Nguyên lý và ứng dụng một số loại senso

1.2 Phân loại sensor Với mục đích nghiên cứu và ứng dụng có thể phân loại cảm biến theo các phương pháp sau: - Phân loại theo đại lượng vào và ra + Cảm biến không điện – điện: Là các cả

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THU PHƯƠNG

NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ LOẠI SENSOR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THU PHƯƠNG

NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ LOẠI SENSOR

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 Một số đặc trưng cơ bản của sensor 7

1.1 Đinh nghĩa và các khái niệm cơ bản 7

1.2 Phân loại sensor 8

1.3 Đặc trưng cơ bản 10

1.3.1 Đường cong chuẩn của cảm biến 10

1.3.2 Hàm truyền 12

1.3.3 Độ nhạy 12

1.3.4 Độ tuyến tính 13

1.3.5 Sai số và độ chính xác 14

1.3.6 Độ nhanh và thời gian hồi đáp 16

1.3.7 Giới hạn sử dụng 17

1.3.8 Nhiễu 18

CHƯƠNG 2 Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý 19

2.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện 19

2.1.1 Hiệu ứng áp điện [9] 19

2.1.2 Hiệu ứng từ giảo 20

2.1.3 Hiệu ứng trở áp 21

2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện 21

2.2.1 Hiệu ứng nhiệt điện [14] 21

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở [15] 24

2.2.3 Hiệu ứng điện hỏa [16] 25

2.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện 26

2.3.1 Hiệu ứng quang điện [9, 10] 26

2.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện 28

2.3.3 Hiện tượng phát sáng quang hóa 28

2.3.4 Hiệu ứng quang điện môi [9] 30

2.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay 30

2.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect) 31

2.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10] 32

2.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học [10] 33

2.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện 33

2.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9] 33

2.4.2 Hiệu ứng Spin Hall 35

2.4.3 Định luật Faraday-Henry [1, 9] 35

2.4.4 Hiệu ứng Barkhausen 36

2.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen 37

2.4.6 Hiệu ứng từ trở 37

2.5 Hiệu ứng Dopper 38

CHƯƠNG 3 Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo 39

3.1 Sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN 39

3.1.1 Đặc trưng V- A của lớp chuyển tiếp p-n 39

3.1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của dòng điện khi phân cực ngược 40

3.1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu điện thế khi phân cực thuận 40

3.1.4 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị 41

3.1.5 Kết cấu của thiết bị đo nhiệt độ nhờ chuyển đổi nhiệt - điện bằng bán dẫn dùng ICL7107 42

3.2 Senor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai 44

3.2.1 Cấu tạo thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai 44

3.2.2 Bộ tiếp nhận dịch chuyển 44

3.2.3 Bộ biến thế vi sai 45

3.3.2 Thiết bị đo từ trường dùng cảm biến Hall 53

3.4 Sensor từ trường Fluxgate 53

3.4.1 Nguyên lý làm việc 53

3.4.2 Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ 56

CHƯƠNG 4 Kết quả thực nghiệm 58

4.1 Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN 58

4.1.1 Sự thay đổi đặc trưng V-A của chuyển tiếp PN theo nhiệt độ 58

4.1.2 Khảo sát quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN 58

4.2 Khảo sát sensor từ trường dùng hiệu ứng Hall 61

4.2.1 Thiết bị đo tự chế tạo tại Việt Nam 61

4.2.2 Đo từ trường bề mặt dùng GaussMeter (USA) 64

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

MỞ ĐẦU

Đã từ lâu các sensor được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài ba chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai trò quan trọng trong kỹ thuật và công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các sensor đã được giảm thiểu về kích thước, cải thiện về tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng Giờ đây không có một lĩnh vực nào từ dân sự đến quân sự mà ở đó không sử dụng sensor Chúng có mặt trong các

hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường, phát hiện an ninhvà đặc biệt gần đây là trong các hệ thống nhà thông minh (smart home) Sensor cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô…

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng trong kỹ thuật đo lường, điều khiển, số lượng và chủng loại các sensor tăng nhanh và đa dạng cả về tính năng và công nghệ chế tạo Bởi vậy việc khảo sát,

chuyển giao công nghệ, nghiên cứu “Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor”

được tác giả lựa chọn làm luận văn của mình với nội dung được chia làm 4 chương như sau:

Chương 1 Một số đặc trưng cơ bản của sensor

Chương 2 Chuyển đổi tín hiệu vật lý

Chương 3 Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo

Chương 4 Kết quả thực nghiệm

Cuối cùng là phần kết luận và phân tích ưu điểm, nhược điểm và hướng phát triển tiếp theo của luận văn

CHƯƠNG 1 Một số đặc trưng cơ bản của sensor

1.1 Đinh nghĩa và các khái niệm cơ bản

Trong các hệ thống đo lường – điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, độ dịch chuyển v.v…

Để thực hiện các quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập thông tin,

đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến (sensor)

Sensor là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được

Để hiểu rõ về sensor ta cần nắm được một số khái niệm và định nghĩa sau

Phần tử nhạy: Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu tác động trực tiếp của đại

lượng đo Phần tử nhạu không có đặc tính riêng Sai số được hạn chế bởi sai số của thiết bị mà nó tham gia

Chuyển đổi đo lường: Là một khâu của thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của

tín hiệu ra Cơ sở vật lý của chuyển đổi đo lường là biến đổi và truyền đạt năng lượng, nghĩa là biến đổi từ dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác

Sensor đo lường: Là thiết bị đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành

tín hiệu ra thuận lợi cho việc biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt gia công bằng thiết

bị tính toán mà không quan sát được Sensor có tính đo lường học, thực hiện ở dạng độc lập, có độ chính xác nhất định theo mô hình mạch điện và được xem như mạng

2 cửa (hình 1.1) Cửa vào là biến trạng thái x cần đo, cửa ra là đáp ứng y

Phương trình được mô tả dưới dạng một hàm số (1.1)

Quan hệ trong (1.1) thường rất phức tạp do nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan

hệ giữa đầu ra và đầu vào của sensor

1.2 Phân loại sensor

Với mục đích nghiên cứu và ứng dụng có thể phân loại cảm biến theo các phương pháp sau:

- Phân loại theo đại lượng vào và ra

+ Cảm biến không điện – điện: Là các cảm biến thực hiện chức năng biến

đổi các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng v v….thành các thông số điện trở, điện cảm điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động v.v…

+ Cảm biến khí nén – điện: được sử dụng nhiều trong các nhà máy Hóa chất,

các hệ thống đo và điều khiển chông cháy, nổ

+ Cảm biến điện – điện: trong đó các đại lượng vào và ra là thông số điện

Các cảm biến này thực hiện nhiệm vụ biến đổi các đại lượng không điện thành tín hiệu khí nén sau đó từ tín hiệu khí nén biến đổi thành các đại lượng điện

- Phân loại theo tính chất vật lý được tạo thành

+ Cảm biến điện trở

+ Cảm biến điện từ

+ Cảm biến tĩnh điện

+ Cảm biến nhiệt điện

+ Cảm biến điện tử - lon

W(t)

X(t)

Y(t)

+ Cảm biến y – sinh

- Phân loại theo tính chất nguồn điện

+ Cảm biến phát điện

+ Cảm biến thụ động

- Phân theo phương pháp đo

+ Cảm biến biến đổi trực tiếp

Hình 1.2 Cảm biến đổi trực tiếp

a) b)

Hình 1.4 Đường cong chuẩn cảm biến

a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị Xi chưa biết của X thông qua giá trị đo được Yi của Y

Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình Y= F(X) có dạng Y = aX +b với a, b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng (hình 1.4b)

Phương pháp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị Y

đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị X của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh

Hình 1.4 Phương pháp chuẩn cảm biến

a) Chuẩn đơn giản

Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách:

Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn

hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao

Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có

sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn

b) Chuẩn nhiều lần:

Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của của đại lượng này Trong trường hợp như vậy, người

ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:

Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng với điểm gốc, X=0 và Y=0

Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng

Y

Y2 Y1

đo ở đầu vào

Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại

Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng

đo tăng dần và đo giảm dần

Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn

Y = F(X) (1.8) Y,X : là giá trị thực của đại lượng đo

Hệ số truyền là tỷ số giữa đại lượng ra Y và đại lượng vào X

Độ nhạy được định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng

Là tỉ số giữ sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích thích được biểu diễn dưới dạng biểu thức:

S = dY

dX =

dF(x)

giá trị xi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên dY của đại lượng đầu

ra và biến thiên dX tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó:

