Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Công Nghệ Micro-Nano Chế Tạo Tổ Hợp Cảm Biến Từ

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu ứng dụng công nghệ micro nano trong chế tạo tổ hợp cảm biến từ, mở ra hướng đi mới cho công nghệ cảm biến.

• Tác giả: Đồng Quốc Việt
• Người hướng dẫn: TS. Trần Mậu Danh
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật Liệu Và Linh Kiện Nano
• Đề tài: Ứng Dụng Công Nghệ Micro – Nano Chế Tạo Tổ Hợp Cảm Biến Từ
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến
• 1.1.1. Cảm biến flux - gate
• 1.1.2. Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall
• 1.1.3. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện
• 1.2. Nhiễu cảm biến
• 1.3. Cảm biến đo từ trường bằng hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR)
• 1.3.1. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng
• 1.3.2. Mạch cầu điện trở Wheatstone
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp chế tạo cảm biến
• 2.1.1. Xử lý bề mặt mẫu
• 2.1.2. Chế tạo mặt nạ và hốc chứa cảm biến
• 2.1.3. Phún xạ tạo màng
• 2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến
• 2.2.1. Khảo sát tính chất từ của cảm biến
• 2.2.2. Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến
• 2.2.3. Hệ khảo sát đáp ứng góc của cảm biến từ trường
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone
• 3.2. Khảo sát ảnh hưởng kích thước đơn thanh trong mạch cầu Wheatstone lên tính chất của cảm biến
• 3.2.1. Tính chất từ của cảm biến 1×5 mm và cảm biến 1×3 mm
• 3.2.2. Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến 1×5 mm và cảm biến 1×3 mm
• 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày màng NiFe lên tính chất của cảm biến 1×5 mm
• 3.2.3.1. Khảo sát tính chất từ của hệ cảm biến 1×5 mm
• 3.2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng chiều dày màng NiFe lên tính chất từ điện của cảm biến 1×5 mm
• 3.3. Khảo sát tính chất từ của cảm biến 3 thanh điện trở
• 3.3.1. So sánh tính chất của cảm biến 3 thanh và cảm biến đơn thanh
• 3.3.2. Khảo sát tính chất từ của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm
• 3.3.3. Khảo sát tính chất từ - điện trở của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm
• 3.3.4. Khảo sát bề dày màng NiFe tới tính chất của cảm biến 3 thanh
• 3.4. Khảo sát đáp ứng góc của cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR với từ trường trái đất
• 3.4.1. Khảo sát từ trường làm việc của cảm biến
• 3.4.2. Sự phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào định hướng của từ trường trái đất
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng công nghệ micro nano trong cảm biến từ

Công nghệ micro-nano đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc chế tạo các thiết bị cảm biến từ. Các cảm biến từ đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như y sinh, môi trường và công nghiệp. Việc áp dụng công nghệ này giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của cảm biến, đồng thời giảm thiểu kích thước và trọng lượng của thiết bị. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu nano có thể nâng cao hiệu suất của cảm biến từ, mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Công nghệ micro nano và vai trò trong cảm biến từ

Công nghệ micro-nano cho phép chế tạo các cảm biến từ với kích thước nhỏ gọn và hiệu suất cao. Các vật liệu nano như NiFe được sử dụng để tạo ra các cảm biến có độ nhạy cao, giúp phát hiện từ trường với độ chính xác lớn. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của cảm biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.2. Lợi ích của cảm biến từ thông minh trong công nghiệp

Cảm biến từ thông minh được chế tạo từ công nghệ micro-nano mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp. Chúng có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, độ bền cao và khả năng phát hiện chính xác các thay đổi nhỏ trong từ trường. Điều này giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

II. Thách thức trong việc chế tạo cảm biến từ bằng công nghệ nano

Mặc dù công nghệ nano mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc chế tạo cảm biến từ vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như nhiễu từ, độ ổn định của vật liệu và khả năng tương thích giữa các thành phần là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, nhiễu nhiệt có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến, làm giảm hiệu suất của thiết bị.

2.1. Nhiễu và ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến

Nhiễu là một trong những vấn đề lớn nhất trong việc chế tạo cảm biến từ. Nhiễu nhiệt và nhiễu tần số 1/f có thể làm giảm độ chính xác của tín hiệu lối ra. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp giảm thiểu nhiễu là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất của cảm biến từ.

2.2. Độ ổn định của vật liệu nano trong cảm biến

Độ ổn định của vật liệu nano là một yếu tố quan trọng trong việc chế tạo cảm biến từ. Các vật liệu như NiFe cần phải được kiểm tra kỹ lưỡng về độ bền và khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Việc phát triển các phương pháp chế tạo và xử lý bề mặt có thể giúp cải thiện độ ổn định của cảm biến.

III. Phương pháp chế tạo cảm biến từ bằng công nghệ micro nano

Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo cảm biến từ sử dụng công nghệ micro-nano. Các phương pháp này bao gồm xử lý bề mặt, phún xạ tạo màng và chế tạo mặt nạ. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

3.1. Xử lý bề mặt mẫu để tăng cường độ nhạy

Xử lý bề mặt mẫu là một bước quan trọng trong quá trình chế tạo cảm biến từ. Việc cải thiện bề mặt có thể giúp tăng cường độ nhạy và giảm thiểu nhiễu. Các kỹ thuật như mạ điện và phún xạ có thể được áp dụng để tạo ra các lớp vật liệu nano có tính chất từ tốt hơn.

3.2. Phún xạ tạo màng cho cảm biến từ

Phún xạ là một phương pháp hiệu quả để tạo ra các lớp màng mỏng cho cảm biến từ. Phương pháp này cho phép kiểm soát độ dày và tính chất của lớp màng, từ đó cải thiện độ nhạy và độ ổn định của cảm biến. Việc nghiên cứu các thông số phún xạ cũng rất quan trọng để đạt được kết quả tốt nhất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến từ chế tạo bằng công nghệ nano

Cảm biến từ chế tạo bằng công nghệ nano đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ y sinh đến bảo vệ môi trường, các cảm biến này giúp theo dõi và phát hiện các thay đổi trong từ trường một cách chính xác. Nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến từ có thể được sử dụng để phát hiện các bệnh lý trong y học và giám sát ô nhiễm môi trường.

4.1. Ứng dụng trong y sinh học

Cảm biến từ có thể được sử dụng trong y sinh học để phát hiện các bệnh lý và theo dõi sức khỏe. Việc sử dụng cảm biến từ giúp nâng cao độ chính xác trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân.

4.2. Ứng dụng trong bảo vệ môi trường

Cảm biến từ cũng có thể được sử dụng để giám sát ô nhiễm môi trường. Chúng giúp phát hiện các thay đổi trong từ trường liên quan đến ô nhiễm, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho các cơ quan chức năng trong việc bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và tương lai của cảm biến từ chế tạo bằng công nghệ nano

Cảm biến từ chế tạo bằng công nghệ nano đang mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các cảm biến này hứa hẹn sẽ ngày càng hoàn thiện hơn về độ nhạy và độ chính xác. Tương lai của cảm biến từ sẽ phụ thuộc vào việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới cũng như các phương pháp chế tạo tiên tiến.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến từ

Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến từ đang hướng tới việc cải thiện độ nhạy và giảm thiểu kích thước của thiết bị. Các nghiên cứu mới về vật liệu nano và công nghệ chế tạo sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được những mục tiêu này.

5.2. Tương lai của ứng dụng cảm biến từ trong đời sống

Cảm biến từ có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống. Từ y sinh đến bảo vệ môi trường, các ứng dụng của cảm biến từ sẽ ngày càng đa dạng và phong phú, góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG QUỐC VIỆT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MICRO – NANO CHẾ TẠO TỔ HỢP CẢM BIẾN TỪ U N V N THẠC S V T LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Hà Nội - 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG QUỐC VIỆT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MICRO - NANO CHẾ TẠO TỔ HỢP CẢM BIẾN TỪ Chuyên ngành: Vậ ệ ệ N C ạ í ểm U N V N THẠC S V T LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO N ƣờ ƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Mậu Danh Hà Nội - 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢ ƠN Trước tiên, cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Trần Mậu Danh và ThS. Bùi Đình Tú, những người thầy đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em làm luận văn.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các cán bộ, thầy cô trong bộ môn Vật liệu và Linh kiện nano đặc biệt là PSG. Đỗ Thị Hương Giang đã giúp đỡ cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của bộ môn. Trong quá trình thực hiện luận văn em đã cũng nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của NCS. Nguyễn Xuân Toàn, NCS.

Lê Khắc Quynh, NCS. Phạm Anh Đức, ThS. Nguyễn Thị Ngọc. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các anh các chị.

Luận văn này được hoàn thành với sự hỗ trợ của đề tài mã số QGTĐ. 24 và đề tài nghiên cứu và phát triển khoa học công nghệ thuộc chương trình khoa học và công nghệ vũ trụ năm 2010-2011. Cuối cùng, con xin gửi là cảm ơn tới toàn thể gia đình. Gia đình chính là nguồn động lực lớn lao nhất đối với con.

Hà Nội, ngày tháng năm Học viên Đồng Quốc Việt LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CA ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ nơi nào khác. Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều được trích dẫn một cách rõ ràng. Hà Nội, ngày tháng năm Học viên Đồng Quốc Việt LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CA ĐOAN DANH ỤC CÁC BẢNG BIỂU .1 DANH ỤC CÁC HÌNH VẼ .2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .1 Các loại cảm biến đo từ trường phổ biến .1 Cảm biến flux - gate .2 Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall .3 Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện .2 Nhiễu cảm biến .3 Cảm biến đo từ trường bằng hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) .1 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng .2 Mạch cầu điện trở Wheatstone .12 CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .1 Phương pháp chế tạo cảm biến .1 Xử lý bề mặt mẫu.2 Chế tạo mặt nạ và hốc chứa cảm biến .3 Phún xạ tạo màng.2 Các phương pháp khảo sát tính chất của cảm biến .1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến .2 Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến .3 Hệ khảo sát đáp ứng góc của cảm biến từ trường.27 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LU N .1 Cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone .2 Khảo sát ảnh hưởng kích thước đơn thanh trong mạch cầu Wheatstone lên tích chất của cảm biến.1 Tính chất từ của cảm biến 1×5 mm và cảm biến 1×3 mm .2 Khảo sát tính chất từ điện trở của cảm biến 1×5 mm và cảm biến 1×3 mm .3 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày màng NiFe lên tính chất của cảm biến 1×5 mm .1 Khảo sát tính chất từ của hệ cảm biến 1×5 mm.35 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Khảo sát ảnh hưởng chiều dày màng NiFe lên tính chất từ điện của cảm biến 1×5 mm .4 Khảo sát tính chất từ của cảm biến 3 thanh điện trở .1 So sánh tính chất của cảm biến 3 thanh và cảm biến đơn thanh.1 Khảo sát tính chất từ của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm .2 Khảo sát tính chất từ - điện trở của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm .2 Khảo sát bề dày màng NiFe tới tính chất của cảm biến 3 thanh .5 Khảo sát đáp ứng góc của cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone dựa trên hiệu ứng AMR với từ trường trái đất .1 Khảo sát từ trường làm việc của cảm biến .2 Sự phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào định hướng của từ trường trái đất .45 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ IÊN QUAN ĐẾN LU N V N .46 TÀI LIỆU THAM KHẢO.47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 DANH ỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của máy .2: Thông số cắt mặt nạ của máy laser VLS3.3: Thông số cắt hốc chứa cảm biến .4: Thông số phún xạ của các lớp Ta/NiFe/Ta .5: Các thông số phún xạ điện cực .1: Thông số tính chất từ của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm .2: Độ biến thiên điện áp và độ nhạy của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm.3: Độ biến thiên thế lối ra của cảm biến theo 2 phương song song và vuông góc của từ độ với từ trường .4: Các thông số thu được từ đường cong từ hóa 3.5: Điện trở thanh, độ biến thiên điện áp và độ nhạy của cảm biến 1×5 mm khi thay đổi chiều dày màng NiFe 5, 10, 15 nm .6: Thông số từ đường từ hóa tỉ đối M/MS của cảm biến 3 thanh .7: Thông số độ biến thiên và độ nhạy của cảm biến 3 thanh và cảm biến 1×5 mm .8: Độ biến thiên điện thế lối của cảm biến 1×5 mm, cảm biến 3 thanh 5 và cảm biến 3 thanh 15 .41 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2 DANH ỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến flux – gate .2: Sơ đồ hiệu ứng Hall .3: Sơ đồ minh họa hiệu ứng điện từ thuận và ngược trên các vật liệu multiferoics kiểu từ giảo/áp điện .4: Liên kết từ điện trong vật liệu từ điện, (a) thay đổi sự phân cực điện được gây ra bởi từ trường ngoài, (b) thay đổi độ từ hóa bởi điện trường ngoài .5: Nguồn gốc vật lý của AMR .6: Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào góc giữa dòng điện .7: Mạch cầu điện trở Wheatstone .1: Buồng xử lý mẫu .2: Cấu tạo chung của một máy cắt laser .3: Máy cắt laser VLS3.4: Mặt nạ được sử dụng để chế tạo cảm biến 1× 3 mm: (a) là mặt nạ điện trở, (b) là mặt nạ điện cực và (c) hình dạng cảm biến hoàn thiện.5: Hệ mask của cảm biến 1× 5 mm: (a) là mặt nạ điện trở, (b) là mặt nạ điện cực (c) hình dạng cảm biến hoàn thiện .6: Hệ mask của cảm biến 3 thanh: (a) là mặt nạ điện trở, (b) là mặt nạ điện cực .7: Mặt nạ của các cảm biến .8: Nguyên lý của quá trình hình thành màng mỏng bằng phún xạ catot .9: Thiết bị phún xạ catot .10: Thanh điện trở của mạch cầu Wheatstone sau khi được phún xạ tạo màng Ta/NiFe/Ta.11: Cảm biến thu được sau quá trình phún xạ điện cực .12: (a) Sơ đồ nguyên l của thiết bị từ kế mẫu rung. (b) Thiết bị từ kế mẫu rung VSM.13: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu ứng từ điện trở.14: (a) Cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh.

(b)Cảm biến được kết nối với hệ đo điện từ .26 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.15: Mâm quay góc phương vị và cuộn Helmholtz .1: Sự phụ thuộc điện áp lối ra vào từ trường ngoài của cảm biến (a) dạng thanh điện trở (b) dạng mạch cầu Wheatstone.2: Sự biến thiên của các điện trở thành phần trong mạch cầu Wheatstone .3: Sự phụ thuộc của điện trở suất vào từ trường ngoài với trường hợp từ trường song song và vuông góc với dòng điện .4: Đường cong từ hóa theo phương song song và vuông góc với phương ghim của từ độ (a) cảm biến 1×3 mm (b) cảm biến 1×5 mm .5 : Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của cảm biến 1×3 mm và 1×5 mm (a) Khi từ trường ngoài vuông góc với trục từ hóa dễ (b) Khi từ trường song song với trục từ hóa dễ .6: Sự thay đổi điện áp lối ra cảm biến phụ thuộc vào từ trường tác dụng trong dải (a) – 60 Oe ÷ 60 Oe (b) 10 ÷ 20 Oe .7: Sự thay đổi hiệu điện thế lối ra theo từ trường ngoài trong dải -120 ÷ 120 Oe với phương từ độ của cảm biến cùng phương với từ trường ngoài .8: Đường cong từ hóa tỉ đối M/MS của cảm biến 1×5 mm với chiều dày màng NiFe là 5, 10 và 15 nm (a) theo phương vuông góc với trục từ hóa dễ, (b) theo phương song song với trục từ hóa dễ .9: Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào từ trường ngoài của cảm biến 1×5 mm với chiều dày màng NiFe khác thay đổi 5, 10 và 15 nm .10: Đường cong từ hóa tỉ đối M/Ms của cảm biến cảm biến 3 thanh theo phương vuông góc và song song với trục từ hóa dễ .11: Sự thay đổi điện áp lối ra của cảm biến 3 thanh và 1×5 mm theo từ trường .12: Sự phụ thuộc điện áp lối ra vào từ trường ngoài của cảm biến 3 thanh với chiều dày lớp màng NiFe thay đổi.13: Sự phụ thuộc hiệu điện thế lối ra của cảm biến 3 thanh theo từ trường (a) 10 Oe ÷ 20 Oe (b) -60 Oe ÷ 60 Oe.14: Sự phụ thuộc của điện áp lối ra vào góc định hướng giữa phương ghim của cảm biến và phương bắc nam của từ trường trái đất .15: Sự biến thiên điện áp lối ra của cảm biến trong dải góc 1350 ÷ 2250 .44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 Ở ĐẦU Trên thế giới có rất nhiều loại cảm biến dựa trên các hiệu ứng khác nhau được sử dụng để đo từ trường thấp, trong đó chủ yếu là các cảm biến dựa trên hiệu ứng quang và từ như cảm biến giao thoa lượng tử siêu dẫn, sợi quang, bơm quang học, cảm biến dựa trên hiệu ứng điện - từ, cảm ứng điện từ (Flux-Gate), hiệu ứng Hall. Mặc dù các cảm biến hoạt động dựa trên các hiệu ứng khác nhau nhưng các cảm biến đều dựa trên nguyên tắc đo đạc và phân tích hiệu điện thế lối ra từ cảm biến thay đổi phụ thuộc vào cường độ của từ trường tác dụng lên cảm biến. Mỗi loại cảm biến đều có đặc thù riêng, có các ưu điểm và nhược điểm riêng tùy thuộc vào mục đích và phạm vi trong từng lĩnh vực ứng dụng.