Chuyển đổi tín hiệu vật lý và ứng dụng trong sensor

Trong phần nghiên cứu thực nghiệm, luận văn hướng vào nội dung tìm hiểu cơ chế chuyển đổi tín hiệu từ điện dùng nguyên lý bão hòa từ thông của sensor Fluxgate, phương pháp xử lý số liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PGS.TS PHẠM QUỐC TRIỆU

Hà Nội - 2011

MỤC LỤC Trang

MỞ ĐẦU……… ……….01

Chương 1 - CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VẬT LÝ……… ……… 02

1.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt- điện……….02

1.1.1 Hiệu ứng nhiệt điện……… ……… 02

1.1.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở……… ………04

1.1.3 Hiệu ứng điện hỏa 05

1.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện… ……… 06

1.2.1 Hiệu ứng áp điện 06

1.2.2 Hiệu ứng từ giảo……… 07

1.2.3 Hiệu ứng trở áp ……… ……… … …….08

1.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang -điện…… …….………….………… 08

1.3.1 Hiệu ứng quang điện……… 08

1.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện ……….….11

1.3.3 Hiện tượng phát sáng quang hóa……….11

1.3.4 Hiệu ứng quang điện môi……… 13

1.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay……… 13

1.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr……… 14

1.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels……… 15

1.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học……….16

1.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện……….…… ……… 16

1.4.1 Hiệu ứng Hall……… 16

1.4.2 Hiệu ứng Spin Hall……… ……… 18

1.4.3 Định luật Faraday-Henry……….18

1.4.4 Hiệu ứng Barkhausen……… 19

1.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen……… 20

1.4.6 Hiệu ứng từ trở……….20

1.5 Hiệu ứng Dopper……….21

Chương 2 - SENSOR TỪ ĐIỆN………22

2.1 Khái quát về cảm biến từ………22

2.2 Một số loại từ kế phổ biến……… 24

2.2.1 Từ kế ống dây……… 24

2.2.2 Từ kế hiệu ứng Hall ……… 31

2.2.3 Từ kế proton precession……… 34

2.2.4 Từ kế bơm quang học……… 36

2.2.5 Từ kế SQUID ……… 38

2.2.6 Từ kế hiệu ứng từ trở……… 41

2.2.7 Từ kế Fluxgate……… 45

Chương 3 - MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TRONG SENSOR 3.1 Vector cảm ứng từ……… 51

3.2 Từ trường của dòng điện thẳng……… 52

3.2.1 Mô phỏng từ trường do nửa dòng điện gây ra trên đường pháp tuyến qua tâm O………53

3.2.2 Mô phỏng từ trường do dòng điện gây ra trên đường pháp tuyến qua tâm O………..55

3.2.3 Quan hệ dòng điện-từ trường……… 56

3.3 Các đặc trưng cơ bản của vật liệu từ mềm………57

3.3.1 Đường từ hóa, độ từ thẩm và độ tự cảm của vật liệu từ trong trường một chiều ……… 57

3.3.2 Quá trình từ hóa và từ trễ……….58

3.4 Mô phỏng hoạt động của fluxgate sensor ………62

3.4.1 Cấu tạo của sensor fluxgate hai lõi mắc xung đối……… 62

3.4.2 Mô phỏng quá trình chuyển đổi tín hiệu của sensor………62

3.4.3 Mô phỏng sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu ra theo từ trường 67

Chương 4 - THIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƯỜNG NHỎ……… 71

4.1 Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ……… 71

4.2 Khảo sát phản ứng của thiết bị đo theo phông từ trường……… 73

4.3 Khảo sát phản ứng của thiết bị đo khi có nguồn từ trường ngoài………….75

4.3.1 Từ trường do dòng điện thẳng……….75

4.3.2 Từ trường của cuộn dây Xolenoit……… 76

4.4 Giải pháp nâng cao tỷ số S/N ……… 77

KẾT LUẬN………80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……….81 PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU Chuyển đổi tín hiệu là một lĩnh vực hết sức lý thú và có nhiều ứng dụng thực

tiễn Các đầu dò, đầu đo, cảm biến (sensor)… được chế tạo và đưa vào sử dụng trong đo lường, điều khiển tự động đều dựa trên các nguyên lý chuyển đổi tín hiệu Đặc biệt các bộ chuyển đổi tín hiệu không điện sang tín hiệu điện luôn được quan tâm bởi các ưu thế nổi trội Tín hiệu điện dễ dàng được khuếch đại, xử lý và truyền

đi xa Bản luận văn này tập trung vào nhiệm vụ nghiên cứu tổng quan về một số hiệu ứng chuyển đổi tín hiệu không điện sang tín hiệu điện nói chung, chuyển đổi từ điện nói riêng Trong phần nghiên cứu thực nghiệm, luận văn hướng vào nội dung tìm hiểu cơ chế chuyển đổi tín hiệu từ điện dùng nguyên lý bão hòa từ thông của sensor Fluxgate, phương pháp xử lý số liệu nhỏ và đánh giá khả năng phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ của thiết bị đo được nghiên cứu thiết kế, chế tạo tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐH Quốc Gia Hà Nội

Nội dung của luận văn là một phần nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của đề tài trọng điểm cấp ĐH Quốc Gia Hà Nội mã số QGTĐ.10.27 về nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

Bố cục của luận văn được trình bày trong 4 chương:

Chương 1 Chuyển đổi tín hiệu vật lý

Chương 2 Sensor từ-điện

Chương 3 Mô phỏng hiệu ứng chuyển đổi tín hiệu trong sensor

Chương 4 Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

CHƯƠNG 1

CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VẬT LÝ

1.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện

1.1.1 Hiệu ứng nhiệt điện

Gradient nhiệt sinh ra một hiệu điện thế ở mối nối của hai vật dẫn hoặc bán dẫn khác loại Hiện tượng này được quan sát đầu tiên trong kim loại vào năm 1821 bởi Thomas Johann Seebeck và được mang tên ông

Hình 1.1- Vật liệu A và B gắn chặt hai đầu được giữ ở nhiệt độ T1 và T2 Hình 1.1 mô tả hai vật liệu khác loại A và B, hiệu điện thế V sinh ra khi hai

đầu nối được giữ ở các nhiệt độ khác nhau tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ

Đây là hiệu ứng vật lý cơ bản sử dụng trong dụng cụ nhiệt, cặp nhiệt hay dụng cụ mẫu cho đo lường nhiệt độ

Năm 1834 Jean Charly Athanase Peltier tìm ra hiện tượng ngược lại: ở đầu nối của hai kim loại khác nhau, sự chênh lệch nhiệt độ sẽ tăng khi có dòng điện chạy

qua Nhiệt lượng trên một đơn vị thời gian, Q, hấp thụ bởi mối nối có nhiệt độ thấp

