- Trang Chủ
- Tự động hoá
- Nghiên cứu chế tạo cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (PHE) cho độ nhạy cao
Xem mẫu
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DỰA TRÊN HIỆU ỨNG HALL
PHẲNG (PHE) CHO ĐỘ NHẠY CAO
Trần Tiến Dũng*, Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Văn Diễn, Nguyễn Huy Hoàng
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2
*Tác giả liên lạc: trantiendung97@gmail.com
TÓM TẮT
Hệ các cảm biến đo từ trường dạng chữ thập dựa trên hiệu ứng Hall phẳng
(PHE), cấu trúc màng mỏng đơn lớp Ni80Fe20 đã được chúng tôi nghiên cứu và
chế tạo dựa trên thiết bị phún xạ sputtering ATC-2000FC. Các nghiên cứu theo
hướng tối ưu hóa cấu trúc, hình dạng cảm biến với mục đích tăng cường độ nhạy
theo từ trường, bao gồm cảm biến có các kích thước: 1×5 mm2 , 1×7 mm2, 1×10
mm2 và có độ dày lớp màng mỏng từ tính khác nhau 5, 10, 15 nm. Kết quả nghiên
cứu cho thấy, độ nhạy của cảm biến phụ thuộc mạnh vào tính dị hướng hình dạng
và bề dày của lớp NiFe. Tính dị hướng hình dạng càng lớn, bề dày lớp màng NiFe
càng mỏng thì độ nhạy cảm biến càng cao. Độ nhạy lớn nhất đạt được trên cảm
biến chữ thập có kích thước 1×10 mm2, có bề dày 5 nm cho giá trị S(H)max = 0,1
mV/Oe, tại dòng cấp 5 mA, tương đương với độ nhạy 20 mΩ/Oe. Với qui trình
công nghệ chế tạo đơn giản, cấu trúc màng đơn lớp nhưng độ nhạy của cảm biến
có thể so sánh được với các cảm biến có cùng loại, cùng chức năng được chế tạo
từ màng đa lớp rất phức tạp như cảm biến cấu trúc van-spin (VS), cảm biến từ
điện trở xuyên hầm (TMR), từ điện trở dị hướng (AMR) đã công bố.
Từ khóa: Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), hiệu ứng Hall phẳng (PHE).
RESEARCH, MANUFACTURING HIGH SENSITIVITY SENSOR
BASED ON PLANAR HALL EFFECT (PHE)
Tran Tien Dung*, Nguyen Van Ha, Nguyen Van Dien, Nguyen Huy Hoang
Hanoi Pedagogical University 2
*Corresponding Author: trantiendung97@gmail.com
ABSTRACT
Cross-shape sensors measure magnetic field based on planar Hall effect, single
layer Ni80Fe20 thin film has been designed and fabricated by sputtering ATC-
2000FC. Optimizing the structure and shape of the sensor for the purpose of
enhancing the sensitivity of sensor, sensors: 1 × 5 mm2, 1 × 7 mm2, 1 × 10 mm2
and thickness of 5, 10, 15 nm. The results showed that the sensitivity of the sensor
is depended on the shape magnetic anisotropy and thickness of permalloy film.
The greater the shape anisotropy, the thinner the permalloy film, the higher the
sensitivity of the sensor. The highest sensitivity achieved on a 1 × 10 mm2 sensor
cross-shaped geometry, with 5 nm-thickness, gives a value of S(H)max = 0.1
mV/Oe, at a supplied currents of 5 mA, equivalent to sensitivity 20 mΩ/Oe. Simple
fabrication process, the sensitivity of the sensor still can be compared to others
sensor has the same type, and the same functions are made of complex multi-
layer membranes such as: sensors spin valve structure (VS), Tunnelling
magnetoresistance (TMR), AMR announced.
Keywords: Anisotropic magnetoresistance effect (AMR), Planar Hall effect
(PHE).
478
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
TỔNG QUAN liệu permalloy để chế tạo cảm biến đo
Hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall từ trường thấp với cấu trúc chữ thập, sử
effect - PHE), trong đó sự thay đổi điện dụng màng đơn lớp Ni80Fe20 dựa trên
trở của vật liệu dưới tác dụng của từ hiệu ứng Hall phẳng. Theo cách bố trí
trường ngoài phụ thuộc vào góc giữa này, khi ta cấp một dòng điện theo
vector từ độ M và chiều dòng điện I. phương x là Ix vào cảm biến thì hiệu
Có nhiều loại cảm biến đo từ trường điện thế lối ra của cảm biến là Vy theo
hoạt động dựa trên các hiệu ứng từ- phương vuông góc với trục x được xác
điện trở khác nhau, trong đó, các cảm định thông qua biểu thức:
biến có hiệu ứng lớn thường được sử Vy = Ix∆Rsinθcosθ
dụng với các cấu trúc dạng màng đa trong đó, ∆R = (ρ// - ρ┴)/t, với t là chiều
lớp khá phức tạp sử dụng các công dày của lớp màng từ tính, ρ// và ρ┴ là
nghệ hiện đại, thiết bị đắt tiền như hiệu điện trở suất khi đo theo phương song
ứng từ điện trở khổng lồ cấu trúc spin- song và vuông góc với phương từ hóa
van, từ điện trở xuyên ngầm (TMR), từ dễ của mẫu, θ là góc giữa vector từ độ
điện trở dị hướng (AMR)… Khi và chiều dòng điện.
