Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

6


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
7

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
8

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.







9
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
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

10
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

(1.1)
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
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 na
̀
y 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
11
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 1.2: 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

Dòng spin
Dòng điện

12
Mối quan hệ giữa điện trường E và mật độ từ thông B được xác định bởi:
S
d
E ds B dA
dt
   

(1.2)
Hay
B
E
t

  

(1.3)
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| :
/
N
/
YZ
EB
dT dx

(1.4)
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.

13
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:
()
observed source
source
v
ff
vv


(1.5)

14
Với v là tốc độ sóng trong môi trường,
source
v
là tốc độ của nguồn đối với môi
trường, và
source
f
là tần số của nguồn sóng. Nếu nguồn sóng tiến gần đầu thu
source
v

dương và ngược lại khi nó lùi xa nguồn thu thì
source
v
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
x
E
theo trục x còn gọi là trục điều khiển. Khi có một từ
trường
z
B
tác động theo phương vuông góc với bề mặt của sensor các điện tích tự do
15
chạy theo trục x do điện trường
x
E

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:
y x z
E v B
(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,
x
E
là điện trường đặt vào trục x, và
y
E
là điện thế Hall xuất hiện theo trục y
Với
x
v
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
x
v
thì mật
độ dòng là:
xx
J qnv
(1.8)
Và
xz

y H x z
JB
E R J B
qn

(1.9)
Với
H
R
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:

16
y x z
E E B


và
x
x
J
E


(1.10)
Do đó
y x z
E J B




và
H
R



(1.11)
Giá trị của
H
R
phụ thuộc vào vật liệu, nhiệt độ và từ trường.
H
R
có thể được
thay đổi đến một phạm vi nhất định bằng cách pha tạp chất vào vật liệu nền. Hiệu
điện thế đo được ở hai đầu trục y là một số nguyên lần điện trường theo trục y .
Nếu dòng không đổi I chạy theo trục x thì:
x
I
J
wt

(1.12)
Và điện thế đo được là:
Hz
y
R IB
e

t

(1.13)
t là độ dày (m) và w là khoảng cách hai đầu theo trục y.
Một thuộc tính khác được đưa ra bởi các nhà sản xuất là độ nhạy từ
b

khi dòng
điều khiển là
c
I
:
y
Hc
b
z
e
RI
Bt


(1.14)
Dòng điều khiển cho thiết bị hiệu ứng Hall thường là 100 mA nhưng cũng có
một vài trường hợp hoạt động với dòng dưới 1 mA. Độ nhạy có giá trị trong khoảng 10
mV/T đến 1.4 V/T. Vùng tuyến tính cỡ 0.25% đến 2% giá trị của trường hoạt động.
Điện trở lối vào và trở ra thông thường cỡ 1Ω tới 3Ω. Sensor này rất nhỏ (có chiều dài
nhỏ hơn 10 mm và mỏng hơn 0.5 mm), và thường được cố định trong một hộp nhỏ.
Những thiết bị này hiệu quả nhất khi đo từ trường trong dải 50 μT đến 30 T.
Mạch điện: Một từ kế gaussmeter sử dụng hiệu ứng Hall có thể được xây dựng
sử dụng mạch tín hiệu được vẽ như hình 1.5. Điện thế tham chiếu, khuếch đại thuật

toán, và điện trở
s
R
tạo thành một nguồn dòng chính xác cung cấp dòng điều khiển
c
I

cho thiết bị hiệu ứng Hall. Để có được kết quả tốt nhất, điện thế tham chiếu và điện trở
17
s
R
phải ổn định với nhiệt độ và thời gian. Điện thế Hall được khuếch đại bởi các mạch
khuếch đại vi sai trở kháng lối vào cao.

Hình 1.5: Mạch điện cho từ kế hiệu ứng Hall

1.2.2 Sensor proton precession [11]
Từ kế proton precession hoạt động dựa trên lý thuyết các hạt nhân chuyển động
có cả momen góc
L

và momen từ



sẽ tiến động trong từ trường giống như con quay
hồi chuyển, như hình 1.6.

Hình 1.6: Sự tiến động của hạt nhân
Một proton quay có momen góc L và momen từ là



khi đặt vào từ trường
a
H

sẽ tiến động trong từ trường với tần số góc
p

bằng
/
a
HL


.


18
Tần số tiến động
p

tỷ lệ với trường tác động. Khi từ trường
a
H

tác dụng vào
hạt nhân, sẽ sản sinh ra một momen xoắn:
a
TH




  
(1.15)
Do hạt nhân có momen góc, momen xoắn này làm cho hạt nhân tiến động xung
quanh hướng của từ trường. Tại trạng thái cân bằng, quan hệ giữa momen xoắn, tốc độ
hồi chuyển, và momen góc có dạng:
a
HL



  
  
(1.16)
Về phương diện độ lớn của tần số hồi chuyển, có một nghiệm riêng:
aa
HH
L








(1.17)


gọi là tỷ số từ hồi chuyển và bằng (2.675

0.0000008)

8 1 1
10 Ts
  
.

Hình 1.7: Sơ đồ khối từ kế proton precession

19
Hình 1.7 là sơ đồ khối của một từ kế proton precession. Sensor là một ống đựng
hydrocarbon no có chứa nguyên tử hydro tự do. Một cuộn solenoid quấn xung quanh
ống đựng hydrocacbon vừa để phân cực hạt nhân vừa để phát hiện sự hồi chuyển của
hạt nhân do tác động của từ trường. Trước khi đặt vào từ trường phân cực, momen từ
của của hạt nhân quay ngẫu nhiên, và không hình thành mạng từ hóa. Đặt hệ vào một từ
trường phân cực (thông thường 3 mT tới 10 mT) thì hạt nhân sẽ tiến động xung quanh
trường. Sau một thời gian ngắn, chất lỏng đạt đến trạng thái cân bằng từ hóa
0
M
.
Khi chất lỏng đạt đến trạng thái cân bằng từ, từ trường được ngắt ra và hạt nhân
bắt đầu hồi chuyển xung quanh hướng của từ trường ngoài cho đến khi nó trở lại trạng
thái ngẫu nhiên ban đầu. Quá trình kích thích-hồi phục này diễn ra trong thời gian vài
giây. Benzence là hydrocacbon hay được sử dụng cho từ kế hồi chuyển.
1.2.3 Sensor bơm quang học
Từ kế bơm quang học dựa trên hiệu ứng Zeeman. Hiệu ứng này thể hiện mạnh
nhất ở các chất Rb, Li, Cs…. Hình 1.8 là cấu trúc phổ mở rộng electron hóa trị của Rb
85, nguyên tố sử dụng phổ biến trong từ kế bơm quang học. Mối tương quan năng

lượng - tần số của những vạch phổ mở rộng tỷ lệ với cường độ từ trường ngoài. Số
lượng tử từ m liên quan tới số momen góc và đặc biệt là độ lớn thành phần hữu dụng
của momen từ dọc trường tác động.
Sự dịch chuyển xuất hiện giữa các mức của những giá trị m khác nhau tuân theo
quy tắc m chỉ có giá trị 0, 1 và -1.
Khi không bị kích thích quang học, trạng thái năng lượng của electron hóa trị sẽ
tuân theo phân bố Boltzmann. Khi electron bị kích thích bởi ánh sáng phân cực tròn có
tần số D1 (bước sóng 794,8 nm). Nó sẽ hấp thụ photon và chuyển từ trạng thái
2
1/2
S
lên
trạng thái
2
1/2
P
theo quy tắc dịch mức. Sau khi bị kích thích electron sẽ rơi ngẫu nhiên
về những trạng thái có mức năng lượng thấp hơn.
20

Hình 1.8: Sơ đồ mức năng lượng của Rb-85
Hình 1.9 mô tả một loại từ kế bơm quang học, từ trường cần đo và trường RF
đồng trục. Tần số của máy phát dao động RF được tạo ra bởi sáu máy phát dao động
thành phần có tần số thấp. Dẫn đến phổ tần số RF có chứa thành phần tần số Larmor.



21
Hình 1.9: Từ kế bơm quang học.
Nếu tần số quét RF không chứa thành phần tần số Larmor thì tín hiệu ra chỉ bao

gồm các thành phần cơ bản tạo nên sóng RF. Pha của tín hiệu có liên quan đến các máy
phát thành phần xác định khi nào tần số RF trung tâm vượt qua hay ở nhỏ hơn tần số
Larmor. Tín hiệu ra được phát hiện pha nhằm tạo ra một điện thế chênh lệch sử dụng
để lái tần số RF về tần số Larmor. Tần số RF được đo để xác định từ trường. Nếu điện
thế điều khiển máy phát dao động tuyến tính, sử dụng như máy phát dao động RF điện
thế điều khiển này cũng có thể sử dụng như tín hiệu ra do nó đo tần số Larmor.

1.2.4 Sensor SQUID
Năm 1962 Brian D.Josephson dự đoán rằng dòng siêu dẫn có thể chạy qua hai
chất siêu dẫn tách biệt nhau bởi một lớp cách điện mỏng. Độ lớn dòng siêu dẫn tới hạn
qua chuyển tiếp Josephson bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của từ trường đây là nguyên lý
cơ bản của từ kế SQUID (Superconducting quantum interference device).
Hình 1.10 mô tả cấu trúc một chuyển tiếp Josephon và đặc trưng V-I. Hai chất
siêu dẫn (ví dụ niobium) phân cách bởi một lớp cách điện mỏng (ví dụ nhôm ôxit). Độ
dày của lớp cách điện vào khoảng 1nm.
Khi nhiệt độ của lớp chuyển tiếp giảm xuống dưới 4,2 K (-269°C), dòng siêu
dẫn sẽ xuất hiện tại lớp chuyển tiếp mà không cần đặt một hiệu điện thế lên miền này.
Độ lớn của dòng tới hạn
c
I
là một hàm tuần hoàn của từ thông tại vùng chuyển tiếp. Độ
lớn cực đại của dòng tới hạn đạt được khi từ thông có giá trị
0
n

, với
0

là một lượng
tử từ thông (2 fW) và dòng tới hạn nhỏ nhất đạt được khi từ thông có giá trị

0
( 1/ 2)n


.
Chu kỳ là một lượng tử từ thông. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Josephson một chiều
và chỉ là một trong các hiệu ứng Josephson.
22

Hình 1.10: (a) Chuyển tiếp Josephson bao gồm hai lớp siêu dẫn phân tách bởi một lớp
cách điện mỏng, (b) Đặc trưng Vôn – Ampe của lớp chuyển tiếp
Từ kế chế tạo dựa trên thiết bị siêu dẫn lượng tử (SQUID) là thiết bị đo cường
độ từ trường nhạy nhất hiện nay. Từ kế SQUID đo lường sự thay đổi của từ trường mà
không đo giá trị tuyệt đối của trường đó. Được sử dụng nhiều trong nghiên cứu y sinh.
Từ kế SQUID và thiết bị đo sự biến thiên của từ trường trong không gian có độ nhạy
cao có thể dùng để đo từ trường yếu sinh ra bởi cơ thể. Ngoài ra nó còn dùng trong cổ
từ học đo lường dấu vết từ còn lại trong đá và đo điện trở suất của Trái đất.
Từ kế SQUID một chiều sử dụng hai chuyển tiếp Josephson ở hai chân của một
tấm toroid như hình 1.11(a). Tấm toroid có dòng điện lớn hơn dòng tới hạn cực đại của
lớp chuyển tiếp. Khi từ thông qua tấm toroid bằng số nguyên lần của
0

, điện thế của
chuyển tiếp xác định bởi phần giao nhau của
b
I
và
0
n


đường đặc trưng V-I (điểm A).
Khi từ thông tăng, dòng tới hạn giảm. Đường đặc trưng V-I di dịch sang bên phải do đó
điểm giao nhau cũng dịch sang phải (điện thế lớp chuyển tiếp tăng). Dòng tới hạn đạt
được giá trị nhỏ nhất khi từ thông tăng 1/2
0

và điện thế lớp chuyển tiếp đạt giá trị lớn
nhất (điểm B). Nếu từ thông tiếp tục tăng, dòng tới hạn tăng về giá trị lớn nhất của nó
và điện thế lớp chuyển tiếp giảm. Chu kỳ của từ thông là
0

.

23

Hình 1.11: (a) Từ kế SQUID một chiều, (b) Đặc trưng Vôn - Ampe
Mạch điện: Hình 1.12 là sơ đồ khối của một từ kế SQUID một chiều dùng để đo
từ trường ở dải động rộng. Vòng siêu dẫn được đặt trong từ trường cần đo, vòng này
được nối với cuộn dây tín hiệu quấn nhiều vòng. Cuộn tín hiệu liên kết từ trực tiếp với
SQUID. Ở nhiệt độ đông lạnh, vòng siêu dẫn và cuộn dây tín hiệu hoạt động giống
cuộn cảm ứng một chiều. Từ thông ngoài biến đổi tác động vào vòng siêu dẫn sinh ra
một dòng điện. Dòng điện này sinh ra một từ trường biến đổi chống lại sự biến thiên từ
thông làm từ thông trong vòng siêu dẫn không đổi, nhất là với từ trường một chiều.
Vòng tín hiệu khuếch đại từ thông biến đổi của vòng SQUID.

Hình 1.12: Mạch điện của từ kế SQUID.


24
SQUID được phân cực từ ở chế độ nhạy cảm nhất đối với từ trường ngoài. Từ

trường một chiều nhỏ tần số 100 kHz đến 500 kHz chồng nên trường phân cực. Tín
hiệu ra của SQUID là tín hiệu mang điều biên đã được khử nhiễu với biên độ chỉ ra sự
thay đổi của từ trường so với điểm làm việc, và pha cho biết thay đổi phân cực. Tín
hiệu ra được khuếch đại, sau đó giải mã đồng bộ và hạ xuống dải tần cơ bản. Tín hiệu
một chiều được khuếch đại và phản hồi thông qua một điện trở về vòng dây liên kết với
SQUID. Dòng điện qua vòng dây tạo ra một từ trường ngược với từ trường ngoài của
SQUID. Thang đo của từ kế phụ thuộc vào điện trở phản hồi và hằng số của cuộn dây
phản hồi điều này cũng đúng đối với từ kế fluxgate phản hồi trường.
Cuộn dây đo từ, vòng dây tín hiệu, SQUID, vòng dây phản hồi và điện trở phản
hồi được giữ ở nhiệt độ đông lạnh, ngoại trừ cuộn dây đo từ, tất cả đều được che chắn
từ. Phần còn lại của mạch điện làm việc ở nhiệt độ phòng.
1.2.5 Sensor Fluxgate [10]
Từ kế fluxgate là thiết bị đo cường độ từ trường được sử dụng cả ở trên mặt đất
và trong không gian. Nó ổn định, đáng tin cậy, kích thước nhỏ và yêu cầu rất ít năng
lượng khi hoạt động. Những thuộc tính này cùng với khả năng đo vector của từ trường
0.1 nT đến 1 mT trong dải tần số từ dc đến một vài Hz đã khiến nó trở thành một thiết
bị khá linh hoạt. Các nhà địa chất sử dụng chúng để thăm dò, các nhà địa vật lý sử dụng
chúng để nghiên cứu trường địa từ (cỡ 20 μT đến 70 μT trên bề mặt Trái đất). Các kỹ
sư vệ tinh sử dụng chúng để xác định và điều khiển tàu không gian, các nhà khoa học
sử dụng chúng trong nghiên cứu, và quân đội sử dụng chúng cho rất nhiều mục đích
bao gồm tìm kiếm mỏ, phát hiện thiết bị giao thông và nhận dạng mục tiêu.
Nguyên tắc hoạt động
Bộ phận cốt lõi của từ kế là một cổng từ thông. Nó là một bộ chuyển đổi từ
trường thành điện thế tương ứng. Có rất nhiều cách xây dựng cổng từ thông. Hình 1.13
minh họa một số loại cổng từ thông thường gặp.
25

Hình 1.13: Một số fluxgate sensor
Sau đây ta sẽ mô tả hoạt động của một sensor lõi tròn làm từ vật liệu sắt từ dễ
bão hòa. Có hai cuộn dây quấn trên lõi, cuộn kích thích và cuộn tín hiệu, trục của hai

cuộn dây trực giao nhau (hình 1.14)

Hình 1.14: Fluxgate lõi tròn.
Khi đưa dòng điện xoay chiều vào cuộn dây kích thích. Dòng điện sẽ tạo ra một
từ trường lan truyền trong lõi từ. Từ trường này làm từ thông trong lõi bão hòa tuần
hoàn theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Khi lõi chưa bão hòa thì nó
có độ từ thẩm lớn hơn rất nhiều so với 1. Theo định luật Faraday, từ thông thay đổi sẽ


26
sản sinh ra điện thế tỷ lệ với sự thay đổi của từ thông ở hai đầu cuộn dây tín hiệu. Đối
với từ trường cần đo biến đổi chậm, điện thế ở cuộn dây tín hiệu có thể được mô tả như
sau:
 
0
0
()
()
e
e
dH
dt
e t nA nA H
dt dt




(1.18)
Với: H từ trường cần đo

n số vòng của cuộn tín hiệu
A diện tích mặt cắt của cuộn tín hiệu
()
e
t

độ từ thẩm hiệu dụng
Độ từ thẩm của lõi thay đổi từ thấp đến cao, tạo ra một xung điện thế có biên độ
tỷ lệ với độ lớn của từ trường ngoài ở đầu ra của cuộn tín hiệu và pha của xung điện thế
này cho biết hướng của từ trường. Tần số của tín hiệu bằng hai lần tần số kích thích do
sự chuyển trạng thái bão hòa xuất hiện hai lần trong một chu kỳ kích thích.

Hình 1.15: Từ trường kích thích của từ kế fluxgate lần lượt làm lõi trở lên bão hòa theo
hướng ngược nhau, làm độ từ thẩm hiệu dụng thay đổi giữa 1 và giá trị cực đại hai
lần trong mỗi chu kỳ thay đổi thông lượng.

27
Tín hiệu từ fluxgate là tín hiệu mang điều chế biên độ đã khử nhiễu được đồng
bộ với hài bậc hai của tín hiệu kích thích. Ở từ kế đơn giản không tiêu hao năng lượng,
tín hiệu này được chuyển đổi sang dải tần cơ bản nhờ một bộ giải mã đồng bộ, qua bộ
lọc ta thu được tín hiệu ra. Độ chính xác của từ kế vòng mở bị giới hạn bởi sự tuyến
tính đường cong từ hóa của lõi cỡ 5% đối với từ trường Trái đất (60μT). Các từ kế sử
dụng từ trường phản hồi chính xác và ổn định hơn từ kế bình thường.
Hình 1.16 mô tả một từ kế fluxgate phản hồi hài bậc hai của từ trường. Phần
mạch bên trái là mạch kích thích. Mạch kích thích bao gồm một máy phát dao động có
thể điều chỉnh tần số để đạt được giá trị bằng hai lần tần số kích thích, một flip-flop
chia đôi tần số của máy phát dao động và một nguồn khuếch đại được điều chỉnh bởi
flip-flop, cung cấp dòng cho cuộn kích thích.

Hình 1.16: Một mạch từ kế fluxgate với phản hồi trường

Phần mạch bên phải là mạch tín hiệu. Mạch này khuếch đại tín hiệu ra của cuộn
tín hiệu, giải mã đồng bộ tín hiệu xoay chiều sử dụng tín hiệu của máy phát dao động
làm chuẩn, tổng hợp và khuếch đại các tần số cơ bản và phản hồi tín hiệu đầu ra thông
qua một điện trở về cuộn tín hiệu nhằm ổn định điểm làm việc trên đường cong từ hóa
của lõi sắt từ.
Tín hiệu phản hồi sinh ra một từ trường ngược với từ trường kích thích trong
sensor, làm cho trường bên trong sensor gần như bằng không và đường cong từ hóa của
lõi sắt từ nằm ở phần tuyến tính.

28
Hình 1.17 là sơ đồ tương đương của từ kế. Từ trường ngoài
a
H
ngược với từ
trường phản hồi
f
H
, sự khác biệt của hai từ trường được chuyển thành tín hiệu điện
(
s
K
biểu diễn phương trình truyền từ trường thành điện thế). Tín hiệu này được khuếch
đại (A), và chuyển thành dòng điện
f
I
và được đưa vào điều khiển trường phản hồi
(
c
K
biểu diễn phương trình truyền từ dòng điện thành trường). Phương trình tổng thể

cho từ kế:
0
1
s
cs
a
f
V AK
K AK
H
R


(1.19)
Hệ số khuếch đại thường rất lớn, số hạng thứ hai dưới mẫu số rất lớn so với 1 do
đó có thể rút gọn (1.19) thành:
0
f
ac
R
V
HK

(1.20)
Trong trường hợp này, phương trình truyền được quyết định bởi tỷ số
f
R
/
c
K

(điện trở phản hồi / hệ số chuyển đổi dòng điện – từ trường vòng dây của
sensor). Cả hai hệ số này đều rất dễ điều khiển. Mạch điện này có độ ổn định khá cao,
chính xác hóa những từ kế có các thành phần trong mạch không nhạy với nhiệt độ và
thời gian. Dễ dàng đạt được độ chính xác 1% trong dải nhiệt độ từ -80°C đến 80°C. Độ
chính xác và tính ổn định có thể cải thiện nhờ mạch phản hồi dòng điện.
Hình 1.17: Sơ đồ tương đương của từ kế phản hồi fluxgate.

29
c
K
là hệ số chuyển đổi dòng điện-từ trường của lõi.
s
K
là hệ số chuyển đổi từ
trường-điện thế của sensor. Từ trường phản hồi
f
H
ngược với từ trường ngoài
a
H
, giữ
cho từ trường của sensor rất nhỏ.
1.2.6 Sensor hiệu ứng từ trở
Hiệu ứng từ trở được đưa ra đầu tiên bởi William Thomson vào giữa thế kỷ 19.
Ông thấy rằng từ trường tác động vào vật liệu sắt từ sẽ làm thay đổi điện trở suất của
nó. Lượng thay đổi này phụ thuộc mức độ từ hóa và hướng dòng điện chạy qua. Khi
cường độ từ trường tăng, thay đổi điện trở suất tăng theo và tiệm cận đến giá trị lớn
nhất khi vật liệu bão hòa từ.
Thay đổi điện trở suất của film permalloy cũng là hàm của góc


giữa hướng từ
hóa và chiều dòng điện:
2
0
( ) os
m
c
    
  
(1.21)
Với
m


là thay đổi vô hướng của điện trở suất và
0

là điện trở suất tại
/2


.

Hình 1.18: Một yếu tố điện trở AMR.


30
Yếu tố điện trở cơ bản trong một AMR (Anisotropic Magnetoresistance) là một
tấm film mỏng hình chữ nhật như hình 1.18. AMR có một trục gọi là trục bất đẳng
hướng hay trục mềm nhạy cảm với từ tính hơn nhiều lần so với hai trục còn lại. Trục

mềm thông thường nằm dọc theo chiều dài của tấm film. Từ trường
b
H
có tác dụng
làm bão hòa từ theo trục mềm và tạo ra hướng từ hóa cho những từ trường
ngoài gần không.
Ảnh hưởng của từ trường ngoài nên mặt phẳng của tấm film sẽ làm quay hướng
của vector từ hóa. Sự thay đổi của điện trở suất được tính theo phương trình (1.21). Sự
biến thiên điện trở theo Kwiatkowski và Tumanski được tính gần đúng theo phương
trình:
22
1
os2 1 sin2 os2
2
m
s a a a
R R h c h h c

  



    


(1.22)
Với
a
h
là từ trường ngoài chuẩn hóa (

/
a a k
h H H
),
s
R
là điện trở rất nhỏ, và
/
m


là thay đổi cực đại của điện trở suất.
k
H
là trường dị hướng. Vùng tuyến tính
tốt nhất đạt được khi
/4


khi đó (2.29) trở thành:

1
m
sa
kb
R R H
HH






(1.23)
Trường dị hướng tính bởi:
 
2
2
0k k s
H H DM
(1.24)
ở đây
0k
H
là trường dị hướng của film, D là hệ số khử từ (≈ độ dày(t)/chiều dài(w)) và
s
M
hệ số bão hòa từ.
Hình 1.19 là những tấm film permalloy được nối với nhau tạo ra một từ trở.
Dòng điện trong các tấm film tạo với trục mềm của tấm một góc 45° do việc chế tạo ra
các đường rãnh nhỏ bằng vật liệu có tính dẫn điện mạnh (như Au) trên tấm film. Độ từ
hóa của tấm film được điều khiển bởi từ trường ngoài, từ trường này làm cho lớp coban
được phủ khắp bề mặt điện trở bị từ hóa song song với trục mềm của thanh permalloy.