Luận văn Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

Nội dung tài liệu: Luận văn Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN TRỌNG LUÂN THIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƢỜNG NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012 6
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN TRỌNG LUÂN THIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƢỜNG NHỎ Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử Mã số : 60.44.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. PHẠM QUỐC TRIỆU HÀ NỘI – 2012 7
3. MỞ ĐẦU Từ trường nhỏ là thông số quan trọng trong nghiên cứu Vật lí. Vì vậy việc đo đạc và phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với đời sống. Việc phát hiện thăng giáng này cho phép đánh giá được ảnh hưởng của từ trường vũ trụ, Trái đất tới thời tiết và sức khỏe con người cũng như có thể giúp phát hiện các dòng điện, vật liệu từ tính cũng như các mỏ khoáng sản trong lòng đất . Bản luận văn này khái quát nguyên lí hoạt động, sơ đồ các khối trong thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, đưa ra một số giải pháp để nâng cao tỉ số S/N và tập trung vào tìm hiểu, mô phỏng “phương pháp nâng cao tỉ số S/N bằng phương pháp Boxcar” dùng phần mềm Matlab. Nội dung của bản luận văn nằm trong chương trình nghiên cứu của đề tài trọng điểm cấp ĐH Quốc Gia Hà Nội mã số QGTĐ.10.27 về nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ. Nội dung của luận văn được trình bày trong 04 chương: Chương 1: Nguyên lí sensor phát hiện từ trường. Chương 2: Thiết kế thiết bị. Chương 3: Cải thiện tỉ số S/N. Chương 4: Một số kết quả thực nghiệm. 8
4. CHƢƠNG 1 - NGUYÊN LÍ SENSOR PHÁT HIỆN TỪ TRƢỜNG 1.1 Một số nguyên lí vật lí chuyển đổi tín hiệu từ - điện 1.1.1 Hiệu ứng Hall 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 1.1: Hiệu ứng Hall Hình 1.1 mô tả một từ trường vuông góc với tấm vật liệu mỏng mang dòng điện. Từ trường tác dụng một lực theo phương ngang FB 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 FE . Khi lực điện cân bằng với lực từ thì không diễn ra sự 9
5. 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, VHall được tính theo phương trình: IB VHall (1.1) 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 (1.602 10 19 C) d: độ dày của vật liệu 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 nano- tesla. Do có khả năng phát hiện ra từ trường nhỏ, hiệu ứng Hall có thể là phương tiện trong việc phát triển hệ cảm biến sử dụng chuỗi từ nano (chuỗi phát ra 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. 1.1.2 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 10
6. 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. Dòng điện Dòng spin Hình 1.2: Hiệu ứng spin Hall 1.1.3 Hiệu ứng 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 1.3). Michael Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra hiện tượng điện từ. Các sensor và thiết bị 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. Hình 1.3: Hiệu ứng Faraday-Henry 11
7. Mối quan hệ giữa điện trường E và mật độ từ thông B được xác định bởi: d  E ds B  dA (1.2) dt S B Hay  E (1.3) t Định luật này chi phối anten, các môtơ điện và một số lượng lớn thiết bị điện gồm cả rơle và phần cảm điện trong các mạch thông tin viễn thông. 1.1.4 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 thước nano. 1.1.5 Hiệu ứng Nernist/Ettinghausen [10] Nernst và Ettingshausen phát hiện ra một lực điện động được sinh ra dọc chất dẫn điện hay bán dẫn khi nó chịu tác dụng đồng thời của gradient nhiệt độ và trường từ. Hướng của lực này vuông góc cả với trường từ và gradient nhiệt độ. Hiệu ứng có thể được định lượng bởi hế số Nernst |N| : EB/ N YZ (1.4) dT/ dx Thành phần từ trường trên trục z là BZ , tạo ra thành phần điện trường theo trục y là EY , 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. 12
8. 1.1.6 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. 1.1.7 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: v ff () observed source (1.5) vv source 13
9. Với v là tốc độ sóng trong môi trường, vsource là tốc độ của nguồn đối với môi trường, và fsource là tần số của nguồn sóng. Nếu nguồn sóng tiến gần đầu thu dương và ngược lại khi nó lùi xa nguồn thu thì âm. Một ví dụ quen thuộc về hiệu ứng Doppler là thay đổi độ cao thấp của còi báo động xe cứu thương khi nó lại gần hay đi xa. 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. 1.2 Một số sensor đo từ trƣờng 1.2.1 Sensor hiệu ứng Hall [11] 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 (1.6) 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 1.4. Đặt một điện trường Ex theo trục x còn gọi là trục điều khiển. Khi có một từ trường Bz tác động theo phương vuông góc với bề mặt của sensor các điện tích tự do 14
10. chạy theo trục x do điện trường 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: Ey v x B z (1.7) Hình 1.4: 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, là điện trường đặt vào trục x, và Ey là điện thế Hall xuất hiện theo trục y Với vx 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 thì mật độ dòng là: Jxx qnv (1.8) JB Và ERJB xz (1.9) yqn H x z Với RH là hệ số Hall. Đối với chất bán dẫn vớiEx hạt tải cơ bản (electron hoặc lỗ trống) có độ linh động μ và dẫn suất σ thì ta có: 15