Khóa luận Ứng dụng cảm biến từ điện trở đo từ trường trái đất

gười đã nghiên cứu và tìm hiểu nguồn gốc và qui luật của từ trường trái đất và đã tận dụng được nguồn năng lượng tự nhiên này để tạo ra các thiết bị định vị toàn cầu dựa trên nguyên lý cơ bản thông qua việc đo đạc và phân tích từ trường trái đất. Bên cạnh việc đóng vai trò như một công cụ hữu ích, nó cũng tiềm ẩn nhiều mối hiểm họa trong thế giới hiện đại. Ví dụ như dòng cảm ứng địa từ trường sinh ra khi có bão từ, chúng tác động nghiêm trọng nên các hệ thống công nghệ (trong quá khứ, hệ thống truyền tải điện ở Quebec, Canada đã phải đóng cửa hơn chín giờ đồng hồ).[16] 1.1.3. Các đặc trưng của từ trường 1.1.3.1. Cường độ của từ trường trái đất Từ trường trái đất có độ lớn và hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau. Cường độ của từ trường lớn nhất tại các cực từ và yếu hơn ở gần đường xích đạo. Độ lớn của nó vào khoảng nanoteslas (nT) hoặc gauss, với 1 gauss = 100.000 nT. Nó dao động trong khoảng từ 25.000 đến 65.000 nT (hay từ 0,25 đến 0,65 Gauss). [16] Biểu đồ các đường tại đó có cùng giá trị cường độ từ trường gọi là biểu đồ đường đẳng từ. Trong hình 1.2 là biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái 6 đất được ghi nhận năm 2010. Cường độ từ trường nhỏ nhất ở khu vực Nam Mỹ trong khi có cực đại ở phía Bắc Canada, Siberia, và bờ biển của Nam Cực phía nam của Úc. Hình 1.2: Biểu đồ các đường đẳng từ của từ trường trái đất 1.1.3.2. Hướng của từ trường trái đất Từ trường của trái đất có các đường sức từ của trái đất vẽ ra trong không gian đi ra từ cực Nam địa lý và đi vào cực Bắc địa lý. Ở đây, Trái Đất có 2 cực địa từ, không trùng với 2 cực địa lý. Cực Bắc từ có toạ độ 70° Vĩ Bắc và 96° Kinh Tây, trên lãnh thổ Canada, cách cực Bắc địa lý 800 km. Cực Nam từ có toạ độ 73° Vĩ Nam và 156° Kinh Đông ở vùng Nam cực, cách cực Nam địa lý 1000 km. Trục từ trường tạo với trục trái đất một góc 11°. Các từ cực thường có vị trí không ổn định và có thể đảo ngược theo chu kỳ. Do đó bản đồ địa từ cũng phải thường xuyên điều chỉnh (5 năm một lần). Do từ trường trái đất có hướng khác nhau tại các vị trí khác nhau nên để đặc trưng cho định hướng của từ trường trái đất tại một vị trí địa lý bất kỳ, người ta đưa ra khái niệm độ từ khuynh (góc nghiêng từ) và độ từ thiên. Độ từ thiên: là góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý. Kinh tuyến từ là các đường sức từ của trái đất vẽ trên mặt đất. Kí hiệu là D. Ở Việt Nam, độ từ thiên biến đổi từ -1° ở Cao Bằng đến 0° ở Đà Lạt và đạt +1° tại Cà 7 Mau. Các đường đồng giá trị từ thiên trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường đẳng thiên" (xem hình 1.3) Hình 1.3: Biểu đồ đường đẳng thiên Độ từ khuynh: là góc hợp bởi vector từ trường trái đất với mặt phẳng ngang tại vị trí quan sát. Thông thường, độ từ khuynh được xác định thông qua việc sử dụng kim nam châm hướng theo đường sức từ do tác động của lực từ. Do lực của các đường sức trên trái đất không song song với bề mặt đất nên đầu bắc của kim la bàn sẽ chúi xuống ở bắc bán cầu (giá trị dương) và hướng lên ở nam bán cầu (giá trị âm). Các đường đồng giá trị từ khuynh trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường đẳng khuynh" (xem hình 1.4). Tập hợp các điểm có giá trị từ khuynh bằng 0 thì được gọi là xích đạo từ. Hình 1.4: Biểu đồ đường đẳng khuynh Việt Nam là một nước nằm gần đường xích đạo về phía Bắc bán cầu nên đường sức từ trường trái đất sẽ đi vào tâm và và do đó góc nghiêng từ sẽ nhận giá trị dương nhỏ thay đổi từ 0°12’ tại Cà Mau đến 33°26’ tại Cao Bằng. 8 1.1.3.3. Cách xác định từ trường trái đất Ngay cả trong thời đại công nghệ phát triển cao với sự ra đời của các hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hiện đại như hiện nay, khi mà việc dò tìm và xác định vị trí của một đối tượng trên bề mặt trái đất chỉ với một cú nhấp chuột thì mô hình trường địa từ vẫn đóng một vai trò quan trọng, nó được xây dựng thành một hệ thống định vị GPS như là một phương án dự phòng. Mô hình trường địa từ cũng rất quan trọng trong thăm dò khoáng sản và lập bản đồ của các đứt gãy động đất nguy hiểm. [16] Tại bất kỳ vị trí nào, từ trường trái đất cũng có thể được biểu diễn bởi một vector 3 thành phần trong không gian 3 chiều (Hx, Hy, Hz). Trên hình 1.5 là tọa độ tham chiếu cho phép xác định hướng của từ trường trái đất. Trong đó, trục X hướng về phía Bắc từ, trục Y hướng về phía Đông và trục Z hướng vào tâm trái đất. Đây là hệ tọa độ tham chiếu chuẩn quốc tế hướng về tâm trái đất (North- East-Center). Trong đó Hx, Hy nằm trong mặt phẳng nằm ngang và Hz theo phương thẳng đứng hướng xuống. Góc giữa hướng bắc thực (bắc địa lý) và hướng bắc từ (là hướng chỉ phương bắc của kim la bàn) hay góc tạo thành giữa kinh tuyến địa lí (phương bắc nam) và kinh tuyến từ tại điểm đã cho trên mặt đất chính là Độ từ thiên D trong trường hợp này. Giá trị này sẽ dương khi bắc từ nằm về phía đông của bắc địa lý và ngược lại. Hình 1.5: Cách xác định vector từ trường trái đất 9 Độ từ khuynh I là góc nghiêng tạo thành bởi vector từ trường Trái Đất với mặt phẳng nằm ngang tại điểm khảo sát. Tại cực Bắc và Nam, độ từ khuynh có giá trị tương ứng là +90o và -90o. Độ từ thiên, độ từ khuynh và cường độ từ trường F được tính dựa trên các thành phần từ trường vuông góc sử dụng các công thức tính sau: (1.1) (1.2) (1.3) với (1.4) Theo hệ đơn vị quốc tế SI đơn vị từ trường thường sử dụng là Tesla (T). Một số đơn vị từ trường khác như: 1 Gauss = 100.000 nT, 1 gamma = 1 nT, 1 Oerted = (103/4π) Am-1. Để có thể đo đạc và xác định được từ trường trái đất, các cảm biến đo từ trường đòi hỏi phải có độ nhạy và độ phân giải cao, đặc biệt tuyến tính trong vùng từ trường trái đất. 1.2. Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến 1.2.1. Cảm biến flux-gate Cảm biến (sensor/linh kiện) hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, theo nguyên lý sự phụ thuộc của độ từ cảm μ của các vật liệu từ mềm theo trường từ ngoài Happly. Cấu tạo cảm biến gồm một lõi sắt từ mềm, có hình xuyến có độ cảm từ lớn. Một cuộn dây solenoid đóng vai trò là cuộn dây kích thích có dòng điện xoay chiều AC chạy qua cuốn quanh lõi sắt. Cuộn dây này sẽ tạo ra từ trường xoay chiều khép kín chạy vòng quanh lõi sắt từ hình xuyến. Cuộn dây Y D arctg X  Z I arctg H  2 2F H Z  2 2H X Y  10 tín hiệu được cuốn xung quanh lõi sắt từ mềm và cuộn dây kích thích như minh họa trong hình 1.6. Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux-gate Nguyên lý hoạt động của cảm biến: từ trường xoay chiều do cuộn dây kích thích sinh ra sẽ làm xuất hiện từ thông biến thiên và do đó sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng sinh ra trong lòng cuộn dây tín hiệu. Khi không có từ trường ngoài, từ thông tổng cộng trong lòng cuộn dây tín hiệu bằng không. Khi có sự xuất hiện của từ trường ngoài, một trong hai nửa của vòng dây kích thích sẽ sinh ra từ trường cảm ứng cùng chiều với từ trường ngoài. Nửa vòng dây bên kia hiện tượng xảy ra ngược lại. Sự chênh lệch từ thông trong hai nửa vòng dây kích thích này sẽ tạo ra một suất điện động cảm ứng và do đó tạo ra điện áp trong cuộn dây tín hiệu. Điện áp này sẽ tỉ lệ với cường độ của từ trường ngoài. Thông qua việc đo điện áp lối ra của cuộn dây tín hiệu, ta có thể xác định được cường độ từ trường ngoài tác dụng. Ưu điểm của linh kiện loại này là công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, có độ nhạy cao khi làm việc ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, hạn chế của linh kiện loại này là kích thước lớn. Thời gian đáp ứng tín hiệu chậm cỡ khoảng 3 giây. Cấu tạo của cảm biến có lõi sắt từ có độ từ thẩm cao và bị trễ từ nên cảm biến khi trong vùng từ trường thấp cho độ chính xác không cao. Ngoài ra, hệ số trường khử từ lớn cũng là một trong các hạn chế cho việc thiết kế và chế tạo cảm biến loại này. 11 1.2.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879. Khi đặt một từ trường vuông góc lên một tấm bán dẫn đang có dòng điện chạy qua làm xuất hiện hiệu điện thế giữa hai mặt đối diện của bản cực (hình 1.7). Hiệu điện thế này gọi là hiệu điện thế Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall. Khi có một dòng điện chạy qua chất bán dẫn thì sự chuyển động của tất cả các điện tích bị ảnh hưởng bởi lực Lorent: Trong đó, q là điện tích của vật dẫn, v là vận tốc hạt mang điện, B là cảm ứng từ tác dụng vào vật liệu. Trường hợp vật liệu bán dẫn loại n để bỏ qua sự xuất hiện lỗ trống, dưới tác dụng của lực Lorent, các hạt tải sẽ bị lệch phương chuyển động tạo ra điện trường trên hai mặt đối diện trực giao với chiều dòng điện. Điện trường Hall vuông góc với điện trường đặt vào và từ trường. Độ lớn của trường Hall tỷ lệ với độ linh động hạt tải. Độ linh động của hạt tải loại p luôn thấp hơn độ linh động của điện tử. Vì vậy trong cảm biến Hall sử dụng bán dẫn loại n tốt hơn sử dụng bán dẫn loại p. Thế Hall cho bởi công thức:   BI t R V HH (1.5) Trong đó, RH điện trở Hall, I và B là cường độ dòng điện và từ trường, t là chiều dày tấm vật liệu. Từ công thức trên ta có thể tính được từ trường thông qua điện áp Hall thu được. Hình 1.7: (a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall và (b) Cảm biến Hall đo dòng điện 12 Cảm biến Hall thường có vùng nhiệt độ làm việc từ -100°C tới 100°C có thể đo được cả từ trường một chiều và xoay chiều với tần số xoay chiều tới 30 kHz. Dựa trên hiệu ứng này, người ta đã phát triển cảm biến đo từ trường thành nhiều loại cảm biến khác như cảm biến đo góc, đo dòng, đo tốc độ quay bằng cách tổ hợp nhiều cảm biến đơn (hình 1.7b). Các cảm biến Hall đã được thương mại hóa thường làm việc trong từ trường lớn hơn 10-3 mT. Bằng cách tổ hợp nhiều linh kiện trên một thiết bị đo, nó có thể cho độ chính xác của từ trường và góc định hướng lên đến 10-5 mT và 0,5 độ, do đó rất có triển vọng được ứng dụng để phát hiện từ trường trái đất. Thành công nhất của loại cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall thường là đã phát hiện được hạt từ Dynabeads M-280, đường kính 2,8 µm vào năm 2002 bởi Besse và đồng nghiệp. 1.2.