Trang chủ Thế giới cảm biến Thế giới cảm biến Sử dụng cảm biến Hall phẳng có cấu trúc hai lớp Nife/Irmn cho việc phát hiện các hạt từ kích thước micro met

Sử dụng cảm biến Hall phẳng có cấu trúc hai lớp Nife/Irmn cho việc phát hiện các hạt từ kích thước micro met

>>Bùi Đình Tú
College of Technology, Vietnam National University, Hanoi, Vietnam     Địa chỉ email này đã được bảo vệ từ spam bots, bạn cần kích hoạt Javascript để xem nó.

GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây việc phát hiện (dò tìm) các hạt từ để phát triển ứng dụng trong sinh học rất quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh, phát hiện các vũ khí sinh học v.v. Để dò tìm các hạt từ này người ta đã sử dụng các loại sensor từ điện trở khổng lồ (GMR) [1-2], các loại sensor val-spin [2-3], sensor Hall bán dẫn [4]. Các loại sensor Hall mặt phẳng (Planar Hall) cũng đã được sử dụng để đo các từ trường nhỏ cỡ nano Tesla [5-6]. Trong báo cáo này chúng tôi đã đưa ra loại sensor Hall mặt phẳng có kích thước 3x3µm2 được chế tạo dựa trên cấu trúc hai lớp NiFe(20.0 nm)/IrMn(10.0 nm).

THỰC NGHIỆM
Cấu trúc của sensor Hall mặt phẳng Ta(5.0 nm)/NiFe(20.0 nm)/IrMn(10.0 nm)/Ta(5.0 nm) được chế tạo bằng phương pháp phún xạ một chiều (DC magnetron) dưới áp suất làm việc là 1.10-3 Torr và chân không là 7.0 x 10-9 Torr trên đế Silic ôxít ở nhiệt độ phòng. Trong suốt quá trình phún xạ từ trường đặt lên mẫu không thay đổi, song song với mặt phẳng của màng và có độ lớn là 100 Oe. Từ trường này có tác dụng làm tăng dị hướng từ của lớp sắt từ và để sắp xếp phương ghim của lớp phản sắt từ IrMn layer.

H. 1. Cấu trúc của một sensor được chế tạo bằng công nghệ quang khắc trong phòng sạch với kích thước 3.0 x 3.0 mm2.


Các sensor điện trở Hall mặt phẳng (PHR) được chế tạo bằng công nghệ quang khắc trong phòng sạch. Mỗi sensor có kích thước 3.0 x 3.0 mm2 với bốn điện cực được chế tạo bằng vàng. Để bảo vệ sensor khỏi bị ăn mòn hóa học do dung dịch Dynabeads® M-280 trong quá trình làm thí nghiệm phát hiện hạt. Chúng tôi đã phủ một lớp bảo vệ SiO2 với độ dày 150 nm. Cấu trúc của mỗi sensor sau khi chế tạo như trên hình 1. Trong quá trình làm thí nghiệm dung dịch Dynabeads® M-280 có chức năng sinh học được nhỏ lên trên bề mặt của sensor bằng pipet-lite SL-10. Sensor được đặt trong từ trường không đổi 20.0 Oe và dòng cấp cho sensor là 2 mA,được cấp bằng một nguồn dòng cố định Keithley 2400. Điện áp lấy ra trên hai cực đối diện được đo bằng một NanoVolt Keithley 2182. Các thiết bị này được ghép nối máy tính để ghi nhận lại tín hiệu. Trong quá trình khảo sát độ nhạy tín hiệu của cảm biến theo dòng chúng tôi đã khảo sát với các dòng cấp cố định khác nhau: I= 0,5 mA, 1mA, 2mA, 3mA, 5mA, 7mA, 10mA, 15mA, 20mA.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

H. 2. Đường cong hiệu ứng Hall mặt phẳng của sensor có cấu trúc bilayer Ta (5.0 nm)/ NiFe (20.0 nm)/IrMn (10.0 nm)/Ta (5.0 nm) với kích thước 3×3 ìm2, dòng đặt vào sensor là 2.0 mA.

Do ưu điểm của cấu trúc hai lớp (bilayer) NiFe/IrMn có nhiệt độ Block cao do đó nó có khả năng chịu được nhiệt lớn mà tính chất từ không bị thay đổi do đó khi chế tạo sensor nó có thể cấp được dòng cao và nhờ có ưu điểm này chúng tôi có thể tăng được tín hiệu và độ nhạy của sensor lên gấp nhiều lần. Ngoài ra với việc chế tạo ra loại sensor với cấu trúc 3×3µm2 nhỏ hơn so với một số nhóm L. Ejsing et al [7] 10x10 µm2 do đó chúng tôi có thể phát hiện được từng hạt từ Dynabeads® M-280.

Các sensor được chế tạo có đặc điểm là đơn đômen. Đường cong phụ thuộc giữa điện áp ra của sensor với từ trường ngoài tác dụng như trên hình 2. Độ nhạy của sensor là 2.8 m/Oe.
Để ứng dụng phát hiện các hạt từ, tăng độ nhạy của sensor chúng tôi đã khảo sát và so sánh độ nhạy của sensor phụ thuộc vào dòng cấp.

Hình 3 biểu diễn Độ nhạy sensor phụ thuộc vào dòng cấp (tương đương với dòng cấp cho sensor từ 0.5 mA đến 20 mA). 
Nhìn trên hình 3 ta có thể thấy độ nhạy của sensor tăng và gần như tuyến tính với độ tăng của dòng.

H. 3. Độ nhạy sensor phụ thuộc vào dòng cấp cho sensor 0.5, 2, 5, 10, 15, 20 mA. Ta thấy rằng độ nhạy của sensor tăng gần như tuyến tính với dòng. Độ nhạy của sensor S = 35.5V/(Oe) với dòng cấp vào 20 mA.

Bước đầu chúng tôi đã thử nghiệm sensor để phát hiện các hạt từ Dynabeads® M-280. Dung dịch chứa hạt từ Dynabeads® M-280 được nhỏ trên bề mặt của sensor bằng Pipet - 10 ml với mỗi lần nhỏ vào là 2 ml, tín hiệu ra ở cả 2 chu kì thay đổi khi có hạt từ trong khoảng từ 2.40 mV đến 2.6 mV như trên hình 5. 
Tín hiệu cao cho ta thấy được rằng hạt từ đã được nhỏ trên bề mặt sensor và tín hiệu thấp cho ta thấy bề mặt sensor đã được rửa sạch hạt từ. Trong hình này khi chưa có hạt từ tín hiệu dao động trong xung quanh điểm 0.0, khi có hạt từ nhỏ vào, thời gian bắt đầu từ 106 đến 164 s tín hiệu tăng từ 1.06 mV đến xung quanh 1.97 mV. Tín hiệu bắt đầu giảm dần về 0.0 sau khi dung dịch hạt từ được làm sạch, quá trình lặp lại trong lần nhỏ thứ 2. Sự tăng tín hiệu trong trong mỗi chu kì là do tính không ổn định của hạt từ khi các hạt từ được nhỏ trên bề mặt sensor do hiệu ứng khuếch tán [7]. Với tín hiệu cao sau khi cho phát hiện các hạt từ đã mở ra một hướng nghiên cứu mới ứng dụng trong sinh học phát hiện các phân tử sinh học và đo lực tương tác giữa các phân tử sinh học, một phần ứng dụng rất quan trọng trong việc chuẩn đoán điều trị bệnh và chế tạo thuốc.

H. 5. Tín hiệu điện áp thay đổi theo thời gian thực khi phát hiện các hạt từ Dynabeads® M-280, dòng đặt vào cho sensor là 2.0 mA, và từ trường ngoài là H = 20.0 Oe.

KẾT LUẬN
Ta thấy rằng độ nhạy của sensor tăng gần như tuyến tính với dòng. Độ nhạy của sensor S = 35.5V/(Oe) với dòng cấp vào 20 mA. Tín hiệu của sensor ổn định và cho tín hiệu rất cao. Đã thử nghiệm nghiên cứu phát hiện các hạt từ khi cấp cho sensor một dòng nhỏ 2 mA và từ trường ngoài đặt vào là 20.0 Oe đã có thể phát hiện các hạt từ Dynabeads® M-280 với độ nhạy cao. Mở ra một triển vọng phát triển các sensor PHR này ứng dụng trong sinh học: nghiên cứu về DNA, phát hiện các phân tử sinh học, nghiên cứu tương tác sinh học, phát hiện nhanh các loại thức ăn kém phẩm chất, các loại bệnh… 
LỜI CẢM ƠN
Công trình này được hỗ trợ bởi đề tài nghiên cứu QG.TD 07.10.
Tài liệu tham khảo
[1] D.R. Baselt, G.U. Lee, M. Natesan, et al., Biosensors Bioelectron. 13 (1998) 731.
[2] M.M. Miller, P.E. Sheehan, R.L. Edelstein, et al., J. Magn. Magn. Mater. 225 (2001) 138.
[3] G. Li, V. Joshi, R.L. White, et al., J. Appl. Phys. 93 (2003) 7557.
[4] P.-A. Besse, G. Boero, M. Demierre, et al., Appl. Phys.Lett. 80 (2002) 4199.
[4] F. Montaigne, A. Schuhl, F.N. Van Dau, et al., Sensors Actuators 81 (2000) 324.
[6] F.N. Van Dau, A. Schuhl, J.R. Childress, et al., Sensors Actuators A 53 (1996) 256.
[7] L. Ejsing, M. F. Hansen, A. K. Menon, H. A. Ferreira, D. L. Graham, P. P. Freitas, J. Magn. Magn. Mater. 293, 677 (2005).

(TCTĐH Tháng 9-2008)


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo







 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết