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

NG 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 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU SẮT TỪ MỀM VÀ CẢM BIẾN TỪ 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. Các cảm biến từ trường dựa trên vật liệu sắt từ mềm ........................................ 13 1.2.1. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện-từ ................................ 13 1.2.2. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ .......................... 14 1.2.3. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở xuyên hầm ...................... 15 1.2.4. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng ........................................ 16 1.2.5. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng .......................................... 18 1.2.6. Hiện tượng nhiễu trong các cảm biến ............................................................ 23 1.2.7. So sánh các loại cảm biến từ trường cấu trúc micro-nano ............................. 24 1.3. Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến đo từ trường ...................... 27 1.3.1. Mạch cầu điện trở Wheatstone ....................................................................... 27 1.3.2. Ưu điểm của mạch cầu Wheatstone ............................................................... 28 1.3.3. Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến từ trường ........................ 29 1.3.4. Mạch cầu Wheatstone trong thiết kế cảm biến AMR của luận án ................. 30 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 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................. 35 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 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÀNG NiFe .... 62 3.1. Nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc của màng NiFe ............................................ 62 3.1.1. Phân tích thành phần bằng phương pháp EDX .............................................. 62 3.1.2. Khảo sát chiều dày màng mỏng bằng hiển vi điện tử FE-SEM ..................... 63 3.1.3. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X ............... 64 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 3.2.3. Sự phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng (L/W) ......................................... 68 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 3.3.2. Sự phụ thuộc vào tỉ số kích thước dài/rộng (L/W) ......................................... 73 3.3.3. Sự phụ thuộc vào chiều dày ........................................................................... 73 3.4. Kết luận Chương 3 ................................................................................................. 75 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG .....................................................................................................................76 4.1. Tính toán, mô phỏng tối ưu cấu hình thiết kế cảm biến ..................................... 76 4.1.1. Tối ưu thiết kế tỉ số dị hướng hình dạng thanh điện trở ................................. 76 4.1.2. Tối ưu cách ghép đa thanh điện trở của mỗi nhánh cầu ................................. 78 4.2. Chế tạo cảm biến với cấu trúc tối ưu .................................................................... 85 4.2.1. Cảm biến kích thước milimet (nhóm 1) ......................................................... 85 4.2.2. Cảm biến kích thước micro-milimet (nhóm 2) .............................................. 86 4.2.3. Cảm biến kích thước micromet (nhóm 3) ...................................................... 88 4.3. Khảo sát tín hiệu điện áp và độ nhạy trên cảm biến cầu Wheatstone............... 90 4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ số dị hướng hình dạng lên tín hiệu điện áp và độ nhạy cảm biến .............................................................................................................. 90 4.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của cách mắc thanh điện trở nối tiếp, nối tiếp-song song lên tín hiệu điện áp và độ nhạy cảm biến..................................................................... 95 4.3.3. Khảo sát ảnh hưởng đồng thời cả tỉ số dị hướng hình dạng và cách mắc thanh điện trở lên tín hiệu điện áp và độ nhạy cảm biến ....................................................... 99 4.4. Kết luận Chương 4 ............................................................................................... 102 PHÁT TRIỂN KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN DẠNG CẦU WHEATSTONE DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TỪ-ĐIỆN TRỞ DỊ HƯỚNG ..... 104 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 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ....................................................................................................................... 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 124 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bảng trích xuất một số thông số vật lý của với màng mỏng nano NiFe với phần trăm Ni khác nhau trong công thức NixFe1- x so sánh với vật liệu khác [3, 72, 73, 120, 127]. .................................................................................................................................... 11 Bảng 1.2. Bảng so sánh độ nhạy và tỉ số S/N [8, 27, 30] của một số loại cảm biến đo từ trường cấu trúc màng mỏng nano dựa trên vật liệu sắt từ. ............................................. 24 Bảng 1.3. Dải làm việc của các loại cảm biến từ [17, 120]. ...................................... 26 Bảng 2.1. Tên các mặt nạ ứng với tên các cảm biến và diễn giải cách ghép tương ứng được nghiên cứu trong luận án. .......................................................................................... 36 Bảng 2.2. Một số thông số kỹ thuật của máy khắc laser fiber. .................................. 39 Bảng 2.3. Các bước làm sạch đế Si/SiO2 ................................................................... 49 Bảng 2.4. Các thông số được dùng khi phún xạ các lớp màng Ta, NiFe, Cu, SiO2 .. 49 Bảng 2.5. Các thông số của mối hàn dây nhôm được lựa chọn khi hàn điện cực cảm biến nghiên cứu trong luận án. ........................................................................................... 51 Bảng 3.1. Các giá trị: Ms, Hc, Hk, K được rút ra từ dữ liệu đường cong từ hóa các mẫu màng nano NiFe với chiều dày khác nhau ......................................................................... 70 Bảng 3.2. Các giá trị tỉ số AMR trên màng với kích thước khác nhau. .................... 74 Bảng 4.1. Giá trị R, I, ΔV và SH tương ứng với các cảm biến nhóm 1 có thông số khác nhau. ................................................................................................................................... 94 Bảng 4.2. Giá trị lực kháng từ, điện trở nội, độ lệch điện áp, độ nhạy cảm biến theo đơn vị (mV/Oe) và độ nhạy cảm biến theo đơn vị (mV/V/Oe) của cảm biến nhóm 2 đo tại 0,1 mA [96]......................................................................................................................... 99 Bảng 4.3. Các giá trị chiều dày, điện trở, độ lệch điện áp, độ nhạy tương ứng với 2 cấu trúc của cảm biến nhóm 3, loại S3-18-sp so sánh với loại S3-6-s, phép đo tại dòng cấp 5 mA. ................................................................................................................................... 101 i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mô tả đường cong từ hóa, mô tả cơ chế từ hóa (a,b) và từ trễ (a) của vật liệu sắt từ theo từ trường [2]. ....................................................................................................... 5 Hình 1.2. Mô phỏng hướng của véctơ 푀 và véctơ 퐻푑 của mẫu bị từ hoá. ................. 7 Hình 1.3. Trường khử từ bên trong mẫu hình chữ nhật được từ hoá theo phương mặt phẳng (a) và vuông góc với mặt phẳng (b). .......................................................................... 7 Hình 1.4. Đường cong từ trễ theo mô hình Stonner – Wohlfarth đối với trục khó từ hóa (a) và trục dễ từ hóa (b) [99]. ......................................................................................... 8 Hình 1.5. Hình minh họa trật tự từ trong màng mỏng NiFe với các trật tự từ trong vùng không gian của lõi và bề mặt. ...................................................................................... 9 Hình 1.6. Các thông số vật lý phụ thuộc vào tỉ phần của Ni(x) gồm: hằng số dị hướng, lực kháng từ (a) [120], tỉ số phần trăm độ thay đổi điện trở suất AMR % (b) [73] của màng mỏng NiFe. ......................................................................................................................... 11 Hình 1.7. Hình minh họa hai cấu hình từ độ (hình trên) và sơ đồ mạch điện tương đương (hình dưới) khi không có từ trường ngoài tác dụng (a) và khi có từ trường ngoài tác dụng lên linh kiện GMR (b). .............................................................................................. 14 Hình 1.8. Minh họa cấu trúc vật liệu có hiệu ứng TMR (a) và cảm biến TMR tương ứng (b) [15]. ........................................................................................................................ 16 Hình 1.9. Minh họa hiệu ứng Hall phẳng trong cấu trúc màng mỏng. ...................... 17 Hình 1.10. Minh họa cảm biến Hall phẳng dạng chữ thập [97]. ............................... 18 Hình 1.11. Hình minh họa để giải thích hiệu ứng AMR (a,b) và điện trở suất của mẫu vật liệu khi dòng điện có phương dọc theo từ độ (ρp) và vuông góc với từ độ (ρorth) (c) [50]. ............................................................................................................................................ 19 Hình 1.12. Mô tả điện trở suất của màng mỏng sắt từ đáp ứng từ trường ngoài. ...... 20 Hình 1.13. Minh họa các thông số xác định hiệu ứng AMR (a) và sự thay đổi điện trở theo góc θ (b) [102]. ........................................................................................................... 20 Hình 1.14. Mô hình cảm biến AMR dạng vòng xuyến (a) và ảnh thực tế (b) [75]. .. 22 Hình 1.15. Mô tả WB ảnh hưởng bởi từ trường ngoài do hiệu ứng AMR [96]. ....... 28 ii Hình 1.16. Mô tả cảm biến có cấu trúc WB dạng hình cung tròn (a) và hình thanh dài (b) [42]. ............................................................................................................................... 29 Hình 1.17. Mô tả cách tạo ra hiệu ứng AMR bằng cách thay đổi từ trường ngoài trong hai trường hợp: Happ vuông góc với trục dễ và song song với dòng điện - ρp (a) và Happ song song với trục dễ và vuông góc với dòng điện - ρorth (b). .................................................... 31 Hình 1.18. Các dạng cảm biến WB: cấu trúc tổ hợp nối tiếp 3 thanh với điện cực kết nối là chính vật liệu từ tính (a) [41] và có điện cực kết nối bằng Cu không từ tính (b), mô 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 Hình 2.3. Dạng mặt nạ của các cảm biến nhóm 1: điện trở (a) và điện cực (b) và mô phỏng cảm biến khi hoàn thiện (c). .................................................................................... 38 Hình 2.4. Mặt nạ bằng kim loại nhôm của cảm biến loại S1-1-s và S1-3-s của nhóm 1: mặt nạ điện trở (a) và mặt nạ điện cực (b). ......................................................................... 39 Hình 2.5. Dạng mặt nạ của các cảm biến nhóm 2: mặt nạ cho quy trình chế tạo các lớp NiFe làm điện trở (a) và mặt nạ cho quy trình chế tạo lớp điện cực (b) và minh họa cảm biến sau khi hoàn thiện (c). ................................................................................................. 41 Hình 2.6. Dạng mặt nạ của các cảm biến nhóm 3: mặt nạ điện trở (a), mặt nạ điện cực (b) và minh họa cảm biến hoàn thiện (c). ........................................................................... 42 Hình 2.7. Hình ảnh thực tế mặt nạ của cảm biến nhóm 3 được in trên đế thủy tinh tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano (phần khoanh tròn). ......................................... 43 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị quang khắc MJB4. ......................................... 43 Hình 2.9. Các bước quang khắc trong luận án [7]. .................................................... 44 Hình 2.10. Mô hình nguyên lý máy quay phủ Suss MicroTech. ............................... 45 Hình 2.11. Kính hiển vi quang học AX10 tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro- Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. .............................................................................. 46 Hình 2.12. Mô tả sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ ATC-2000F tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. .......................................................... 48 iii Hình 2.13. Ảnh chụp giá đỡ (holder) khi có từ trường ghim được tạo ra bởi 2 thanh nam châm đặt song song (a) và giá đỡ không có từ trường ghim (b). ............................... 50 Hình 2.14. Thiết bị hàn dây HYBOND Model 626. .................................................. 51 Hình 2.15. Ảnh chụp hệ SEM S-3400N tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-nano, Trường ĐHCN (a) và hệ Nova nanoSEM 450 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (b), ĐHQG Hà Nội. ................................................................................................................... 52 Hình 2.16. Ảnh chụp hệ thiết bị JEOL JSM-7600F tại ĐH Bách khoa Hà Nội. ....... 53 Hình 2.17. Nguyên lý nhiễu xạ tia X (a) và minh họa xác định độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ cực đại (b). ..................................................................................................................... 53 Hình 2.18. Mô tả sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung Lake Shore 7404. ............. 55 Hình 2.19. Một số giao diện và cửa sổ tiện ích có trong phần mềm mô phỏng. ....... 56 Hình 2.20. Minh họa sự khác biệt lưới chia tự động (a) và lưới chia can thiệp (b) bởi phần mềm. .......................................................................................................................... 57 Hình 2.21. Mô tả sơ đồ đầu đo từ-điện trở bằng phương pháp 4 mũi dò. ................. 58 Hình 2.22. Hệ đo hiệu ứng AMR trên màng mỏng trong dải đo từ trường lớn......... 59 Hình 2.23. Hệ đo hiệu ứng từ-điện trở trên cảm biến trong thang đo từ trường nhỏ.60 Hình 3.1. Hình ảnh phổ thành phần hóa học của màng NiFe ngay sau khi chế tạo. . 62 Hình 3.2. Ảnh quan sát chiều dày của màng NiFe được phún xạ trong 50 phút. ...... 63 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng NiFe với các chiều dày 5, 10, 15, 20 nm. ............................................................................................................................................ 64 Hình 3.4. Đường cong từ trễ tỉ đối của các mẫu sắt từ với từ trường ghim bằng 0 Oe theo 2 phương song song và trực giao (vuông góc) với trục dễ từ hóa. ............................. 65 Hình 3.5. Đường cong từ trễ tỉ đối thu được của các mẫu được ghim 900 Oe theo phương song song và trực giao với trục dễ từ hóa. ............................................................ 66 Hình 3.6. Đường cong từ trễ tỉ đối của các mẫu đo theo phương dễ từ hóa với hình dạng khác nhau. .................................................................................................................. 67 Hình 3.7. Đồ thị so sánh tỉ số Mr/Ms của mẫu hình chữ nhật, hình elip và hình tròn theo phương dễ và phương khó từ hóa.................................................................................67 iv Hình 3.8. Đường cong từ trễ tỉ đối theo phương dễ từ hóa của các thanh điện trở có chiều dài khác nhau, chiều rộng 1 mm. .............................................................................. 68 Hình 3.9. Đường cong từ trễ tỉ đối của các màng với có chiều dày 5 nm và 20 nm (a, b) theo hai phương khác nhau và giá trị từ độ, Hk, Hc của các mẫu với chiều dày khác nhau từ 5 ÷ 20 nm (c, d )..............................................................................................................69 Hình 3.10. Đồ thị tín hiệu điện áp (a) và tỉ số từ-điện trở AMR (b) theo 2 phương vuông góc và song song trên mẫu được chế tạo khi không có từ trường ghim.................. 71 Hình 3.11. Đồ thị tín hiệu điện áp (a) và tỉ số từ-điện trở AMR (b) theo 2 phương: từ trường ngoài tác dụng vuông góc với phương ghim và song song với phương ghim trên mẫu NiFe được chế tạo trong từ trường ghim có cường độ 900 Oe. ................................. 72 Hình 3.12. Đường cong đáp ứng từ trường ngoài của tỉ số AMR đo trên màng có chiều dày tNiFe = 15 nm, chiều dài 4 mm, chiều rộng khác nhau W = 150, 300, 450 μm. ........... 73 Hình 3.13. Đáp ứng theo từ trường ngoài của tỉ số AMR của các màng có chiều dài L = 4 mm, chiều rộng 150 μm và chiều dày khác nhau là tNiFe = 5, 10, 15 nm. .................... 74 Hình 4.1. Kết quả mô phỏng thu được trên màng NiFe có chiều dài 250 μm, chiều rộng thay đổi từ 10 ÷ 100 μm: phân bố cảm ứng từ hiệu dụng trên bề mặt (a), cảm ứng từ hiệu dụng của vật liệu NiFe được vẽ dọc theo chiều dài (b) và cảm ứng từ hiệu dụng phụ thuộc tỷ lệ chiều dài/chiều rộng (c). ................................................................................... 77 Hình 4.2. Mô phỏng nhánh điện trở gồm 6 thanh được nối với nhau bằng Cu hoặc NiFe (a) và tỉ số AMR đáp ứng theo từ trường ngoài đo được với hai trường hợp điện cực nối khác nhau (b). ............................................................................................................... 79 Hình 4.3. Mô phỏng phân bố cảm ứng từ hiệu dụng trên các thanh điện trở NiFe: điện cực nối bằng Cu (a) và điện cực bằng NiFe (b) và đồ thị sự phân bố cảm ứng từ hiệu dụng theo tọa độ (c). .................................................................................................................... 80 Hình 4.4. Mô phỏng khi ghép tổ hợp gồm 3 thanh điện trở sắt từ NiFe lại gần ở khoảng cách 20 m cho 2 trường hợp thanh có chiều rộng×dài khác nhau 50×250 μm2 (a,b), 10×250 μm2 (c,d) và 6 thanh điện trở 2 loại trên ghép gần nhau (e). .............................................. 82 Hình 4.5. Giá trị cảm ứng từ hiệu dụng Beff tính trung bình trên các thanh ở các vị trí khác nhau khi khoảng cách giữa các thanh thay đổi cho 2 trường hợp thanh có chiều v rộng×dài khác nhau: (a) 50×250 μm2 và (b) 10×250 μm2 so sánh với trường hợp đơn thanh kích thước tương đương. .................................................................................................... 83 Hình 4.6. Mô tả WB với các cấu trúc khác nhau và điện tương đương (hình dưới) với các dạng: đơn thanh (a), 3 thanh nối tiếp (b) và 9 thanh NT-SS (c). ................................. 84 Hình 4.7. Ảnh cảm biến nhóm 1 loại đa thanh điện trở mắc nối tiếp S1-3-s. .............. 86 Hình 4.8. Ảnh cảm biến nhóm 2 loại: đơn thanh S2-1-s (a) [1, 4, 5, 6], tổ hợp nối tiếp S2-3-s (b) [6], S2-5-s (c) [6] và tổ hợp NT-SS S2-6-sp (d) [1]. .................................................. 87 Hình 4.9. Ảnh quan sát bằng thiết bị SEM S-3400N của cảm biến đơn thanh S2-1 kích thước 0,15×4 mm2 (a), ảnh quan sát theo chiều rộng (b) và theo chiều dài (c). ................. 88 Hình 4.10. Ảnh cảm biến nhóm 3: cảm biến tổ hợp nối tiếp loại S3-6-s (a), cảm biến tổ hợp NT-SS loại S3-18-sp (b) được chụp bằng thiết bị Nova NanoSEM 450. ........................ 89 Hình 4.11. Ảnh quan sát bề mặt 1 nhánh mạch cầu bằng thiết bị Nova NanoSEM 450 của cảm biến nhóm 3: loại S3-6-s (a), loại S3-18-sp (b). .......................................................... 89 Hình 4.12. Đồ thị đáp ứng điện áp lối ra (a) và độ nhạy (b) theo từ trường ngoài của 2 các cảm biến cảm biến dạng thanh đơn S1-1-s, kích thước rộng×dài là 1×7 mm có chiều dày NiFe khác nhau tNiFe = 5, 10 và 15 nm, đo tại dòng cấp 5 mA. .......................................... 91 Hình 4.13. Đường cong đáp ứng của ΔV thu được của cảm biến S1-1-s theo H trên các cảm biến có W = 1 mm và L khác nhau, đo tại dòng cấp 5 mA. ....................................... 92 Hình 4.14. Đường cong đáp ứng sự thay đổi của điện áp lối ra (a) và độ nhạy (b) của cảm biến S1-3 theo từ trường ngoài.. ................................................................................... 93 Hình 4.15. Đường cong đáp ứng điện áp của cảm biến theo từ trường ngoài đo tại dòng 1 mA (a) và tín hiệu độ lệch điện áp Vmax trên các linh kiện cảm biến S2-1-s tại các dòng cấp khác nhau (b) [4, 95]. .......................................................................................... 96 Hình 4.16. Đường cong đáp ứng độ lệch điện áp theo từ trường ngoài trên các cảm biến nhóm 2 loại S2-3-s, S2-5-s so sánh với S2-1-s (a) và đồ thị mô tả quy luật độ nhạy, lực kháng từ của các cảm biến tương ứng (b), đo tại 0,1 mA. ................................................. 96 Hình 4.17. Đường cong đáp ứng độ lệch điện áp theo từ trường ngoài trên các cảm biến nhóm 2 loại S2-3-s, S2-5-s so sánh với S2-1-s đo tại 0,2 mA. ........................................... 97 vi Hình 4.18. Đường cong tín hiệu độ lệch điện áp đáp ứng theo từ trường ngoài trên các cảm biến nhóm 2 loại S2-6-sp so sánh với S2-1-s, S2-3-s (a) và đường cong độ nhạy SH đáp ứng theo từ trường ngoài của các cảm biến tương ứng (b), dòng cấp 0,1 mA. ......................... 98 Hình 4.19. Đáp ứng theo từ trường ngoài của độ lệch điện áp (a) và độ nhạy dV/dH (b) được đo trên cảm biến nhóm 3, loại S3-18-sp so sánh với loại S3-6-s. ............................ 101 Hình 5.1. Mô tả các điểm làm việc (điểm A và điểm B) của cảm biến S3-18-sp........106 Hình 5.2. Thực nghiệm khảo sát đáp ứng điện áp lối ra của cảm biến theo hướng từ trường của Trái đất: (a) minh họa góc định hướng giữa từ trường Trái đất Hearth và trục từ hóa dễ -EA của cảm biến; (b) hệ mâm quay được điều khiển tự động khảo sát phụ thuộc góc của từ trường Trái đất (cảm biến gắn ở chính giữa mâm quay).................................107 Hình 5.3. Đáp ứng điện áp lối ra theo góc giữa từ trường của Trái đất và chiều dòng điện, đo tại dòng cấp 5 mA. .............................................................................................. 107 Hình 5.4. Thực nghiệm khảo sát đáp ứng góc của cảm biến theo hướng từ trường của Trái đất khi được nuôi bởi từ trường nhờ cuộn Helmholtz. ............................................. 107 Hình 5.5. Đáp ứng điện áp lối ra theo góc giữa từ trường của Trái đất và chiều dòng điện, đo tại dòng cấp 5 mA và tại từ trường nuôi cỡ 9,1 Oe của cuộn Helmholtz. .......... 108 Hình 5.6. Giản đồ phân bố kích thước hạt từ chitosan đo bằng thiết bị LB – 550, tại Trường ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. ...................................................................................... 109 Hình 5.7. Đường cong từ trễ của dung dịch từ - chitosan nồng độ 10 µg/µl (a) [36] và Từ độ đo được với các lượng ...19 của nhóm Slamet Widodo (2015) [132], của nhóm Volmer Marius (2015) [71]... Ngoài ra, hiệu ứng AMR còn được nghiên cứu dưới dạng dây nano NiFe như công bố của nhóm Mohamed Shaker năm 2012 [77], hiệu ứng AMR trên dây nano Ni80Fe20 kích thước 30 ÷ 80 nm đạt 0,4 % bởi A. O. Adeyeye năm 2014 [11]. Ngày nay, hiệu ứng AMR trên vật liệu permalloy vẫn được nghiên cứu mạnh mẽ, đặc biệt là các cảm biến thương mại vẫn khai thác đa số trên vật liệu permalloy [52, 68]. Vật liệu NiFe có đặc điểm là chế tạo đơn giản, chi phí thấp, cho hiệu ứng AMR tương đối cao nên vật liệu vẫn được các nhóm sử dụng để nghiên cứu theo hướng tối ưu cấu hình thiết kế cảm biến để nâng cao độ nhạy và độ phân giải của cảm biến. 1.2. Các cảm biến từ trường dựa trên vật liệu sắt từ mềm Cảm biến đo từ trường được sử dụng khá phổ biến, trong đó, có thể kể đến các loại cảm biến Flux-gate, cảm biến Hall, Van-spin (VS) [62,), AMR [51, 84, 115-119]... Đa số các cảm biến này đều hoạt động dựa trên việc ghi nhận tín hiệu điện áp theo cường độ và hướng của từ trường. Mỗi loại linh kiện đều có những thế mạnh và hạn chế riêng, ta có thể lựa chọn loại cảm biến theo mục đích phù hợp. 1.2.1. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện-từ Cảm biến từ trường Flux-gate (Fluxgate magnetometer) hoạt động dựa vào hiện tượng cảm ứng điện-từ, thông qua đặc trưng độ từ thẩm μ của các vật liệu sắt từ đáp ứng khác nhau theo trường từ ngoài H [101]. Cảm biến Flux-gate được nghiên cứu từ những năm 1930 và đến nay cảm biến có kích thước ngày càng nhỏ gọn và độ nhạy cao hơn. Dải làm việc của cảm biến là từ 10-6 ÷ 102 Oe [37]. Đặc biệt trong những năm gần đây, cảm biến Flux-gate được ứng dụng làm từ kế và trong y học cho độ nhạy lên tới cỡ V/Oe [142]. Lợi thế của cảm biến là công nghệ đơn giản, chi phí thấp, cho độ nhạy lớn ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, đến nay hạn chế lớn nhất là kích thước vẫn tương đối lớn không 13 phù hợp cho một số ứng dụng tích hợp trong các thiết bị vi điện tử (cỡ cm). Thêm vào đó, thời gian trễ với cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng này là khá lớn (cỡ 3 giây). Ngoài ra, cảm biến có hiện tượng trễ từ do lõi sắt từ, dẫn đến sự lặp lại không cao. 1.2.2. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ Hiệu ứng từ-điện trở (Magnetoresistance, kí hiệu là MR) thể hiện sự thay đổi điện trở (điện trở suất) của vật liệu khi có từ trường ngoài tác dụng thay đổi. Tỉ số MR % được xác định [2, 65, 102]: 𝜌 − 𝜌 푅 − 푅 푉 − 푉 푀푅 = 퐻 0 = 퐻 0 = 퐻 0 𝜌0 푅0 푉0 (1.8) trong đó, 푅0và 𝜌0 là điện trở và điện trở suất khi từ trường ngoài tác dụng bằng không; 푅퐻 và 𝜌퐻 là điện trở và điện trở suất khi có từ trường ngoài tác dụng khác không; 푉0 và 푉퐻 là tín hiệu điện áp đo được khi từ trường ngoài tác dụng bằng không và khác không. Hình 1.7. Hình minh họa hai cấu hình từ độ (hình trên) và sơ đồ mạch điện tương đương (hình dưới) khi không có từ trường ngoài tác dụng (a) và khi có từ trường ngoài tác dụng lên linh kiện GMR (b). Hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance – GMR) (1988, Baibich) [14] tìm được trong các vật liệu sắt và được giải thích dựa trên cơ học lượng tử [2]. Cảm biến GMR có thể ở dạng băng mỏng dài làm bằng vật liệu từ mềm giàu sắt như nghiên cứu của nhóm GS. Nguyễn Hoàng Nghị, Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội. Cấu trúc của một linh kiện GMR dạng màng thường bao gồm 3 lớp màng mỏng nano vật liệu FM/NM/FM như Fe/Cr/Fe. Ở trạng thái chưa bị từ hóa, mômen từ của 2 14 lớp sắt từ ở trạng thái phản song song và có điện trở lớn (Hình 1.7a). Khi có từ trường tác dụng, từ độ của các lớp sắt từ định hướng trạng thái song song với nhau theo từ trường ngoài, dẫn đến điện trở suất của mẫu giảm (Hình 1.7b). Các nghiên cứu đã chỉ ra tỉ số S/N của các cảm biến GMR cao và có nhiều triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh phát hiện hạt từ đơn lẻ [65]. Công bố của J.C. Rife năm 2003 [100], cảm biến GMR đã phát hiện được đơn hạt Ni30Fe70 và phát hiện được 10 hạt sắt từ Dynalbead M-280. Gần đây nhất, năm 2017, Yu-Chi Liang công bố cảm biến GMR cấu trúc van spin có thể phát hiện được đơn hạt nano sắt từ đường kính 225 nm [64]. Các công trình gần đây cho thấy, cảm biến GMR có tỉ số S/N lớn nhất cỡ 380 lần tại dải tần số nhỏ và giới hạn phát hiện của cảm biến trong việc đo từ trường là 93 nT [53], dải hoạt động của cảm biến trong khoảng 10-1 ÷ 108 Oe [56]. Ưu điểm của cảm biến GMR là tín hiệu lớn, độ nhạy tương đối cao cỡ vài mV/Oe, tỉ số S/N cỡ 102 [8]. Nhược điểm của cảm biến loại này là sử dụng màng cấu trúc gồm nhiều lớp, thiết kế khá phức tạp và do vậy chi phí cao. 1.2.3. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện trở xuyên hầm Từ-điện trở xuyên hầm (Tunnelling magnetoresistance-TMR) là sự thay đổi đáng kể của điện trở (điện trở suất) ở lớp tiếp xúc từ xuyên hầm đó là lớp điện môi, đóng vai trò lớp rào cản trở chuyển động của các electron. Cảm biến TMR đơn giản có cấu trúc gồm 2 lớp sắt từ ngăn cách nhau bởi một lớp điện môi. Khi chiều dày lớp điện môi đủ mỏng, hiệu ứng điện tử chui qua lớp rào thế sẽ xảy ra tạo thành sự dẫn điện qua các lớp vật liệu. Hoạt động của linh kiện TMR tương tự như linh kiện GMR đó là khi không có từ trường ngoài tác dụng, từ độ của 2 lớp sắt từ ở trạng thái phản song song. Khi từ trường ngoài khác 0, từ độ của 2 lớp sắt từ ở trạng thái định hướng song song với nhau, hiện tượng chui ngầm sẽ xảy ra mạnh nhất và do đó điện trở suất của linh kiện sẽ giảm mạnh so với khi từ trường ngoài bằng 0 (Hình 1.8) [15]. Hiệu ứng TMR được Michel Julliere tìm ra vào năm 1975 [55] trên màng đa lớp Fe/Ge/Co, xảy ra ở nhiệt độ thấp tới 4,2 K. Cấu trúc chuẩn của linh kiện sử dụng hiệu ứng xuyên ngầm TMR bao gồm 3 lớp vật liệu: lớp sắt từ/lớp điện môi/lớp sắt từ (năm 1998, Baselt) [15]. Ưu điểm nói chung của cảm biến TMR là tín hiệu lớn, độ nhạy cao cỡ mV/Oe, tỉ số S/N cỡ 102 [8]. Nhược điểm của cảm biến loại này là sử dụng màng 15 đa lớp khá phức tạp, vật liệu đắt tiền, công nghệ chế tạo đòi hỏi kiểm soát được độ dày lớp màng điện môi rất mỏng và chất lượng màng với độ chính xác cao, cấu trúc và thiết kế phức tạp, đặc biệt dễ bị đánh thủng là đặc trưng của cảm biến TMR. Chính vì những lý do này, mặc dù với độ nhạy cao nhưng các linh kiện, cảm biến TMR đến nay giá thành cao và không phổ biến so với các cảm biến GMR và cảm biến Hall. Hình 1.8. Minh họa cấu trúc vật liệu có hiệu ứng TMR (a) và cảm biến TMR tương ứng (b) [15]. 1.2.4. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall phẳng Hiệu ứng Hall phẳng (kí hiệu PHE) có tín hiệu điện áp lối ra phụ thuộc vào góc θ giữa 푀⃗⃗⃗⃗ và chiều dòng điện (có cường độ là I) qua linh kiện. Khi I chạy theo hướng x, thì điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ 푀⃗⃗ tạo ra điện trường 퐸⃗ theo hướng của 푀⃗⃗ . Điện trường 퐸⃗ này sinh ra điện áp Vy (vuông góc với trục x) (Hình 1.9). Khi có dòng Ix và 퐻⃗⃗ hợp với nhau góc θ với dòng điện Ix thì véctơ 푀⃗⃗ sẽ lệch một góc θ so với dòng điện Ix, do đó Vy đo theo phương vuông góc với Ix ta có [8, 102]: Vy = Ix Rsinθcosθ (1.9) với R = (p - orth)/tNiFe, trong đó: p và orth tương ứng là điện trở suất của màng theo phương song song với phương từ hóa và theo phương vuông góc với phương từ hóa; tNiFe: chiều dày màng mỏng. Trong cấu trúc Hall phẳng, khi tác dụng từ trường ngoài, từ độ bị quay, làm điện trở thay đổi và thay đổi hiệu điện thế Hall. Tỉ số từ-điện trở thường 16 thay đổi R/R cỡ 2 ÷ 3 % đối với lớp NiFe dày 20 ÷ 30 nm [78]. Lý thuyết về hiệu ứng Hall phẳng được giải thích bằng mô hình Stonner - Wohlfarth [8]. Hình 1.9. Minh họa hiệu ứng Hall phẳng trong cấu trúc màng mỏng. Cảm biến Hall phẳng thường dùng vật liệu NiFe, có dạng chữ thập được chỉ ra trên Hình 1.10. Các nghiên cứu trong những năm gần đây trên cảm biến Hall phẳng dạng chữ thập cho thấy, độ nhạy SH có giá trị cỡ vài chục µV/Oe trên màng đa lớp chứa NiFe [48, 57, 71, 86, 115-119], độ nhạy lớn nhất được công bố bởi Marius Volmer đạt 72 µV/Oe (2015) [71]. Năm 2010, A. D. Henriksen đã đưa ra cảm biến Hall phẳng dạng cầu, độ nhạy tăng đến 100 lần so với cảm biến Hall dạng chữ thập (đạt 150 µV/Oe) [41]. Đặc biệt, những năm gần đây cảm biến Hall dạng “ring” (vòng xuyến) cho độ nhạy cao được nghiên cứu mạnh mẽ như công bố của Sunjong Oh (2011) [84] và công bố của Brajalal Sinh (2013) [109] độ nhạy đạt 600 μV/Oe trên cảm biến Hall gồm 7 “ring” tổ hợp với nhau. Ngoài ra, ảnh hưởng dị hướng hình dạng của cảm biến Hall phẳng cũng đã được nghiên cứu bởi nhóm V. Mor và đồng nghiệp trên vật liệu NiFe [81], các công bố về cảm biến Hall có cấu trúc dạng elip có trường dị hướng với một dải giá trị khá rộng từ 10 ÷ 100 Oe. Đây là cơ sở để nghiên cứu làm tăng độ phân giải tín hiệu thế Hall phẳng. Trong những năm gần đây, cảm biến Hall phẳng đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều trong việc phát hiện các hạt thuận từ kích thước micro-nano được chức năng hóa, ứng dụng trong sinh học [24, 52, 71, 77, 113]. Ưu điểm chính của cảm biến Hall phẳng dùng màng mỏng NiFe là công nghệ dễ chế tạo, vật liệu rẻ tiền nhưng tín hiệu lại tương đối nhỏ cỡ μV/Oe (với cảm biến dạng chữ thập). Việc tăng cường tín hiệu trên cảm biến Hall phẳng có thể đạt được bằng cách sử dụng cấu trúc VS dạng màng đa lớp có lớp ghim phản sắt từ kết hợp với thiết kế mạch cầu giúp cải thiện tín hiệu với độ nhạy cao (cỡ mV/Oe) và tỉ số S/N lớn cỡ 103 [8, 9, 41- 43]. Tuy nhiên, giải pháp này lại khiến cho giá thành sản phẩm cao do phải sử dụng màng đa lớp cấu trúc VS khá phức tạp, chi phí cao. 17 Hình 1.10. Minh họa cảm biến Hall phẳng dạng chữ thập [97]. 1.2.5. Cảm biến dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng 1.2.5.a. Hiệu ứng từ -điện trở dị hướng Hiệu ứng từ-điện trở dị hướng (Anisotropic magnetoresistance-AMR) được W. Thomson tìm ra năm 1856, khi có sự thay đổi điện trở suất của các kim loại sắt từ khi tác dụng từ trường ngoài và đạt dưới 5 % [73], tỉ số AMR được tính theo công thức thực nghiệm (1.8). Hiệu ứng AMR được định nghĩa tương tự như hiệu ứng Hall phẳng là sự thay đổi điện trở suất (điện trở) của vật liệu theo vào góc θ giữa từ độ và chiều dòng điện. Điện trở suất lớn nhất khi I qua mẫu chạy dọc (parallel) theo phương từ hóa (ρp) và nhỏ nhất khi I qua mẫu vuông góc (orthogonal) với phương từ hóa (ρorth) [127]. Điện trở suất ρ được tính theo công thức (1.10) do T.R. Mc Guire đưa ra [73, 127]: 1 2 (1.10) 𝜌 = 𝜌 + 𝜌 3 푝 3 표푟푡ℎ Khi đó, tỉ số AMR (AMR%) được tính theo biểu thức (1.11) [120, 127]: ∆𝜌 𝜌푝 − 𝜌표푟푡ℎ (1.11) 퐴푀푅% = = 1 2 𝜌 𝜌 + 𝜌 3 푝 3 표푟푡ℎ Sự khác nhau của điện trở suất đo được giữa hai trạng thái có góc θ khác nhau là nguyên nhân gây ra hiệu ứng AMR. Do hiệu ứng AMR, độ lớn của điện trở suất được quyết định bởi góc θ và được xác định bởi [52, 102]: 2 2 ρ(θ) = ρorth + (ρp- ρorth).cos θ = ρorth + ∆ρ.cos θ (1.12) 18 Hình 1.11 minh họa để giải thích đơn giản bản chất hiệu ứng AMR. Ta có chiều chuyển động có hướng của electron dẫn luôn cùng phương và ngược chiều với chiều dòng điện của mẫu vật liệu. Khi mẫu vật liệu đặt trong từ trường ngoài thì từ độ của vật liệu sẽ quay theo chiều từ trường ngoài, hình thành các đám mây electron có dạng hình đĩa dẹt tại các nút mạng tinh thể của mẫu vật liệu (phần có màu nâu trong Hình 1.11a, b). Nếu phương của dòng điện có cùng phương với từ độ của mẫu thì các electron dẫn sẽ có xác suất va chạm với đám mây điện tử ở nút mạng tinh thể lớn hơn do tiết diện tán xạ lớn hơn, dẫn đến trong trường hợp này vật dẫn có điện trở suất lớn (Hình 1.11a). Ngược lại, nếu phương dòng điện vuông góc với từ độ của mẫu thì các electron dẫn sẽ có xác suất va chạm với đám mây điện tử ở nút mạng tinh thể ít hơn do tiết diện tán xạ nhỏ hơn, điều này dẫn đến vật dẫn có điện trở suất nhỏ (Hình 1.11b). Hai trạng thái này sẽ gây ra sự thay đổi điện trở suất theo hai xu hướng ngược nhau như Hình 1.11c [50]. Hình 1.11. Hình minh họa để giải thích hiệu ứng AMR (a,b) và điện trở suất của mẫu vật liệu khi dòng điện có phương dọc theo từ độ (ρp) và vuông góc với từ độ (ρorth) (c) [50]. G. T. Meaden [74] đã sử dụng mô hình tán xạ điện tử trên các điện tử dẫn để giải thích hiệu ứng AMR vào năm 1971, theo đó hiệu ứng AMR được quyết định bởi sự thay đổi của khối lượng hiệu dụng electron khi tán xạ trên các vùng năng lượng, tỉ số AMR phụ thuộc vào bình phương cường độ từ trường (H2) của vật liệu theo công thức: 19 ∆𝜌 1 1 2 (1.13) 퐴푀푅% = ~퐻2 ( − ) 𝜌 푚1 푚2 trong đó, ∆𝜌, 𝜌 lần lượt là khoảng thay đổi điện trở suất và điện trở suất; m1, m2 là khối lượng hiệu dụng của các electron. Hình 1.12. Mô tả điện trở suất của màng mỏng sắt từ đáp ứng từ trường ngoài. Hình 1.13. Minh họa các thông số xác định hiệu ứng AMR (a) và sự thay đổi điện trở theo góc θ (b) [102]. Điện trở suất của màng đáp ứng khi có từ trường ngoài tác dụng được mô tả theo đồ thị Hình 1.12. Hiệu ứng AMR thường được tìm thấy trên các kim loại sắt từ gồm Fe, Ni, Co có lớp 3d chưa điền đầy, hiệu ứng bị chi phối bởi cấu trúc tinh thể, tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử trong tinh thể, cấu trúc đômen của chất sắt từ. Ta giả định rằng, khi có sự tác dụng của từ trường ngoài H sẽ làm véctơ từ độ của màng sắt từ sẽ 20 quay theo từ trường ngoài. Khi đó, điện trở của vật liệu được xác định qua góc  theo công thức (1.14) và độ lệch điện thế AMR (∆Vx) theo công thức (1.15) [102]. 퐿 2 (1.14) 푅(휃) = 𝜌(휃). = 푅표푟푡ℎ + ∆푅. 푐표푠 휃 푊. 푡푁𝑖퐹푒 퐿 2 (1.15) ∆푉푥 = 퐼. . (𝜌표 + ∆𝜌푐표푠 휃) 푊. 푡푁𝑖퐹푒 trong đó: ∆R = Rp – Rorth: thay đổi R đo theo hai phương khác nhau (song song và vuông góc); L là độ dài; W là độ rộng màng NiFe; tNiFe là chiều dày của lớp sắt từ (Hình 1.13a). Từ công thức (1.14), ta có thể vẽ được quy luật phụ thuộc điện trở R như theo hàm của θ (Hình 1.13b). Khi chế tạo màng mỏng từ tính có hiệu ứng AMR, người ta thường định hướng 2 phương: một là phương dễ từ hóa (EA), theo phương này thì sự bão hòa từ diễn ra dễ dàng nhất (ở từ trường nhỏ). Hai là phương khó từ hóa (HA), theo phương này thì sự bão hòa từ diễn ra khó nhất (ở từ trường cao). 1.2.5.b. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng AMR Các cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng AMR chủ yếu được công bố gồm 2 dạng: cảm biến dạng vòng xuyến và cảm biến dạng WB. - Cảm biến AMR dạng vòng xuyến Cảm biến AMR có cấu trúc dạng vòng xuyến, sử dụng vật liệu sắt từ NiFe, được thiết kế lần đầu tiên bởi Miller như Hình 1.14. Vào năm 2002, Miller cũng đã sử dụng vòng cảm biến AMR sử dụng vật liệu SiN/NiFe/Cu/SiN để dò tìm các hạt từ khi có sự có mặt của hạt từ tín hiệu cảm biến thay đổi ∆V = 1μV [75]. Khi cảm biến mang dòng I và từ trường ngoài tác dụng bằng không, từ độ của vòng là một đường tròn khép kín như Hình 1.14. Đây là trường hợp dòng điện chạy qua linh kiện song song với mômen từ (p). Ngược lại, khi có từ trường ngoài như sự có mặt của hạt từ tính với mômen từ vuông góc với bề mặt của linh kiện, đặt tại tâm của linh kiện thì từ độ của vòng xuyến sẽ vuông góc với dòng điện và ngăn cản sự chuyển động của các electron khi chạy qua vòng linh kiện (orth). Sự thay đổi từ trạng thái p (chưa có mặt hạt từ) sang trạng thái orth (có mặt hạt từ) làm điện trở của linh kiện thay đổi và tạo ra sự thay đổi điện áp. 21 Cấu trúc cảm biến vòng xuyến AMR thích hợp trong việc ứng dụng phát hiện các hạt từ tính đơn lẻ có kích thước cỡ micromet. Khi đó, các hạt từ tính đặt ở trung tâm của vòng tròn xuyến và nằm trọn bên trong vòng xuyến. Cảm biến AMR dạng vòng xuyến có độ nhạy SH cỡ 2 µV/Oe, có tỉ số S/N cỡ 50 lần [53]. Hình 1.14. Mô hình cảm biến AMR dạng vòng xuyến (a) và ảnh thực tế (b) [75]. - Cảm biến AMR dạng WB Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của WB sẽ được luận án đề cập chi tiết ở mục 1.3.1. Dựa vào công nghệ micro-nano, trong những năm gần đây, các cảm biến AMR được chế tạo chủ yếu dựa trên mạch cầu Wheatstone [39, 91, 112, 127, 132] và cho độ nhạy ngày càng tăng. Năm 1996, hãng Philips Semiconductors đã công bố cảm biến thương mại dạng WB dựa trên vật liệu màng NiFe cho độ nhạy 0,96 mV/Oe khi cấp dòng 1 V (tương đương 0,96 mV/V/Oe) (bảng dữ liệu, năm 1996) [145]. Năm 2004, Richard Gambino cùng các cộng sự chế tạo cảm biến WB, sử dụng vật liệu màng NiFe cho độ nhạy SH = 0,4 mV/Oe [31]. Các cảm biến WB dựa trên hiệu ứng AMR thương mại AFF 755B cho độ nhạy cỡ 1,35 mV/Oe khi cấp dòng 1 V (bảng dữ liệu, năm 2017) [144]. Các cảm biến AMR được ứng dụng để đo dòng điện chính xác [91, 112], ứng dụng làm oát kế [127], ứng dụng làm thiết bị đo hệ số nhiệt điện trở độ chính xác cao [126]. Ưu điểm nói chung của cảm biến AMR dạng WB so với các cảm biến đo từ trường khác là chỉ cần sử dụng màng đơn lớp, công nghệ chế tạo và chi phí thấp nhưng lại cho tín hiệu lớn, độ nhạy cao (cỡ mV/Oe), tỉ số S/N cỡ 102 bậc [8]. 22 1.2.6. Hiện tượng nhiễu trong các cảm biến Để đánh giá cảm biến một cách đầy đủ, trọn vẹn ngoài các thông số kĩ thuật như độ nhạy, dải từ trường hoạt động, độ phân giải thì nhiễu, ồn là một tiêu chí đánh giá cảm biến. Đặc biết đối với các ứng dụng chính xác và đối với các cảm biến thương mại, việc giảm thiểu các loại nhiễu (ồn) ảnh hưởng đến cảm biến rất quan trọng. Hiệu suất của cảm biến chỉ được xác định khi so sánh với nguồn nhiễu nội tại của chúng. Nhiễu thường chồng lên các tín hiệu thật đo được của cảm biến đồng thời che mờ đi các tín hiệu yếu. Người ta thường dùng tỉ số S/N là tiêu chí đánh giá cảm biến. Tỉ số S/N càng lớn thì cảm biến cho tín hiệu càng chính xác. Các loại nhiễu cơ bản gồm: nhiễu tần, nhiễu lượng tử và nhiễu Johnson. Ở tần số nhỏ (f < 300Hz), thì chủ yếu là nhiễu tần, ở tần số > 1 kHz thì nhiễu Johnson chiếm chủ yếu [102]. - Nhiễu Johnson: Nhiễu Johnson hay nhiễu nhiệt [54] là yếu tố nhiễu sinh ra do sự tỏa nhiệt trên điện trở khi có dòng điện được tính theo công thức (1.16): (1.16) 푉푁 = √4퐾퐵푇푅퐷퐶∆푓 trong đó, T (K): nhiệt độ tuyệt đối; RDC: điện trở ứng với dòng một chiều DC; kB là hằng số Boltzmann; Δf khoảng tần số khi đo. Để giảm nhiễu Johnson, ta phải giảm RDC và giảm I. Cảm biến AMR khi ứng dụng đo từ trường, nhiễu Johnson được xác định có giá trị rất nhỏ cỡ 20 ppm/độ [127]. - Nhiễu lượng tử: Khi có dòng IDC qua một rào thế năng thì nhiễu lượng tử được sinh ra, cường độ dòng nhiễu I được xác định: 2 I = 2q.IDC.B ( 1 . 17) ở đây: q là điện tích (C), B là dải nhiễu, IDC là dòng DC trung bình. Nhiễu lượng tử do sự thăng giáng của dòng điện. - Nhiễu tần số: Nhiễu tần số 1/f do sự dao động của độ dẫn điện tại chỗ tiếp xúc giữa 2 lớp màng vật liệu khác nhau. Nhiễu 1/f phụ thuộc vào tần số và tỷ lệ với I2 [9]. Để giảm nhiễu tần số có 2 cách: (i) tần số f hoạt động đủ cao, (ii) tăng diện tích cảm biến, tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N tỉ lệ với căn bậc hai của diện tích (Ss) của linh kiện [9]. (1.18) S/N ~ √푆푠 23 Để giảm các loại nhiễu do các nguồn từ trường bên ngoài như từ trường Trái đất và từ trường do các nguồn thiết bị xung quanh, khi tiến hành thực nghiệm đánh giá độ nhạy cảm biến, người ta thường đặt cảm biến cần khảo sát trong một ống chắn từ [9]. Ngoài ra, người ta còn dùng bộ lọc thông, bộ khuếch đại để giảm nhiễu. Đối với nghiên cứu trong luận án, do điều kiện thực tế Phòng Thí nghiệm (PTN), chúng tôi không đặt vấn đề khảo sát độ nhiễu của cảm biến. Tuy vậy, khi thiết kế cảm biến chúng tôi tính toán thiết kế mạch cầu sao cho giảm được điện trở nội của cảm biến và đồng thời thực hiện với dòng cấp IDC nhỏ, do đó sẽ giảm được nhiễu Johnson tác động lên cảm biến. Khi tiến hành khảo sát thực nghiệm đo đạc, cảm biến được đặt cách xa các nguồn phát từ trường để giảm các loại nhiễu từ trường từ bên ngoài. Từ công thức (1.18), việc tính toán kích thước (diện tích) của cảm biến để giảm nhiễu tần số 1/f cũng được đề cập đến, tuy nhiên điều này sẽ dẫn đến việc làm tăng kích thước của cảm biến. Đây cũng là một yếu tố chúng tôi xem xét để chế tạo cảm biến phù hợp với mục đích ứng dụng. 1.2.7. So sánh các loại cảm biến từ trường cấu trúc micro-nano Các loại cảm biến từ trường đã được liệt kê đều cho thấy luôn tồn tại một số nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng, chẳng hạn với cảm biến Hall có độ phân giải từ trường thấp (~ Oe), cảm biến Flux – gate thì thời gian đáp ứng chậm và kích thước lớn. Những nhược điểm này của cảm biến sẽ được khắc phục với cảm biến từ- điện trở sử dụng vật liệu sắt từ mềm, đồng thời các cảm biến này cũng ít chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu. Độ nhạy, tỉ số S/N của các loại cảm biến từ như cảm biến dựa trên hiệu ứng GMR, TMR, PHE, AMR được chỉ ra tại Bảng 1.2. Bảng 1.2. Bảng so sánh độ nhạy và tỉ số S/N [8, 27, 30] của một số loại cảm biến đo từ trường cấu trúc màng mỏng nano dựa trên vật liệu sắt từ. TLTK Cảm Cấu trúc vật liệu Độ Tỉ Đặc điểm cảm biến biến nhạy số tín hiệu /nhi ễu [134]. GMR Ta/NiFeCr/PtMn/Co 500 ~ Phức tạp, đắt tiền Fe/Ru/CoFe μV/Oe 400 24 [69]. VS (Si/SiO2)/Ta/NiFe/C 500 ~ Phức tạp, đắt tiền μV/Oe 450 o/Cu/Co80Fe20/IrMn/ Ta [29]. TMR IrMn/Mn/CoFe/Ru/ 32 ~ Phức tạp, đắt tiền 2 CoFeB/MgO/CoFeB mV/Oe 10 /Ta/NiFe/CaP [57]. PHE Chữ thập: 19,86 ~ - Nếu vật liệu truyền 2 Ta/NiFe/Cu/IrMn/T μV/Oe 10 thống, đơn lớp thì: tín a hiệu nhỏ, công nghệ đơn giản, giá thành [41]. Cầu Wheatstone: 150 ~ thấp. Ta/NiFe/Ta μV/Oe 150 0 - Nếu vật liệu màng đa [109]. 7 vòng xuyến: 600 ~ lớp cấu trúc van spin μV/Oe 103 thì: tín hiệu lớn, công Ta/IrMn/Cu/NiFe/T nghệ phức tạp, chi phí a lớn. [84]. Cảm 1 vòng xuyến: 9,5 ~ biến lai μV/Oe 102 giữa Ta/NiFe/Cu/NiFe/Ir AMR Mn/Ta và PHE 17 vòng xuyến: 102,6 ~ μV /Oe 103 Ta/NiFe/Cu/NiFe/Ir Mn/Ta [53]. AMR Vòng: NiFe ~ 2 ~ - Tín hiệu nhỏ, công 1 μV/Oe 10 nghệ đơn giản, chi phí thấp. Cầu Wheatstone: ~ ~ - Tín hiệu lớn, công mV/Oe 102 Ta/NiFe/Ta nghệ đơn giản, chi phí thấp. 25 [143] Cảm Dựa trên hiệu ứng 3,5 ~ 2 biến GMR mV/Oe 10 thương mại [144] Cảm Dựa trên hiệu ứng 1,35 ~ 2 biến AMR mV/Oe 10 thương mại [142] Cảm Vật liệu từ ~V/Oe 102 - Chi phí thấp, kích biến thước lớn (~ cm), thời Flux- gate gian đáp ứng chậm, phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Các loại linh kiện, cảm biến từ khác nhau có những đặc trưng về cấu trúc và các thông số làm, dải hoạt động việc khác nhau của chúng được thống kê dưới Bảng 1.3. Bảng 1.3. Dải làm việc của các loại cảm biến từ [17, 120]. Mỗi cảm biến có ưu, nhược điểm riêng, với cảm biến dựa trên hiệu ứng điện-từ thì có độ nhạy cao nhưng thời gian đáp ứng chậm và kích thước cồng kềnh, ccs cảm biến dựa trên vật liệu bán dẫn có chi phí rẻ, độ nhạy cao nhưng lại không bền và phụ 26 thuộc mạnh vào điều kiện nhiệt độ, các cảm biến TMR và cảm biến Hall phẳng cấu trúc van spin có độ nhạy lớn nhưng công nghệ lại phức tạp, chi phí tốn kém. Cảm biến AMR dạng vòng xuyến có cấu trúc đơn giản nhưng hiệu ứng lại thấp. Trong các cảm biến trên, cảm biến AMR dạng WB vừa có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và lại cho tín hiệu lớn, đây là đối tượng chính mà Nhóm nghiên cứu tại PTN Trọng điểm Công nghệ Micro-Nano, Trường Đại học Công nghệ (ĐHCN), Đại học Quốc gia (ĐHQG) Hà Nội đứng đầu là GS Nguyễn Hữu Đức định hướng và tập trung nghiên cứu. 1.3. Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến đo từ trường 1.3.1. Mạch cầu điện trở Wheatstone Samuel Hunter Christie đưa ra khái niệm mạch cầu điện trở vào năm 1833. Đến năm 1843, S.C. Wheatstone (1802-1875) [28] đã ứng dụng chúng vào nghiên cứu nên gọi là mạch cầu Wheatstone (Wheatstone brigde - WB). Khi đo đạc các giá trị điện trở thì sử dụng WB vẫn là phương pháp cho độ tin cậy cao. Cấu trúc mạch cầu gồm 4 các điện trở thành phần R1, R2, R3, R4 được kết nối với nhau (Hình 1.15). Trong Vật lý đại cương, WB thường được ứng dụng để xác định một thành phần điện trở (cần độ chính xác cao) khi đã biết trị số 3 điện trở còn lại, từ Hình 1.15, dựa vào biểu thức liên hệ khi so sánh các điện trở trên 4 nhánh cầu khi mạch cầu cân bằng theo công thức: 푅 푅 (1.19) 2 = 3 = ɛ 푅1 푅4 Với ứng dụng đo từ trường, cảm biến cần độ chính xác cao, mạch cầu thường sử dụng một đồng hồ/điện kế để đo điện áp lối ra rất nhạy cỡ mV đến nV. Trong sơ đồ thực nghiệm của luận án, nguồn điện một chiều cấp dòng được nối vào 2 điểm A, C còn điện kế G được nối với 2 điểm B và D. Khi ta đặt vào mạch điện áp Vin, ta có: 푅1푅3 − 푅2푅4 (1.20) 푉퐺 = 푉𝑖푛 (푅1 + 푅2) (푅3 + 푅4) Khi từ trường ngoài khác không, do hiệu ứng AMR sẽ tạo ra sự biến đổi (∆Ri) và điện áp của mạch cầu khi đó: 27 Giả sử ban đầu, cầu cân bằng, khi đó công thức (1.19) được thỏa mãn. Khi có sự thay đổi nhỏ của điện trở, ta có thể viết phương trình trên được là [96, 141]: (1.21) Trường hợp R1 = R2 = R3 = R4 thì ɛ = 1, khi đó công thức (1.21) trở thành: (1.22) Hình 1.15. Mô tả WB ảnh hưởng bởi từ trường ngoài do hiệu ứng AMR [96]. 1.3.2. Ưu điểm của mạch cầu Wheatstone Khi nghiên cứu trên cảm biến Hall, F. W. Østerberg [88] chỉ ra rằng, với kích thước tương đương độ nhạy của cảm biến dạng WB lớn hơn độ nhạy của cảm biến dạng chữ thập cỡ 6,8 lần. Đối với cảm biến dựa trên WB, ngoài ưu điểm cho độ nhạy cao hơn cảm biến có cấu trúc chữ thập hay cấu trúc vòng xuyến như đã đề cập trong mục 1.2.5 thì cảm biến WB còn có ưu điểm vượt trội đó là khả năng giảm nhiễu Johnson. Đối với cảm biến dạng cầu Wheatstone của luận án nghiên cứu, do hiệu ứng AMR, khi đặt trong từ trường ngoài thì điện trở của cảm biến sẽ thay đổi. Trong đó, có một cặp điện trở đối diện này sẽ tăng lên (R1 và R3) thì sẽ có một cặp điện trở đối diện khác (R2 và R4) giảm xuống một lượng ∆R dẫn đến điện trở tổng cộng của cảm 28 biến là không đổi (xem Hình 1.15). Như vậy, mạch cầu có thể tự bù trừ điện trở khi có sự thăng giáng điện trở của hai nhánh nên ưu điểm của mạch cầu là giảm thiểu được nhiễu Johnson rất tốt so với cảm biến khác (xem công thức (1.16)). Mạch cầu WB được ứng dụng hữu hiệu trong các mạch điện tử như dùng để đo trở kháng, cảm kháng, dung kháng của mạch xoay chiều, ứng dụng rà phá bom mìn, đo dòng, phát hiện phương diện giao thông, ứng dụng phát hiện hạt từ tính trong lĩnh vực y-sinh học. Phương pháp WB cho độ chính xác cao, kết quả nhanh. 1.3.3. Mạch cầu Wheatstone trong các thiết kế cảm biến từ trường Những năm gần đây, các cảm biến từ dựa trên WB vẫn chủ yếu sử dụng vật liệu permalloy. Các nghiên cứu chủ yếu theo hướng tối ưu thiết kế cấu hình cảm biến để nâng cao độ nhạy đo từ trường. Trong đó, đáng chú ý nhất là nghiên cứu của Sunjong Oh vào năm 2011 đã công bố cảm biến dạng lai giữa cảm biến AMR và PHR dạng vòng xuyến “ring” [84]: với cảm biến có 1 vòng xuyến, cho độ nhạy 9,5 μV/Oe; để nâng cao độ nhạy, nhóm tác giả đã tăng cường tính dị hướng hình dạng cảm biến bằng cách tổ hợp nhiều các “ring” nhỏ, kết quả đạt được ứng với 17 “ring” độ nhạy cảm biến cho giá trị 102,6 μV/Oe (xem Bảng 1.2). Nhóm tác giả A. D. Henriksen [42] đã nghiên cứu và so sánh hai cấu hình cảm biến dạng WB đó là mạch cầu dạng vòng xuyến (mỗi nhánh điện trở có dạng cung tròn) và mạch cầu dạng hình vuông (mỗi nhánh điện trở có dạng thanh dài) có kích thước tương đương (Hình 1.16). Kết quả cho thấy, cảm biến WB dạng thanh dài cho độ nhạy lớn hơn cảm biến dạng vòng xuyến khoảng 41 % (khi tính toán lý thuyết) và khoảng 30 % (khi đo đạc thực nghiệm). Hình 1.16. Mô tả cảm biến có cấu trúc WB dạng hình cung tròn (a) và hình thanh dài (b) [42]. 29 Với cảm biến dạng thanh dài, khi nghiên cứu trên hiệu ứng Hall, Henriksen cũng như một số nhóm nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng, độ nhạy (SH) của cảm biến được tăng cường với cấu trúc đơn đômen và phụ thuộc vào tính dị hướng hình dạng của cảm biến, khi tăng số dãy nối tiếp của mỗi nhánh mạch cầu từ 3 lên 5 lần và 7 lần thì độ nhạy tăng lên 1,6 và 2,2 lần tương ứng [41]. 1.3.4. Mạch cầu Wheatstone trong thiết kế cảm biến AMR của luận án Từ các kết quả nghiên cứu ở trên, dựa trên vật liệu permalloy Ni80Fe20 và WB có dạng thanh dài hình chữ nhật, luận án chế tạo cảm biến AMR theo cách tối ưu cấu hình thiết kế cảm biến nhằm nâng cao độ nhạy. Cũng tương tự như hiệu ứng Hall phẳng, để có hiệu ứng AMR cao thì cảm biến cần phải có cấu trúc đơn đômen hay tính dị hướng từ đơn trục trên thanh điện trở. Có 2 cách để tăng cường tính dị hướng từ đơn trục: (i) Can thiệp vào tính chất nội tại của cảm biến (intrinsic) đó là thay đổi loại vật liệu, thay đổi thành phần vật liệu, thay đổi cấu trúc tinh thể, ứng suất khi xử lý nhiệt; (ii) Can thiệp từ bên ngoài (extrinsic) bằng cách tăng cường tính dị hướng từ đơn trục (nhờ tác dụng 1 từ trường cưỡng bức gọi là từ trường ghim theo một trục (trục dễ – EA)) và thay đổi hình thái học cảm biến bằng cách tăng cường tính dị hướng hình dạng nhờ vào việc tăng cường chiều dài hiệu dụng Leff của cảm biến đồng thời giảm chiều dày lớp màng từ tính (xem công thức (1.15)). Nếu Leff càng lớn thì độ nhạy của cảm biến càng cao. Ở đây, chiều dài hiệu dụng Leff của cảm biến, được định nghĩa theo công thức: Leff = n×L/W (1.23) trong đó, khi xét một nhánh của cảm biến thì n là số dãy điện trở mắc nối tiếp, L/W là tỉ số chiều dài/chiều rộng của một thanh điện trở. Luận án chọn cách thứ hai (can thiệp từ bên ngoài). Chúng tôi tối ưu thiết kế hình thái học của cảm biến tới từng nhánh cầu điện trở, từ việc thay đổi chiều dài, chiều rộng, độ dày đến việc tổ hợp cách ghép mỗi thành phần điện trở nhỏ tại mỗi nhánh cầu. Do đó, có rất nhiều nội dung cần nghiên cứu mà các tác giả trên thế giới chưa khai thác. Đây cũng là tính mới của luận án. 30 Từ công thức (1.15), để đo hiệu ứng AMR và để tăng cường độ lệch điện áp lối ra cho cảm biến, chúng tôi thay đổi góc  (góc giữa 푀⃗⃗⃗⃗ và chiều I) bằng cách giữ nguyên chiều I, chỉ th... Science: Advanced Materials and Devices, 4 (2) pp. 327-332. Danh mục này gồm có 07 công trình. 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. Trần Thị Dung (2017), Hiệu ứng từ điện trở trên cảm biến cầu Wheatstone cấu trúc hỗn hợp nối tiếp-song song, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2. [2]. Nguyễn Hữu Đức (2008), Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, Nhà xuất bản ĐHQG Hà Nội, Hà Nội. [3]. Thân Đức Hiền, Lưu Tuấn Tài (2008), Từ học và Vật liệu từ, Nhà xuất bản Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội. [4]. Phạm Ngọc Hưng (2017), Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2. [5]. Đỗ Thị Lan (2016), Chế tạo cảm biến mục đích phát hiện từ trường Trái đất, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2. [6]. Nguyễn Thị Thắm (2016), Tối ưu hóa cấu trúc hình dạng cảm biến cho tín hiệu AMR lớn, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2. [7]. Nguyễn Thị Thúy (2013), Nghiên cứu, chế tạo sensor đo từ trường thấp dạng cầu Wheatstone dựa trên màng mỏng từ NiFe cấu trúc nano, Luận văn Thạc sĩ, ĐHCN, ĐHQG Hà Nội. [8]. Bùi Đình Tú (2014), Chế tạo và nghiên cứu một số cấu trúc spin-điện tử micro- nano ứng dụng trong chíp sinh học, Luận án Tiến sĩ Vật liệu và linh kiện nano, ĐHCN - ĐHQG Hà Nội, Hà Nội. [9]. Nguyễn Anh Tuấn (2018), Nghiên cứu chế tạo cảm biến nhạy với từ trường yếu trên cơ sở cấu trúc Van spin dùng trong các thiết bị phát hiện, dò tìm và định vị, Báo cáo tổng kết Đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Bộ, Mã số: B2017-BKA-48. Tiếng Anh [10]. D. J. Adelerhof (2000), Wim Geven New position detectors based on AMR sensors, Sensors and Actuators 85, pp. 48-53. 124 [11]. A. O. Adeyeye and R. L. White (2004), Magnetoresistance behavior of single castellated Ni80Fe20 nanowires, Journal of Applied Physics 95, pp. 2025-2228. [12]. Ton Tich Ai (2005), Geomagnetism and Magnetic Prospecting, Vietnam National University Publishers. [13]. T. M. L Alves , Bezerra C G, Viegas A D C, Nicolodi S, Corrêa M A and Bohn F (2015), Quantifying magnetic anisotropy dispersion: Theoretical and experimental study of the magnetic properties of anisotropic FeCuNbSiB ferromagnetic films, Journal of Applied Physics. 117, pp. 083901. [14]. M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Etienne, G. Creuzet, A. Friederich, J. Chazelas (1988), Giant magnetoresistance of (001)Fe/Cr magnetic superlattices, Physical Review Letters 61(21), pp. 2472 – 2475. [15]. D. R. Baselt, G. U. Lee, M. Natesan, S. W. Metzger, P. E. Sheehan, R. J. Colton (1998), A biosensor based on magnetoresistance technology, Biosensor and bioelectrics 13, pp. 731 – 739. [16]. Pierre-A. Besse, Giovanni Boero, Michel Demierre, Vincent Pott, Radivoje Popovic (2002), Detection of a single magnetic microbead using a miniaturized silicon Hall Sensor, Applied Physics Letters 80 (22), pp. 4199 – 4201. [17]. Bo Cao, Kan Wang, Hao Xu, Qi Qin, Jinchuan Yang, Wei Zheng, Qinghui Jin, Daxiang Cui (2020), Development of magnetic sensor technologies for point- of-care testing: fundamentals, methodologies and applications, Sensors and Actuators: A. Physical (accepted). (https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112130). [18]. Chao Zheng, Ke Zhu, Susana Cardoso de Freitas, Jen-Yuan Chang, Joseph E. Davies, Peter Eames, Paulo P. Freitas, Olga Kazakova, CheolGi Kim, Chi- Wah Leung, Sy-Hwang Liou, Alexey Ognev, S. N. Piramanayagam, Pavel Ripka, Alexander Samardak, Kwang-Ho Shin, Shi-Yuan Tong,Mean-Jue Tung, Shan X.Wang, Songsheng Xue, Xiaolu Yin, and Philip W. T. Pong (2019), Magnetoresistive Sensor Development Roadmap (Non-Recording Applications), IEEE Transtions on magnetics, Vol. 55, No. 4, pp 0800130. 125 [19]. C. D. Damsgaard, Susana C. Freitas, Paulo P. Freitas, and Mikkel F. Hansen (2008), Exchange-biased planar Hall effect sensor optimized for biosensor applications, 103, 07A302, pp.1-3. [20]. Nguyen Van Dau, A. Schuhl, J. R. Childress, M. Sussiau (1996), Magnetic sensors for nanotesla detection using planar Hall effect, Sensors and Actuators A: Physical 53(1), pp. 256-260. [21]. J. Devkota, G. Kokkinis, T. Berris, M. Jamalieh, S. Cardoso, F. Cardoso, H. Srikanth, M. H. Phan and I. Giouroudi (2015), A novel approach for detection and quantification of magnetic nanomarkers using a spin valve GMR- integrated microfluidic sensor, RSC Advances 5, pp. 51169. [22]. J. Devkota, C. Wang, A. Ruiz, S. Mohapatra, P. Mukherjee, H. Srikanth, and M. H. Phan (2013), Detection of low-concentration superparamagnetic nanoparticles using an integrated radio frequency magnetic biosensor, Journal of Applied Physics 113, pp. 104701. [23]. Diqing Su, KaiWu, Renata Saha, Chaoyi Peng and Jian-Ping Wang (2019), Advances in Magnetoresistive Biosensors, Micromachines Vol.11, pp.34. [24]. Dmitry Murzin, Desmond J Mapps, Kateryna Levada, Victor Belyaev, Alexander Omelyanchik, Larissa Panina and Valeria Rodionova (2019), Ultrasensitive Magnetic Field Sensors for Biomedical Applications, Sensors, 20, pp.1569. [25]. N.H. Duc, B.D. Tu, N.T. Ngoc, V.D. Lap, D.T.H. Giang (2013), Metglas/PZT- Magnetoelectric 2-D Geomagnetic Device for Computing Precise Angular Position, IEEE Trans. Magn. 49, pp. 4839. [26]. L.W. Ejsing, Mikkel F. Hansen, Aric K. Menon, Hugo A. Ferreir, Daniel, L. Graham, Paulo P. Freitas (2005), Magnetic microbead detection using the planar Hall effect, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 293, pp. 677- 684. [27]. L.W. Ejsing (2006), Planar Hall sensor for influenza immunoassay, Ph.D. Thesis, S021568, MIC-Department of Micro and Nanotechnolgy Technical University of Denmark. 126 [28]. S. Ekelof (2001), The Genesis of the Wheatstone Bridge, Engineering Science and Education Journal (History of technology), volume 10, no 1, pp. 37–40. [29]. R. Ferreira, E. Paz, P.P. Freitas, J. Ribeiro, J. Germano and L. Sousa (2012), 2-Axis Magnetometers Based on Full Wheatstone Bridges Incorporating Magnetic Tunnel Junctions Connected in Series, IEEE Trans. Magn. 48, pp. 4017. [30]. P. P. Freitas, H. A. Ferreira, D. L. Graham, L. A. Clarke, M. D. Amaral, V. Martins, L. Fonseca, and J. S. Cabral (2004), Magnetoelectronics, chapter 7: Magnetoresistive DNA chips, pages 331-373, Elsevier Academic Press, Oxford. [31]. Z. R. Gambino, Muthuvel Manivel Raja, Sanjay Sampath, and Robert Greenlaw (2004), plasma-sprayed thick-film anisotropic magnetoresistive (AMR) sensors, IEEE sensors journal, 4, pp. 764-767. [32]. D. T. H. Giang, P. A. Duc, N. T. Ngoc, N. T. Hien, N. H. Duc (2012), Enhancement of the Magnetic Flux in Metglas/PZT – Magnetoelectric Integrated 2D Geomagnetic Device, Journal of Magnetics 17(4), pp. 308 – 315. [33]. D. T. H. Giang, P. A. Duc, N. T. Ngoc, N. T. Hien, N. H. Duc (2012), Spatial angular positioning device with three – dimensional magnetoelectric sensors, Review of scientific instruments 83, pp. 095006. [34]. D. T. H. Giang, P. A. Duc, N. T. Ngoc, N. H. Duc (2012), Geomagnetic sensors based on Metglas/PZT laminates, Sensors and Actuators A, A179, pp. 78 – 82. [35]. D. T. H. Giang, N. X. Toan, P. A. Duc, N. H. Duc (2010), Enhancement of magnetoelectric effect in Metglas/piezoelectric laminate composites, IWAMSN 2010. [36]. D. T. Huong Giang, D. X. Dang, N. X. Toan, N. V. Tuan, A. T. Phung, and N. H. Duc (2017), Distance magnetic nanoparticle detection using a magnetoelectric sensor for clinical interventions, Rev. Sci. Instrum. 88, pp. 015004. 127 [37]. H. Gruger, R Gottfried-Gottfried (2001), Performance and applications of a two axes fluxgate magnetic field sensor fabricated by a CMOS process, Sensors and Actuators A, vol. 91, pp. 61-64. [38]. M. J. Haji-Sheikh (2005), Anisotropic Magnetoresistive Model for Saturated Sensor Elements, IEEE Sensor Journal, 5 (6), pp. 1258-1263. [39]. M. J. Haji-Sheikh and Y. Yoo (2007), An accurate model of a highly ordered 81/19 permalloy AMR Wheatstone bridge sensor against a 48 pole pair ring- magnet, IJISTA 3, pp. 95–105. [40]. Imran Hashim (1994), Microstructural and Magnetic properties of Polycrystalline and Epitaxial permalloy Multilayered Thin Films, In Partial Fulfillmet of the Requirements for the Degree of Docctor of Philosophy, California Institute of Technilogy pasadena, California. [41]. A. D. Henriksen, B. T. Dalslet, D. H. Skieller, K. H. Lee, F. Okkels, and M. F. Hansena (2010), Planar Hall effect bridge magnetic field sensors, Journal of Applied Physics Letters. 97, pp. 013507-1 – 013507-3. [42]. A. D. Henriksen, Rizzi, Giovanni, Hansen, Mikkel Fougt (2015), Experimental comparison of ring and diamond shaped planar Hall effect bridge magnetic field sensors, Journal of Applied Physics, 118(10), pp. 103901. [43]. A. D. Henriksen, Giovanni Rizzi, and Mikkel Fougt Hansen (2016), Planar Hall effect bridge sensors with NiFe/Cu/IrMn stack optimized for self-field magnetic bead detection, Jounal of applied physics, 119, pp. 093910. [44]. LT Hien, LK Quynh, VT Huyen, BD Tu, NT Hien, DM Phuong, PH Nhung, DTH Giang, NH Duc (2016), DNA-magnetic bead detection using disposable cards and the anisotropic magnetoresistive sensor, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 7, pp.045006. [45]. Ho D.T.N, Le T.P.T, Wolbers M, Cao Q.T, Nguyen V.M.H, Tran V.T.N, Le T.P.T, Nguyen H.P, Tran T.H.C, Dinh X.S, To S.D, Hoang T.T.H, Hoang T, Campbell J.S, Nguyen V.V.C, Nguyen T.C, Nguyen V.D, Ngo T.H, Spratt B.G, Tran T.H, Farrar J, Schultsz C (2011), Risk Factors of Streptococcus suis Infection in Vietnam. A Case-Control Study, PLoS ONE. 6 (3), pp. 17604. 128 [46]. Tran Vinh Hoang, Lam Dai Tran, Thinh Ngoc Nguyen (2010), Preparation of chitosan/magnetite composite beads and their application for removal of Pb(II) and Ni(II) from aqueous solution, Materials Science and Engineering C 30, pp. 304-310. [47]. Zhang Hui, Teng Jiao, Yu Guanghua (2007), Dependence of non-uniform demagnetizing field on width of NiFe thin film AMR elements, Acta Metallurgica Sinica -Chinese Edition, 43(6), pp. 599-602. [48]. Tran Quang Hung, Jong-Ryul Jeong, Dong-Young Kim, Nguyen Huu Duc and CheolGi Kim (2009), Hybrid planar Hamm-magnettoresistance sensor based on tilted cross-junction, J. Appl. Phys. 42, pp. 055007. [49]. S. Ingvarsson, Gang Xiao, S.S.P. Parkin, and W.J. Gallagher (2002), Thickness dependent magnetic properties of Ni81Fe19, Co90Fe10 and Ni65Fe15Co20 thin films, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 251, pp. 202–206. [50]. JaniceNickel (1995), Magnetoresistance Overview, Hewlett-Packard Laboratories, Technical Publications Department, USA. [51]. J. Jeon, J. Jung, and K. H. Chow (2016), Current dependence of colossal anisotropic magnetoresistance in La0.3Pr0.4Ca0.3MnO3 microbridges, Journal of Applied Physics 120, pp. 123902. [52]. L. Jogschies, Daniel Klaas, Rahel Kruppe, Johannes Rittinger, Piriya Taptimthong, Anja Wienecke, Lutz Rissing and Marc Christopher Wurz (2015), Recent Developments of Magnetoresistive Sensors for Industrial Applications, Sensors 15, pp. 28665-28689. [53]. M. Johnson (2004), Magnetoelectronics, Amsterdam, Elsevier. [54]. J.B. Johnson (1927), Thermal agitation of electricity in conductors, Nature 20, pp. 119. [55]. M. Julliere (1975), Tunnelling between ferromagnetic films, Phys. Lett. A 54, pp. 225-226. [56]. J.E. Lenz. June (1990). A Review of Magnetic Sensors, Proc IEEE, 78, pp. 973-989. 129 [57]. H. Kim, V. Reddy, K. Woo Kim, I. Jeong, X.H. Hu, and C.G. Kim (2014), Single Magnetic Bead Detection in a Microfluidic Chip Using Planar Hall Effect Sensor, J. of Magnetics, 19, pp. 10. [58]. J. G. Kim, Kyung Hunn Han, Seok Ho Song, Anne Reilly (2003), Magnetic properties of sputtered soft magnetic Fe–Ni films with an uniaxial anisotropy, Thin Solid Films 440, pp. 54-59. [59]. M. Kowalewski, W.H. Butler, N. Moghadam, G.M. Stocks, T.C. Schulthess, K.J. Song, J.R. Thompson, A.S. Arrott, T. Zhu, J. Drewes, R. R. Katti, M. T. McClure, and O. Escorcia (2000), The effect of Ta on the magnetic thickness of permalloy ( Ni81Fe19) films, J. Appl. Phys. 87, pp. 5732. [60]. Tran Dai Lam, Nguyen Hai Binh, Nguyen Van Hieu, Tran Hoàng Vinh Nguyen Xuan Phuc (2011), Electrochemical detection of short HIV sequences on chitosan/Fe3O4 nanoparticle based screen printed electrodes, Materials Science and Engineering C 31, pp. 477-485. [61]. Guanxiong Li, Vikram Joshi, Robert L. White, Shan X. Wang, Jennifer T. Kemp, Chris Webb, Ronald W. Davis, Shoueng Sun (2003), Detection of single micron-sized magnetic bead and magnetic nanoparticles using spin valve sensors for biological applications, Journal of Applied Physics 93(10), pp. 7557 – 7559. [62]. Guanxiong Li, Shouheng Sun, Robert J. Wilson, Robert L. White, Nader Pourmand, Shan X. Wang (2006), Spin valve sensors for ultrasensitive detection of superparamagnetic nanoparticles for biological applications, Sensors and Actuators A 126, pp. 98-106. [63]. Xisheng Li, Jia You, Xiongying Shu and Ruiqing Kang (2009), Electric Current measurement using AMR Sensor Array, Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Changchun, China, pp. 4085. [64]. Yu-Chi Liang, Long Chang, Wenlan Qiu, Arati G. Kolhatkar, Binh Vu, Katerina Kourentzi, T. Randall Lee, Youli Zu, Richard Willson and Dmitri Litvinov (2017), Ultrasensitive Magnetic Nanoparticle Detector for Biosensor Applications, Sensors 17, pp. 1296. 130 [65]. Gungun Lin, Denys Makarov and Oliver G. Schmidt (2017), Magnetic sensing platform technologies for biomedical applications, Lab Chip, 17, pp. 1884- 1912. [66]. G. Lin, D. Makarov, M. Melzer, W. Si, C. Yanac, and O. Schmidt (2014), A highly flexible and compact magnetoresistive analytic device, Lab Chip 14, pp. 4050. [67]. Z. Q. Lu (2001), Planar Hall effect in NiFeNiMn bilayers, J. Appl. Phys, 90, pp. 1414-1418. [68]. Van Su Luong, Anh Tuan Nguyen, Thi Luyen Nguyen, Anh Tue Nguyen and Quoc Khanh Hoang (2018), Enhanced Soft Magnetic Properties of [NiFe/Ta]n Laminated Films for Flux Amplification in Magnetic Sensors, IEEE Transactions on Magnetics, 54, pp. 2000804. [69]. Van Su Luong, Anh Tuan Nguyen, Quoc Khanh Hoang, Tuyet Nga Nguyen, Anh Tue Nguyen, Tuan Anh Nguyen, Van Cuong Giap (2018), Magnetoresistive Performances in Exchange-Biased Spin Valve and Their Roles in Low-Field Magnetic Sensing Applications, Journal of Science: Advanced Materials and Devices, 3 (4), pp. 399-405. [70]. Susan Macmillan (2009), Earth’s magnetic field, British Geological Survey, Edinburgh, UK. [71]. V. Marius, Marioara Avram (2015), Using permalloy based planar hall effect sensors to capture and detect superparamagnetic beads for lab on chip applications, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 381, pp. 481-487. [72]. T. R. McGuire, R. D. Hempstead, and S. Krongelb (1976), Anisotropic magnetoresistance in ferromagnetic 3d ternary alloys, AIP Conf. Proc, 29, pp. 526. [73]. T. R. Mcguire and R. I. Potter (1975), Anisotropic Magnetoresistancein Ferromagnetic 3d Alloys, Saction on Magnetics, Vol. Mag 11(4), pp. 1018- 1038. [74]. G. T. Meaden (1971), Conduction electron scattering and the resistance of the magnetic elements, Cont. Phys. 12, pp. 313 - 337. 131 [75]. M. M. Miller, G. A. Prinz, S. F. Cheng, S. Bounnak (2002), Detection of a micron-sized magnetic sphere using a ring-shaped anisotropic magnetoresistance-based sensor: A model for a magnetoresistance-based biosensor, Applied Physics Letters 81(12), pp. 2211-2213. [76]. N. Moghadam, G.M. Stocks, M. Kowalewski, W.H. Butler (2001), Effects of Ta on the magnetic structure of permalloy, J. Appl. Phys. 89, pp. 6886-6888. [77]. S. S. P.S Mohamed, Robert Zierold Josep M. Montero Moreno Detlef Guilitz and Kornelius Nielsch (2012), Magnetic characterization of nickel-rich NiFe nanowires grown by pulsed electrodeposition, Mater. Chem, 22, pp. 8549-8557. [78]. F. Montaigne, Alain Schuhl, Frédéric Nguyen Van Dau, Armando Encinas (2000), Development of magnetoresistive sensors based on planar Hall effect for applications to microcompass, Sensors and Actuators A 81(1-3), pp. 324 – 327. [79]. J. S. Moodera, Lisa R. Kinder, Terrilyn M. Wong, R. Meservey (1995), Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions, Phys. Rev. Lett. 74, pp. 3273–3276. [80]. H. G. J. Moseley (1913), The high frequency spectra of the elements, Phil. Mag. [81]. V. Mor, M. Schultz, O. Sinwani, A. Grosz, E. Paperno, L. Klein (2012), Planar Hall effect sensors with shape-induced effective single domain behavior, Journal of Applied Physics 111, pp. 07E519-07E519-3. [82]. M. Neagu, M. Lozovan, M. Dobromir, L. Velicu, C. Hison, S. Stratulat (2008), permalloy thin films obtained by pulsed laser deposition: magnetic and galvanomagnetic behaviour, Journal of optoelectrnics and advanced materials, Vol. 10, No. 3, pp. 632 – 634. [83]. Nibarger J P, Lopusnik R, Celinski Z and Silva T J (2003), Variation of magnetization and the Lande´g factor with thickness in Ni–Fe films, Appl. Phys. Lett 83, pp. 93–98. 132 [84]. S. Oh, P.B. Patil, Tran Quang Hung, Byunghwa Lim, Migaku Takahashi, Dong Young Kim, CheolGi Kim (2011), Hybrid AMR/PHR ring sensor, Solid State Communications 151, pp. 1248–1251. [85]. R. C. O'Handley (2000), Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, John Wiley & Sons. [86]. F. W. Østerberg, Anders Dahl Henriksen, Giovanni Rizzi, and Mikkel Fougt Hansen (2013), Comment on “Planar Hall resistance ring sensor based on NiFe/Cu/IrMn trilayer structure [J. Appl. Phys. 113, 063903 (2013)], Journal of Applied Physics 114, pp. 106101. [87]. F. W. Østerberg, G. Rizzi, A. D. Henriksen, and M. F. Hansen (2014), Planar Hall effect bridge geometries optimized for magnetic bead detection, J. Appl. Phys. 115(18), pp. 184505. [88]. F. W. Østerberg, G. Rizzi, T. Zardán Gómez de la Torre, M. Strömberg, M. Strømme, P. Svedlindh, M. F. Hansen (2013), Measurements of Brownian relaxation of magnetic nanobeads using planar Hall effect bridge sensors, Biosensors and Bioelectronics 40, pp. 147 –152. [89]. M. A. Parker, T. L. Hylton, K. R. Coffey, J. K. Howard (1994), Microstructural origin of giant magnetoresistance in a new sensor structure based on NiFe/Ag discontinuous multilayer thin films, Journal of Applied Physics 75(10), pp. 6382 – 6384. [90]. Patterson A L (1939), The Scherrer Formula for tia X Particle Size Determination, Phys. Rev, 56, pp. 978. [91]. M. Pavel, Michal Vopalensk´y, Pavel Ripka´(2008), AMR current measurement device, Sensors and Actuators A 141, pp. 649–653. [92]. H. X. Peng, Faxiang Qin, Manh Huong Phan (2016), Ferromagnetic Microwire Composites (from Sensors to Microwave Applications), Springer International Publishing Switzerland. [93]. S. Petralia, Nunzio Vicario, Giovanna Calabrese, Rosalba Parenti and Sabrina Conoci (2018), An Advanced, Silicon-Based Substrate for Sensitive Nucleic Acids Detection, Sensors 18, pp. 3138. 