Đại lượng S được xác định bởi biểu thức S = ∆Y

∆X được gọi là độ nhạy của cảm biến

Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi cần thiết kế và sử dụng cảm biến làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:

- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó

còn nằm trong vùng này

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần (xích ma) cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng (yi,xi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (xi, yi) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng

Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số

là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trình có dạng:

Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm

độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo

(cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo Gọi dx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

δ = ∆x

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi

hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:

- Do nguyên lý của cảm biến

- Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

- Do đặc tính của bộ cảm biến

- Do điều kiện và chế độ sử dụng

- Do xử lý kết quả đo

Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định Ta có

thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu:

- Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

- Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

- Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê

1.3.6 Độ nhanh và thời gian hồi đáp

Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu

ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn (ε) tính bằng % Thời gian hồi đáp tương ứng với (ε)% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có

sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này

Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông

số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng

X0

t

Y

Y0 0.9

tdx tx

tdc tc

thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó Các thông số về thời gian tr, tdx, tx, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó

1.3.7 Giới hạn sử dụng

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này

Vùng làm việc danh định: Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều

kiện sử dụng bình thường của cảm biến Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến

Vùng không gây nên hư hỏng: Là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các

đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng

Vùng không phá huỷ: Là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng

vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức

là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến

1.3.8 Nhiễu

Nhiễu xuất hiện ở lối ra của cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu do sự dao động của tín hiệu kích thích Nhiều làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm biến và được phân bố qua phổ tần số

Để chống nhiễu người ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ cảm biến Một bộ được gọi là cảm biến chính, và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn

Hình 1.6 Phương pháp kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi

Để giảm nhiễu đường truyền người ta có thể sử dụng các biện pháp sau:

- Cách li nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn

- Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm biến

- Sử dụng cáp chống nhiễu

CHƯƠNG 2 Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý

2.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện

2.1.1 Hiệu ứng áp điện [9]

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 2.1 (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

2.1.2 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 2.2 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

2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện

2.2.1 Hiệu ứng nhiệt điện [14]

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 2.3 Vật liệu A và B gắn chặt hai đầu được giữ ở nhiệt độ T1 và T2

Hình 2.3 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

2 1

Với S A và S B là hệ số Seebeck của vật liệu A và vật liệu B

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

bằng:

Q    ( A B)I (2.3)

với A , B là hệ số Peltier của mỗi vật liệu, I là dòng điện

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

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

tạo và xác định bởi :

ZT  ( S T2 ) / (  KT) (2.4)

ở đây S ,T , ρ, KT lần lượt là hệ số Seebeck, nhiệt độ tuyệt đối, điện trở

suất và độ dẫn nhiệt toàn phần

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 Bi Te2 3, Sb Te2 3 là

những vật liệu bán dẫn có hệ số Seebeck lớn, có ZT xấp xỉ bằng đơn vị ở nhiệt độ

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

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở [15]

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

công thức:

R  Rref(1     1 T 2 T2    n Tn) (2.5)

Trong đó Rref là điện trở ở nhiệt độ tham chiếu,  1 n là các hệ số nhiệt điện trở của vật liệu,  T (T T ref) là chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ T và nhiệt

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 (2.5) 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 [9]

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

2.2.3 Hiệu ứng điện hỏa [16]

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:

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

2.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện

2.3.1 Hiệu ứng quang điện [9, 10]

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:

EK  hv   (2.7)

h hằng số Planck, ν tần số của photon

Hình 2.4 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

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

b) 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:

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…

2.3.2 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

2.3.3 Hiện tượng phát sáng quang hóa

Trong hiện tượng phát sáng quang hóa ánh sáng phát ra từ nguyên tử hay

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 2.5 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 của S1

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

10 10 s Đối với lân quang thời gian này rơi vào khoảng

4 2

10 10 s [11]

2.3.4 Hiệu ứng quang điện môi [9]

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

2.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay

Hiệu ứng Faraday xoay được tìm ra bởi M 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

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

2.3.6 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 2.7 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 độ 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

2.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10]

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 2.8 Hiệu ứng Kerrand Pockels

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



   

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

2.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học [10]

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

2.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện

2.4.1 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 2.9 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

2.4.2 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 2.10 Hiệu ứng spin Hall

2.4.3 Định luật Faraday-Henry [1, 9]

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 2.11) Michael Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra hiện tượng điện từ Các sensor và thiết bị

Dòng điện

Dòng Spin