Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
ĐỖ GIA TÙNG
CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VẬT LÝ
VÀ ỨNG DỤNG TRONG SENSOR
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ
NHIÊN
ĐỖ GIA TÙNG
CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VẬT LÝ
VÀ ỨNG DỤNG TRONG SENSOR
Chuyên ngành:
Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số:
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
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
8
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
∆T = T2 − T1 , và tuân theo phương trình:
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
tạo và xác định bởi :
ZT = (S 2T ) / ( TK
)
ở đây S ,T , ρ,
(1.3)
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.
Bi2Te3 , Sb2Te là những vật liệu bán dẫn có hệ số Seebeck lớn, có ZT xấp
3
xỉ bằng đơn vị ở nhiệt độ phòng.
J
Iron/ Contantan
-40 đến +750
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
công thức:
2
R = Rref (1+ 1∆T + 2∆T
+... +
n∆T )
Trong đó
n
Rref là điện trở ở nhiệt độ tham chiếu,
(1.4)
1...n là các hệ số nhiệt
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 (Mnx Fe1−x )2 O3 . 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:
I = pA
dT
dt
(1.5)
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
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.
=
(1.6)
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 EK
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 −
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:
I = IS
Với
qV / kT
−1]
q là điện tích của e (1,602.10
(1.8)
-19
C)
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.
1.3.3Hiện 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 tiên S 1 . Các electron nằm ở trạng thái năng lượng dao động thấp nhất của S
1
sẽ nhảy về bất kỳ trạng thái dao động nào của S . Với hiệu ứng lân quang electron
những đơn tinh thể khó kiểm soát.
1.3.5Hiệu 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
(1.9)
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 từquang 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.
(1.10)
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
ne
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 .
1.3.8Hiệu 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]
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 (1.602×10
−19
C)
d: độ dày của vật liệu
I
B
VHall
FB - Lực từ
FE - Lực điện
Hình 1.9- Hiệu ứng Hall.
Sensor hiệu ứng Hall được sử dụng thường xuyên nhất trong các phép đo từ
trường. Sensor Hall hai chiều đã được sử dụng để kiểm soát trường từ trong dải
Copyright: Tài liệu đại học ©