Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

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. Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN TRỌNG LUÂNTHIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƢỜNG NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012 6 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN TRỌNG LUÂNTHIẾT 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 MỞ ĐẦU Từ trường nhỏ là thông số quan trọng trong nghiên cứu Vật lí. Vì vậy việc đođạc 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 vũtrụ, Trái đất tới thời tiết và sức khỏe con người cũng như có thể giúp phát hiện cácdòng 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 bịphát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, đưa ra một số giải pháp để nâng cao tỉ số S/N vàtập trung vào tìm hiểu, mô phỏng “phương pháp nâng cao tỉ số S/N bằng phươngpháp Boxcar” dùng phần mềm Matlab. Nội dung của bản luận văn nằm trong chương trình nghiên cứu của đề tài trọngđiểm cấp ĐH Quốc Gia Hà Nội mã số QGTĐ.10.27 về nghiên cứu, thiết kế và chế tạothiết 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 CHƢƠNG 1 - NGUYÊN LÍ SENSOR PHÁT HIỆN TỪ TRƢỜNG1.1 Một số nguyên lí vật lí chuyển đổi tín hiệu từ - điện1.1.1 Hiệu ứng Hall Phát hiện vào năm 1880 bởi Edwin Hall, khi đặt một từ trường vuông góc vớihướng của dòng điện trong kim loại hay chất bán dẫn thì xuất hiện một điện trườngvuông góc với cả hướng của dòng điện và hướng của từ trường. Đây là một trongnhững 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 đẩychúng về một phía. Trong khi những hạt tải này được tích lũy tại một bên thì các hạt tảitrái dấu lại tích tụ về phía đối diện. Sự phân tách hạt tải tạo ra một điện trường, điệntrường này gây ra lực điện FE . Khi lực điện cân bằng với lực từ thì không diễn ra sự 9phân tách hạt tải nữa. Kết quả là có một điện thế có thể đo được giữa hai cực của vậtliệu, 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 từtrường. 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 tiệntrong việc phát triển hệ cảm biến sử dụng chuỗi từ nano (chuỗi phát ra từ trường rấtnhỏ). Một ví dụ về chuỗi từ nano được cung cấp bởi Ejsing, người đã cải tiến nhữngsensor chuỗi từ nano này với độ nhạy khoảng 3µV/Oe mA. Những sensor của họ hoạtđộng với từ trường của hạt từ kích cỡ 250 nm thường được sử dụng trong những ứngdụng sinh học.1.1.2 Hiệu ứng Spin Hall Hiệu ứng Spin Hall (SHE-Spin Hall Effect) liên quan đến sự phát sinh dòng spinngang với điện trường đặt vào vật liệu, dẫn đến sự gia tăng các spin không cân bằngtrong hệ. Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu thuận từ là hệ quả của tương tácspin-quỹ đạo. Đó là lý thuyết được dự đoán vào năm 1971 bởi Yakonov và Perel. Sựphát sinh, lôi kéo và phát hiện điện tử spin- phân cực trong cấu trúc nano là một trongnhững thách thức của thuyết spin điện tử. Hiệu ứng này có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng các cảm biến ứng dụngtrong chuỗi từ nano hoặc film mỏng với chiều dày nano. Ví dụ Gerber chứng minhrằng SHE có thể sử dụng để cảm biến các tinh thể từ không đẳng hướng và từ trường 10tồn tại trong thời gian ngắn của hạt nano Co tách xa sắp xếp trong những dãy đơn lớpvới bề dày nhỏ hơn 0.01 nm. Dòng điện Dòng spin Hình 1.2: Hiệu ứng spin Hall1.1.3 Hiệu ứng Faraday – Henry Định luật Faraday-Henry là định luật cơ bản của điện từ và phát biểu rằng mộtđiện trường được tạo ra khi thay đổi một từ trường (hình 1.3). Michael Faraday vàJoseph Henry độc lập tìm ra hiện tượng điện từ. Các sensor và thiết bị âm thanh thờikỳ đầu (như micro-phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tương tự, và rơle lưỡi gàsử dụng hiệu ứng này. Hình 1.3: Hiệu ứng Faraday-Henry 11 Mối quan hệ giữa điện trường E và mật độ từ thông B được xác định bởi: d  E  ds   S B  dA dt  (1. ...