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: 60.44.03


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. PHẠM QUỐC TRIỆU




Hà Nội - 2011
MỤC LỤC Trang
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… ……….01
Chương 1 - CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VẬT LÝ………………………… ……… 02
1.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt- điện…………………………………….02
1.1.1 Hiệu ứng nhiệt điện…………………………………… ……… 02

1.1.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở………………………… ………………04
1.1.3 Hiệu ứng điện hỏa 05
1.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện… ……………………………… 06
1.2.1 Hiệu ứng áp điện 06
1.2.2 Hiệu ứng từ giảo………………………………………………… 07
1.2.3 Hiệu ứng trở áp ……………… …………………… … …….08
1.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang -điện…… …….………….………… 08
1.3.1 Hiệu ứng quang điện…………………………………………… 08
1.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện ……………………………….….11
1.3.3 Hiện tượng phát sáng quang hóa………………………………….11
1.3.4 Hiệu ứng quang điện môi……………………………………… 13
1.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay………………………………………… 13
1.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr………………………………………… 14
1.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels………………………… 15
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
3.3.1 Đường từ hóa, độ từ thẩm và độ tự cảm của vật liệu từ trong trường
một chiều ……………………… 57
3.3.2 Quá trình từ hóa và từ trễ……………………………………….58
3.4 Mô phỏng hoạt động của fluxgate sensor ………………………………62
3.4.1 Cấu tạo của sensor fluxgate hai lõi mắc xung đối……………… 62
3.4.2 Mô phỏng quá trình chuyển đổi tín hiệu của sensor……………62
3.4.3 Mô phỏng sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu ra theo từ trường 67
Chương 4 - THIẾT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƯỜNG NHỎ……… 71
4.1 Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ……… 71
4.2 Khảo sát phản ứng của thiết bị đo theo phông từ trường………………… 73
4.3 Khảo sát phản ứng của thiết bị đo khi có nguồn từ trường ngoài………….75
4.3.1 Từ trường do dòng điện thẳng…………………………………….75
4.3.2 Từ trường của cuộn dây Xolenoit……………………………… 76
4.4 Giải pháp nâng cao tỷ số S/N …………………………………………… 77
KẾT LUẬN……………………………………………………………………………80
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………….81
PHỤ LỤC


1

MỞ ĐẦU
Chuyển đổi tín hiệu là một lĩnh vực hết sức lý thú và có nhiều ứng dụng thực
tiễn. Các đầu dò, đầu đo, cảm biến (sensor)… được chế tạo và đưa vào sử dụng
trong đo lường, điều khiển tự động đều dựa trên các nguyên lý chuyển đổi tín hiệu.
Đặc biệt các bộ chuyển đổi tín hiệu không điện sang tín hiệu điện luôn được quan
tâm bởi các ưu thế nổi trội. Tín hiệu điện dễ dàng được khuếch đại, xử lý và truyền
đi xa. Bản luận văn này tập trung vào nhiệm vụ nghiên cứu tổng quan về một số
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









2

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
1
T
và
2
T
.
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
2 1
T T T
  
, và tuân theo phương trình:
( )
A B
V S S T
  
(1.1)
Với

A
S
và
B
S
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:
( )
A B
Q I
    (1.2)
với
A

,
B

là hệ số Peltier của mỗi vật liệu, I là dòng điện.
3

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
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 :
2
( ) / ( )
T
ZT S T K


(1.3)
ở đây S ,T , ρ,
T
K
lần lượt là hệ số Seebeck, nhiệt độ tuyệt đối, điện trở suất và độ
dẫn nhiệt toàn phần.

4

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.

2 3
Bi Te
,
2 3
Sb Te
là những vật liệu bán dẫn có hệ số Seebeck lớn, có ZT xấp
xỉ bằng đơn vị ở nhiệt độ phòng.
Vật liệu với kích cỡ nano là những đề cử nổi trội để cải thiện các thể hiện của
cấu trúc nhiệt điện. Với dây lượng tử
2 3
Bi Te
đã đạt được ZT lớn hơn 14 khi bán
kính dây giảm đến 0.5 nm.
Đối với cấu trúc siêu mạng của cùng vật liệu với độ dày lượng tử tích tụ 1 nm
giá trị phẩm chất tốt nhất tính được là 2.5.
Với nhiều hiệu quả nổi bật của vật liệu nhiệt điện, trong tương lai gần những
dụng cụ này có thể được tìm kiếm cho phát điện và chuyển năng lượng nhiệt dư
thừa thành điện năng.
Bảng 1.1- Một vài loại cặp nhiệt điện phổ biến và dải nhiệt độ tương ứng [14]
Loại Vật liệu Dải nhiệt độ (ºC)
K Chromel/Alumel (hợp kim Ni-Al) -200 đến +1200
E Chromel/Contantan -110 đến +140
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
ef 1 2
(1 )
n
r n
R R T T T
  
       
(1.4)
Trong đó
ef
r
R
là điện trở ở nhiệt độ tham chiếu,
1

n
 
là các hệ số nhiệt
điện trở của vật liệu,
ef
( )
r
T T T
  

là chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ T và nhiệt
5

độ tham chiếu
e
r f
T
. 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 (1.4). 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
Vật liệu Dải nhiệt độ tuyến tính (ºC)
Đồng -200  260
Platinum -260 1000
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
1 2 3
( )
x x
Mn Fe O

. 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:
6

dT
I pA
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 động
trong một dải rộng của bước sóng. Sensor điện hỏa chế tạo từ vật liệu điện hỏa như
lithium tantalite và PZT, phát sinh điện thế khi nhiệt độ thay đổi nhỏ do chiếu xạ
vào bề mặt tinh thể.
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.


1.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện
1.2.1 Hiệu ứng áp điện
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
7

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.
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
8

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 1.3- Hiệu ứng từ giảo: H=0 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên,
0
H


được sắp xếp lại làm tăng kích thước dưới tác dụng của từ trường.
1.2.3 Hiệu ứng trở áp
Hiệu ứng trở áp là hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu khi chịu tác dụng
của lực cơ học. Hiệu ứng này được tìm ra đầu tiên năm 1856 bởi Lord Kelvin. Năm
1954, C.S.Smith phát hiện rằng chất bán dẫn như Ge và Si thể hiện hiệu ứng trở áp

mạnh hơn nhiều so với kim loại, thay đổi điện trở của các chất bán dẫn tuân theo
phương trình:
R
R



(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
9

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
K
E
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:
K

E hv

 
(1.7)
h hằng số Planck, ν tần số của photon.

Hình 1.4- 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.

1.3.1a Hiệu ứng quang dẫn
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
10

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.

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:
/
[ 1]
qV kT
S
I I e
 
(1.8)
Với q là điện tích của e (1,602.10
-19
C)
k là hằng số Botman (1,38.10
-23
J/K)
T là nhiệt độ Kelvin của chuyển tiếp p-n

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)
11

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…
1.3.2 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.
1.3.3 Hiện 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
12

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
1
S
. Các electron nằm ở trạng thái năng lượng dao động thấp nhất của
1
S

sẽ nhảy về bất kỳ trạng thái dao động nào của
0
S
. Với hiệu ứng lân quang electron
ở trạng thái

1
S
xuyên qua nhiều lớp của
1
T
mới trở về trạng thái
0
S
.
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
thường khoảng
8 4
10 10
s
 

. Đối với lân quang thời gian này rơi vào khoảng
13

4 2
10 10
s
 
 .

1.3.4 Hiệu ứng quang điện môi
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.

1.3.5 Hiệu 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)
14

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 từ-
quang 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.

Hình 1.7- Sự quay của mặt phẳng phân cực trên bề mặt từ tính là kết quả của hiệu
ứng từ-quang Kerr.
15

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 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.
1.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels
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 1.8- Hiệu ứng Kerrand Pockels.
Giá trị khúc xạ kép
n


gây ra bởi hiệu ứng Kerr có thể tính bởi công thức:
2
0 0e
n n n KE

   
(1.10)
16

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
0
n
và
e
n
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 .

1.3.8 Hiệu 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]
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.
17

Hình 1.9 mô tả một từ trường vuông góc với tấm vật liệu mỏng mang dòng
điện. Từ trường tác dụng một lực theo phương ngang
B
F
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
E
F
. 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,
Hall
V
được tính theo phương trình:
Hall
IB
V
ned

(1.11)
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
1.602 10

 C)
d: độ dày của vật liệu

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
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
F
B
- Lực từ
F
E

- Lực điện

V
Hall
B
I
18

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.
1.4.2 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 1.10- Hiệu ứng spin Hall.
1.4.3 Định luật 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 1.11). Michael
Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra hiện tượng điện từ. Các sensor và thiết bị

Dòng điện
Dòng Spin
19

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 1.11- Hiệu ứng Faraday-Henry
Mối quan hệ giữa điện trường E và mật độ từ thông B được xác định bởi:
S
d
ds B dA
dt
   

  
(1.12)
Hay

B
E
t

  

(1.13)
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, 12].

1.4.4 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
Nam châm dịch chuyển
Dòng điện cảm ứng
Từ thông
20

thước nano.

1.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen
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| :
/
N
/
Y Z
E B
dT dx
 (1.14)
Thành phần từ trường trên trục z là
Z
B
, tạo ra thành phần điện trường theo

trục y là
Y
E
, 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 [9].

1.4.6 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