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện Hiệu ứng từ-điện gồm 2 loại là hiệu ứng từ-điện thuận và hiệu ứng từ-điện nghịch (hình 1.8) trong đó, hiệu ứng từ-điện thuận là hiệu ứng vật liệu bị thay đổi độ phân cực điện (P) khi đặt trong từ trường ngoài (H) và ngược lại hiệu ứng từ-điện nghịch là hiệu ứng mô men từ của vật liệu bị thay đổi (M) khi chịu tác dụng của điện trường ngoài (E). Hiệu ứng từ-điện đầu tiên được đưa ra bởi P.Curie vào năm 1894 và khái niệm hiệu ứng từ-điện được đưa ra bởi P. Debye năm 1926. Hiệu ứng từ-điện thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ (từ giảo) và sắt điện (áp điện). Cảm biến từ-điện đang được nghiên cứu ứng dụng vào các thiết bị di động, các phương tiện giao thông và các thiết bị định vị khác trên mặt đất. Cảm biến có thể thay thế được các la bàn truyền thống và hơn thế nữa có khả năng hiển thị số tích hợp với các mạch điện tử và có thể khai thác ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. 13 Năm 2007, Junyi Zhai và các đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cứu một loại cảm biến đo từ trường trái đất dựa trên hiệu ứng từ - điện sử dụng vật liệu Metglas/PZT dạng tấm. Những cảm biến này có thể xác định chính xác cả độ lớn và góc định hướng của từ trường. Ngoài ra, chúng hoạt động không cần từ trường làm việc (bias) và được kích thích bởi một dòng xoay chiều nhỏ 10 mA, có độ phân giải từ trường cao 10-9 Tesla và độ phân giải góc 10-5 độ. Hình 1.8: Sơ đồ minh họa vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện và nguyên lý hiệu ứng điện từ thuận 1.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ – điện trở Các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện trở phổ biến là các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện-trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR), các cảm biến van-spin (VS), cảm biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) và cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE), cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), ... Tùy theo mỗi hiệu ứng từ-điện trở được sử dụng mà cấu tạo và thiết kế của mỗi loại cảm biến có đặc trưng riêng. Dưới đây chúng tôi giới thiệu một số loại cảm biến khác nhau. 1.3.1. Cảm biến từ trở khổng lồ Hiệu ứng từ-điện trở (MagnetoResistance - MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường ngoài và được xác định thông qua công thức: 14 ( ) (0) ( ) (0) (%) (0) (0) H R H R MR R        Hiệu ứng thường xuất hiện trong một vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường. 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 1.9: (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 được phát hiện vào năm 1988 bởi Baibich và các đồng nghiệp. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ thường được 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 được biểu hiện dưới dạng điện trở của mẫu giảm cực mạnh từ trạng thái điện trở cao khi không có từ trường ngoài tác dụng sang trạng thái điện trở thấp khi có từ trường ngoài tác dụng. Gần đây, các linh kiện GMR kích thước nanômét đã được chế tạo và sử dụng để khảo sát các đặc trưng cơ bản. Các nghiên cứu chỉ ra mức tín hiệu/nhiễu (S/N) thu được của các linh kiện có nhiều triển vọng đối với việc phát hiện đơn hạt từ. Các công bố cho thấy, cảm biến GMR cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu 15 (S/N) lớn nhất tại tần số thấp cỡ 380 lần và từ trường nhỏ nhất mà cảm biến có thể phát hiện được là khoảng 93nT. 1.3.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng 1.3.2.