Năm 1854 William Thomson (Lord Kelvin) phát hiện ra dòng điện đi qua vật

có gradient nhiệt dọc theo chiều dài của nó sẽ làm vật này vừa hấp thụ vừa giải phóng nhiệt Do gradient nhiệt tồn tại dọc chiều dài của vật liệu nên có thể lực điện động cũng được sản sinh dọc theo chiều dài

Các hệ cảm biến bao gồm nhiều sensor nhiệt chế tạo dựa trên hiệu ứng nhiệt điện, nhiều loại được ứng dụng trong các lĩnh vực như: nghiên cứu khoa học, y học, trong công nghiệp, dự trữ thực phẩm…

Những kim loại và hợp kim sử dụng chế tạo cặp nhiệt điện sẽ cho các thuộc tính và biểu hiện khác nhau Chromel (khoảng 90% Ni và 10%) và Contantan (khoảng 40%Ni và 60% Cu) là hai hợp kim thường được sử dụng

Loại K là loại cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi nhất có độ nhạy xấp xỉ 41µV/ ºC Một vài cặp nhiệt điện loại E hoạt động ở dải nhiệt độ thấp hơn so với loại K tuy nhiên chúng lại có độ nhạy cao hơn (68µV/ ºC) Loại N (Nicrosil(hợp kim Ni-Cr-Si) / Nisil(hợp kim Ni-Si)) có độ nhạy cao và có khả năng chống lại sự oxi hóa do đó được dùng cho các phép đo nhiệt độ cao Các loại cặp nhiệt điện khác như B, R và S đều làm từ kim loại quý để đo nhiệt độ cao nhưng có độ nhạy thấp (cỡ 10µV/ ºC)

Vật liệu nhiệt điện chế tạo từ vật liệu bán dẫn đặc thù với hệ số Peltier lớn có thể sử dụng để chế tạo vi mạch sensor nhiệt độ Nó cũng được sử dụng làm bơm nhiệt để kích đến trạng thái tự kích của một số sản phẩm như diode laser, CCD cameras, vi xử lý, phân tích máu… Khả năng chuyển đổi qua lại giữa điện năng và

nhiệt năng của thiết bị nhiệt điện phụ thuộc vào số phẩm chất (ZT) của vật liệu chế

Thông thường vật liệu nhiệt điện có hệ số Seebeck lớn, dẫn nhiệt tốt và điện trở nhỏ là hiệu quả nhất đối với việc chế tạo thiết bị nhiệt điện

Bảng 1.1- Một vài loại cặp nhiệt điện phổ biến và dải nhiệt độ tương ứng [14]

K Chromel/Alumel (hợp kim Ni-Al) -200 đến +1200

N Nicrosil(hợp kim Ni-Cr-Si)/Nisil (hợp kim Ni-Si)

1.1.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở liên quan đến thay đổi điện trở của vật liệu theo nhiệt độ và được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến nhiệt Đây là hiệu ứng cơ bản của thiết bị

cảm biến nhiệt như nhiệt kế điện trở và nhiệt điện trở Điện trở R được tính theo

độ tham chiếu T r fe Phương trình cho thấy điện trở tăng theo nhiệt độ Điều này

không đúng với mọi vật liệu, vật liệu có hệ số nhiệt dương (PTC-positive temperature coefficient) thì điện trở tăng theo nhiệt độ, ngược lại hệ số nhiệt âm (NTC-negative temperature coefficient ) thì điện trở sẽ giảm theo nhiệt độ

Trong nhiều trường hợp, vật liệu thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt

độ và điện trở, do vậy không cần quan tâm đến các số hạng bậc cao trong phương trình (1.4) Tuy nhiên sự tuyến tính này chỉ đúng trong một dải nhiệt độ nhất định

Bảng 1.2- Dải nhiệt độ tuyến tính của một số vật liệu sử dụng chế tạo sensor nhiệt điện trở

Vật liệu Dải nhiệt độ tuyến tính (ºC)

Vật liệu nano có thể dùng để chế tạo thiết bị nhiệt điện trở với hệ số nhiệt âm

và dương như mong muốn Những vật liệu có cấu trúc nano với tỷ lệ bề mặt / thể tích lớn hiệu quả hơn trong việc thay đổi theo sự biến thiên của môi trường Điều này làm tăng độ nhạy của sensor với biên độ và làm giảm thời gian đáp ứng Saha chế tạo thành công bột có kích cỡ nano của (Mn Fe x 1x)2O3 Vật liệu đã cải tiến có chỉ

số nhạy NTC lớn hơn đáng kể so với những vật liệu NTC thông thường Tính chất

điện của vật dẫn và vật cách điện hợp chất cao phân tử trộn với hạt có kích thước

nano có thể sử dụng để chế tạo những nhiệt điện trở

1.1.3 Hiệu ứng điện hỏa

Khi nung nóng hay làm lạnh, một tinh thể sẽ sinh ra một phân cực điện kết quả là tạo ra một hiệu điện thế Nhiệt độ thay đổi là nguyên nhân làm cho các điện tích dương và điện tích âm di chuyển đến các cực đối diện của tinh thể

Vật liệu điện hỏa được sử dụng trong các sensor bức xạ, trong đó các bức xạ

tới bề mặt của chúng được chuyển hóa thành nhiệt Sự tăng của nhiệt độ do những

bức xạ là nguyên nhân làm thay đổi độ lớn phân cực điện của tinh thể Điều này dẫn đến một điện thế có thể đo được, nếu đặt trong một mạch điện, dòng đo được:

dt

Với p là hệ số điện hỏa, A là diện tích của điện cực, dT/dt là tỷ số thay đổi nhiệt độ

Hệu ứng điện hỏa sử dụng để tạo ra một điện trường mạnh (GV/m) trong một vài vật liệu bằng cách đốt nóng nó từ -30 ºC đến +45 ºC trong một vài phút

Những sensor bức xạ dựa trên hiệu ứng điện hỏa trong thương mại hoạt động trong một dải rộng của bước sóng Sensor điện hỏa chế tạo từ vật liệu điện hỏa như lithium tantalite và PZT, phát sinh điện thế khi nhiệt độ thay đổi nhỏ do chiếu xạ vào bề mặt tinh thể

Có thể sử dụng vật liệu nano để tăng cường khả năng của các sensor điện hỏa

Ví dụ Liang đã dùng film xốp SiO2 làm lớp cách ly nhiệt để hạn chế sự khuyếch tán của dòng nhiệt từ lớp điện hỏa đến lớp Si trong đầu dò hồng ngoại điện hỏa đa lớp film mỏng Điều này cải thiện sự giam hãm năng lượng bên trong lớp cảm biến điện hỏa, dẫn đến sự tăng cường hoạt động của sensor

1.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện

1.2.1 Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện là khả năng sản sinh ra điện thế của các tinh thể không đối xứng tâm khi chịu tác dụng của lực cơ học, và ngược lại Hiệu ứng này được tìm ra vào năm 1880

Vật liệu áp điện phổ biến nhất là thạch anh, lithium niobate, vlithium tantalite, vPZT và langasite Một vài vật liệu áp điện khác là gốm chứa Fe(II), Fe(III) thể hiện tính áp điện khi được phân cực bởi điện trường ngoài Tinh thể áp điện là hình lập phương đối xứng tâm (đẳng hướng) trước phân cực và sau phân cực thể hiện tính đối xứng tứ giác (cấu trúc bất đẳng hướng) dưới nhiệt độ Curie Ở trên nhiệt độ Curie nó mất đi thuộc tính áp điện

Những chất cao phân tử như cao su, gỗ, tóc, gỗ thớ và lụa trong một phạm vi nhất định cũng thể hiện tính áp điện Polyvinylidene fluoride (FVDF) là vật liệu nhựa dẻo nóng khi được phân cực thể hiện tính áp điện trong một vài trường hợp

mạnh hơn thạch anh.Vật liệu áp điện là lựa chọn cực kỳ phổ biến cho những cảm biến trong phạm vi rất rộng

Hình 1.2- (a) vật liệu áp điện, (b)một điện thế tương ứng có thể đo được là kết quả của sự nén hay kéo, (c) một điện thế đặt vào có thể làm nén hay giãn vật liệu áp điện

1.2.2 Hiệu ứng từ giảo

Hiện tượng từ giảo hay còn gọi là hiệu ứng cơ-từ là sự thay đổi kích thước của vật khi nó được đặt trong một từ trường, hay thuộc tính từ thay đổi dưới ảnh hưởng của sự nén hay giãn Hiệu ứng này được tìm ra bởi James Joule vào năm

1842 khi ông kiểm tra một mẫu kền

Cơ chế xuất hiện hiện tượng từ giảo được minh họa ở hình 1.3 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên khi vật liệu chưa được từ hóa Khi được từ hóa vùng này được định hướng lại làm thay đổi kích thước của vật

Vật liệu từ giảo chuyển năng lượng từ thành năng lượng cơ và ngược lại Do

đó chúng thường được sử dụng cân đối giữa cảm biến và kích thích

Hiện tượng từ giảo xác định bởi hệ số từ giảo Λ được định nghĩa là các thay

đổi trong từng đoạn của chiều dài khi độ từ hóa của vật tăng từ không đến giá trị bão hòa Hệ số này thông thường có bậc 5

10 có thể âm hoặc dương

Nguyên tố thể hiện tính từ giảo mạnh nhất ở nhiệt độ phòng là Co Tuy nhiên,

vật liệu từ giảo quan trọng gọi là vật liệu từ giảo khổng lồ (GM-Giant Magnetostrictive ) là hợp kim của Fe, Dy (dysprosium), Tb (terbium) Rất nhiều

những vật liệu dạng này được chế tạo tại phòng thí nghiệm Naval Ordnance và

Ames ở khoảng giữa những năm 1960 Hiệu ứng GM có thể sử dụng trong việc phát

triển từ trường, dòng điện và các sensor đo sức căng

Hình 1.3- Hiệu ứng từ giảo: H=0 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên, H  0

được sắp xếp lại làm tăng kích thước dưới tác dụng của từ trường

Với π là tensor đơn vị của hệ số trở áp, σ là tensor sức căng cơ học, R và ∆R là điện

trở và thay đổi của điện trở Si là vật liệu được chọn lựa để chế tạo sensor trở áp

Hiệu ứng sức căng ở tinh thể vật liệu phẳng với độ dày nano có ý nghĩa quan trọng hơn so với hiệu ứng này ở những vật liệu khối Với vật liệu nano vùng ngoại lực có thể tác động giảm xuống rất nhiều Kết quả là ảnh hưởng của lực trên vùng được khuyếch đại Do đó, sức căng tác động trên một tinh thể nano của vật liệu trở

áp có thể được chuyển dịch thành thay đổi lớn ở tính dẫn của nó

1.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện

1.3.1 Hiệu ứng quang điện

Khi vật liệu bị chiếu xạ bởi photon điện tử có thể bị bứt ra khỏi vật liệu Điện

tử bị bứt ra gọi là quang electron, động năng E K của quang electron bằng năng

lượng của photon tới (hν) trừ đi năng lượng ngưỡng  là năng lượng tối thiểu để

quang electron có thể bứt khỏi bề mặt vật liệu:

K

h hằng số Planck, ν tần số của photon

Hình 1.4- Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được sử dụng trong các thiết bị nhạy sáng Bởi  phụ thuộc vật liệu, sensor được thiết kế cho những bước sóng riêng biệt Các cực với cấu

trúc nano bề mặt là giải pháp tối ưu trong việc sử dụng thiết bị quang điện và sensor

 có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi hướng của vật liệu Tỷ lệ bề mặt-thể tích

lớn của cấu trúc nano có thể làm tăng hiệu suất chuyển đổi ánh sáng năng-lượng của thiết bị quang điện Ngoài ra sự giải phóng các hạt tích điện nhanh hơn ở vật liệu

nano đồng nghĩa với việc nó có thời gian đáp ứng nhanh

1.3.1a Hiệu ứng quang dẫn

Hiệu ứng quang dẫn xuất hiện khi chùm photon tác động vào vật liệu bán dẫn làm cho nó thay đổi tính chất dẫn Tính dẫn là kết quả của sự kích thích các hạt mang điện tự do bởi các photon tới, các hạt này xuất hiện khi ánh sáng tới đủ năng lượng Hiệu ứng này được sử dụng rộng rãi trong các sensor bức xạ điện từ, những

thiết bị này được gọi là thiết bị quang dẫn, điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR-Light

Dependent Resistor) hay quang điện trở

CdS, CdSe là hai vật liệu phổ biến dùng để chế tạo thiết bị quang dẫn và sensor Thiết bị chế tạo từ CdS có dải điện trở rộng từ vài Ω khi nó được chiếu bởi ánh sáng mạnh và tới vài MΩ khi để trong bóng tối Nó có khả năng tương tác với một dải rộng của tần số photon bao gồm: hồng ngoại, tử ngoại và vùng ánh sáng khả kiến

1.3.1b Hiệu ứng quang thế

Ở hiệu ứng này một điện thế gây ra bởi sự hấp thụ photon tại lớp tiếp giáp của hai vật liệu khác loại Sự hấp thụ photon giải phóng các hạt mang điện tự do, điện thế sinh ra tại lớp tiếp giáp của vật liệu làm dịch chuyển hạt tải điện gây ra dòng điện ở mạch ngoài Vật liệu được sử dụng để chế tạo thiết bị ghép đôi này là những chất bán dẫn

Một thiết bị quang điện thế thông thường bao gồm một vùng rộng chuyển tiếp p-n hoặc diode Một photon ở vùng chuyển tiếp bị hấp thụ nếu năng lượng của

nó lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn Sự hấp thụ này làm electron bị kích thích nhảy từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, để lại một lỗ trống, thực chất là tạo ra một cặp electron-lỗ trống tự do lưu động Nếu cặp electron-lỗ trống nằm trong vùng giải phóng điện tử của chuyển tiếp p-n, sự tồn tại của điện trường sẽ kéo electron về phía bán dẫn loại n và lỗ trống về phía bán dẫn loại p, kết quả là tạo ra một dòng điện:

/[ qV kT 1]

S

Với q là điện tích của e (1,602.10-19 C)

k là hằng số Botman (1,38.10-23 J/K)

T là nhiệt độ Kelvin của chuyển tiếp p-n

Tế bào quang thế và sensor thông thường làm từ vật liệu hấp thụ photon ở dải khả kiến và dải UV, ví dụ GaAs (năng lượng vùng cấm 1.43eV) hợp chất của nó và một số vật liệu khác với bước sóng tương ứng: Si (190-1100 nm), Ge (800-1700 nm)

Thiết bị quang thế được sử dụng rộng rãi trong: máy đo ảnh phổ, kiểm soát bức xạ, hệ tự động điều chỉnh ánh sáng trong các tòa nhà…

1.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện

Hiện tượng vật chất phát ra ánh sáng khi có dòng điện đi qua hay khi nó được đặt dưới một điện thế gọi là hiện tượng phát sáng quang điện Hiệu ứng này sử dụng

để chuyển đổi điện năng thành năng lượng bức xạ

Có hai phương pháp làm xuất hiện hiệu ứng phát sáng quang điện Thứ nhất

nó xuất hiện khi có một dòng điện đi qua biên giới của lớp chuyển tiếp có độ phẳng cao (ví dụ chuyển tiếp p-n của vật liệu bán dẫn) Electron có thể tái hợp với lỗ trống gây ra sự rơi về mức năng lượng thấp hơn và giải phóng năng lượng dưới dạng

photon Những thiết bị này được gọi là diode phát quang (LED- Light Emitting Diode) Bước sóng của ánh sáng bức xạ xác định bởi độ rộng vùng cấm của vật liệu

chế tạo lớp chuyển tiếp Vật liệu sử dụng làm LED phải có vùng cấm thẳng Chúng bao gồm các yếu tố ở nhóm III và nhóm V trong bảng tuần hoàn Những chất này thường dùng để chế tạo LED Vùng cấm của những vật liệu này và bước sóng bức

xạ có thể biến đổi được bằng cách tăng sự tinh khiết của vật liệu Ví dụ LED làm từ GaP đơn phát ánh sáng màu xanh bước sóng 555 nm, Nitrogen phủ ngoài bởi GaP phát ánh sáng vàng xanh bước sóng 565 nm

Một cách khác làm xuất hiện hiện tượng điện quang là dựa vào các electron

bị kích thích bởi điện trường trong vật liệu lân quang

1.3.3 Hiện tượng phát sáng quang hóa

Trong hiện tượng phát sáng quang hóa ánh sáng phát ra từ nguyên tử hay phân tử sau khi chúng hấp thụ photon Photon bị hấp thụ sẽ truyền năng lượng cho phân tử làm nó nhảy lên trạng thái năng lượng cao hơn Sau một thời gian phân tử bức xạ năng lượng dư thừa dưới dạng photon và trở về mức năng lượng thấp hơn Năng lượng của ánh sáng bức xạ liên quan đến sự chênh lệch giữa mức năng lượng của trạng thái kích thích và trạng thái cân bằng Sự huỳnh quang và sự lân quang là những ví dụ về hiện tượng phát sáng quang hóa Sự phát sáng quang hóa có thể

được giải thích bởi thuyết lượng tử Nó phụ thuộc vào cấu trúc electron của nguyên

tử và phân tử Phân tử có nhiều trạng thái electron trong mỗi trạng thái có sự khác nhau về mức dao động và trong mỗi mức dao động lại tồn tại những mức quay Sau khi nhận năng lượng dưới dạng photon một electron được kích thích lên trạng thái

cao hơn Với hầu hết các phân tử, trạng thái electron có thể phân thành S (Singlet)

và T (Triplet) phụ thuộc vào spin của electron Sau khi phân tử bị kích thích tới

trạng thái năng lượng cao hơn nó nhanh chóng mất năng lượng dưới rất nhiều phương thức

Hình 1.5- Quá trình huỳnh quang và lân quang

Trong hiện tượng huỳnh quang sự hồi phục dao động làm phân tử trở về

trạng thái dao động có năng lượng thấp nhất , V’=1, ở trạng thái Singlet kích thích

đầu tiênS1 Các electron nằm ở trạng thái năng lượng dao động thấp nhất củaS1

sẽ nhảy về bất kỳ trạng thái dao động nào của S0 Với hiệu ứng lân quang electron

ở trạng thái S1 xuyên qua nhiều lớp của T1 mới trở về trạng thái S0

Do có nhiều sự sắp xếp lại trong cả quá trình lân quang có thời gian dài hơn

so với huỳnh quang Với huỳnh quang thời gian giữa hấp thụ và bức xạ thông thường khoảng 10810 s4 Đối với lân quang thời gian này rơi vào khoảng

10 10 s

1.3.4 Hiệu ứng quang điện môi

Vật liệu có các thuộc tính điện môi thay đổi khi chiếu sáng gọi là vật liệu quang điện môi Các phép đo quang điện môi được sử dụng rộng rãi trong quang hóa học như nghiên cứu về các dạng động lực học trong vật liệu chụp ảnh và vật liệu bán dẫn Nó phục vụ những phép đo điện trường xoay chiều ở vật liệu quang dẫn mà không cần tiếp xúc và có thể áp dụng vào những chất bán dẫn phức tạp có những đơn tinh thể khó kiểm soát