nghiên cứu trên màng đa lớp
NiFe/IrMn, NiFe/Cu/NiFe, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NiFe/Cu/NiFe/IrMn, các cảm biến NGHIÊN CỨU
Hall dạng chữ thập cho độ nhạy lớn Mỗi cảm biến gồm 2 thanh điện trở
nhất đạt cỡ 19,86 µV/Oe, các cảm biến giống nhau đặt vuông góc dạng chữ
dạng mạch cầu cho độ nhạy lớn hơn cỡ thập. Các loại cảm biến có kích thước
100 lần (150 μV/Oe) được công bố bởi khác nhau, bao gồm: 1×5; 1×7 và 1×10
A. D. Henriksen. Việc đơn giản hóa mm2 với chiều dày lớp màng từ tính
qui trình công nghệ, giảm chi phí chế NiFe là t = 5, 10 và 15 nm đã được chế
tạo mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu tạo bằng thiết bị quang khắc MJB4 sử
ứng dụng đo từ trường thấp là mục đích dụng mặt nạ polymer và thiết bị phún
của cảm biến hướng đến đích thương xạ catốt ATC-2000FC. Điện cực được
mại hóa sản phẩm. Tiếp cận theo mục chế tạo bằng vật liệu Cu. Quy trình chế
tiêu này, nhóm chúng tôi kết hợp với tạo cảm biến được mô phỏng như hình
nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm 1. Các phép khảo sát tính chất từ và tín
Micro-nano, Đại học Quốc gia Hà Nội hiệu Hall của cảm biến đã được thực
đã khai thác thuộc tính từ mềm của vật hiện tại nhiệt độ phòng.
Hình 1. (a) Quy trình chế tạo cảm biến sử dụng các mặt nạ điện trở (a), mặt nạ
điện cực (b), ảnh chụp cảm biến (c)
479
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
Trong nghiên cứu của mình, để tạo ra dốc, từ trường bão hòa nhỏ (HS ~ 5
phương từ hóa dễ, màng từ tính được Oe), lực kháng từ nhỏ (Hc ˂ 5 Oe).
tạo ra bằng phương pháp phún xạ và Tính chất từ mềm trên các màng có bề
được nuôi bởi từ trường ghim (Hbias = dày khác nhau thì khác nhau. Lớp
900 Oe) dọc theo phương y của cảm màng NiFe có bề dày thấp nhất t = 5
biến trong suốt quá trình chế tạo. Khi nm cho tính chất từ tốt nhất thể hiện
khảo sát tín hiệu, từ trường ngoài Happly bởi đường cong từ trễ tỉ đối dốc nhất,
được đặt dọc theo trục x của cảm biến. mômen từ bão hòa nhỏ nhất và lực
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự kháng từ thấp nhất. Tính chất dị hướng
thay đổi từ độ theo từ trường dẫn đến từ phụ thuộc vào hình dạng, kích thước
sự thay đổi điện trở do hiệu ứng Hall và chiều dày lớp màng NiFe đã chỉ ra
sẽ tạo ra sự thay đổi điện áp lối ra Vy phù hợp với các nghiên cứu trên cùng
phụ thuộc vào từ trường. Đây chính là hệ vật liệu đã được công bố trước đây
nguyên lý hoạt động của cảm biến bởi Nhóm. Kết quả này là cơ sở cho
trong báo cáo này. Các nghiên cứu đã việc tối ưu chiều dày lớp màng NiFe để
được thực hiện theo hướng chuẩn hóa chế tạo các cảm biến cho độ nhạy cao
quy trình công nghệ chế tạo, tối ưu trong vùng từ trường nhỏ. Do đó, khi
chiều dày màng, kích thước thanh điện chế tạo cảm biến, chúng tôi cố định
trở để tăng cường dị hướng hình dạng chiều dày lớp màng NiFe, t = 5 nm
cho ra các sản phẩm cảm biến có độ trong các nghiên cứu của mình.
nhạy cao trong vùng từ trường thấp. Độ nhạy cảm biến Hall phẳng phụ
thuộc vào hình dạng cảm biến
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Từ việc nghiên cứu tính chất từ, chúng
Tính chất từ của phụ thuộc vào tính tôi khảo sát tín Hall phẳng theo từ
dị hướng hình dạng cảm biến và bề trường một chiều với các cảm biến có
dày lớp màng NiFe kích thước khác nhau là 1×5, 1×7 và
Các cảm biến được định hướng theo 1×10 mm2, bề dày lớp màng NiFe là 15
phương từ hóa dễ trong từ trường HBias nm. Dòng điện cấp cho các cảm biến là
= 900 Oe và cùng bề dày t = 5 nm 5 mA theo phương vuông góc với trục
nhưng có tỉ số dài/rộng khác nhau. Các cảm biến và song song với từ trường
thanh điện trở của cảm biến có bề rộng ngoài. Kết quả đường cong
W = 1 mm nhưng chiều dài thay đổi L
(mV/Oe) với các mẫu khác nhau theo
= 5, 7 và 10 mm. Tính chất từ được thể
từ trường ngoài được mô tả như hình 2.
hiện qua đường cong từ trễ của các
Từ đường cong ta thấy, cảm biến có
mẫu, so sánh giữa các mẫu, với thiết kế
chiều dài L = 10 mm cho độ nhạy lớn
1×10 mm2 với tỉ số kích thước dài/rộng
nhất (S(H)max = 0,07 mV/Oe) gấp 1,5
là L/W = 10 cho tính chất từ mềm với
lần độ nhạy của cảm biến có L = 5 mm
lực kháng từ nhỏ nhất.
(S(H)max = 0,045 mV/Oe).
Cảm biến có kích thước 1 × 10 mm2,
Kết quả này giống với quy luật nghiên
được lựa chọn để khảo sát sự phụ thuộc
cứu tính chất từ phụ thuộc vào tính dị
vào bề dày lớp màng NiFe. Ở đây lớp
hướng hình dạng của cảm biến đã chỉ
màng có bề dày khác nhau là t = 5, 10,
ra ở phần trên. Kết quả nghiên cứu của
15 nm. Kết quả cho thấy, các cảm biến
phần thí nghiệm này là cơ sở để thực
đều thể hiện tính chất từ mềm rất tốt
hiện các khảo sát tiếp theo.
thể hiển bởi đường cong từ trễ tỉ đối
480
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
Hình 2. Đường cong độ nhạy của các cảm biến với kích thước khác nhau, bề
dày 15 nm, tại dòng cấp 5 mA
Độ nhạy cảm biến Hall phẳng phụ (mm×mm×nm), cảm biến cho độ nhạy
thuộc vào bề dày màng từ trường lớn nhất S(H)max = 0,1
Từ kết quả nghiên cứu tín hiệu Hall mV/Oe. Sử dụng cảm biến tối ưu để
phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng khảo sát đáp ứng góc của từ trường trái
ở trên, ta sẽ chọn cảm biến loại 1×10 đất. Kết quả cho thấy tín hiệu ra của
mm2 để khảo sát sự phụ thuộc vào bề cảm biến thay đổi tuần hoàn theo hàm
dày lớp màng NiFe. Các cảm biến cosin, chu kì 2, thể hiện theo quy luật:
được chọn có bề dày là t = 5, 10, 15 Vra = Voffset + V0cos(α); V0 là giá trị tín
nm. Kết quả cho thấy vùng tuyến tính hiệu ra lớn nhất của cảm biến và V0 =
của tín hiệu nằm trong dải từ trường rất 0.012 mV, Voffset = 0,641 mV.
nhỏ cỡ -10 Oe đến +10 Oe. Cảm biến đã chế tạo có thể so sánh
được với các cảm biến có cùng chức
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ năng sử dụng công nghệ và cấu trúc vật
Với quy trình công nghệ chế tạo đơn liệu phức tạp.
giản, cảm biến từ dạng chữ thập dựa Các kết quả nghiên cứu này có tiềm
trên hiệu ứng Hall phẳng, sử dụng năng để phát triển nghiên cứu hoàn
màng đơn lớp NiFe đã được chế tạo thiện cảm biến từ hướng tới ứng dụng
thành công nhờ kết hợp tối ưu chiều đo từ trường thấp và phát hiện hạt từ
dày và kích thước của cảm biến. Với ứng dụng trong Y – Sinh học.
thiết kế thanh điện trở 1×10×5
TÀI LIỆU THAM KHẢO
BUI DINH TU, LE VIET CUONG, TRAN QUANG HUNG, DO THI HUONG
GIANG, TRAN MAU DANH, NGUYEN HUU DUC, AND CHEOLGI
KIM. Optimization of Spin-Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar
Hall Effect Based Biochips. IEEE Transactions on Magnetics 45, pp. 2378
– 2382 (2009).
TRAN QUANG HUNG, JONG-RYUL JEONG, DONG-YOUNG KIM,
NGUYEN HUU DUC AND CHEOL GI KIM. Hybrid planar Hamm-
magnettoresistance sensor based on tilted cross-junction, J. Appl. Phys.
42, p. 055007, (2009).
481
nguon tai.lieu . vn