133 [94]. F. Qejvanaj (2016), Fabrication and Characterization of magnetometer for space applications, Doctoral Thesis in Physics School of Information and Communication Technology KTH Royal Institute of Technology Stockholm, Sweden. [95]. L.K. Quynh, B.D. Tu, D.X. Dang, D.Q. Viet, L.T. Hien, D.T. Huong Giang, N.H. Duc (2016), Detection of magnetic nanoparticles using simple AMR sensors in Wheatstone bridge, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 1, pp. 98-102. [96]. L.K. Quynh, B. D. Tu, C.V. Anh, N. H. Duc, A.T. Phung, T.T. Dung, and D. T. Huong Giang (2018), Design Optimization of an Anisotropic Magnetoresistance Sensor for Detection of Magnetic Nanoparticles, Journal of Electronic Material 48 (2), pp. 997-1004. [97]. Le Khac Quynh, Nguyen The Hien, Nguyen Hai Binh, Tran Tien Dung, Bui Dinh Tu, Nguyen Huu Duc and Do Thi Huong Giang (2019), Simple planar Hall effect based sensors for low-magnetic field detection, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology 10, pp. 025002. [98]. L.K. Quynh, B.D. Tu, N.T. Thuy, D.Q. Viet, N.H. Duc, A.T. Phung, and D.T. Huong Giang (2019), Meander anisotropic magnetoresistance bridge geomagnetic sensors, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 4 (2), pp. 327-332. [99]. R.F.O. Reneerkens (1995), Physics of magnetization reversal in exchange biase spin valve multilayers, master thesis, Eindhoven University of Technology (EUT), Netherlands. [100]. J. C. Rife, M. M. Miller, P. E. Sheehan, C. R. Tamanaha,M. Tondra, L. J. Whitman (2003), Design and performance of GMR sensors for the detection of magnetic microbeads in biosensors, Sensors and Actuators A 107, pp. 209– 218. [101]. P. Ripka (1992), Review of Fluxgate Sensors, Sensors and Actuators A, 33 (3), pp. 129-141. [102]. Ripka, Pavel (2000), Magnetic sensors and Magnetometers, Artech House Publishers. 134 [103]. P.Ripka, M.Vopalensk, A.Platil, M. Doscher, K.-M.H. Lenssen, H.Hauser (2003), AMR magnetometer, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 254–255, pp. 639–641. [104]. A. Sandhu, A. Okamoto, I. Shibasaki, A. Oral (2004), Nano and micro Hall- effect sensors for room-temperature scanning hall probe microscopy, Microelectronic Engineering 73–74, pp. 524–528. [105]. P. Saravanan, Jen-Hwa Hsu, Chin-Lai Tsai, Akhilesh Kumar Singh, and Perumal Alagarsamy (2015), Effect of Ta Underlayer on Thickness-Dependent Magnetic Properties of Ni–Fe Films, IEEE Transactions on Magnetics 51, pp. 2006604. [106]. Schuhl, F. Nguyen Van Dau, and J. R. Childress (1995), Low-field magnetic sensors based on the planar Hall effect, Applied Physics Letters 66(20), pp. 2751-2763. [107]. D. Sellmyer, Ralph Skomski (2006), Advanced Magnetic Nanostructures, Springer, pp. 432 – 442. [108]. E F Silva, M A Correa, R D Della Pace, C C Plá Cid, P R Kern, M Carara, C Chesman, O Alves Santos, R L Rodríguez-Suárez, A Azevedo, S M Rezende and F Bohn (2017), Thickness dependence of the magnetic anisotropy and dynamic magnetic response of ferromagnetic NiFe films, J. Phys. D: Appl. Phys. 50, pp. 185001. [109]. Brajalal Sinh,Tran Quang Hung, Torati Sri Ramulu, Sunjong Oh, Kunwoo Kim, Dong-Young Kim, Ferial Terki and CheolGi Kim (2013), Planar Hall resistance ring sensor based on NiFe/Cu/IrMn trilayer structure, J. Appl. Phys. 113, pp. 063903. [110]. J. Smit (1951), Magnetoresistance of ferromagnetic metals and alloys at low temperatures, Physica 17, pp. 612-627. [111]. Talha Jamshaid, Ernandes Taveira Tenório-Neto, Abdoullatif Baraket, Noureddine Lebaz, Abdelhamid Elaissari, Ana Sanchís, J.-Pablo Salvador, M.-Pilar Marco, Joan Bausells, Abdelhamid Errachid, and Nadia Zine (2020), Development of Novel Magneto-Biosensor for Sulfapyridine Detection, Biosensors, 10, pp.43. 135 [112]. Y. Telepinsky, Omer Sinwani, Vladislav Mor, Moty Schultz, and Lior Klein (2016), Magnetic thermal stability of permalloy microstructures with shape- induced bi-axial anisotropy, Journal of Applied Physics 119, pp. 083902. [113]. N. T. Thanh (2007), Planar hall resistance sensor for biochip application, Ph.D. Thesis, Chungnam National University, Korea. [114]. B.G. T´oth, L. P´eter1, A´.Rev’esz, J. P´ad´ar, and I. Bakonyi (2010), Temperature dependence of the electrical resistivity and the anisotropic magnetoresistance (AMR) of electrodeposited Ni-Co alloys, Eur. Phys. J. B 75, pp. 167–177. [115]. Bui Dinh Tu, Tran Quang Hung, Nguyen Trung Thanh, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc and CheolGi Kim (2008), Planar Hall bead array counter microchip with NiFe/IrMn bilayers, Journal of Applied Physics 104, pp. 074701 – 074704. [116]. Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen (2013), High-sensitivity planar Hall sensor based on simple GMRNiFe/Cu/NiFe structure for biochip application, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 4, pp. 015017 – 015020. [117]. Bui Dinh Tu, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, Hai Binh Nguyen (2012), Influence of CoFe and NiFe pinned layers on sensitivity of planar Hall biosensors based on van-spinstructures, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 3, pp. 045019 – 045022. [118]. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Tran Quang Hung, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc, and CheolGi Kim (2009), Optimization of Spin- Valve Structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for Planar Hall Effect Based Biochips, IEEE Transactions on Magnetics 45, pp. 2378 – 2382. [119]. Bui Dinh Tu, Le Viet Cuong, Do Thi Huong Giang, Tran Mau Danh, Nguyen Huu Duc (2009), Optimization of planar hall effect sensor for magnetic bead detection using spin-valve NiFe/Cu/NiFe/IrMn structures, Journal of Physics: Conference Series 187, pp. 012056 – 012061. [120]. S Tumanski (2001), Thin film magnetoresistive sensor, Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia. 136 [121]. A. P. F. Turner (2013), Biosensors: sense and sensibility, Chem. Soc. Rev 42, pp. 3184. [122]. M. Urse, A- E. Moga, M. Grigoras, H. Chiriac (2005), Magnetic and electrical properties of [NiFe/SiO2]n multilayer thin films, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 7 (2), pp. 759 – 762. [123]. Vijay K. Varadan, LinFeng Chen, Jining Xie (2008), Nanomedicine: Design and Applications of Magnetic Nanomaterials, Nanosensors, John Viley & Sons. [124]. M. Volmer, M. Avram (2013), Microelectron. Eng. 108, pp. 116. [125]. M. Vopálenský, Anton'ın Platil, Petr Kaspar (2005), Wattmeter with AMR sensor, Sensors and Actuators A 123-124, pp. 303-307. [126]. M. Vopálenský and Antonin Platil (2013), Temperature Drift of Offset and Sensitivity in Full-Bridge Magnetoresistive Sensors, IEEE Transactions on magnetics, vol. 49 (1), pp. 136-139. [127]. M. Vopálenský (2014), Measuring with magnetoresistive sensors, Habilition thesis, Czech technical University in Prague. [128]. Xuyang Liu, K. H. Lam, Ke Zhu, Chao Zheng, Xu Li, Yimeng Du, Chunhua Liu, and Philip W. T. Pong (2019), Overview of Spintronic Sensors With Internet of Things for Smart Living, Vol.55, pp.0800222. [129]. C. Wang, Jiangtao Pu, Zhongqiang Hu, Wei Su, Mengmeng Guan, Bin Peng, Ziyao Zhou, Zhiguang Wang, Zhuangde Jiang, and Ming Liu (2018), Electric Field Tuning of Anisotropic Magnetoresistance in Ni-Co/PMN-PT Multiferroic Heterostructure, IEEE Transactions on Magnetics, 55, Article Sequence Number: 2501103. [130]. W. Wang, Yi Wang, Liang Tu, Yinglong Feng, Todd Klein & Jian-Ping Wang, (2014), Magnetoresistive performance and comparison of supermagnetic nanoparticles on giant magnetoresistive sensor-based detection system, Scientific reports, 4, pp. 5716. [131]. Wertheim H.F.L, Nguyen H.N, Taylor W, Trinh T.M.L, Ngo H.T, Nguyen T.Q, Nguyen B.N.T, Nguyen H.H, Nguyen H.M, Nguyen C.T, Dao T.T, 137 Nguyen T.V, Fox A, Farrar J, Schultsz C, Nguyen H.D, Nguyen K.V, Horby P (2009), Streptococcus suis, an important cause of adult bacterial meningitis in northern Vietnam, PLoS ONE 4(6), pp. 5973. [132]. S. Widodo (2015), Design and Process Technology of Anisotropic Magneto Resistive Sensor Device on Silicon Substrate, International Conference on Mathematics, Science, and Education (ICMSE 2015), pp. 69-73. [133]. P. Wiśniewski (2007), Giant anisotropic magnetoresistance and magnetothermopower in cubic 3:4 uranium, Applied Physics Letters 90, pp. 192106. [134]. N. Yang, Tao Li, Ping Ping Zhang, Xiaoqiang Chen, Xuefeng Hu and Wei Zhang (2016), An Early Cancer Diagnosis Platform based on Micro-magnetic Sensor Array Demonstrates Ultra-high Sensitivity, Journal of Nanomedicine & Nanotechnology 7 (1), pp. 1000344. [135]. J. Yin, Xue Han, Yanping Cao and Conghua Lu (2014), Surface Wrinkling on Polydimethylsiloxane Microspheres via Wet Surface Chemical Oxidation, Scientific reports, 4, pp. 5710. [136]. Z. Yu, Zhang Dong, Wang Yu-Kun, Yin Yu-Li, Huang Zhao-Cong, Luo Chen, and Zhai Ya (2013), Demagnetizing factors in patterned CoNiFe films with rectangular elements, Chin. Phys. B Vol. 22 95), pp. 056801. [137]. J. Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland (2007), Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters 91, pp. 123513. [138]. S. Yan, Zhiqiang Cao, Zongxia Guo, Zhenyi Zheng, Anni Cao, Yue Qi, Qunwen Leng and Weisheng Zhao (2018), Design and Fabrication of Full WheatstoneBridge-Based Angular GMR Sensors, Sensors, 18, pp. 1832. [139]. J. B. Youssef, Vukadinovic N, Billet D and Labrune M (2004), Thickness- dependent magnetic excitations in permalloy films with nonuniform magnetization, Phys. Rev. B 69, pp. 174402. [140]. R. Zhang, R.F. Willis (2001), Thickness-Dependent Curie Temperatures of Ultrathin Magnetic Films: Effect of the Range of Spin-Spin Interactions, Phys. Rev. Lett, 86, pp. 2665. 138 [141]. .cfm. [142]. https://lemisensors.com/?page_id=116: Fluxgate Magnetometers. [143]. https://www.nve.com/Downloads/intro.pdf. [144]. https://docs-emea.rs online.com/webdocs/1602/0900766b8160287b.pdf/ AFF755B MagnetoResistive Field Sensor Data Sheet. (accessed on 20 July 2017). [145]. 2826-da-01-en-KMZ51_Magnetfeldsensor.pdf. [146]. Photo Mask Specification accessible. 139