Luận án Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro-nano dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hướng
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
_____________________
LÊ KHẮC QUYNH
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG CÓ KÍCH
THƯỚC MICRO-NANO DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN
HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ
Hà Nội – 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
________________________
LÊ KHẮC QUYNH
ĐẠI HỌC HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
________________________
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG CÓ KÍCH
THƯỚC MICRO-NANO DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN
HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG
Chuyên ngành:
Vật liệu và linh kiện nanô
Mã số:
944012801.QTD
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Đỗ Thị Hương Giang
2. TS. Trần Mậu Danh
Hà Nội – 2020
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Đỗ Thị
Hương Giang, TS Trần Mậu Danh, những người thầy, người cô đã hướng dẫn tận tình, đầy
hiệu quả, đã trau dồi cho em những kiến thức đại cương và chuyên sâu về lĩnh vực nghiên
cứu, thường xuyên dành cho em sự chỉ bảo, giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần trong suốt
quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Sự nhiệt huyết và động viên kịp thời của các thầy
cô là động lực quan trọng đã giúp em hoàn thành luận án, có những lúc tưởng chừng như
em đã bỏ cuộc.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS. TS. NGND Nguyễn Hữu Đức, TS Bùi Đình Tú,
những người thầy đã theo dõi, khuyến khích việc nghiên cứu của em và đóng góp nhiều ý
kiến chuyên môn sâu sắc cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ
nanno; thầy, cô trong Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường Đại
học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã có nhiều giúp đỡ NCS về cả chuyên môn và
cơ sở vật chất. Em xin cảm ơn các anh chị nghiên cứu sinh, học viên cao học trong khoa đã
tham gia thảo luận, góp ý nhiều vấn đề chi tiết trong quá trình nghiên cứu đề tài.
Trong quá trình triển khai nghiên cứu, NCS đã nhận được sự giúp đỡ to lớn của cơ
quan nhà nước, các phòng, viện nghiên cứu khoa học. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân
thành tới: Phòng Đào tạo Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội; Khoa Vật
lý, Phòng Đào tạo, Phòng Tổ chức Hành chính, Trường ĐHSP Hà Nội 2.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các anh em, bạn bè gần xa và người
thân trong gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện để luận án được hoàn thành.
Luận án này được thực hiện với sự tài trợ kinh phí từ các Đề tài Khoa học công nghệ
cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QG.16.26, QG.16.89.
Tác giả luận án
Lê Khắc Quynh
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận án là trung thực. Các nội dung liên quan đến công bố chung sử dụng trong luận
án đã được cho phép của các đồng tác giả.
Tác giả luận án
Lê Khắc Quynh
Mục lục
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..........................................................................ii
MỞ ĐẦU............................................................................................................................. 1
TRƯỜNG...................... ..................................................................................................... 4
1.1. Tổng quan về vật liệu sắt từ ....................................................................................4
1.1.1. Vật liệu sắt từ ...................................................................................................4
1.1.2. Vật liệu sắt từ mềm NiFe ...............................................................................10
1.1.3. Vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở dị hướng......................................................12
1.2.6. Hiện tượng nhiễu trong các cảm biến ............................................................23
1.3.1. Mạch cầu điện trở Wheatstone.......................................................................27
1.3.2. Ưu điểm của mạch cầu Wheatstone...............................................................28
1.4. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu.......................................................32
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu.....................................................................................32
1.4.2. Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................................33
1.4.3. Nội dung nghiên cứu......................................................................................33
1.5. Kết luận Chương 1 .................................................................................................34
2.1. Chế tạo màng mỏng và cảm biến ..........................................................................35
2.1.1. Thiết kế và chế tạo mặt nạ cảm biến..............................................................36
2.1.2. Quang khắc chế tạo cảm biến.........................................................................43
2.1.3. Phún xạ màng mỏng.......................................................................................47
2.1.4. Hàn dây cho thiết bị cảm biến........................................................................50
2.2. Đo đạc và khảo sát đặc trưng của cảm biến ........................................................52
2.2.1. Khảo sát cấu trúc và vi cấu trúc .....................................................................52
2.2.2. Khảo sát tính chất từ của vật liệu màng mỏng...............................................55
2.2.3. Khảo sát tính chất từ-điện trở.........................................................................58
2.3. Kết luận Chương 2 .................................................................................................61
3.1. Nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc của màng NiFe ............................................62
3.2. Nghiên cứu tính chất từ của màng mỏng NiFe....................................................65
3.2.1. Sự phụ thuộc vào từ trường ghim (Hpinned).....................................................65