1.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay

Hiệu ứng Faraday xoay được tìm ra bởi Michael Faraday vào năm 1845 Nó

là một hiệu ứng từ-quang trong đó mặt phẳng phân cực của một sóng điện từ phát ra dọc một vật liệu sẽ bị xoay khi đặt vào một từ trường song song với hướng phát sóng

Hình 1.6- Mặt phẳng phân cực bị quay do từ trường ngoài

Góc quay của mặt phẳng phân cực tỷ lệ với cường độ từ trường tác động và được xác định bằng phương trình:

VBl

Với B là mật độ từ thông, V là hằng số Verdet và l là chiều dài vật liệu mà

áng sáng đi qua

Verdet là một hằng số phẩm chất sử dụng để so sánh hiệu ứng này giữa các vật liệu và có đơn vị góc quay trên đơn vị của trường tác động và đơn vị dài của vật liệu Một vật liệu từ-quang phổ biến sử dụng cho cảm biến là Terbium gallium garnet nó có hằng số Verdet bằng 0.5min / (G cm) Có thể xây dựng một từ kế từ-quang với độ nhạy 30 pT để phát hiện những chuỗi từ nano cho những cảm biến ứng dụng Ưu điểm nổi trội của sensor từ-quang là có thời gian đáp ứng nhanh (cỡ GHz)

1.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect)

Năm 1877 John Kerr nhận thấy mặt phẳng phân cực của tia tới trên bề mặt từ tính quay một góc nhỏ sau khi phản xạ ra khỏi bề mặt Góc quay phụ thuộc vào độ

từ hóa M Điều này là do điện trường của tia tới E tác động một lực F lên các điện tử

ở bề mặt của vật liệu làm cho chúng dao động trong mặt phẳng phân cực của sóng tới Cả hiệu ứng từ-quang Kerr và hiệu ứng Faraday xoay xuất hiện do sự từ hóa vật liệu làm sản sinh sự thay đổi tensor điện môi của chính vật liệu đó

Hình 1.7- Sự quay của mặt phẳng phân cực trên bề mặt từ tính là kết quả của hiệu

ứng từ-quang Kerr

Hiệu ứng Kerr có thể sử dụng để chế tạo sensor cho rất nhiều ứng dụng Ví

dụ Karl phát triển một sensor áp suất dựa trên một màng micro chế tạo từ tấm film

từ giảo mỏng Áp suất khác nhau trên mỗi vùng của màng là nguyên nhân làm biến dạng, thực tế là căng trên lớp từ giảo Sự biến dạng của màng dẫn đến sự thay đổi thuộc tính từ của lớp film từ giảo, những thay đổi này có thể được đo như là thay đổi trong thuộc tính MOKE Nó được sử dụng rộng rãi để xác định sự từ hóa của vật liệu Hiệu ứng từ-quang cũng có thể sử dụng để nghiên cứu từ trường bất đẳng hướng của các lớp film sắt từ mỏng

1.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels

Phát hiện bởi John Kerr vào năm 1875, là hiệu ứng điện-quang trong đó vật liệu thay đổi hệ số khúc xạ khi đặt trong điện trường Khi một điện trường tác động tới chất lỏng hay khí, các phân tử của nó (phân tử có lưỡng cực điện) có thể bị định hướng một phần theo trường Điều này gây ra hiện tượng dị thường và là nguyên nhân của hiệu ứng khúc xạ kép đối với ánh sáng truyền qua vật liệu Tuy nhiên, chỉ ánh sáng đi từ môi trường gặp đường sức điện trường mới có hiệu ứng khúc xạ kép này

Hình 1.8- Hiệu ứng Kerrand Pockels

Giá trị khúc xạ kép n gây ra bởi hiệu ứng Kerr có thể tính bởi công thức:

2

n n n KE

Trong đó E là cường độ điện trường, K là hằng số Kerr-Pockels và 0 là bước sóng trong môi trường tự do Hai chỉ số quan trọng là n0 và n e lần lượt là chỉ

số khúc xạ bình thường và chỉ số khúc xạ bất thường Hiệu ứng khúc xạ kép dùng

để chế tạo rất nhiều thiết bị quang học Hiệu ứng này tương tự với hiệu ứng Faraday nhưng với trường điện

Sensor quang học chế tạo dựa trên hiệu ứng Pockels được ứng dụng trong công nghiệp, đặt trong hệ thống cung cấp điện sinh hoạt hay trong các nguồn điện

sử dụng trong phòng thí nghiệm Sensor trường Pockels được ứng dụng trong đo lường không chỉ trường điện tĩnh mà cả xung ánh sáng, thay đổi xung điện thế

1.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học

Sự phát sáng do phản ứng hóa học tạo ra được gọi là sự phát quang bằng phản ứng hóa học Bước sóng thường quan sát được nằm từ gần miền tử ngoại đến gần miền hồng ngoại Sự phát quang bằng phản ứng hóa học có thể miêu tả bằng phương trình phản ứng sau:

[A] + [B]  [◊] [Sản phẩm] +[Ánh sáng]

ở đây A, B là những chất phản ứng dễ kích thích lên trạng thái trung gian ◊, ◊ là trạng thái bao gồm sản phẩm phản ứng và ánh sáng Sự phát quang bằng phản ứng hóa học quan sát được ở hạt nano kim loại hay hạt nano bán dẫn trong hóa học hoặc trong các phản ứng điện hóa Khi sự phát quang hóa học có nguồn gốc từ các tổ chức sống, thì được gọi là sự phát quang sinh học Sự phát quang sinh học có vai trò quan trọng nổi bật là công cụ hữu ích trong sinh học và các phát minh y khoa

1.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện

1.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9]

Phát hiện vào năm 1880 bởi Edwin Hall, khi đặt một từ trường vuông góc với hướng của dòng điện trong kim loại hay chất bán dẫn thì xuất hiện một điện trường vuông góc với cả hướng của dòng điện và hướng của từ trường Đây là một trong những hiệu ứng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sensor

Hình 1.9 mô tả một từ trường vuông góc với tấm vật liệu mỏng mang dòng điện Từ trường tác dụng một lực theo phương ngang F B vào hạt tải chuyển động và đẩy chúng về một phía Trong khi những hạt tải này được tích lũy tại một bên thì các hạt tải trái dấu lại tích tụ về phía đối diện Sự phân tách hạt tải tạo ra một điện trường, điện trường này gây ra lực điện F E Khi lực điện cân bằng với lực từ thì không diễn ra sự phân tách hạt tải nữa Kết quả là có một điện thế có thể đo được giữa hai cực của vật liệu, gọi là thế Hall, V Hall được tính theo phương trình:

Hall

IB V

ned

Với I là dòng điện chạy trong vật liệu

B: cảm ứng từ, n: mật độ hạt tải của vật liệu

e: điện tích của electron ( 19

từ trường rất nhỏ) Một ví dụ về chuỗi từ nano được cung cấp bởi Ejsing, người đã cải tiến những sensor chuỗi từ nano này với độ nhạy khoảng 3µV/Oe mA Những sensor của họ hoạt động với từ trường của hạt từ kích cỡ 250 nm thường được sử dụng trong những ứng dụng sinh học

1.4.2 Hiệu ứng Spin Hall

Hiệu ứng Spin Hall (SHE-Spin Hall Effect) liên quan đến sự phát sinh dòng

spin ngang với điện trường đặt vào vật liệu, dẫn đến sự gia tăng các spin không cân bằng trong hệ Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu thuận từ là hệ quả của tương tác spin-quỹ đạo Đó là lý thuyết được dự đoán vào năm 1971 bởi Yakonov

và Perel Sự phát sinh, lôi kéo và phát hiện điện tử spin- phân cực trong cấu trúc nano là một trong những thách thức của thuyết spin điện tử

Hiệu ứng này có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng các cảm biến ứng dụng trong chuỗi từ nano hoặc film mỏng với chiều dày nano Ví dụ Gerber chứng minh

rằng SHE có thể sử dụng để cảm biến các tinh thể từ không đẳng hướng và từ

trường tồn tại trong thời gian ngắn của hạt nano Co tách xa sắp xếp trong những dãy đơn lớp với bề dày nhỏ hơn 0.01 nm

Hình 1.10- Hiệu ứng spin Hall

1.4.3 Định luật Faraday-Henry

Định luật Faraday-Henry là định luật cơ bản của điện từ và phát biểu rằng một điện trường được tạo ra khi thay đổi một từ trường (hình 1.11) Michael Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra hiện tượng điện từ Các sensor và thiết bị

Dòng điện

Dòng Spin

âm thanh thời kỳ đầu (như micro-phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tương

tự, và rơle lưỡi gà sử dụng hiệu ứng này

1.4.4 Hiệu ứng Barkhausen

Năm 1919 Barkhausen thấy rằng khi đặt một từ trường liên tục tăng chậm vào vật liệu sắt từ thì nó sẽ bị từ hóa không liên tục mà theo từng bậc nhỏ Những thay đổi đột ngột không liên tục trong sự từ hóa là kết quả của những thay đổi rời rạc cả trong kích cỡ và hướng của vùng sắt từ (hay cụm vi mô của nam châm nguyên tử sắp hàng) xuất hiện trong quá trình từ hóa hay khử từ liên tục

Hiệu ứng này thông thường làm giảm hoạt động của sensor từ nó xuất hiện như nhiễu bậc trong phép đo Hiệu ứng này cũng quan sát được ở vật liệu sắt từ kích

Nam châm dịch chuyển Dòng điện cảm ứng

Từ thông

Thành phần từ trường trên trục z là B Z, tạo ra thành phần điện trường theo

trục y là E Y , vật chịu gradient của nhiệt độ dT/dx Hiệu ứng này có khả năng đo độ

lớn của nhiệt độ và độ lớn của từ trường ở hạt nano đơn [9]

1.4.6 Hiệu ứng từ trở

Hiệu ứng từ trở là hiện tượng phụ thuộc điện trở của vật chất vào từ trường ngoài Từ trường ngoài gây ra lực Lorentz tác động vào các hạt tải chuyển động trong vật liệu tùy thuộc hướng của trường mà có thể gây ra cản trở đối với sự dịch chuyển của các hạt tải Hiệu ứng này do Lord Kelvin phát hiện vào năm 1856 Hiệu

ứng trở nên nổi bật khi tìm ra từ trở không đẳng hướng (AMR-Anisotropic Magnetoresistance) và từ trở khổng lồ (GMR-Giant Magnetoresistance )

AMR là hiện tượng chỉ quan sát được ở các chất sắt từ, vật mà điện trở tăng

nên khi hướng của dòng điện song song với trường từ tác động Thay đổi điện trở của vật liệu phụ thuộc vào góc giữa hướng của dòng điện và hướng từ hóa của vật liệu sắt từ Có thể phát triển các sensor giám sát góc quay của trường từ dựa vào

hiệu ứng AMR Tuy nhiên thay đổi điện trở liên quan đến hiệu ứng AMR khá nhỏ

thường thì chỉ 1% hoặc 2%

GMR có vai trò quan trọng trong công nghệ nano ứng dụng cho cảm biến

Hiệu ứng từ trở khổng lồ được độc lập tìm ra bởi nhóm nghiên cứu do Peter dẫn đầu

và đại học Paris-Sud vào năm 1988 Hiện tại nghiên cứu tập trung vào hướng sử

dụng những dây dẫn nano đa lớp (mang đến độ nhạy cao hơn so với film mỏng hiện

tại đang sử dụng trong ổ cứng đọc / ghi) thể hiện hiệu ứng GMR

1.5 Hiệu ứng Dopper

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiều thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa thì tần số tín hiệu thu được giảm xuống Đây là hiệu ứng Doppler

Sự dịch tần số Doppler ở phía thu tuân theo phương trình sau:

Thí dụ phổ biến về hiệu ứng Doppler trong cảm biến là thiết bị giám sát và siêu âm Hiệu ứng Doppler cũng giữ vai trò quan trọng trong rada và hệ thống định

vị vật dưới nước

Hiệu ứng Doppler có vai trò quan trọng trong cảm biến và mô tả vật liệu nano Mở rộng Doppler (mở rộng vạch phổ trong phổ UV-vis) gây ra do chuyển động nhiệt của những hạt nhỏ Mở rộng Doppler thông thường đặt trong thiết bị đo phổ có độ chính xác cao

CHƯƠNG 2

SENSOR TỪ ĐIỆN

2.1 Khái quát về cảm biến từ

Từ trường được đo bởi rất nhiều công nghệ khác nhau Mỗi công nghệ có một đặc điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu cụ thể Những ứng dụng này rất đa dạng có thể đơn giản từ việc phát hiện sự có mặt, biến đổi của từ trường đến các phép đo chính xác các thuộc tính vô hướng và vector của từ trường

Hình 2.1- Các sensor được chia ra làm hai loại căn cứ vào dải đo: từ kế đo từ

trường yếu và từ kế đo từ trường mạnh gauss

Như chỉ ra ở hình 2.1, các sensor đo từ trường được chia ra thành hai loại: loại vector (đo cường độ và hướng) và vô hướng (chỉ đo cường độ) Xét về độ lớn người ta có thể chia chúng ra thành các sensor đo từ trường yếu (<1mT) và các sensor đo từ trường mạnh (>1mT) Thiết bị đo từ trường yếu thường được gọi là từ

kế (magnetometers) Thiết bị đo từ trường mạnh được gọi là từ kế gauss (gaussmeters) Bảng 2.1 liệt kê một vài thiết bị đo cường độ từ trường và các thuộc tính của chúng

Bảng 2.1 Các thiết bị đo từ trường và một số thuộc của chúng [13]

Thiết bị đo Dải đo (mT) Độ tương phản

(nT) Dải tần (Hz) Đặc điểm Lõi cảm ứng 10

precession 0.02 0.1 0.05 dc 2 Từ kế vô hướng

Từ kế bơm

quang học 0.01 0.1 0.005 dc 5

Từ kế vô hướng

có độ phân giải cao nhất

Từ kế lõi cảm ứng và từ kế fuxgate là thiết bị đo vector được sử dụng nhiều

nhất Chúng có cấu trúc đơn giản, đáng tin cậy và tương đối rẻ so với các thiết bị đo

vector từ trường yếu khác

Từ kế sợi quang học là thiết bị mới nhất được phát triển để đo từ trường yếu

Mặc dù hiện tại từ kế này có độ nhạy tương đương với từ kế fluxgate, nhưng có dải

đo rộng hơn

Từ kế siêu dẫn lượng tử (SQUID-Superconducting Quantum Interference

Device) là thiết bị nhạy nhất đối với mọi loại từ trường Những sensor này hoạt

động ở nhiệt độ gần không độ tuyệt đối và cần hệ thống điều khiển nhiệt độ đặc biệt

Thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall là thiết bị được sử dụng sớm nhất và rất phổ

biến để đo từ trường mạnh Từ kế Hall đặc biệt hữu ích cho các phép đo từ trường

cực mạnh (>1T)

Các sensor từ trở hoạt động trong khoảng giữa từ trường yếu và từ trường

mạnh Phát hiện gần đây về hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR-Giant

Magnetoresistance), với độ nhạy được tăng lên gấp mười lần, hứa hẹn sẽ trở thành

một đối thủ xứng tầm với từ kế fluxgate truyền thống trong các ứng dụng nhạy đối

với thăng giáng từ trường nhỏ do môi trường

Từ kế proton precession là thiết bị phổ biến nhất trong đo lường vô hướng cường độ từ trường Ứng dụng chính của từ kế này là thăm dò địa chất và vẽ bản đồ của trường địa từ trên mặt đất Từ kế proton precession phản ứng chậm tần số lấy mẫu rất thấp từ một đến ba mẫu trong một giây, do đó nó không thể đo được những thay đổi nhanh của từ trường

Từ kế bơm quang học hoạt động với tần suất lấy mẫu cao hơn và nhạy hơn từ

kế proton precession, nhưng đắt hơn, không ổn định bằng và thiếu tin cậy hơn từ kế proton precession

2.2 Một số loại từ kế phổ biến

2.2.1 Từ kế ống dây

Cuộn cảm ứng hay thiết bị cảm ứng từ trường đơn giản nhất, hoạt động dựa vào định luật Faraday Nội dung của định luật này là nếu gần vòng dây kín có từ thông biến đổi, , thì trong vòng dây xuất hiện một điện thế tỷ lệ với sự biến đổi của từ thông:

thì đều làm phát sinh điện thế ở hai đầu vòng dây Cố định vòng dây một chỗ, thì không phát hiện được từ trường tĩnh Nhưng nếu quay vòng dây hay thay đổi diện tích của nó thì có thể phát hiện, đo lường từ trường tĩnh Công thức (2.2) được sử dụng trong rất nhiều thiết bị đo từ trường

Hình 2.2 minh họa hai loại cuộn cảm ứng phổ biến nhất thiết kế để đo cường

độ từ trường: cuộn dây anten lõi không khí và anten thanh Cả hai loại đều có chung

một nguyên lý hoạt động

Thay  0 e H t( ) vào B ở phương trình (2.2) và giả thiết cuộn dây cố định, hiệu điện thế hai đầu cuộn dây sẽ là:

từ thẩm tương đối của cuộn dây có lõi thường lớn hơn 1, phụ thuộc vào hình dạng của lõi và cách quấn dây

Hình 2.2- (a) cuộn dây anten với lõi không khí, (b) cuộn dây solenoid với lõi sắt từ

Thực hiện biến đổi Laplace với phương trình (2.3) và chia cả hai vế cho H, ta thu được phương trình T(s) cho anten cảm ứng cuộn:

1 0

T s    nS Ks VmA (2.4)

E(s)=T(s)H(s), E(s) và H(s) là biến đổi laplace của E(t) và H(t), s là toán tử laplace

Phân tích phương trình (2.4) cho thấy độ lớn điện thế của cuộn dây tỷ lệ với độ lớn

và tần số của từ trường cần đo Hằng số hay độ nhạy của anten là:

1

K   nA VsmA

Hình 2.3 là mạch tương đương của một cuộn anten cảm ứng Điện thế đo

được ở hai đầu cuộn dây xác định bởi độ tự cảm L, điện trở R, điện dung C Những

tham số trên của mạch điện phụ thuộc vào hình dạng của lõi, cuộn dây, và cách quấn dây

Hình 2.3- Mạch điện tương đương của cuộn cảm ứng có tần số phụ thuộc vào các

yếu tố điện thế nguồn, R ,L và điện dung hao tổn

2.2.1a Anten vòng lõi không khí

Anten vòng lõi không khí bao gồm một hoặc nhiều vòng dây được quấn theo hình tròn hoặc hình chữ nhật Đường kính thường lớn hơn nhiều lần chiều dài vòng cuốn (d>>t hình 2.2a) Độ nhạy của một anten quấn theo hình tròn với các vòng có

đường kính nhỏ hơn d có dạng xấp xỉ:

2

2 0

3[1 2( ) ( ) ]

ở đây t là bề dày của vòng quấn và n là số vòng dây (xem hình 2.2)

Điện trở cuộn dây được tính theo công thức:

t là độ dày lớp cách điện của dây dẫn, t1 là độ dày của của vòng dây,n1 là số lớp

Anten vòng lõi không khí đặc biệt hữu ích cho việc đo từ trường tần số từ 100Hz đến một vài MHz Vì nó có đặc trưng tuyến tính đối với cường độ từ trường, gần như không bị méo khi điều biến Về mặt hạn chế, đối với các phép đo yêu cầu

độ nhạy cao ở tần số thấp thì phải chế tạo sensor kích thước khá lớn [3, 5,6]

2.2.1b Anten thanh

Anten thanh tốt hơn anten vòng Với cùng một độ nhạy thì kích thước của nó nhỏ hơn so với anten vòng và có thể được chế tạo để hoạt động ở tần số thấp Tuy nhiên nó có đặc trưng phi tuyến đối với cường độ từ trường và lõi thì làm tăng nhiễu

Hình 2.2 (b) là cấu tạo điển hình của một anten thanh Thành phần cơ bản là một cuộn solenoid và một lõi từ Lõi có mặt cắt là hình tròn hoặc hình chữ nhật và

có thể làm từ ferrite, hợp kim của Fe-Ni…

Độ nhạy của anten thanh được tính bằng cách thay  evào phương trình (2.5)

với μ e xác định như sau:

d là đường kính lõi và  là độ từ thẩm hiệu dụng trung bình của lõi Độ từ thẩm hiệu dụng hoặc độ từ thẩm biểu kiến của lõi phụ thuộc vào hình dạng, ban đầu và chiều dài tương đối của vòng dây so với chiều dài lõi Thanh bị nhiễm từ khi đặt trong từ trường ngoài Một từ trường ngược với từ trường ngoài hình thành trong thanh làm giảm mật độ từ thông Trường khử từ tỷ lệ với độ từ hóa và từ trường H:

'

H H DM (2.12)

'

H là từ trường ngoài, D là hệ số khử từ, và M là độ từ hóa

Độ từ thẩm biểu kiến của lõi là tỷ lệ của mật độ từ thông Bở lõi và mật độ từ thông ngoài không khí:

'

i a

Giá trị của D phụ thuộc vào hình dạng, m là tỷ lệ giữa chiều dài và bán kính của thanh, mtăng thì Dgiảm và độ từ thẩm biểu kiến tương đối đạt đến giá trị độ từ thẩm ban đầu Phương trình 2.14 có thể sử dụng để tính giá trị của D cho lõi có dạng thanh trụ với m 10 và   i 1000:

10 2

l là khoảng cách từ trung tâm đến điểm cần đo, l0 là một nửa chiều dài của thanh,

F là hằng số có giá trị trong khoảng 0.72-0.96 Độ từ thẩm trung bình của lõi:

Bảng 2.3- Thuộc tính từ của các vật liệu lõi

Để thuận tiện trong sử dụng, tín hiệu của cuộn cảm ứng phải khuếch đại cả dòng và thế Tín hiệu khuếch đại của thế lối ra tỷ lệ với cường độ và tần số của từ trường ở dải tần nhỏ hơn tần số cộng hưởng Tín hiệu ra sẽ đạt đỉnh ở tần số cộng hưởng của cuộn dây Tín hiệu ra của sensor phụ thuộc cả tần số và cường độ của từ trường (hình 2.4 a) Với thiết kế để khuếch đại dòng, hai đầu của cuộn cảm ứng được nối với mạch như trên hình 2.4 b

Bộ khuếch đại dòng làm giảm nhiễu điều biến xuống mức thấp nhất ở cuộn dây cảm ứng có lõi từ Dòng điện chạy trong cuộn dây tạo ra một từ trường ngược với từ trường ngoài Khuếch đại dòng dựa trên từ kế cuộn cảm ứng hiện tại hoạt động ở tần số từ 10 Hz đến trên 200 kHz Một vài từ kế thiết kế phục vụ cho thăm

dò địa vật lý có tần số thấp tới 0.1 Hz

2.2.2 Từ kế hiệu ứng Hall

Thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall khá phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong

đo đạc từ trường mạnh, nó dựa trên hiệu ứng Hall được Edwin H.Hall phát hiện ra vào năm 1897 Hiệu ứng Hall là một hệ quả của định luật lực Lorentz, một điện tích

chuyển động q, đi qua một từ trường có cảm ứng từ B

, sẽ chịu tác dụng của lực F

, vector vận tốc v

của điện tích tuân theo phương trình:

F  q E v B

(2.20) Thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall bao gồm một vật dẫn hoặc bán dẫn phẳng mỏng hình chữ nhật với hai cặp điện cực được minh họa trên hình 2.5

Đặt một điện trường E x theo trục x còn gọi là trục điều khiển Khi có một từ trường B z tác động theo phương vuông góc với bề mặt của sensor các điện tích tự

do chạy theo trục x do điện trường E x sẽ bị lệch về phía trục y (trục điện thế Hall) Việc không tạo được thành dòng điện theo trục y khi để hở mạch là nguyên nhân làm tích tụ các điện tích theo trục y hình thành một điện trường, điện trường này tác dụng nên điện tích một lực ngược chiều với chuyển động nó:

y x z

E v B (2.21)

Hình 2.5- Sensor hiệu ứng Hall Từ trường H tác dụng vào bề mặt sensor, dòng điện

chạy theo trục x sẽ tạo ra một điện thế theo trục y, E x là điện trường đặt vào trục x,

và E y là điện thế Hall xuất hiện theo trục y

Với v x là vận tốc trung bình của electron (hay hạt tải cơ bản) Ở vật dẫn có n

hạt mang điện tự do trong một đơn vị thể tích vận tốc trung bình của một hạt là

điện thế đo được ở hai đầu trục y là một số nguyên lần điện trường theo trục y Nếu dòng không đổi I chạy theo trục x thì:

x

I J wt

Và điện thế đo được là:

H z y

R IB e

t

 (2.27)

t là độ dày (m) và w là khoảng cách hai đầu theo trục y

Một thuộc tính khác được đưa ra bởi các nhà sản xuất là độ nhạy từ  b khi dòng điều khiển là I c:

y H c b

Những thiết bị này hiệu quả nhất khi đo từ trường trong dải 50 μT đến 30 T [13]

Mạch điện

Một từ kế gaussmeter sử dụng hiệu ứng Hall có thể được xây dựng sử dụng mạch tín hiệu được vẽ như hình 2.6 Điện thế tham chiếu, khuếch đại thuật toán, và điện trở R s tạo thành một nguồn dòng chính xác cung cấp dòng điều khiển I c cho thiết bị hiệu ứng Hall Để có được kết quả tốt nhất, điện thế tham chiếu và điện trở

s

R phải ổn định với nhiệt độ và thời gian Điện thế Hall được khuếch đại bởi các mạch khuếch đại vi sai trở kháng lối vào cao

Hình 2.6- Mạch điện cho từ kế hiệu ứng Hall

Hình 2.7- Sự tiến động của hạt nhân Một proton quay có momen góc L và momen

từ là   khi đặt vào từ trường H a sẽ tiến động trong từ trường với tần số góc  p

bằng   H a/L

Tần số tiến động  p tỷ lệ với trường tác động Khi từ trường H a

tác dụng vào hạt nhân, sẽ sản sinh ra một momen xoắn: