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MFLI低噪聲鎖相放大器在霍爾效應測量的應用

2023-03-171010次

瑞士蘇黎世儀器 (Zurich Instruments) 的 MFLI 是一款數字鎖相放大器，為中頻和低頻范圍的測量設定了新標桿。MFLI 提供兩種版本，適用于“直流至 500 kHz”和“直流至 5 MHz”的頻率范圍（并可在有需要時從500kHz升級到5MHz）。

鎖相放大器，是一種可以從干擾極大的環境中對特定頻率的電學信號進行提取，還能進一步聚焦和鎖定特定相位上步調一致成分的電子學儀器，從而濾除噪聲，達到微弱信號檢測的目的。鎖相放大器的發明極大地推動了人類對于微弱信號的探測，比如搭配了鎖相放大器的原子力顯微鏡，讓人們可以觀測并且操縱原子；一些電子電工的儀表、對人體健康的監測也能用到鎖相放大器，這樣我們就能更早的發現問題及時預防；在未來的跨星際探索中，高精度鎖相放大器也可用來開展引力波探測和空間定位。

MFLI數字鎖相放大器應用-霍爾效應測量

霍爾效應是指在垂直于移動載流子和外部磁場的方向上產生電勢差的現象。霍爾效應廣泛應用于材料表征和磁場感應。

材料表征

在材料表征應用中，材料暴露在已知的磁場 B 之中。同時，測量霍爾電壓 V_XY（見下圖）、通過樣本的電壓 V_XX 和通過材料的電流 I_R。根據這些測量值，我們可以推斷材料性質，例如載流子密度、載流子極性、載流子遷移率和材料的導電性。

這項技術還可用于測量量子霍爾效應以及整數、分數、自旋、逆自旋等多種衍生效應，從而測量二維電子氣 (2DEG) 材料的新物理性質。

磁場感應

當材料性質已知時，霍爾效應可用于推斷多個數量級范圍內的外部磁場強度。可以通過向樣本施加直流電壓來執行測量，但是通常交流測量的速度更快、結果更準確。交流測量的其他優點還包括精度和靈敏度更高，能夠在更大的測量范圍內實現更高信噪比 (SNR)。

測量方案

如下方圖示，測量使用兩個鎖相放大器。鎖相放大器 2（圖中表示為 MFLI 2）提供恒定交流電壓以使樣本中產生電流。通常情況下，只需放置一個遠大于電路中所有其他電阻之和的限流電阻 RL，即可假定電流在測量過程中保持恒定。測量通過樣本的電流，即可實現更精準的測量。鎖相放大器 1（圖中表示為 MFLI 1）測量通過樣本的電壓 V_XX，同時鎖相放大器2測量霍爾電壓 V_XY。若使用蘇黎世儀器公司的 MFLI 鎖相放大器，還可以通過電流輸入和 MF-MD 多解調器選件來測量電流。

為確保測量期間的數據與磁場對齊，鎖相放大器需要同步頻率、時鐘和時間戳。 MFLI 的多設備同步 (MDS) 可以實現此功能。

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素材來源：https://www.zhinst.cn/

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