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应用指南-MFLI锁相放大器在霍尔效应测量的应用

2022-07-281047次

锁相放大器，是一种可以从干扰极大的环境中对特定频率的电学信号进行提取，还能进一步聚焦和锁定特定相位上步调一致成分的电子学仪器，从而滤除噪声，达到微弱信号检测的目的。锁相放大器的发明极大地推动了人类对于微弱信号的探测，比如搭配了锁相放大器的原子力显微镜，让人们可以观测并且操纵原子；一些电子电工的仪表、对人体健康的监测也能用到锁相放大器，这样我们就能更早的发现问题及时预防；在未来的跨星际探索中，高精度锁相放大器也可用来开展引力波探测和空间定位。瑞士苏黎世仪器 (Zurich Instruments) 的 MFLI 是一款数字锁相放大器，为中频和低频范围的测量设定了新标杆。MFLI 提供两种版本，适用于“直流至 500 kHz”和“直流至 5 MHz”的频率范围（并可在有需要时从500kHz升级到5MHz）。

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瑞士苏黎世仪器 (Zurich Instruments) 的 MFLI 是一款数字锁相放大器，为中频和低频范围的测量设定了新标杆。MFLI 提供两种版本，适用于“直流至 500 kHz”和“直流至 5 MHz”的频率范围（并可在有需要时从500kHz升级到5MHz）。

MFLI数字锁相放大器应用-霍尔效应测量

霍尔效应是指在垂直于移动载流子和外部磁场的方向上产生电势差的现象。霍尔效应广泛应用于材料表征和磁场感应。

材料表征

在材料表征应用中，材料暴露在已知的磁场 B 之中。同时，测量霍尔电压 VXY（见下图）、通过样本的电压 VXX 和通过材料的电流 IR。根据这些测量值，我们可以推断材料性质，例如载流子密度、载流子极性、载流子迁移率和材料的导电性。

这项技术还可用于测量量子霍尔效应以及整数、分数、自旋、逆自旋等多种衍生效应，从而测量二维电子气 (2DEG) 材料的新物理性质。

磁场感应

当材料性质已知时，霍尔效应可用于推断多个数量级范围内的外部磁场强度。可以通过向样本施加直流电压来执行测量，但是通常交流测量的速度更快、结果更准确。交流测量的其他优点还包括精度和灵敏度更高，能够在更大的测量范围内实现更高信噪比 (SNR)。

测量方案

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如图所示，测量使用两个锁相放大器。锁相放大器 1（图中表示为 MFLI 1）提供恒定交流电压以使样本中产生电流。通常情况下，只需放置一个远大于电路中所有其他电阻之和的限流电阻 RL，即可假定电流在测量过程中保持恒定。测量通过样本的电流，即可实现更精准的测量。锁相放大器 1 测量霍尔电压 VXY，而锁相放大器 2（图中表示为 MFLI 2）测量通过样本的电压 VXX。若使用苏黎世仪器公司的 MFLI 锁相放大器，还可以通过电流输入和 MF-MD 多解调器选件来测量电流。

为确保测量期间的数据与磁场对齐，锁相放大器需要同步频率、时钟和时间戳。 MFLI 的多设备同步 (MDS) 可以实现此功能。

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