3.2.2. Sự phụ thuộc vào hình dạng...........................................................................66
3.2.4. Sự phụ thuộc vào chiều dày ...........................................................................68
3.3. Tính chất từ-điện trở trên màng mỏng NiFe .......................................................70
3.3.1. Sự phụ thuộc vào từ trường ghim (Hpinned).....................................................70
3.3.3. Sự phụ thuộc vào chiều dày ...........................................................................73
3.4. Kết luận Chương 3 .................................................................................................75
4.2. Chế tạo cảm biến với cấu trúc tối ưu....................................................................85
4.2.1. Cảm biến kích thước milimet (nhóm 1).........................................................85
4.2.3. Cảm biến kích thước micromet (nhóm 3) ......................................................88
nhạy cảm biến ..............................................................................................................90
lên tín hiệu điện áp và độ nhạy cảm biến.....................................................................95
điện trở lên tín hiệu điện áp và độ nhạy cảm biến.......................................................99
4.4. Kết luận Chương 4 ...............................................................................................102
5.1. Cảm biến đo hướng từ trường của Trái đất ......................................................104
5.1.1. Lựa chọn cảm biến.......................................................................................104
5.1.2. Thực nghiệm và kết quả...............................................................................105
5.2. Cảm biến sinh học ................................................................................................108
5.2.1. Cảm biến phát hiện hạt từ tính nano ............................................................108
5.2.2. Cảm biến phát hiện phần tử sinh học...........................................................113
5.3. Kết luận Chương 5 ...............................................................................................119
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................121
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
127].....................................................................................................................................11
từ trường cấu trúc màng mỏng nano dựa trên vật liệu sắt từ..............................................24
được nghiên cứu trong luận án. ..........................................................................................36
Bảng 2.3. Các bước làm sạch đế Si/SiO2...................................................................49
biến nghiên cứu trong luận án. ...........................................................................................51
màng nano NiFe với chiều dày khác nhau .........................................................................70
i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
sắt từ theo từ trường [2]........................................................................................................5
phẳng (a) và vuông góc với mặt phẳng (b)...........................................................................7
hóa (a) và trục dễ từ hóa (b) [99]..........................................................................................8
vùng không gian của lõi và bề mặt.......................................................................................9
mỏng NiFe..........................................................................................................................11
dụng lên linh kiện GMR (b). ..............................................................................................14
ứng (b) [15].........................................................................................................................16
theo góc θ (b) [102]. ...........................................................................................................20
ii
(b) [42]................................................................................................................................29
song với trục dễ và vuông góc với dòng điện - ρorth (b). ....................................................31
hình cảm biến cấu trúc tổ hợp NT-SS (c)...........................................................................32
Hình 2.1. Quy trình chế tạo cảm biến, linh kiện........................................................35
Hình 2.2. Ảnh hệ khắc laser fiber..............................................................................37
phỏng cảm biến khi hoàn thiện (c). ....................................................................................38
mặt nạ điện trở (a) và mặt nạ điện cực (b)..........................................................................39
biến sau khi hoàn thiện (c)..................................................................................................41
(b) và minh họa cảm biến hoàn thiện (c)............................................................................42
Hình 2.9. Các bước quang khắc trong luận án [7].....................................................44
Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội...............................................................................46
nghệ Micro-Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội...........................................................48
iii
ĐHQG Hà Nội....................................................................................................................52
xạ cực đại (b). .....................................................................................................................53
phần mềm. ..........................................................................................................................57
phương song song và trực giao với trục dễ từ hóa. ............................................................66
dạng khác nhau...................................................................................................................67
theo phương dễ và phương khó từ hóa.................................................................................67
iv
chiều dài khác nhau, chiều rộng 1 mm...............................................................................68
từ 5 ÷ 20 nm (c, d )..............................................................................................................69
thuộc tỷ lệ chiều dài/chiều rộng (c). ...................................................................................77
nối khác nhau (b)................................................................................................................79
theo tọa độ (c).....................................................................................................................80
μm2 (c,d) và 6 thanh điện trở 2 loại trên ghép gần nhau (e). ..............................................82
v
kích thước tương đương. ....................................................................................................83
các dạng: đơn thanh (a), 3 thanh nối tiếp (b) và 9 thanh NT-SS (c). .................................84
S2-3-s (b) [6], S2-5-s (c) [6] và tổ hợp NT-SS S2-6-sp (d) [1]...................................................87
của cảm biến nhóm 3: loại S3-6-s (a), loại S3-18-sp (b). ..........................................................89
NiFe khác nhau tNiFe = 5, 10 và 15 nm, đo tại dòng cấp 5 mA...........................................91
cảm biến có W = 1 mm và L khác nhau, đo tại dòng cấp 5 mA. .......................................92
cảm biến S1-3 theo từ trường ngoài.....................................................................................93
dòng cấp khác nhau (b) [4, 95]...........................................................................................96
kháng từ của các cảm biến tương ứng (b), đo tại 0,1 mA. .................................................96
biến nhóm 2 loại S2-3-s, S2-5-s so sánh với S2-1-s đo tại 0,2 mA............................................97
vi
(b) được đo trên cảm biến nhóm 3, loại S3-18-sp so sánh với loại S3-6-s. ............................101
điện, đo tại dòng cấp 5 mA...............................................................................................107
Trái đất khi được nuôi bởi từ trường nhờ cuộn Helmholtz. .............................................107
Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. ......................................................................................109
Từ độ đo được với các lượng hạt từ khác nhau tại 100 Oe (b).........................................109
biến S2-6-sp. ........................................................................................................................112
streptavidin lên sợi ADN đích có gắn biotin trên thẻ SPA (b).........................................115
hạt từ streptavidin (26 % là Fe3O4) đo trên thẻ SPA (b). .................................................116
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
2 chiều
2D
3D
α
3 chiều
Góc giữa từ độ và phương dễ từ hóa
Độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ cực đại
Góc giữa từ độ và ứng suất tác dụng
Tỉ số điện trở
β
γ
ɛ
η
Khối lượng riêng
Góc giữa từ độ và chiều dòng điện
Độ cảm từ
χ
λs
λ
Hệ số từ giảo bão hòa
Bước sóng tia X
o
B
ρ
Độ từ thẩm của chân không
Độ từ thẩm của vật liệu
Điện trở suất
∆
ρp
ρorth
Hiệu điện trở suất
Điện trở suất theo phương dễ
Điện trở suất theo phương khó
ρ0
Điện trở suất ban đầu (khi từ trường ngoài bằng 0)
ρH
σ
Điện trở suất khi đặt trong từ trường ngoài có cường độ H tác dụng
Ứng suất
б
Góc giữa tia X và mặt phẳng mẫu
Góc từ trường Trái đất và dòng điện
φ
16S rARN Tên gen Axit Ribonucleic 16S ribosome
ae Bán trục lớn của elip
ix
ADN Phân tử mang thông tin di truyền (Axit Deoxiribonucleic)
AMR Từ-điện trở dị hướng
APTES Dung dịch (3-Aminopropyl)triethoxysilane
be
B
Bán trục nhỏ của elip
Cảm ứng từ
(BH)max Tích năng lượng từ cực đại
Beff
d
Cảm ứng từ hiệu dụng
Khoảng cách giữa 2 mặt phẳng nguyên tử
Kích thước tinh thể
D
DC
Nguồn 1 chiều
ĐHCN Đại học Công nghệ
ĐHQG Đại học Quốc gia
EA
Hướng/trục dễ từ hóa
Ea
Năng lượng dị hướng từ tinh thể
Eelastic Năng lượng dị hướng từ đàn hồi
Ehd
Năng lượng dị hướng hình dạng
Dải tần số
∆f
FFM Sắt từ tự do
FM
Chất sắt từ (từ tính)
GMR Từ-điện trở khổng lồ
HA
H
Hướng khó từ hóa
Cường độ từ trường
Cường độ từ trường ngoài
Lực kháng từ
Happ
Hc
Hd
Từ trường khử từ
Hk
Từ trường dị hướng
x
⃗⃗⃗⃗
퐻표
Từ trường ban đầu
Hs
Từ trường bão hòa từ
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
퐻푝푎푟
Từ trường của các hạt từ
Hpinned Cường độ từ trường ghim
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
퐻푡표푡
Từ trường tổng cộng
Hearth Từ trường của Trái đất
h
Từ trường tán xạ của các hạt từ
I
Cường độ dòng điện
IDC
K
Cường độ dòng một chiều
Hằng số dị hướng từ đơn trục
Hằng số Boltzmann
kB
L
Chiều dài thanh điện trở
Chiều dài hiệu dụng
Leff
Lex
Độ dài tương tác trao đổi
LPTM Lập phương tâm mặt
LPTK Lập phương tâm khối
푚⃗⃗
Mômen từ nguyên tử
Từ độ
M
Ms
Mr
Từ độ bão hòa kĩ thuật
Từ dư
MNPs Các hạt từ tính nano
n
Số dãy điện trở mắc nối tiếp
n’
N
Số nguyên
Hệ số trường khử từ
Số vòng dây
N’
xi
ns
Số dãy điện trở mắc nối tiếp (dùng trong trường hợp riêng)
Số thanh điện trở ghép song song trong 1 dãy
Hệ số trường khử từ theo phương bán trục lớn của elip
Hệ số trường khử từ theo phương bán trục nhỏ của elip
Chất không từ tính
np
Na
Nb
NM
NT-SS Nối tiếp-song song
PCR Phản ứng/phương pháp khuếch đại gen (Polymerase chain reaction)
PDMS Dung dịch Poly dimethyl siloxane
PFM Sắt từ bị ghim
PHE Hiệu ứng Hall phẳng
PM
Lớp ghim từ
PTN Phòng Thí nghiệm
q
Điện tích
R
Điện trở
∆R
RDC
RF
Rp
Hiệu điện trở
Điện trở ứng với dòng 1 chiều
Nguồn xoay chiều
Điện trở theo phương dễ
Điện trở theo phương khó
Điện trở ban đầu (khi từ trường ngoài bằng 0)
Rorth
R0
RH
Rtđ
Điện trở khi đặt trong từ trường ngoài có cường độ H tác dụng
Điện trở tương đương
Sφ
Độ nhạy góc dV/d훼
Độ nhạy dV/dH
SH
S*H
Độ nhạy dV/V.dH
xii
Tải về để xem bản đầy đủ
161 trang
15440
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu chế tạo cảm biến từ trường có kích thước micro-nano dạng cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng từ - điện trở dị hướng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_an_nghien_cuu_che_tao_cam_bien_tu_truong_co_kich_thuoc.pdf