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng Hiệu ứng từ điện trở (Anisotropic magnetoresistance - AMR) được giáo sư William Thomson, Đại học Glasgow (Scotland, Vương 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 dưới tác dụng của từ trường 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 tương đối giữa cường độ dòng điện và từ trường ngoài hay chiều của độ từ hóa của mẫu có thể được minh họa như hình 1.10. Hình 1.10. Nguồn gốc vật lý của AMR Điện trở của màng mỏng vật liệu có thể xác định thông qua góc  là góc giữa véctơ cường độ dòng điện và véctơ từ độ và hiệu điện thế do hiệu ứng AMR (Ux) được xác định bởi biểu thức: 16 𝑅(𝜃) = 𝜌(𝜃). 𝑙 𝑏𝑑 = 𝑅 + ∆𝑅. 𝑐𝑜𝑠2𝜃 𝑈𝑥 = 𝐼. 𝑙 𝑏𝑑 . (𝜌𝑜 + ∆𝜌𝑐𝑜𝑠 2𝜃) trong đó: ∆ρ = ρp – ρo; ρo là điện trở suất theo phương vuông góc và ρp điện trở suất theo phương song song với màng mỏng; là độ dài của màng mỏng; b là độ rộng của màng mỏng; d là độ dày của màng mỏng; R(p) là điện trở khi véctơ từ độ vuông góc với trục dễ từ hóa; ∆R là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trường ngoài (hình 1.11 a). Hình 1.11. (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 Dựa vào biểu thực điện trở, ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của R vào θ như hình 1.11b. Trong thực tế, các linh kiện từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng màng mỏng sao cho trên màng tồn tại hai phương từ hóa: phương dễ và phương l 17 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 hóa là phương mà sự từ hóa khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (bão hoà ở từ trường cao). 1.3.2.2. Cảm biến dạng mạch cầu điện trở Wheatstone Mạch cầu điện trở Wheatstone được mô tả lần đầu vào năm 1833 bởi Samuel Hunter Christie (1784-1865). Tuy nhiên sau đó Sir Charles Wheatstone (1802-1875) đã đưa 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 phương pháp hiệu nghiệm chính xác khi đo lường giá trị thay đổi của trở kháng. Mạch cầu Wheatstone là mạch điện được sử dụng để đo một điện trở chưa xác định bằng cách so sánh hai nhánh của một mạch cầu, trong đó một nhánh chứa thành phần điện trở chưa xác định. Hình 1.12. (a) Sơ đồ đơn giản của mạch cầu Wheatstone và (b) Mạch cầu Wheatstone dưới tác dụng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng Cấu trúc của một mạch cầu Wheastone bao gồm bốn điện trở R1, R2, R3, R4 được mắc song song với nhau. Một điện kế rất nhạy G đo thế mạch ra. Nguồn điện một chiều được sử dụng cấp vào 2 điểm A, C tạo ra dòng điện trong mạch và điện kế G đo chênh lệch điện thế lối ra giữa hai điểm B, D của cầu. Khi ta cấp một điện thế Vin vào trong mạch thì ta có: 𝑉𝑖𝑛 = 𝑉𝐴𝐵𝐶 = 𝑉𝐴𝐷𝐶 18 Suy ra 𝐼𝐴𝐵𝐶(𝑅1 + 𝑅2) = 𝐼𝐴𝐷𝐶(𝑅3 + 𝑅4) 𝑉𝐴𝐵 = 𝐼𝐴𝐵𝐶𝑅1 = 𝑉𝑖𝑛 𝑅1 + 𝑅2 𝑅1 𝑉𝐴𝐷 = 𝐼𝐴𝐷𝐶𝑅4 = 𝑉𝑖𝑛 𝑅3 + 𝑅4 𝑅4 Khi đó: 𝑉𝐺 = 𝑉𝐴𝐵 − 𝑉𝐴𝐷 = 𝑉𝑖𝑛 𝑅1 + 𝑅2 𝑅1 − 𝑉𝑖𝑛 𝑅3 + 𝑅4 𝑅4 = 𝑅1𝑅3 − 𝑅2𝑅4 (𝑅1 + 𝑅2) (𝑅3 + 𝑅4) 𝑉𝑖𝑛 Dưới tác dụng của từ trường ngoài, do sự đóng góp của từ điện trở dị hướng trên các điện trở nên sẽ thay đổi điện trở thành phần của mạch ∆Ri. Sự biến đổi này dẫn tới sự thay đổi điện thế lối ra: 𝑉𝐺 + ∆𝑉 = (𝑅1 + ∆𝑅1)(𝑅3 + ∆𝑅3) − (𝑅2 + ∆𝑅2)(𝑅4 + ∆𝑅4) (𝑅1 + ∆𝑅1 + 𝑅2 + ∆𝑅2)(𝑅3 + ∆𝑅3 + 𝑅4 + ∆𝑅4) 𝑉𝑖𝑛 Trong trường hợp lý tưởng, nếu mạch ban đầu cân bằng, điện thế lối ra sẽ được biểu diễn như sau: 𝑉𝐺 = 𝑅1𝑅3 − 𝑅2𝑅4 (𝑅1 + 𝑅2)(𝑅3 + 𝑅4) 𝑉𝑖𝑛 = 0 ⟹ 𝑅1𝑅3 = 𝑅2𝑅4 Đặt: 𝑅1 𝑅2 = 𝑅3 𝑅4 = 1 𝑟 Khi đó, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình trên khi có sự thay đổi của điện trở của các thành phần trong mạch cầu với sự thay đổi điện trở là nhỏ theo công thức: 𝑉𝐺 = 𝑟 (1 + 𝑟)2 ( ∆𝑅1 𝑅1 − ∆𝑅2 𝑅2 + ∆𝑅3 𝑅3 − ∆𝑅4 𝑅4 )𝑉𝑖𝑛 (1.6) 19 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. Mạch cầu Wheatstone được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực của đời sống đặc biệt là trong các mạch điện tử như: dùng để đo trở kháng, điện cảm, điện dung trong mạch xoay chiều (AC), cảm biến đo dòng điện, cảm biến đo từ trường nhỏ như từ trường trái đất, từ trường các hạt từ. Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu cảm biến AMR dạng mạch cầu Wheatstone trên vật liệu Ni80Fe20 với các cấu trúc và công nghệ đơn giản hơn, phù hợp với điệu kiện thực tế ở Việt Nam cho ra đời những sản phẩm linh kiện cho độ nhạy tương đương. Cùng với đó, chúng tôi nghiên cứu ứng dụng của linh kiện chế tạo được trong việc phát hiện từ trường thấp như đo góc từ trường trái đất. Vật liệu được lựa chọn để chế tạo linh kiện là Ni80Fe20 là vật liệu từ mềm (Hc < 10 Oe), vật liệu này rất thích hợp để chế tạo linh kiện có độ nhạy cao trong vùng từ trường thấp. Mạch cầu điện trở Wheatstone gồm 4 điện trở bằng nhau nhưng được thiết kế 2 điện trở đối diện có dị hướng hình dạng giống nhau và 2 điện trở liền kề khác nhau. Nhờ vậy, dưới tác dụng của từ trường ngoài tín hiệu lối ra của linh kiện thu được sẽ lớn hơn, có thế nền nhỏ và có tỉ số tín hiệu/nhiễu lớn. 1.4. Kết luận chương 1 Ở chương này chúng tôi đã trình bày tổng quan về từ trường trái đất, giới thiệu các loại cảm biến đo từ trường phổ biến. Giới thiệu cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở, các tính chất đặc trưng của hiệu ứng từ điện trở dị hướng và mạch cầu Wheatstone. 20 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ca-tốt 2.1.1. Thiết bị phún xạ ATC-2000FC Thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính là: buồng phún xạ còn gọi là buồng chính, buồng đệm hay buồng phụ, bảng điều khiển, hệ thống van bơm, hút chân không. Toàn bộ thiết bị được điều khiển thông qua hệ thống máy tính được ghép nối để điều khiển các thông số trong quá trình lắng đọng màng (hình 2.1). Hình 2.1. Thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC Chân không của buồng phún xạ (buồng thứ cấp) có thể đạt đến 10-8 Torr, buồng đệm (buồng sơ cấp) là 10-6 Torr. Nhờ có buồng đệm mà chân không trong buồng chính luôn được giữ ổn định trong quá trình phún và quá trình thao tác mẫu. Chính vì vậy sự ổn định về tính chất của các mẫu luôn được đảm bảo ở các lần chế tạo khác nhau. Bên cạnh đó, trạng thái chân không cao trong buồng chính có thể đạt được trong thời gian ngắn nhờ hiệu suất cao của hệ thống bơm sơ cấp và thứ cấp nên hạn chế rất nhiều khả năng nhiễm bẩn trong buồng phún xạ. 21 Hai buồng chính và phụ được ngăn cách nhau bởi một vách ngăn. Trong quá trình chế tạo mẫu, đế được đưa vào buồng phụ trước, sau đó buồng phụ được hút chân không đến khi áp suất chênh lệch khoảng hai bậc so với buồng chính (áp suất buồng phụ cỡ 2,5×10-5 Torr) thì hệ thống vách ngăn mới được mở và mẫu được chuyển vào buồng chính. Bia là các tấm vật liệu có chiều dày từ 3-6 mm và đường kính 5.08 mm (2 inch). Thiết bị phún xạ ATC-2000FC gồm 6 “súng” cho phép lắp đặt 6 bia vật liệu khác nhau. Các bia vật liệu được sử dụng trong khóa luận gồm có: - Hợp kim sắt từ Ni80Fe20 - Kim loại không từ Cu (99,99%), Ta (99,99%) - Vật liệu cách điện bảo vệ SiO2 Bia vật liệu từ NiFe được phún xạ với các nguồn RF, còn các bia vật liệu không từ được được phún xạ với các nguồn DC. 2.1.2. Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng Quy trình chế tạo mẫu màng mỏng bao gồm các bước: Chuẩn bị đế, phún xạ màng mòng, cách bố trí và quy trình cụ thể được mô tả (bảng 2.1). Bảng 2.1: Quy trình làm sạch đế Si/SiO2 Thứ tự Nội dung Thời gian (phút) Bước 1 Rung siêu âm trong axeton 5 Bước 2 Rung siêu âm trong cồn 5 Bước 3 Rung siêu âm trong nước DI 5 Bước 4 Xì khô và sấy bề mặt 5 Các lớp màng mỏng khác nhau trong các cấu trúc màng ba lớp Ta/NiFe/Ta và Ta/Cu/Ta nghiên cứu được chế tạo sử dụng nguồn một chiều cho lớp Ta và Cu, 22 nguồn xoay chiều cho lớp NiFe. Để đảm bảo cho màng đồng nhất trong suốt quá trình chế tạo, đế giữ mẫu được quay tròn với tốc độ 30 vòng/phút, khoảng cách từ bia tới đế là 5 cm. Các thông số về công suất, áp suất, chiều dày màng được liệt kê cụ thể dưới bảng 2.2. Bảng 2.2. Thông số phún xạ của các lớp Ta/NiFe/Ta Vật liệu màng Chân không cơ sở Pbase (Torr) Áp suất khí Ar (mTorr) Vận tốc quay của đế (prm) Công suất phún (W) Chiều dày màng (nm) Ta 25 10 NiFe 1.310 -7 2,2 30 75 5 Cu 30 60 2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo linh kiện 2.2.1. Quy trình chế tạo linh kiện Trên cơ sở thực nghiệm chế tạo màng mỏng có hiệu ứng từ điện trở ở mục 2.1.2, chúng tôi chế tạo linh kiện dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR theo các quy trình bao gồm từ khâu chuẩn bị đế, quay phủ, quang khắc, phún xạ, đến khâu cuối cùng là hàn điện cực để hoàn thiện linh kiện. Hình 2.2 là sơ đồ mô tả quy trình chế tạo linh kiện AMR. Đây là một loạt các quy trình kết hợp giữa công nghệ quang khắc trong phòng sạch và công nghệ chế tạo màng mỏng từ bằng phương pháp phún xạ. Cuối cùng là bước hàn các dây điện cực của linh kiện vào mạch in, đóng gói và hoàn thiện linh kiện. 23 Hình 2.2. Sơ đồ mô tả các bước cơ bản trong quy trình chế tạo linh kiện 2.2.2. Thiết bị quang khắc MJB4 Hình 2.3. (a) Sơ đồ hệ quang khắc và (b) Thiết bị quang khắc MJB4 Khi chế tạo linh kiện chúng tôi sử dụng máy quang khắc MJB4 (Model suss microtech). Hình 2.3 là thiết bị quang khắc MJB4 có thể tạo ra những vi linh kiện có độ chính xác cao. Máy được trang bị cấu hình quang học cao, có thể thực hiện quang khắc với nhiều bước sóng khác nhau. Cường độ chiếu cực đại khoảng 80 mW/cm2, độ phân giải tối đa là 0,5 µm. 24 Tiếp theo, ta phún xạ thêm một lớp bảo vệ SiO2 trên bề mặt linh kiện để chống các tác nhân hóa học với mặt nạ bảo vệ phủ kín linh kiện và chỉ để lại phần diện tích hàn điện cực. Các linh kiện sau khi chế tạo xong như hình 2.4 được hàn dây nối với mạch in bằng thiết bị hàn dây siêu âm. Hình 2.4. Mặt nạ của cảm biến AMR và cảm biến sau khi hoàn thiện Trong khóa luận này, chúng tôi đã chế tạo cảm biến có kích thước thanh điện trở (50 µm × 250 µm), cấu trúc màng các điện trở là Ta(3nm)/NiFe(5nm). 2.3. Khảo sát tính chất từ điện trở của linh kiện Đo tín hiệu từ điện trở của linh kiện được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi hiệu điện thế lối ra phụ thuộc vào từ trường ngoài. Có hai hệ đo tín hiệu AMR của linh kiện là hệ đo trong từ trường lớn và hệ đo AMR trong từ trường nhỏ. Hệ đo trong từ trường lớn có sơ đồ nguyên lý như đo trên màng AMR được mô tả như hình 2.5. Trong bốn chân của linh kiện: 2 chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một chiều thông qua thiết bị Keithley 6220, 2 chân còn lại để lấy thế lối ra qua thiết bị đo Keithley 2000. Tín hiệu thế lối ra phụ thuộc vào từ trường ngoài được thể hiện trên màn hình. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu