Nghiên cứu chế tạo thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N

NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO THIÉT BỊ
PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƯỜNG NHỎ

Mã số: QGTĐ.10.27

Chủ trì đề tài: PGS. TS Phạm Quốc Triệu

Hà N ộ i- 2 0 1 2


BÁO CÁO TÓ M TẮT

Đề tài:

Nghiên cứu chế tạo thiết bị phát hiện thăng giảng từ trường nhỏ

Mã số: QGTĐ.10.27
Chù trì đề tài:

PGS. TS Phạm Quốc Triệu

Các thành viên tham gia:

ThS. Nguyễn Thế Nghĩa
T hs. Nguyễn Thị Mỹ Đức
ThS. Nguyễn Tuấn Hưng
ThS. Đỗ Duy Tùng
HVCH. Nguyễn Trọng Luân

HVCH. Nguyễn Thu Phương

1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo thiết bị nhậy với thăng giáng từ trường nhỏ cùa môi trường. Chủ
động trong thiết kế và công nghệ chế tạo thiết bị. Cụ thể:
- Chế tạo sensor nhậy từ trường nhỏ theo nguyên lý íluxgate.
- Thiết kế, lắp ráp hệ thống mạch điện tử xử lý tín hiệu
- Ghép nối hệ đo với máy tính để thu số liệu tự động
- Đo đạc, hiệu chinh, thử nghiệm thiết bị.

2. Nội dung nghiên cứu
a)
Chế tạo sensor (đầu dò)
Trong nội dung này, nghiên cứu hướng tới chế tạo sensor nhậy từ trường nhỏ theo
nguyên lý Auxgate. Cụ thể:
- Mô phỏng nguyên lý hoạt động cùa sensor
- Chọn vật liệu và thông sổ kỹ thuật
- Khảo sát hiệu ứng chuyển đổi


b)Chế tạo khối analog
- Thiết kế mạch điện tử chức năng
- Thiết kế cơ khí và lắp đặt các khối điện tử của thiết bị đo.
- Kiểm tra chức năng hoạt động

c) Lắp ráp khối digital ghép nối
- Chọn IC chức năng
- Thiết kế m ạch phối họp đầu vào ADC
- Phần mềm điều khiển và thu nhận số liệu

d) Hiệu chỉnh, đo đạc thử nghiệm
- Khảo sát, đo đạc thử nghiệm với các tín hiệu mô phòng trong PTN.
- Hiệu chinh, chuẩn chinh hệ thống
- Đánh giá bước đầu về khà năng làm việc của thiết bị

3. Các kết quả đạt được
a) Bài báo, báo cáo khoa học: 04 bài
+ Phạm Quốc Triệu, Đỗ Gia Tùng, Nghiên cứu cài thiện tỳ sổ S/N cùa thiết bị phát

hiện thăng giáng từ trường nhò, Hội nghị SPM S-2011, TPH C M 11/2011.
+ Pham Quoc Trieu, Nguyen The Nghia, Do Gia Tung, Manufacture the device fo r

detectỉng small magnetic fieldfluctuation, Institute o f Electronics, Infomation and
Com m unication Engineer IEICEDV 8-2011.
4- Phạm Quốc Triệu, Đỗ Gia Tùng, Kháo sát độ nhậy của sensor fluxgate , đã gửi đăng
+ Pham Quoc Trieu, Fluxgate sensor and application , subm it to publish.

b) Đào tạo: 03 Thạc sĩ
•

Học viên: Đỗ Gia Tùng
- Tên Luận văn: Chuyển đồi tín hiệu vật lý và ứng dụng trong sensor
- Năm bảo vệ: 2011

•

Học viên: Nguyễn Trọng Luân
- Tên Luận văn: Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhò

-S ẽ bảo vệ: 12-2012

•

Học viên: Nguyễn Thu Phương
- Tên Luận văn: Nguyên lý và ứng dụng m ột số loại sensor
- S ẽ bào vệ: 12-2012


c) Bài giảng:

Một số nội dung nghiên cứu trong đề tài được sử dụng vào biên soạn bài giảng cho
sinh viên năm thứ ba và thứ tư Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN:
+ Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiệm vật lý
+ Phạm Quốc Triệu, Cảm biến và ibig dụng

+ Pham Quoc Trieu, Sensor Development and application
d) Thiết bị:
Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhò QGTD. 10.27

(đã đãng ký cấp bằng Giải pháp hữu ích tại Cục Sở hữu trí tuệ, đang tham định)
4. Tình hình kinh phí
Tổng kinh phí được cấp: 300.000.000 đ (ba trăm triệu đồng)

Kinh phí cho năm 2010-2011:150.000.000 đ
Kinh phí cho năm 2011-2012: 150.000.000 đ
Đã thanh toán xong kinh p h í cùa năm 2010-2011.
Thanh toán nốt kinh p h í của năm 2011-2012 trong tháng 11-12/2012.

Xác nhận của BCN Khoa Vật lý

Xác nhận của Trường ĐHKHTN

Chủ trì đề tài


B R IE F R E P O R T

Title:
INVESTIGATION TO MANUFACTURE THE DEVICE FOR DISCOVERING
THE FLUXATION OF SMALL MAGNETIC FIELD
Code: QGTD.10.27
Coordinator:

Assoc. Prof. Dr. Pham Quoc Trieu

Key implementors:

MSc. Nguyen The Nghia
MSc. Nguyen Thi My Due
MSc. Nguyen Tuan Hung
MSc. Do Duy Tung
Nguyen Trong Luan
Nguyen Thu Phuong

1. Purpose and content of the Researching
1.1- Purpose:
Manufacturing equipment sensitive to small magnetic field fluctuations of the
environment. Offer design and manufacturing technology. Specifically:
- Make small magnetic sensor sensitivity using fluxgate principle.
- Design and assembly of electronic circuit signal processing
- Connect the signal to a computer for automatic data collection

- Measuring, editing, testing equipment.
1.2- Content:
a) Sensor Fabrication:
- Simulation o f the principle o f operation o f the sensor
- Select materials and specifications
- Investigation o f transition effects
b) Production o f analog block:
- Design o f electronic circuits
- Mechanical Design
- Check the functioning
c) Installation o f the digital block:
- Select IC function
- ADC input circuit design
- Software control and data acquisition


- ADC input circuit design
- Software control and data acquisition
d) Correction, test measurement:
- Survey and experimental measurements with signals simulated in the laboratory.
- Adjust, standard
- Evaluation o f the applicability of the device

2. Results
a) Sientific article
+ Pham Quoc Trieu, Do Gia Tung, Research to improve the SNR o f the device fo r
detecting sm all magnetic field, SPMS-2011 Conference, HCM City 11/2011.
+ Pham Quoc Trieu, Nguyen The Nghia, Do Gia Tung, Manufacture the device fo r
detecting sm all magnetic fie ld fluctuation, Institute of Electronics, Infomation and

Communication Engineer IE1CEDV 8-2011.
+ Pham Quoc Trieu, Do Gia Tung, Examine the sensitivity o f the fluxgate sensor,
submit to publish.
+ Pham Quoc Trieu, Fluxgate sensor and application , submit to publish.
b) Training: 03 MSc
+ Name o f Master Student: Do Gia Tung
Title of Thesis: Convert the physical signals and sensor applications
Graduated in 2011
+ Name o f Master Student: Nguyen Trong Luan
Title of Thesis: Equipment sensitive to small magnetic fie ld fluctuations
Implementing
+ Name o f Master Student: Nguyen Thu Phuong
Title of Thesis: The principle and application o f a number o f sensor
Implementing

c) The results o f project have participated into the lecture:
+ Pham Quoc Trieu, Experimental Methods in Physics
+ Pham Quoc Trieu, Sensor Development and application
d) Equipment:
Devices detect small magnetic fluctuations QGTD.10.27
(copyright registered at the National Office o f Intellectual Property o f Vietnam)


MỤC LỤC

Trang

MỜ Đ Â U ............................................................................................................................................. 01
C hương 1 - CHUYÊN ĐỒI TÍN HIỆU VẬT L Ý ....................................................................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 trờ...............................................................................04
1.1.3 Hiệu ứng điện hỏa........................................................................................05
1.2 Một sổ 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 đ iệ n ................................................................ 11
1.3.3 Hiện tượng phát sáng quang hóa...............................................................11
1.3.4 Hiệu ứng quang điện m ôi........................................................................... 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 h ọc...................................... 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 NemsƯEttingshausen................................................................ 20
1.4.6 Hiệu ứng từ trở............................................................................................. 20
1.5

Hiệu ứng Dopper......................................................................................... 21


C hưong 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 ổng dầy................................................................................................ 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 S Q U ID ................................................................................................38
2.2.6 Từ kế hiệu ứng từ trờ....................................................................................41
2.2.7 Từ kế Fluxgate...............................................................................................45
Chương 3 - MÔ PHỎNG HIỆU ỨNG CHUYÊN 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 phòng 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-tìr 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 - THIÉT BỊ PHÁT HIỆN THĂNG GIÁNG TỪ TRƯỜNG N H Ỏ ...................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 K H Ả O ..............................................................................................................81
PHỤ LỤC


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 đo lường có tính chất điện dễ dàng được khuếch đại, xử lý và truyền đi
xa. Báo cáo này tập trung vào nhiệm vụ chế tạo thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường
nhỏ, trong đó nội dung đã được thực hiện là:

-

-

Chế tạo cảm biến nhậy từ trường nhỏ dùng nguyên lý íluxgate.

-

Chế tạo khối xừ lý tín hiệu nhỏ.

-

Ghép nối tín hiệu trong hệ đo tự động

-

Chế tạo hệ thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ dưới dạng sản phẩm
Đo đạc, hiệu chỉnh, khảo sát, đánh giá chức năng hoạt động của thiết bị.
Được sự quan tâm của ĐHQGHN, Trường ĐHKHTN và Khoa Vật lý, hướng

nghiên cứu về cảm biến (sensor) nói chung, cảm biến phát hiện thăng giáng từ trường
nhỏ nói riêng đã tiến hành nghiên cứu nhiều năm gần đây. Nhóm nghiên cứu hy vọng
rằng, kết quả thu được có thể áp dụng vào các lĩnh vực như quan trắc môi trường, thăm
dò địa chất, phát hiện dòng điện ngầm v .v ...
Bản báo cáo được trình bầy trong bốn chương:
Chương 1 Chuyển đổi tín hiệu vật lý
Chương 2 Sensor từ-điện
Chương 3 M ô phỏng hiệu ứng chuyển đổi tín hiệu trong sensor
Chương 4 Thiết bị phát hiện thăng giáng từ trường nhỏ
Bản phụ lục trình bầy các kết quả bài báo, báo cáo khoa học liên quan, kết quả đào tạo
sau đại học và đăng ký sản phẩm khoa học.

1


CHƯƠNG 1
C H U YỂN ĐỎI TÍN HIỆU V ẬT LÝ
1.1 M ột số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện
1.1.1 Hiệu ứng nhiệt điện [14]

Gradient nhiệt sinh ra một hiệu điện thể ờ 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.

/

I
Hiệu ứng Seebeck

Hiệu ứng Pehier

H ình 1.1- Vật liệu A và B gắn chặt hai đầu đư ợc g iữ ở nhiệt độ Tx và T2.

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 ờ các nhiệt độ khác nhau tỳ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ AT = T2 - Tị, và
tuân theo phương trình:
(1.1)

V = (S a - S b)AT

Với SA và SB là hệ số Seebeck cùa 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: ờ 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 đon vị thời gian, Q, hấp thụ bởi mối nối có nhiệt độ thấp bằng:

ổ = ( n , - n fl)7

( 1.2 )

với n^, n  là hệ số Peltier của mỗi vật liệu, I là dòng điện.

2


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% N i 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 4 1 J0.V/

°c. Một vài cặp nhiệt điện loại E hoạt động ờ dải nhiệt độ thấp hơn so với loại K tuy
nhiên chúng lại có độ nhạy cao hơn (68|aV/ °C). Loại N (Nicrosil(hợp kim Ni-Cr-Si) /
Nisil(hợp kim N i-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 10fiV/ °C).
Vật liệu nhiệt điện chế tạo từ vật liệu bán dẫn đặc thù với hệ số Peltier lớn có thể
sừ dụng để chế tạo vi mạch sensor nhiệt độ. N ó cũng được sừ dụng làm bơm nhiệt để
kích đến trạng thái tự kích của một số sản phẩm như diode laser, CCD caméras, vi xử lý,
phân tích m áu... 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 :

ZT = (S2T)/ (pKT)

ở đây

s ,T, p, Kỵ

( 1. 3 )

lần lượt là hệ sổ Seebeck, nhiệt độ tuyệt đối, điện trở suất và độ dẫn

nhiệt toàn phần.
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.

3


, Sb2Te^

là n h ữ n g vật liệu bán d ẫn có hệ số S eebeck lớn, có ZT x ấp xỉ

bàng đơn vị ở n h iệt độ phòng.
V ật liệu với kích cỡ nano là nh ữ n g đề cử nổi trội để cải th iện các thể hiện của
cấu trúc n h iệt điện. V ới dây lượng tử

Bi^Te3

đã đ ạt đư ợ c Z T lớn hơ n 14 khi bán kính

dây giảm đến 0.5 nm .
Đ ối với cấu trúc siêu m ạng của cù n g vật liệu vớ i độ dày lượng tử tích tụ 1 nm giá
trị phẩm ch ất tố t n h ấ t tính đư ợ c là 2.5.

V ới n h iều h iệu quả nổi bật của vật liệu n h iệt điện, trong tư ơ n g lai gần những
dụng cụ này có thể được tìm kiếm cho ph át đ iện v à ch u y ển năng lượ ng nhiệt d ư thừ a
thành điện năng.
?
r
Bảng 1.1- M ột vài lo ạ i cặp nhiệt điện p h ô biên và d ả i nhiệt độ tương ứng [14]

Loại

Vật liệu

Dài nhiệt độ (°C)

K

Chromel/Alumel (hợp kim Ni-Al)

-200 đên+1200

E

Chromel/Contantan

-110 đên+140

J

Iron/ Contantan

-40 đên +750

N

Nicrosil(hợp kim Ni-Cr-Si)/Nisil (họp kim Ni-Si)

1.1.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở [15]
N h iệ t đ iện trở liên quan đến thay đổi điện trở củ a v ật liệu th eo nhiệt độ v à được
sử d ụ n g rộ n g rãi tro n g các cảm biến nhiệt. Đ ây là h iệu ứ n g cơ bản của thiết bị cảm biến
nhiệt n h ư n h iệt kế đ iện trở và nh iệt đ iện trở. Đ iện trở R đ ư ợ c tín h theo công thức:

R —Rref(1 + ữịAT +

+ ... +

ữnAT )

( 1 *4)

T ro n g đ ó R re{ là điện trở ở n h iệt độ th am ch iếu , a v ..an là các hệ số nhiệt điện
trở củ a v ậ t liệu, A T = (T - Tn ỉ) là ch ên h lệch n h iệ t độ g iữ a nhiệt độ T v à nhiệt độ tham
chiếu

TKf . P h ư ơ n g trình cho thấy đ iện trở tăng th eo n h iệt độ. Đ iề u này kh ô n g đ ú n g với

m ọi vật liệu, v ật liệu có hệ số nhiệt d ư ơ ng (P T C -p o sitive tem perature coefficient) thì
điện trở tă n g th eo nhiệt độ, ngư ợ c lại hệ số n h iệ t âm (N TC -negative tem perature
c o e ffic ien t ) th ì đ iện trở sẽ giảm theo nhiệt độ.

4

T ro n g n h iều trư ờ n g hợp, vật liệu thể hiện m ối q u a n hệ tuyến tín h giữa nhiệt độ
và đ iện trở , do vậy k h ô n g cần quan tâm đến các số h ạ n g bậc cao trong phươ ng trình
(1.4). T u y n h iên sự tu y ến tính này chỉ đ ú n g trong m ột dải nhiệt độ nhất định.

B áng 1.2- D ài nhiệt độ tuyến tính của m ột số vật liệu sử dụng chế tạo sensor nhiệt điện
trở [9]
Vật liệu

Dải nhiệt độ tuyên tính (°C)

Đông

-200

Platinum

260

-260 ->1000

V ật liệu nano có thể d ù n g để chế tạo thiết bị n h iệt điện trở với hệ số nhiệt âm và
d ư ơ n g n h ư m o n g m uốn. N h ữ n g vật liệu có cấu trú c nano vớ i tỷ lệ bề m ặt / thể tich lớn
h iệu q u ả hom tro n g v iệc th ay đổi theo sự biến th iê n c ủ a m ôi trư ờng. Đ iều này làm tăng
độ nh ạy c ủ a se n so r vớ i biên độ và làm giảm thời g ian đ áp ứng. S aha chế tạo thành công
bột có k ích cỡ nan o c ủ a (MnxFeí_x)ỉ OJ . V ật liệu đ ã cải tiế n có chỉ số nhạy N T C lớn hon
đán g kể so với n h ữ n g vật liệu N TC th ô n g thư ờ ng. T ín h chất điện của vật dẫn và vật
c ách đ iệ n h ợ p c h ấ t cao ph ân tử trộn với hạt cỏ k ích th ư ớ c nano có thể sử dụng để chế
tạo n h ữ n g n h iệt đ iện trở.

1.1.3 H iệu ứng điện hỏa [16]
K hi n u n g n ó n g hay làm lạnh, m ột tin h thể sẽ sin h ra m ột phân cự c điện kết qu ả là
tạo ra m ộ t h iệu điện thế. N h iệ t độ thay đổi là ng u y ên n h ân làm cho các điện tíc h dư ơ ng
và đ iện tíc h âm di c h u y ể n đ ến các cực đối diện củ a tin h thể.
V ậ t liệu đ iện h ỏ a đ ư ợ c sử dụng tro n g các se n so r bức xạ, tro n g đó các bức x ạ tới
bề m ặt c ủ a c h ú n g đư ợ c ch u y ển hóa th àn h nhiệt. S ự tă n g củ a nhiệt độ do nhữ ng bức xạ
là n g u y ê n n h â n làm th ay đổi độ lớn p h â n cực đ iện củ a tin h thể. Đ iều này dẫn đến m ột
đ iện thế có thể đo đư ợ c, nếu đặt trong m ộ t m ạch đ iện , d ò n g đo được:

dT

' = p AÌ

<1 J >

V ới p là hệ số đ iện hỏa, A là d iện tích củ a điện cự c, dT /dt là tỷ số thay đổi nhiệt độ.
H ệ u ứ n g đ iện h ỏ a sử dụng để tạo ra m ột điện trư ờ n g m ạn h (G V /m ) trong m ột vài
vật liệu b ằ n g c á ch đốt n ó n g nó từ -30

°c đ ến +45 °c tro n g m ột vài phút.
5


N h ữ n g se n so r bức xạ dự a trên hiệu ứng đ iện hỏa tro n g th ư ơ n g m ại hoạt động
tro n g m ột dải rộ n g của bước sóng. S ensor điện h ỏ a chể tạo từ vật liệu điện hòa như
lithium tan talite và P Z T , p hát sinh điện thế khi n h iệt độ thay đổi nhỏ do chiếu x ạ vào bể
m ặt tinh thể.
C ó thể s ử d ụ n g vật liệu nano để tăn g cư ờ ng k h ả năn g cù a các sen so r điện hỏa. Ví
dụ L iang đã d ù n g film x ốp S Ĩ0 2 làm lớp cách ly n h iệt để h ạn chế sự khuyếch tán của
d ò n g nhiệt từ ló p điện hỏa đến lóp Si trong đầu dò h ồ n g ngoại điện hỏa đa lórp film

m ỏng. Đ iều này cài thiện sự giam hãm năn g lư ợ ng bên tro n g lớp cảm biến điện hỏa, dẫn
đ ến sự tăng c ư ờ n g ho ạt động của sensor.

1.2 M ột số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện
1.2.1 Hiệu ứng áp điện [9]
H iệu ứ n g áp đ iện là khả năng sản sinh ra đ iện thế c ủ a các tin h thể không đối
x ứ n g tâm khi c h ịu tác d ụ n g củ a lục c ơ học, và n g ư ợ c lại. H iệ u ứng này đư ợ c tìm ra vào
năm 1880.
V ật liệu áp điện phổ biến nhất là thạch anh, lithium niobatc, vlithium tantalite,
v P Z T và langasite. M ộ t vài vật liệu áp điện khác là gốm ch ứ a F e(II), F e(III) thể hiện
tín h áp điện khi được ph ân cự c bời đ iện trư ờ n g ngoài. T inh thể áp điện là hình lập
ph ư ơ n g đối x ứ n g tâm (đ ẳn g h ư ớ ng) trư ớc phân cự c v à sau ph ân cực thể hiện tính đổi
x ứ n g tứ giác (cấ u trú c bất đẳng hướ ng) dưới n h iệt độ C urie, ở trên nhiệt độ C urie nó
m ất đi thuộc tín h áp điện.
N h ữ n g ch ất cao ph ân từ như cao su, gỗ, tó c, gồ th ớ và lụa tro n g m ột phạm vi
nhất định c ũ n g thể hiện tín h áp điện. P o ly v in y lid en e fluoride (F V D F ) là vật liệu nhựa
dẻo nóng khi đ ư ợ c ph ân cực thể hiện tính áp điện tro n g m ột vài trư ờ n g hợp m ạnh hơn
th ạch a n h .V ậ t liệu áp điện là lựa chọn cực kỳ p hổ b iến cho n h ữ n g cảm biến trong phạm
vi rất rộng.

6


F o rc e

V orta ge

A
>*< t
1

I
t

t
t

*

(a)

*
A

(b)

(c)

//i«A 7.2- (a) vật liệu áp điện, (b)một điện thế tương ứng có thể đo được là kết

quà của sự nén hay kéo, (c) m ột điện thế đặt vào cỏ thể làm nén hay giãn vật liệu
áp điện.

1.2.2 Hiệu ứng từ giảo
H iện tư ợ n g từ giảo hay còn gọi là hiệu ứ n g c ơ -từ là sự thay đổi kích thướ c của
vật khi nó đư ợ c đặt tro n g m ộ t từ trư ờng, hay thuộc tín h từ th ay đổi dư ớ i ảnh hư ở ng của
sự nén hay giãn. H iệ u ứ ng này được tim ra bởi Jam es Jo u le vào năm 1842 khi ông kiểm
tra m ột m ẫu kền.
C ơ chế x u ấ t h iện h iện tư ợ n g từ giảo đư ợ c m inh h ọ a ở hình 1.3 vùng từ tính sắp
x ếp ngẫu n h iên khi vật liệu ch ư a đư ợ c từ hóa. K hi đư ợ c từ hóa v ù n g này được định
h ư ớ n g lại làm th ay đổi k ích th ư ớ c cùa vật.

V ật liệu từ giảo ch u y ển năng lư ợ ng từ th à n h năn g lượ ng cơ v à ngược lại. D o đó
c h ú n g th ư ờ n g đ ư ợ c sử d ụ n g cân đối giữa cảm biến v à k ích thích.
H iện tư ợ n g từ giảo xác định bởi hệ số từ g iảo Ả đư ợ c định n g h ĩa là các thay đổi
tro n g từ n g đ o ạ n c ủ a chiều dài khi độ từ hóa của vật tăn g từ không đến giá trị bão hòa.
H ệ sổ này th ô n g th ư ờ n g có bậc 10-5 có thể âm hoặc dư ơ ng.
N g u y ê n tố th ể h iện tín h từ giảo m ạnh nh ất ở n h iệt độ ph ò n g là Co. T uy nhiên,
vật liệu từ g iảo q u a n trọng gọi là vật liệu từ giảo k h ổ n g lồ ( G M -G iant M agnetostricíive )
là hợp kim củ a F e, D y (d y sp ro siu m ), T b (terbium ). R ất n h iều nhữ ng vật liệu dạng này
đư ợ c chế tạo tại p h ò n g thí ng h iệm N aval O rdnance v à A m es ở k hoảng giữ a nhữ ng năm
1960. H iệ u ứ n g G M có thể sử dụng tro n g việc p h át triển từ trư ờ ng, d ò n g điện và các
se n so r đo sức căng.

7


Ax

H=0

A—►

Hr 0

H ình 1.3- H iệu ứng từ giảo: H =0 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên, H ^ 0 được
sắp xếp lạ i làm tăng kích thước dưới tác dụng của từ trường.
1.2.3 H iệu ứng trở áp
H iệ u ứ n g trở áp là hiện tượ ng thay đổi điện trờ của vật liệu khi chịu tác dụng của
lực c ơ học. H iệ u ứ n g này đư ợ c tìm ra đầu tiên năm 1856 bởi L ord K elvin. N ăm 1954,
C .S .S m ith ph át h iện rằng chất bán dẫn n h u Ge và Si thể h iện hiệu ứng trở áp m ạnh hơn
n h iều so với k im loại, thay đổi điện trờ của các chất bán dẫn tu ân theo p h ư ơ n g trình:

AR
~ Y ~ nơ

(1-6)

V ới n là ten so r đ ơ n vị củ a hệ số trở áp, ơ là tensor sức căng c ơ học, R và A R là điện trở
và th ay đổi củ a đ iện trở. Si là vật liệu được chọn lựa để ch ế tạo sen so r trở áp.
H iệ u ứ n g sứ c căng ở tinh thể vật liệu p h ẳn g với đ ộ dày nano có ý nghĩa quan
trọ n g h o n so vớ i h iệu ứ ng này ở những vật liệu khối. V ới vật liệu nano vùng ngoại lực
có thể tác đ ộ n g giảm xuố n g rất nhiều. K ết quả là ả n h h ư ở n g của lực trên v ù n g được
k h u y ế c h đại. D o đó, sức căng tác động trên m ột tin h thể nano củ a vật liệu trờ áp có thể
đư ợ c c h u y ể n d ịch th àn h thay đổi lớn ở tính dẫn của nó.

1.3

M ột số hiệu ứng chuyển đổi quang - điện

1.3.1 H iệu ứng quang điện [9, 10]
K hi vật liệu bị ch iếu x ạ bở i photon điện tử có thể bị b ứ t ra khỏi vật liệu. Đ iện từ
bị b ứ t ra gọi là q u a n g electron, động năng EK của q u an g ele c tro n bằng năng lượ ng của


ph o to n tới (hv) trừ đi năng lượng ngư ỡ ng ộ là n ă n g lư ợ n g tối th iểu để quang electron
có thể b ứ t khỏi bề m ặt vật liệu:

EK = hv-ộ
h hằn g số P lanck,

V

(U)

tần số của photon.

H ình 1.4- H iệu ứng qua n g điện.
H iệ u ứ n g q u a n g đ iện được sử d ụ n g tro n g các th iế t bị nhạy sáng. Bời ộ phụ
thuộc v ậ t liệu, se n so r đư ợ c thiết kế cho nhữ ng b ư ớ c só n g riên g biệt. C ác cực với cấu
trúc n a n o bề m ặt là giải pháp tối ưu tro n g việc sử d ụ n g th iế t bị q u ang điện và sensor. ộ
có thể đ iều ch in h bàn g cách thay đổi hư ớ ng củ a v ậ t liệu. T ỷ lệ bề m ặt-thể tích lớn của
cấu trú c nano có thể làm tăn g hiệu suất chuyển đổi án h sá n g năn g -lư ợ n g của thiết bị
q u an g điện. N g o ài ra sự giải phóng các hạt tích đ iệ n n h a n h hơ n ở vật liệu nano đồng
ng h ĩa v ớ i việc nó có thời gian đáp ứng nhanh.

1.3.la H iệu ứ ng quang dẫn
H iệ u ứ n g q u an g dẫn xuất hiện khi chùm p h o to n tác đ ộ n g vào vật liệu bán dẫn
làm cho n ó th ay đổi tín h ch ất dẫn. T ính dẫn là kết q u ả củ a sự kích th ích các hạt m ang
điện tự d o bởi các p hoton tới, các hạt này xu ất h iện khi á n h sáng tới đủ năng lượng.
H iệu ứ n g này đ ư ợ c sử dụng rộng rãi tro n g các se n so r bứ c xạ đ iện từ, n h ữ n g thiết bị này
được gọi là th iế t bị q u ang dẫn, điện trở p hụ thuộc án h sán g (L D R -Light

D ependent R esỉstor ) hay q u an g điện trở.

9


C dS , C d S e là hai vật liệu phổ b iến dùng để chế tạo th iết bị q u a n g dẫn và sensor.
T h iết bị chế tạo từ C dS có dải điện trở rộng từ vài Í2 khi nó đ ư ợ c c h iế u bở i ánh sáng
m ạn h và tới vài M n khi để tro n g bóng tối. N ó có khả năn g tư ơ n g tác với m ộ t dải rộng
củ a tần số p h o to n bao gồm : hồng ngoại, tử ngoại và v ù n g án h sá n g khả kiến.

1.3.1b Hiệu ứng quang thế
Ở hiệu ứ n g này m ột đ iện thế gây ra bởi sự h ấp th ụ p h o to n tại lớp tiế p giáp của
hai vật liệu k h ác loại. Sự hấp thụ photon giải p h ó n g các h ạt m an g đ iện tự do, điện thế
sin h ra tại lớp tiếp g iáp củ a vật liệu làm dịch c h u y ể n h ạt tải đ iệ n gây ra d ò n g điện ờ
m ạc h ngoài. V ật liệu được sử dụng để chế tạo th iế t bị ghép đôi n ày là n h ữ n g chất bán
dẫn.
M ột th iết bị q u ang điện thế thông th ư ờ n g bao gồm m ột v ù n g rộ n g c h u y ể n tiếp pn hoặc diode. M ột p h o to n ở vùng ch u y ển tiếp bị h ấp th ụ nếu n ă n g lư ợ n g cù a n ó lớn h ơ n
độ rộng vùng cấm c ủ a chất bán dẫn. S ự hấp thụ này làm e le c tro n bị k íc h th íc h nhảy từ
v ù n g hóa trị sa n g v ù n g dẫn, để lại m ột lỗ trống, th ự c c h ấ t là tạo ra m ộ t c ặ p electro n -lỗ
trố n g tự do lưu động. N ếu cặp electro n -lỗ trố n g nằm tro n g v ù n g g iải p h ó n g đ iệ n tử của
ch u y ển tiếp p-n, sự tồ n tại củ a điện trư ờ n g sẽ kéo e le c tro n về p h ía b á n d ẫn loại n và lỗ
trố n g về phía b á n dẫn loại p, kết quả là tạo ra m ộ t d ò n g điện:

ỉ = I s [ế"'l t r - 1]
V ới

(1.8)

q là đ iệ n tích của e (1 ,6 0 2 .10"19 C )
k là h à n g sổ B o tm an (1 ,3 8 .1 0 '23 J/K )
T là n h iệt độ K elv in của ch u y ển tiế p p-n

Te bào q u a n g thế v à sensor th ô n g th ư ờ n g làm từ vật liệu h ấp th ụ p h o to n ờ dải
k h ả kiến và dải

uv, ví d ụ G aA s (năng

lượng v ù n g cấm 1,4 3 eV ) h ợ p ch ất củ a nó và

m ộ t số vật liệu k hác với bư ớ c só n g tư ơ n g ứng: S i (1 9 0 -1 1 0 0 nm ), G e (8 0 0 -1 7 0 0 n m ) ...
T hiết bị q u a n g thế được sử dụng rộng rãi trong: m áy đo ả n h phổ,

kiểm soát bức

xạ, hệ tự đ ộ n g đ iều ch ỉnh á n h sán g tro n g các tò a n h à ..,

1.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện

10


H iện tư ợ n g vật chất phát ra ánh sáng khi có d ò n g điện đi qua hay khi nó được đặt
dư ớ i m ột điện thê gọi là hiện tượng phát sáng q u a n g điện. H iệu ứng này sử dụng để
c h u y ể n đồi đ iện n ă n g thành năn g lượng bức xạ.
Có hai p h ư ơ n g pháp làm xuất h iện hiệu ứ n g p h á t sáng q u an g điện. T hứ nhất nó
xu ất hiện khi có m ột dòng điện đi qua b iên giới c ủ a lớ p ch u y ển tiếp có độ phẳng cao (ví
dụ ch u y ển tiế p p-n c ủ a vật liệu bán dẫn). E lectron có thể tái hợ p với lỗ trố n g gây ra sự
rơi về m ức n ă n g lư ợ n g thấp hơn và giải phóng n ă n g lư ợ ng dưới dạng photon. N hữ ng
th iế t bị này đ ư ợ c gọi là diode phát q uang (L E D - L ight Em itting Diode). B ư ớ c sóng của
ánh sáng bức x ạ xác định bởi độ rộng vùng cấm c ủ a vật liệu chế tạo lớp chuyển tiếp.
Vật liệu sừ d ụ n g làm L E D phải có v ù n g cấm thẳng. C h ú n g bao gồm các yếu tố ở nhóm
III và nhóm V tro n g bảng tuần hoàn. N h ữ n g ch ất n ày th ư ờ n g dùng để chế tạo LED .
V ùng cấm của n h ữ n g vật liệu này và bước sóng b ứ c x ạ có thể biến đổi được bằng cách
tăng sự tinh k h iế t c ủ a vật liệu. Ví dụ L E D làm từ G aP đ ơ n phát ánh sáng m àu xanh
bước sóng 555 nm , N itro g en phủ ngoài bởi G aP p h á t ánh sáng vàn g xanh bước sóng
565 nm.
M ột c á ch k h ác làm xuất hiện hiện tư ợ ng đ iện q u an g là dự a vào các electron bị
kích th ích bởi đ iệ n trư ờ n g tro n g vật liệu lân quang.

1.3.3 Hiện tư ọn g phát sáng quang hóa
T rong h iện tư ợ n g phát sán g q u ang hóa á n h sá n g phát ra từ nguyên tử hay phân tử
sau khi ch úng h ấ p th ụ photon. P hoton bị hấp th ụ sẽ tru y ề n n ăn g lượ ng cho phân tử làm
nó nhảy lên trạ n g thái năn g lượng cao hơn. Sau m ộ t thời gian ph ân từ bức xạ năng
lư ợ ng d ư thừ a d ư ớ i dạng p h o to n và trở về m ức n ă n g lư ợ ng th ấp hơn. N ăn g lượng của
ánh sáng bứ c x ạ liên quan đến sự chênh lệch g iữ a m ứ c năn g lư ợ ng của trạn g thái kích
th ích và trạn g thái c â n bằng. Sự hu ỳ n h q u ang và sự lân q u a n g là nhữ ng ví dụ về hiện
tư ợ n g ph át sá n g q u a n g hóa. S ự phát sáng q u ang h ó a có thể đư ợ c giải th ích bởi thuyết
lượ ng tử. N ó p h ụ th u ộ c vào cấu trúc electron củ a n g u y ê n tử và phân từ. P hân tử có
n hiều trạng thái e le c tro n tro n g m ỗi trạn g thái có s ự k hác n h a u về m ức dao đ ộ n g và trong
m ồl m ức dao đ ộ n g lại tồn tại nh ữ ng m ức quay. S a u khi nh ận năn g lượng dưới dạng
p h o to n m ột e le c tro n được kích th ích lên trạng thái cao hơn. V ới hầu hết các phân tử,

11


trạng thái e lectro n c ó thể phân thành s ( Singlet ) và T Ợ rip le t ) phụ thuộc vào spin của
electron. Sau khi phân tử bị kích thích tới trạng thái năng lư ợ ng cao hơn nó nhanh
c h ó n g m ất năn g lư ợ ng dướ i rất nhiều ph ư ơ n g thức.

H ình 1.5- Q uá trình huỳnh quang và lăn quang.
T rong h iện tư ợ n g huỳnh quang sự hồi phục dao đ ộ n g làm ph ân tử trở về trạng
thái dao đ ộ n g có n ă n g lư ợ ng thấp nh ất , V ’= ì, ở trạng thái Sìnglet kích thích đầu
tiên

s

ị . C ác e le c tro n nằm ở trạng thái năng lư ợ ng d ao động th ấp nh ất của

s

ị sẽ nhảy

về b ất kỳ trạ n g thái dao đ ộ n g nào của s 0 . V ới hiệu ứ ng lân q u an g electro n ở trạng thái

s

ị

x u y ên q u a n h iều lớp của

Tị

m ới trờ về trạn g th ái

S0 .

D o có n h iều sự sắp xếp lại tro n g cả quá trìn h lân q u ang có thời gian dài hơn so
vớ i huỳnh q u an g . V ớ i hu ỳ n h quang thờ i gian g iữ a hấp thụ và bức x ạ th ô n g thường
k h o ản g 10 8 —10 4 ^ . Đ ối với lân quang thời gian này rơi vào k hoảng
t 0 ^ - 1 0 - 25 [ l l ] .

1.3.4 Hiệu ứng q u ang điện môi [9]
V ật liệu có các thuộc tính điện m ôi thay đổi k h i c h iế u sán g gọi là vật liệu quang
đ iện m ôi. C ác p h é p đo quang điện m ôi đư ợ c sử d ụ n g rộng rãi tro n g q u ang hóa học như

12


n g h iên cứ u về các dạn g động lực học tro n g vật liệu chụp ảnh và vật liệu bán dẫn. N ó

ph ụ c vụ nhữ ng p h é p đo điện trư ờ ng xo ay chiều ở vật liệu q u an g dẫn m à không cần tiếp
x ú c và có thể áp d ụ n g vào nhữ ng chất bán dẫn phứ c tạp có n h ữ n g đơ n tinh thể khó kiểm
soát.

1.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay
H iệu ứ n g F arad ay xoay được tìm ra bởi M ich ael F arad ay vào năm 1845. N ó là
m ộ t hiệu ứng từ -q u an g tro n g đó m ặt p h ẳn g phân cự c củ a m ột sóng điện từ phát ra dọc
m ộ t vật liệu sẽ bị x o a y khi đặt vào m ột từ trư ờ n g so n g song với h ư ớ ng phát sóng.
Góc phản cự c cuối cùng

H ình 1.6- M ặt p h ẳ n g phân cực bị quay do từ trường ngoài.
G óc q u a y củ a m ặt p h ẳ n g phân cực tỷ lệ vớ i c ư ờ n g độ từ trư ờ n g tác động v à được
x á c định bằng p h ư ơ n g trình:

e = VBl

(1.9)

V ới B là m ật độ từ thông, V là hằng sổ V e rd e t v à / là ch iều dài vật liệu m à áng
sá n g đi qua.
V erd et là m ộ t hằng số phẩm chất sừ d ụ n g để so sán h h iệu ứ ng này g iữ a các vật
liệu và có đ ơ n vị góc quay trên đơn vị củ a trư ờ n g tác đ ộ n g v à đơ n vị dài của vật liệu.
M ộ t vật liệu từ -q u a n g phổ biến sử dụng cho cảm b iến là T erb iu m g alliu m g a m e t nó có
h ằ n g số V erd et b ằ n g 0.5m in / (G cm ). C ó thể xây d ự n g m ột từ kế từ -quang vớ i độ nhạy

13


30 pT để ph át hiện nhữ ng chuỗi từ nano cho nh ữ n g cảm biến ứ n g dụng, ư u điểm nổi
trội c ủ a se n so r từ -q u an g là có thời gian đáp ứng n hanh (cỡ G H z).

1.3.6 Hiệu ứng từ-quang K err (M O K E : M agneto-O ptic K err Effect)
N ă m 1877 John K err nhận thấy m ặt p h ang phân cực củ a tia tới trên bề mặt từ
tín h quay m ột góc nhỏ sau khi phản xạ ra khỏi bề m ặt. G óc qu ay phụ thuộc vào độ từ
hóa M . Đ iề u này là do điện trư ờ n g cùa tia tới E tác đ ộ n g m ột lực F lên các điện từ ở bề
m ặt của v ậ t liệu làm cho c h ú n g dao động trong m ặt p h an g p h â n cự c của sóng tới. Cả
hiệu ứ n g từ -q u an g K err v à hiệu ứng F araday xoay x u ấ t hiện do sự từ hóa vật liệu làm
sản sinh sự thay đổi ten so r điện m ôi củ a chính vật liệu đó.

H ình 1.7- S ự quay của m ặt p h ả n g phân cực trên bề m ặt từ tỉnh là kết quà của hiệu ứng
từ-quang Kerr.
H iệ u ứng K e rr có thể sử dụng để chế tạo se n so r cho rất n h iều ứ ng dụng. Ví dụ
K arl p h á t triển m ộ t se n so r áp suất dự a trên m ột m àng m icro chế tạo từ tấm film từ giảo
m ỏng. Á p su ất khác nh au trên m ỗi vùng củ a m àn g là n g u y ên n h â n làm biến dạng, thực
tế là độ c ă n g trên lóp từ giảo. S ự biến dạn g của m àng d ẫn đến sự th ay đổi thuộc tính từ
của lớp film từ giảo, n h ữ n g th ay đổi này có thể đư ợ c đo n h ư là th ay đổi trong thuộc tính
M O K E . N ó đư ợ c sử dụng rộ n g rãi để xác đ ịn h sự từ hóa c ủ a v ật liệu. H iệu ứng từq u an g c ũ n g có thể sử d ụ n g để nghiên cứ u từ trư ờ n g bất đ ẳ n g h ư ớ n g củ a các lớp film sắt
từ m ỏng.

14


1.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10]
P h á t h iện bở i John K err vào năm 1875, là hiệu ứng đ iện -q u an g trong đó vật liệu
thay đổi h ệ sổ khúc xạ khi đặt trong đ iện trường. K hi m ộ t điện trư ờ n g tác động tới chất
lòng hay khí, các p h â n tử của nó (phân tử có lư ỡ ng cự c điện) có thể bị định hướ ng m ột
phần theo trư ờ n g . Đ iề u này gây ra h iện tư ợ n g dị th ư ờ n g và là n g u y ên nhân của hiệu ứng
khúc xạ k é p đ ố i vớ i ánh sáng truyền qua vật liệu. T uy nhiên, chỉ ánh sáng đi từ môi
trư ờ n g gặp đ ư ờ n g sức điện trư ờ ng m ới có hiệu ứ ng khúc xạ kép này.

H ình 1.8- H iệu ứng K errand Pockels.
G iá trị k h ú c xạ kép Art gây ra bởi hiệu ứ ng K e rr có thể tính bời công thức:

A n = nữ- n í =ẪVK E 2

(1-10)

T ro n g đ ó E là cư ờ n g độ điện trư ờ n g , K là h ằ n g số K err-P o ck els và Ẳg là bước
sóng tro n g m ô i trư ờ n g tự do. H ai chỉ số qu an trọng là n0 v à ne lần lượ t là chỉ số khúc xạ
bình th ư ờ n g v à chỉ số khúc xạ bất th ư ờ ng. H iệu ứ ng khúc x ạ kép dùng để chế tạo rất
nhiều th iế t bị q u a n g học. H iệu ứng này tư ơ n g tự vớ i hiệu ứng F araday như ng với trư ờng
điện.
S e n so r q u a n g học chế tạo dựa trê n hiệu ứ ng P ockels đư ợ c ứ ng dụng tro n g công
nghiệp, đ ặ t tro n g hệ thố n g c u n g cấp điện sinh h o ạ t hay tro n g các nguồn đ iện sử dụng
tro n g p h ò n g thí nghiệm . S en so r trư ờ ng P ockels đư ợ c ứ n g d ụ n g tro n g đo lư ờ ng không
chỉ trư ờ n g đ iệ n tĩn h m à cả x u n g ánh sáng, thay đổi x u n g đ iện thế [10].

15


1.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học [10]
S ự p h á t sáng do ph ản ứ ng hóa học tạo ra được gọi là sự phát quang bằng p h ản
ứ ng hóa học. B ư ớ c sóng thư ờ ng quan sát được nằm từ gần m iền tử ngoại đến gần m iền
h ồ n g ngoại. S ự phát quang bằng phản ứng hóa học có thể m iêu tả bằng phư ơ ng trìn h
phàn ứng sau:
[A] + [B] ->

[0 ]

-> [Sản phẩm ] + [Á nh sáng]

ở đây A, B là nh ữ n g chất phản ứng dễ kích thích lên trạng thái tru n g gian 0, 0 là trạn g
thái bao gồm sản phẩm p h ản ứ ng và ánh sáng. S ự ph át q u ang bằng phản ứng hóa học
qu an sát đư ợ c ở hạt nano kim loại hay hạt nano bán dẫn tro n g hóa học hoặc trong các
ph ản ứng điện hóa. K hi sự phát quang hóa học có n g u ồ n gốc từ các tổ chức sống, thì
đư ợ c gọi là sự phát q u an g sinh học. S ự phát q u a n g sinh học có vai trò quan trọng nổi
bật là công cụ h ữ u ích tro n g sinh học v à các phát m inh

y khoa.

1.4 Một sổ hiệu ứng chuyển đổi từ - điện
1.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9]
P hát h iệ n vào năm 1880 bởi E d w in H all, khi đặt m ột từ trư ờ n g vuông góc với
h ư ớ n g của d ò n g đ iện trong kim loại hay chất bán d ẫn thì x u ấ t hiện m ột điện trư ờ n g
v uô n g góc vớ i cả hư ớ ng cùa dòn g điện v à h ư ớ ng củ a từ trư ờng. Đ ây là m ột trong nh ữ n g
h iệu ứng đư ợ c s ử d ụ n g rộng rãi trong c ô n g nghệ sensor.
H ình 1.9 m ô tả m ột từ trư ờng vu ô n g góc với tấm vật liệu m ỏng m ang dòng điện.
T ừ trư ờ ng tác d ụ n g m ột lực theo p h ư ơ n g n g ang FB vào hạt tải ch u y ển động và đay
c h ú n g về m ộ t phía. T ro n g khi những h ạt tải này đư ợ c tích lũy tại m ột bên thì các hạt tải
trá i dấu lại tíc h tụ về ph ía đối diện. S ự p h ân tách hạt tải tạo ra m ột đ iện trường, đ iện
trư ờ n g này g ây ra lực điện FE. Khi lực điện cân bằn g với lực từ thì không diễn ra sự
p h ân tách hạt tải nữa. K ết quả là có m ột điện thế có thể đo được g iữ a hai cực của vật
liệu, gọi là thế H all, VHílll đư ợ c tính th eo ph ư ơ n g trình:

y
= IB
v "°" W

<'■">

V ới I là d ò n g đ iện chạy trong vật liệu

16