Luận văn thạc sĩ về thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Nguyễn Trọng Luân
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Quốc Triệu
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử
• Đề tài: Thiết Bị Phát Hiện Từ Trường Nhỏ Hiệu Quả
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÍ SENSOR PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG
• 1.1. Một số nguyên lí vật lí chuyển đổi tín hiệu từ - điện
• 1.1.1. Hiệu ứng Hall
• 1.1.2. Hiệu ứng Spin Hall
• 1.1.3. Hiệu ứng Faraday – Henry
• 1.1.4. Hiệu ứng Barkhausen
• 1.1.5. Hiệu ứng Nernist/Ettinghausen
• 1.1.6. Hiệu ứng từ trở
• 1.1.7. Hiệu ứng Dopper
• 1.2. Sensor hiệu ứng Hall
• 1.3. Sensor proton precession
• 1.4. Sensor bơm quang học
• 1.5. Sensor SQUID

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị phát hiện từ trường nhỏ hiệu quả

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng. Từ trường nhỏ có thể ảnh hưởng đến nhiều hiện tượng tự nhiên và công nghệ. Việc phát hiện và đo đạc chính xác từ trường nhỏ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và hỗ trợ trong các nghiên cứu khoa học. Các thiết bị này sử dụng nhiều nguyên lý vật lý khác nhau để phát hiện từ trường, từ hiệu ứng Hall đến các công nghệ tiên tiến hơn.

1.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị phát hiện từ trường

Thiết bị phát hiện từ trường hoạt động dựa trên nhiều nguyên lý vật lý khác nhau. Hiệu ứng Hall là một trong những nguyên lý phổ biến nhất, cho phép đo đạc từ trường thông qua sự thay đổi điện thế trong vật liệu dẫn điện khi có từ trường tác động. Ngoài ra, các hiệu ứng khác như Spin Hall hay Faraday cũng được áp dụng trong các thiết bị hiện đại.

1.2. Lợi ích của việc phát hiện từ trường nhỏ

Việc phát hiện từ trường nhỏ mang lại nhiều lợi ích cho nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn. Nó giúp theo dõi các biến đổi trong môi trường, đánh giá ảnh hưởng của từ trường đến sức khỏe con người, và hỗ trợ trong việc phát hiện các tài nguyên khoáng sản dưới lòng đất.

II. Thách thức trong việc phát hiện từ trường nhỏ hiệu quả

Mặc dù có nhiều công nghệ phát hiện từ trường nhỏ, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các thiết bị này. Các yếu tố như nhiễu điện từ, độ ổn định của thiết bị và khả năng xử lý tín hiệu đều ảnh hưởng đến hiệu quả của việc phát hiện từ trường.

2.1. Nhiễu và ảnh hưởng đến độ chính xác

Nhiễu từ các nguồn bên ngoài có thể làm giảm độ chính xác của thiết bị phát hiện từ trường. Việc thiết kế các mạch điện và phần mềm xử lý tín hiệu để giảm thiểu nhiễu là một thách thức lớn trong nghiên cứu và phát triển thiết bị.

2.2. Độ nhạy và khả năng phát hiện

Độ nhạy của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ là một yếu tố quan trọng. Các thiết bị cần được cải tiến để có thể phát hiện được những biến đổi nhỏ nhất trong từ trường, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

III. Phương pháp nâng cao hiệu quả thiết bị phát hiện từ trường

Để nâng cao hiệu quả của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này không chỉ cải thiện độ nhạy mà còn giúp giảm thiểu nhiễu và tăng cường độ ổn định của thiết bị.

3.1. Sử dụng công nghệ Boxcar để nâng cao tỉ số S N

Phương pháp Boxcar là một kỹ thuật hiệu quả trong việc nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N). Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và tối ưu hóa, thiết bị có thể đạt được độ nhạy cao hơn trong việc phát hiện từ trường nhỏ.

3.2. Cải tiến thiết kế mạch điện

Thiết kế mạch điện là một yếu tố quan trọng trong việc phát hiện từ trường. Việc tối ưu hóa các thành phần trong mạch điện có thể giúp giảm thiểu nhiễu và cải thiện độ nhạy của thiết bị.

IV. Ứng dụng thực tiễn của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như y tế, địa chất, và nghiên cứu khoa học. Việc phát hiện từ trường nhỏ không chỉ giúp theo dõi các hiện tượng tự nhiên mà còn hỗ trợ trong việc phát hiện các tài nguyên khoáng sản.

4.1. Ứng dụng trong y tế

Trong y tế, thiết bị phát hiện từ trường nhỏ được sử dụng để theo dõi các biến đổi trong cơ thể con người. Nó giúp phát hiện các bệnh lý liên quan đến từ trường và hỗ trợ trong việc điều trị.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu địa chất

Trong nghiên cứu địa chất, thiết bị phát hiện từ trường nhỏ giúp phát hiện các mỏ khoáng sản và theo dõi các biến đổi trong lòng đất. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc khai thác tài nguyên và bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và tương lai của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ đang ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị này sẽ ngày càng chính xác và nhạy bén hơn. Tương lai của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong nghiên cứu khoa học.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ phát hiện từ trường nhỏ đang trong quá trình phát triển mạnh mẽ. Các nghiên cứu mới sẽ giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của thiết bị, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu liên ngành

Nghiên cứu liên ngành giữa vật lý, điện tử và y học sẽ giúp phát triển các thiết bị phát hiện từ trường nhỏ hiệu quả hơn. Sự kết hợp này sẽ mang lại nhiều lợi ích cho xã hội và khoa học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Từ trường nhỏ là một thông số quan trọng trong lĩnh vực vật lý, đặc biệt trong nghiên cứu vật lý vô tuyến và điện tử. Việc phát hiện và đo đạc thăng giáng từ trường nhỏ có ý nghĩa thiết thực trong nhiều lĩnh vực như đánh giá ảnh hưởng của từ trường vũ trụ và Trái đất đến thời tiết, sức khỏe con người, phát hiện dòng điện, vật liệu từ tính và thăm dò khoáng sản trong lòng đất. Theo ước tính, các thiết bị phát hiện từ trường nhỏ có thể đo được các biến đổi từ trường trong dải nano-tesla, mở ra nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghiệp.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ dựa trên nguyên lý Fluxgate, đồng thời cải thiện tỉ số tín hiệu trên tạp (S/N) bằng phương pháp Boxcar sử dụng phần mềm Matlab. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế mạch điện tử, sensor và phần mềm xử lý tín hiệu, thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2010-2012.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ nhạy và độ chính xác của các thiết bị đo từ trường nhỏ, góp phần phát triển công nghệ cảm biến từ trường phục vụ nghiên cứu khoa học, y sinh và công nghiệp khai thác tài nguyên thiên nhiên. Các chỉ số hiệu suất như tỉ số S/N được cải thiện đáng kể, giúp thiết bị hoạt động ổn định trong môi trường có nhiều tạp âm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và hiệu ứng vật lý cơ bản liên quan đến cảm biến từ trường, bao gồm:

• Hiệu ứng Hall: Phát hiện từ trường dựa trên sự xuất hiện điện thế Hall khi dòng điện chạy qua vật liệu trong từ trường vuông góc. Điện thế Hall tỷ lệ thuận với cảm ứng từ và dòng điện, được mô tả bởi phương trình $ V_{Hall} = \frac{IB}{ned} $, trong đó $I$ là dòng điện, $B$ là cảm ứng từ, $n$ mật độ hạt tải, $e$ điện tích electron, và $d$ độ dày vật liệu.

• Hiệu ứng Fluxgate: Nguyên lý hoạt động của sensor dựa trên sự bão hòa từ tính của lõi sắt từ dễ bão hòa khi có dòng kích thích xoay chiều. Từ trường ngoài làm thay đổi độ từ thẩm hiệu dụng của lõi, tạo ra tín hiệu điện áp tỷ lệ với từ trường cần đo.

• Tỉ số tín hiệu trên tạp (S/N): Được định nghĩa là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm, là chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng tín hiệu thu được. Công thức tính là $ S/N = \frac{P_{th}}{P_{ta}} = \frac{X_{th}^2}{X_{ta}^2} $, trong đó $P_{th}$ và $P_{ta}$ là công suất tín hiệu và tạp âm, $X_{th}$ và $X_{ta}$ là trị hiệu dụng tín hiệu và tạp âm.

Các khái niệm chính bao gồm sensor từ trường nhỏ, hiệu ứng Hall, hiệu ứng Fluxgate, tỉ số tín hiệu trên tạp, và các loại tạp âm như tạp nhiệt và tạp nổ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng và thiết kế mạch điện tử. Nguồn dữ liệu chính là các tín hiệu từ trường nhỏ thu được từ sensor Fluxgate do phòng thí nghiệm thiết kế và chế tạo.

• Cỡ mẫu: Thiết bị được thử nghiệm với các mẫu vật liệu từ cứng có từ trường bề mặt khoảng 1167 Gauss, đo tín hiệu ở các khoảng cách khác nhau từ 32.5 cm đến gần sensor.

• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn sensor Fluxgate do tính ổn định, độ nhạy cao và khả năng đo vector từ trường trong dải từ 0.1 nT đến 1 mT.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và áp dụng phương pháp Boxcar nhằm nâng cao tỉ số S/N. Phân tích tín hiệu thu được qua các khối mạch khuếch đại, xử lý tín hiệu và chuyển đổi tương tự-số (ADC).

• Timeline nghiên cứu: Thiết kế mạch và chế tạo sensor trong năm 2011, thử nghiệm và thu thập dữ liệu trong năm 2012, đồng thời phát triển phần mềm đọc và xử lý tín hiệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế thành công thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ dựa trên nguyên lý Fluxgate với tần số hoạt động 2.5 kHz, sensor gồm hai lá permalloy kích thước 200 mm x 5 mm x 0.03 mm, cuộn sơ cấp 400 vòng và cuộn thứ cấp 600 vòng. Thiết bị có khả năng phát hiện tín hiệu từ trường nhỏ với độ nhạy cao.

2. Tín hiệu thu được có dạng sóng sine ổn định sau khối tạo sóng và khuếch đại công suất, tần số đồng nhất với tần số kích thích 2.5 kHz, đảm bảo tính chính xác trong đo đạc.

3. Tỉ số tín hiệu trên tạp (S/N) được cải thiện đáng kể khi áp dụng phương pháp Boxcar trong xử lý tín hiệu, giúp giảm nhiễu và tăng độ tin cậy của kết quả đo. Theo quan sát, tỉ số S/N tăng lên khoảng 30-40% so với phương pháp xử lý truyền thống.

4. Khả năng ghi nhận sự thay đổi tín hiệu theo khoảng cách mẫu vật liệu từ cứng đến sensor được thể hiện rõ qua dao động kí, với tín hiệu giảm dần khi khoảng cách tăng từ 0 cm đến 32.5 cm, chứng tỏ thiết bị có độ nhạy phù hợp với ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện tỉ số S/N là do việc sử dụng phương pháp Boxcar giúp lọc bỏ các thành phần tạp âm không đồng bộ với tín hiệu chính, đồng thời tăng cường tín hiệu có ích. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành cảm biến từ trường nhỏ, nơi mà việc xử lý tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác.

So sánh với các thiết bị sử dụng sensor Hall hoặc proton precession, thiết bị Fluxgate có ưu điểm về độ nhạy và khả năng đo vector từ trường trong dải rộng, đồng thời chi phí chế tạo thấp hơn. Việc tích hợp mạch khuếch đại và xử lý tín hiệu hiệu quả giúp thiết bị hoạt động ổn định trong môi trường có nhiều tạp âm.

Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ tín hiệu điện áp sensor theo thời gian và khoảng cách mẫu, cũng như bảng so sánh tỉ số S/N trước và sau khi áp dụng phương pháp Boxcar, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường ứng dụng phương pháp Boxcar trong xử lý tín hiệu nhằm tiếp tục nâng cao tỉ số S/N, giảm thiểu ảnh hưởng của tạp âm trong các môi trường đo phức tạp. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu thiết bị.

2. Phát triển phiên bản thiết bị tích hợp vi điều khiển với khả năng xử lý tín hiệu trực tiếp trên thiết bị, giảm thiểu độ trễ và tăng tính di động. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: phòng thí nghiệm điện tử.

3. Mở rộng phạm vi đo và cải tiến sensor bằng vật liệu permalloy có đặc tính từ tính tối ưu hơn, nhằm tăng độ nhạy và dải đo. Thời gian thực hiện: 9 tháng; chủ thể: bộ phận vật liệu và sensor.

4. Xây dựng phần mềm giao diện người dùng thân thiện, hỗ trợ ghi nhận và phân tích dữ liệu tự động, giúp người dùng dễ dàng vận hành và khai thác thiết bị. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: nhóm phát triển phần mềm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu vật lý vô tuyến và điện tử: Có thể ứng dụng các nguyên lý và thiết kế sensor trong nghiên cứu từ trường nhỏ và phát triển thiết bị đo lường.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị cảm biến và đo lường: Tham khảo để cải tiến thiết bị đo từ trường, nâng cao độ nhạy và độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp và y sinh.

3. Chuyên gia trong lĩnh vực địa vật lý và khai thác khoáng sản: Sử dụng thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ để thăm dò khoáng sản và nghiên cứu trường địa từ.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật lý và kỹ thuật điện tử: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến cảm biến từ trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Thiết bị sử dụng nguyên lý Fluxgate, dựa trên sự bão hòa từ tính của lõi sắt từ dễ bão hòa khi có dòng kích thích xoay chiều, tạo ra tín hiệu điện áp tỷ lệ với từ trường cần đo.

2. Phương pháp Boxcar giúp cải thiện tỉ số S/N như thế nào?
   Phương pháp Boxcar lọc tín hiệu bằng cách lấy trung bình các mẫu tín hiệu đồng bộ, loại bỏ tạp âm không đồng bộ, từ đó nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp và cải thiện độ chính xác.

3. Sensor Fluxgate có ưu điểm gì so với sensor Hall?
   Sensor Fluxgate có độ nhạy cao hơn, khả năng đo vector từ trường trong dải rộng từ 0.1 nT đến 1 mT, và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ so với sensor Hall.

4. Thiết bị có thể đo được từ trường nhỏ đến mức nào?
   Thiết bị có thể phát hiện từ trường nhỏ trong dải nano-tesla, phù hợp với các ứng dụng nghiên cứu và đo đạc từ trường yếu.

5. Làm thế nào để kết nối thiết bị với máy tính và xử lý dữ liệu?
   Thiết bị được trang bị khối chuyển đổi tương tự-số (ADC) và giao tiếp USB, kết nối với máy tính qua phần mềm viết trên nền Visual Basic để ghi nhận, hiển thị và lưu trữ dữ liệu.

Kết luận

• Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ dựa trên nguyên lý Fluxgate với tần số hoạt động 2.5 kHz.
• Áp dụng phương pháp Boxcar trong xử lý tín hiệu giúp cải thiện tỉ số tín hiệu trên tạp lên khoảng 30-40%.
• Thiết bị có khả năng đo từ trường nhỏ trong dải nano-tesla, phù hợp với nhiều ứng dụng khoa học và công nghiệp.
• Hệ thống ghép nối với máy tính qua cổng USB và phần mềm chuyên dụng hỗ trợ ghi nhận và phân tích dữ liệu hiệu quả.
• Đề xuất phát triển thêm các phiên bản tích hợp vi điều khiển và cải tiến sensor để nâng cao hiệu suất và tính ứng dụng.

Next steps: Tiếp tục hoàn thiện phần mềm xử lý tín hiệu, mở rộng thử nghiệm thực tế và phát triển phiên bản thiết bị di động.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm có thể liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng thiết bị trong các dự án nghiên cứu và công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 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.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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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.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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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.

Dòng điện Dòng spin Hình 1.2: Hiệu ứng spin Hall 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. 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.3: Hiệu ứng Faraday-Henry 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Mối quan hệ giữa điện trường E và mật độ từ thông B được xác định bởi: d  E  ds   S B  dA dt  (1.3) 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.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.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| : EY / BZ N (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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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.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 f observed  ( ) f source v  vsource (1.5) 13 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Với v là tốc độ sóng trong môi trường, vsource là tốc độ của nguồn đối với môi trường, và f source là tần số của nguồn sóng. Nếu nguồn sóng tiến gần đầu thu vsource dương và ngược lại khi nó lùi xa nguồn thu thì vsource 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.2 Một số sensor đo từ trƣờng 1.1 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. 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] chạy theo trục x do điện trường Ex 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  vx Bz (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, Ex là điện trường đặt vào trục x, và E y 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 vx thì mật độ dòng là: J x  qnvx (1.8) J x Bz Và Ey   RH J x Bz (1.9) qn Với RH là hệ số Hall.

Đối với chất bán dẫn với hạt tải cơ bản (electron hoặc lỗ trống) có độ linh động μ và dẫn suất σ thì ta có: 15 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Jx Ey   Ex Bz và Ex  (1.