từ hoá của toàn khối vẫn bằng 0 nhưng nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ xảy ra hiện tượng đó là sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường và sự quay của các đômen từ theo hướng từ trường. Nếu tăng dần từ trường đến mức đủ lớn ta có hiện tượng bão hoà từ và khi đó tất cả các mômen từ sẽ sắp xếp song song với nhau theo chiều của từ trường tác dụng và trong vật liệu chỉ có một đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ lại có xu hướng trở về với hướng ban đầu và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà phải bằng một giá trị khác 0 gọi là độ từ dư (remanent magnetiration). Điều này dẫn đến hiện tượng trễ của vật liệu. Để khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực kháng từ (coercivity hay coercivity field). Đường cong từ hoá (sự phụ thuộc của từ độ vào từ tường ngoài) của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó có đường cong phi tuyến tính (chất thuận từ là đường cong tuyến tính) và đạt tới bão hoà khi đường cong đủ lớn. Hình 1.4: Hình ảnh đômen từ khi không có từ trường ngoài tác dụng và có từ trường ngoài tác dụng 8 Chất sắt từ có hai đặc trưng cơ bản là đường cong từ trễ và 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 được gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ. Tc là một thông số đặt trưng cho chất (thông số nội tại). Trong lĩnh vực ứng dụng thực tế người ta phân biệt vật liệu từ thành vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. 1.1.5.1. Vật liệu từ mềm Sắt từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới 102 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ từ thẩm lớn, nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài. Các chất từ mềm "truyền thống" đã biết là sắt non, ferrite Mn,Zn,... Các chất sắt từ mềm được sử dụng trong các lõi nam châm điện, lõi biến thế, lõi dẫn từ ..., có nghĩa là sử dụng nó như vật dụng trong từ trường ngoài. Do vậy, đặc trưng mà người ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ và tổn hao xoáy + Tổn hao trễ: sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá trình từ hóa, được tính bằng diện tích của đường cong từ trễ. Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xịn" có đường trễ càng hẹp càng tốt. + Tổn hao xoáy: sinh ra do các dòng Foucalt sinh ra trong trường xoay chiều làm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu. Những lõi tôn Si tuy có phẩm chất rất cao nhưng chỉ có thể sử dụng trong từ trường tần số thấp (thường là 50-100Hz) do chúng có điện trở suất rất thấp. Trong khi các ferrite lại sử dụng được trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện trở suất rất lớn, làm giảm tổn hao xoáy). 9 Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mềm mới đã khắc phục điều này. Chúng là các vật liệu có cấu trúc nano, có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng từ cực nhỏ, độ từ thẩm rất cao, từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất rất lớn (dù là các băng nền kim loại) do cấu trúc đặc biệt của nó nên có thể sử dụng ở các ứng dụng cao tần cỡ từ KHz-MHz. Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế kỷ 20 và được coi là vật liệu từ mềm tốt nhất hiện nay (ultrasoft magnetic materials), và là một chủ đề nghiên cứu mạnh của Trung tâm Khoa học Vật liệu, ĐHKHTN và Viện Vật lý Kỹ thuật (ĐHBKHN). Đặc biệt, một số loại trong số các vật liệu này có thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt như chịu nhiệt độ cao (ứng dụng làm động cơ của máy bay phản lực do khả năng chịu nhiệt độ cao, ở Mỹ đã làm rất nhiều), sử dụng trong các môi trường ăn mòn như nước biển, kiềm,... Vật liệu từ mềm là các vật liệu có lực kháng từ thấp và có hệ số từ thẩm cao. Chúng có khả năng từ hoá tới bão hoà ở từ trường yếu, có vòng tổn hao nhỏ và tổn hao trên từ hoá nhỏ. Hình 1.5: Đồ thị mô tả diện tích đường cong từ trễ và các thông số của vật liệu từ mềm và từ cứng 10 Các tính chất của vật liệu từ mềm phụ thuộc vào độ tinh khiết của nó và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể. Nếu có càng ít các loại tạp chất trong vật liệu thì các đặc tính của nó càng tốt. Vì vậy, khi sản xuất vật liệu từ mềm cần phải cố gắng loại bỏ những tạp chất có hại nhất đối với chúng: Cacbon, photpho, lưu huỳnh, oxy, nitơ và các loại oxit khác nhau. Đồng thời cần cố gắng không làm biến dạng cấu trúc tinh thể và không gây ra trong đó những ứng suất nội. Vật liệu từ mềm sử dụng làm lõi của cuộn cảm, dây dẫn từ trong máy biến áp, tem từ mềm, Hình 1.6: Hình ảnh ứng dụng tem dán lên các sản phẩm của vật liệu từ mềm 1.1.5.2. Vật liệu từ cứng Cũng tương tự như sắt từ mềm, từ "cứng" trong cái tên của vật liệu này không phải do cơ tính cứng của nó. Ngược với sắt từ mềm, sắt từ cứng là vật liệu khó từ hóa và cũng khó bị khử từ (có nghĩa là từ tính có thể giữ được tốt dưới tác dụng của trường ngoài). Một ví dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các nam châm vĩnh cửu. Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (phải trên 102 Oe), nhưng chúng thường có từ độ bão hòa không cao. Tính "cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ, liên quan đến năng lượng từ có được do tính đối xứng tinh thể của vật liệu. Tức là, thông thường các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) ví dụ như tứ giác, hay lục giác.... Do 11 khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dùng làm vật liệu giữ năng lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ...). Nói đến khả năng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tích năng lượng từ (B.H)max (có đơn vị là đơn vị của mật độ năng lượng J/m3), là năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể. Để có (BH)max lớn, cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đường trễ càng lồi càng tốt. Đơn vị thường dùng của (BH)max là GOe, 1 MGOe=8 kJ/m3. Hình 1.7: Hình ảnh nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là ferrite từ cứng BaSr, hợp kim AlNiCo (khá đắt tiền). Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới ra đời sau là các nam châm đất hiếm, mở đầu là các hợp chất RCo5 (như SmCo5..) và sau đó là R2Fe14B như (Nd2Fe14B, Pr2Fe14B...), R thường ký hiệu để chỉ các nguyên tố đất hiếm. Bảng 1 liệt kê một số nam châm phổ biến. Nếu ta so sánh, có thể thấy nam châm vĩnh cửu R2Fe14B là loại tốt nhất (Trung Quốc là nước đứng đầu thế giới về thị phần nam châm đất hiếm với hơn 50% thị phần), nhưng thành phần nam châm trên thế giới phân bố như sau: - 54% là nam châm ferrite - 32% Nd2Fe14B - 14% là các loại khác Nam châm ferrite là các gốm ferrite từ cứng, có phẩm chất không cao nhưng có ưu điểm là chế tạo rất đơn giản, giá thành rất thấp. Còn nam châm Nd-Fe-B tuy phẩm chất rất tốt, nhưng lại có một số nhược điểm: - Giá thành cao (do chứa nhiều đất hiếm là các nguyên tố đắt tiền). 12 - Dễ bị ôxi hóa do các nguyên tố đất hiếm có hoạt tính rất mạnh. Nếu chúng ta bỏ một nam châm đất hiếm ngoài không khí, chỉ một thời gian là chúng bị rã thành các bột. - Nhiệt độ Curie thấp (312oC). Bảng1. Từ dư (Br), lực kháng từ (Hc) và tích năng lượng từ (BH)max của một số nam châm. Vật liệu Br (T) Hc (MA/m) (BH)max (kJ/m3) Ferrite Sr 0,43 0,20 34 AlNiCo5 1,27 0,05 44 AlNiCo9 1,05 0,12 84 SmCo5 0,95 1,3 176 Sm2Co17 1,05 1,3 208 Nd2Fe14B 1,36 1,03 350 1.2. Các hiệu ứng từ điện trở 1.2.1. Hiệu ứng từ điện trở Hiệu ứng từ điện trở (magnetoresistance – MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn dưới tác động của một vật dẫn của từ trường, được xác định bằng công thức: MR =MR = ∆ρ ρ = ρ(0)− ρ(H) ρ(0) = R(0)− R(H) R(0) (1.1) Trong đó: ρ(0), ρ(H), R(0), R(H) lần lượt là điện trở suất, điện trở của vật dẫn. Từ điện trở hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật liệu, có thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi William Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với sự thay đổi điện trở không quá 5%. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường. Hiệu ứng này quan sát thấy ở các kim loại. 13 Khi có tác dụng của từ trường ngoài, hạt dẫn chịu tác dụng của hiệu ứng Hall, lực Lorentz nên chuyển động tròn và không đóng góp vào dòng điện (vận tốc trung bình bằng không trong một chu trình) cho đến khi bị tán xạ. Sau khi tán xạ, hạt dẫn tham gia chuyển động tròn tiếp theo. Như vậy thời gian hồi phục càng lớn (điện trở càng thấp) thì ảnh hưởng của từ trường ngoài lên điện trở càng lớn. Hình 1.8: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các màng đa lớp Fe/Cr 1.2.2. Hiệu ứng AMR Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR- Anisotropic magnetoresitance) là hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài) phụ thuộc vào hướng của dòng điện, mà bản chất là sự phụ thuộc của điện trở vào góc tương đối giữa từ độ và dòng điện. Willam Thomson đã chỉ ra sự thay đổi của điện trở của các mẫu vật dẫn kim loại sắt từ là niken và sắt dưới tác dụng của từ trường ngoài của một nam châm điện có thế đạt tới 3- 5% ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra sự thay đổi này còn phụ thuộc vào phương đo, góc tương đối giữa cường độ dòng điện và từ trường ngoài hay chiều của độ từ hoá của mẫu. 14 Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng màng mỏng. Trên màng sẽ có một hướng dễ từ hóa và một hướng khó từ hóa trực giao với nó. Hướng dễ từ hoá là hướng mà sự từ hoá đạt đến trạng thái bão hoà dễ dàng nhất. Hướng mà khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (chỉ bão hoà ở từ trường cao). Một thông số quan trọng cảm biến AMR là độ thay đổi điện trở tương đối, ∆ρ/ρ . Điện trở R có thể xác định thông qua góc , góc giữa vector cường độ dòng điện và vector từ độ Điện trở lớn Điện trở nhỏ Từ trường Từ trường Hình 1.9: Nguồn gốc vật lý của AMR Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng màng mỏng sao cho trên màng tồn tại hai phương từ hoá: phương dễ và phương khó. Phương dễ từ hoá là phương mà sự từ hoá đạt đến trạng thái bão hoà dễ dàng nhất (bão hoà ở từ trường thấp). Phương khó từ hoá là phương mà sự từ hoá khó đạt trạng thái bão hoà nhất (bão hoà ở từ trường cao). Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR trong các màng mỏng bằng vật liệu sắt từ rất phức tạp. Để đơn giản ta giả định rằng vectơ từ hoá trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà Ms khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của vectơ từ hoá này. Ngoài ra ta có thể xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh là: mối quan hệ giữa điện trở và hướng của vectơ từ độ (vectơ từ hoá) và mối quan hệ giữa hướng của vectơ từ độ và từ trường ngoài. Điện trở của màng mỏng có thể xác định thông qua góc θ - góc giữa chiều dòng điện và vectơ từ độ: 15 R() = P.n. l b.d + P. l b.d .cos = R.P + R.cos2 (1.2) = R.P + R 2 .cos(2)+1 = R.P + R 2 + R 2 .cos(2) Trong đó: Ρθ.n và ∆𝜌 là hằng số của vật liệu l là độ dài màng mỏng, b là độ rộng của màng mỏng d là độ dày của màng mỏng , Rθ.Ρ là điện trở khi vectơ từ độ vuông góc với trục trễ từ hoá ∆𝑅 là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trường ngoài Hình 1.10: Sự thay đổi của điện trở suất do tác động của từ trường ngoài 1.2.3. Hiệu ứng Hall thường Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879. 16 Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ như electron trong kim loại). Khi chạy qua từ trường, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dương. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall. Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là: VH = 𝐼.𝐵 𝑑.𝑒.𝑛 (V) (1.3) Trong đó: VH là hiệu thế Hall, I là cường độ dòng điện B là cường độ từ trường, d là độ dày của thanh Hall e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall n mật độ các hạt này trong thanh Hall. Công thức này cho thấy một tính chất quan trọng trong hiệu ứng Hall là nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dương chạy trong thanh Hall, dựa vào hiệu thế Hall âm hay dương. Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng minh rằng, trong kim loại, electron chứ không phải là proton được chuyển động tự do để mang dòng điện. Hình 1.11: Mô hình hiệu ứng Hall thường 17 Điểm thú vị nữa là, hiệu ứng cũng cho thấy trong một số chất (đặc biệt là bán dẫn), dòng điện được mang đi bởi các lỗ trống (có điện tích tổng cộng là dương) chứ không phải là electron đơn thuần. Khi từ trường lớn và nhiệt độ hạ thấp, có thể quan sát thấy hiệu ứng Hall lượng tử thể hiện sự lượng tử hoá điện trở của vật dẫn. 1.2.4. Hiệu ứng Hall phẳng Hiệu ứng Hall phẳng cũng tương tự như hiệu ứng AMR đó là tín hiệu lối ra phụ thuộc vào góc giữa từ độ và dòng qua cảm biến. Dựa vào sự tán xạ của điện tử theo phương từ độ của lớp sắt từ, khi cho dòng điện I chạy qua cảm biến theo hướng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ M tạo ra điện trường E theo hướng của từ độ M. Điện trường E này tạo ra hiệu điện thế V theo hướng y vuông góc với dòng điện (hình 1.12). Hình1.12: Mô hình hiệu ứng Hall phẳng Ở đây, ta cần chú ý đến sự khác nhau cơ bản giữa hiệu ứng Hall thường, hiệu ứng Hall dị hướng và hiệu ứng Hall phẳng. Nếu trong hiệu ứng Hall thường và dị thường từ trường ngoài vuông góc với mặt phẳng mẫu thì trong hiệu ứng Hall phẳng từ trường ngoài phải đặt song song với mặt phẳng mẫu (hình 1.12). Sở dĩ, có sự khác nhau như vậy là do trong hiệu ứng Hall thường, thế Hall xuất hiện do lực Lorentz của từ trường ngoài tác dụng nên các hạt mang điện, còn trong hiệu ứng Hall phẳng nó lại phụ thuộc vào góc giữa từ độ của mẫu và chiều dòng điện. Về bản chất đây chính là đặc thù của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR. 18 Hiệu ứng Hall phẳng được tìm thấy trong vật liệu từ khi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào góc giữa phương của dòng điện I và từ độ của mẫu M. Dưới tác dụng của dòng Ix đặt theo phương x, nếu từ trường ngoài H hợp với dòng điện Ix một góc θ thì véctơ từ độ của mẫu M nằm trong mặt phẳng của cảm biến sẽ lệch một góc θ so với phương của dòng điện Ix, khi đó sẽ có thế ra Vy xuất hiện theo phương vuông góc với dòng điện Ix: 𝑉𝑦 = 𝐼𝑥∆𝑅 sin 𝜃 cos 𝜃 = 1 2 𝐼∆𝑅 sin(2𝜃) (1.4) Trong đó: R = (// - ⊥)/t, // và ⊥ lần lượt là điện trở suất của mẫu đo theo phương song song và vuông góc với phương từ hóa, t là chiều dày tổng cộng của màng. Vy lớn nhất khi θ = 450, nghĩa là góc giữa dòng điện và mô men từ vật liệu bằng 450 sẽ cho tín hiệu Hall lớn nhất. Để nghiên cứu về hiệu ứng Hall phẳng trong các cảm biến Hall, người ta thường sử dụng mô hình Stonner Wohlfarth [1]. Hình 1.13: Mô hình minh họa mối liên hệ giữa thế Hall phẳng và thế AMR Thế AMR Thế Hall phẳng 19 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo cảm biến Mỗi cảm biến gồm 2 thanh điện trở giống nhau đặt theo cấu trúc dạng chữ thập, có kích thước là 1×10 mm2 với chiều dày lớp màng từ tính NiFe là t = 5 nm được chế tạo bằng thiết bị phún xạ catốt ATC-2000FC. Điện cực được chế tạo bằng vật liệu Cu. Mặt nạ cảm biến được chế tạo bằng thiết bị quang khắc MJB4 (tại trường Đại học Quốc gia Hà Nội), sử dụng mặt nạ polymer. Quy trình chế tạo cảm biến được mô phỏng như hình 2.1 (a,b,c). Mặt nạ điện trở Mặt nạ điện cực Ảnh cảm biến (a) (b) (c) Hình 2.1: Qui trình chế tạo cảm biến sử dụng các mặt nạ điện trở (a), mặt nạ điện cực (b) và cảm biến hoàn thiện (c) Trong nghiên cứu của mình, để tạo ra phương từ hóa dễ, màng từ tính được tạo ra bằng phương pháp phún xạ và được nuôi bởi từ trường ghim 900 Oe dọc theo phương y của cảm biến trong suốt quá trình chế tạo. Khi khảo sát tín hiệu, từ trường ngoài Happly được đặt dọc theo trục x của cảm biến. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự thay đổi từ độ theo từ trường dẫn đến sự thay đổi điện trở do hiệu ứng Hall sẽ tạo ra sự thay đổi điện áp lối ra Vy phụ thuộc vào từ trường. Các nghiên cứu đã được thực hiện theo hướng chuẩn hóa qui trình công nghệ chế tạo, tối ưu chiều dày màng, kích thước thanh điện trở để tăng cường dị hướng hình dạng cho ra các sản phẩm cảm biến có độ nhạy cao trong vùng từ trường thấp. 20 2.2. Máy phún xạ tạo màng Quá trình phún xạ màng được thực hiện bằng thiết bị phún xạ catot ATC- 2000FC. Thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính là: buồng phún xạ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không. Hình 2.2: Thiết bị 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 được chân không nhanh và không làm nhiễm bẩn buồng chân không do không dùng cơ chế đốt nóng bằng dầu như bơm khuếch tán. Hệ thống phún xạ catot có hai buồng chân không được kết nối với nhau thông qua một vách ngăn là buồng chính và buồng phụ. Mẫu được đưa vào buồng phụ trước, sau đó mới đưa vào buồng chính. Bia là các tấm vật liệu (Cu, Fe, Ta, FePt, IrMn, FeCo, NiFe) hình tròn dày 3mm đường kính 2 inch. Mỗi bia được đặt trên một nguồn phún xạ, các bia vật liệu từ được đặt trên các nguồn RF, còn các bia vật liệu phi từ được đặt trên các nguồn DC. 21 2.3. Hệ đo tính chất từ bằng từ kế mẫu rung VSM Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) khảo sát sự phụ thuộc từ độ của mẫu vào từ trường ngoài (M phụ thuộc vào H), xác định đường cong từ trễ, sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ, nhiệt chuyển pha sắt từ - thuận từ TC, nhiệt chuyển pha sắt từ-siêu thuận từ (nhiệt độ Blocking TB)... Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung Nguyên lý hoạt động của từ kế mẫu rung dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ trong đó sự thay đổi từ thông của mẫu chuyển thành tín hiệu điện. Bằng cách thay đổi vị trí tương đối của mẫu có mô men từ M với cuộn dây thu, từ thông qua tiết diện ngang của cuộn dây sẽ thay đổi theo thời gian làm xuất hiện trong nó một suất điện động cảm ứng. Các tín hiệu đo được (tỷ lệ với M) sẽ được chuyển sang giá trị của đại lượng từ cần đo bằng một hệ số chuẩn của hệ đo. Để thực hiện được phép đo này, mẫu được rung với tần số xác định trong vùng từ trường đồng nhất của một nam châm điện. Từ trường này sẽ từ hoá mẫu và khi mẫu rung sẽ tạo ra hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn dây thu tín hiệu. Tín hiệu được thu nhận, khuyếch đại rồi được xử lý trên máy tính và cho ta biết giá trị từ độ của mẫu. 22 2.4. Hệ đo hiệu ứng Hall phẳng Để khảo sát tính chất điện của cảm biến, chúng tôi tiến hành đo hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến. Sơ đồ bố trí hệ đo được minh họa trên hình 2.4. Dòng điện không đổi được cấp bởi một nguồn dòng một chiều và thế lối ra được đo bằng máy đo Keithley 2000. Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở Hình 2.5: Ảnh chụp hệ đo hiệu ứng từ điện trở. Khi cho dòng điện I chạy qua cảm biến theo hướng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ M tạo ra điện trường E theo hướng của từ độ M. Điện trườngE này tạo ra hiệu điện thế V theo hướng y vuông góc với dòng điện. Trong quá trình tiến hành đo, cảm biến được đặt trong từ trường một chiều được tạo ra bởi một nam châm hoặc cuộn dây. Cường độ từ trường được 23 đo bằng máy đo từ trường Gaussmeter. Các thiết bị hiển thị từ trường và thế ra của cảm biến đều được ghép nối với máy tính cho phép ghi nhận số liệu một cách chính xác và đầy đủ như hình 2.4 và ảnh chụp hệ đo thực tế như hình 2.5. 24 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất từ của lớp màng NiFe 3.1.1. Tính chất từ của màng phụ t