1、? 霍爾開關(guān)器件特性及應(yīng)用實驗 實驗?zāi)康呐c要求 ：1. 掌 握 霍 爾 元 件 的 工 作 原 理 ， 了 解 霍 爾 開 關(guān) 集 成 電 路 的 特 性及其主要參數(shù)和應(yīng)用 .?2. 測量風(fēng)扇在不同工作電壓下的轉(zhuǎn)速，并描繪出速度與電壓的曲線. 實驗儀器 ：霍爾開關(guān)集成電路，電壓，風(fēng)扇，導(dǎo)線等 實驗原理 ：? 一. 霍爾元件及霍爾開關(guān)集成電路的工作原理一塊長方形金屬薄片或半導(dǎo)體薄片，若在某方向上通入電流ih ，在其垂直方向上加一磁場b，則在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電位差uh ，這個現(xiàn)象稱為“霍爾效應(yīng)” 。 uh 稱為“霍爾電壓” ?；魻柊l(fā)現(xiàn)這個電位差 uh 與電流強度 ih 成正比，與磁感

2、應(yīng)強度 b 成正比，與薄片的厚度 d 成反比，即u hi h brh（ 1）d式中 rh 叫霍爾系數(shù)，它表示該材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)能力的大小?；魻栯妷旱漠a(chǎn)生可以用洛倫茲力來解釋。圖 1 霍爾效應(yīng)原理圖如圖 1 所示，將一塊厚度為d、寬度為 b、長度為 l 的半導(dǎo)體薄片（霍爾片）放置在磁場b 中，磁場 b 沿 z 軸正方向。當(dāng)電流沿 x 軸正方向通過半導(dǎo)體時，若薄片中的載流子（設(shè)為自由電子）以平均速度 v 沿 x 軸負方向作定向運動，所受的洛倫茲力為f bevb（ 2）在 fb 的作用下自由電子受力偏轉(zhuǎn)，結(jié)果向板面“i”積聚，同時在板面“”上出現(xiàn)同數(shù)量的正電荷。這樣就形成一個沿y 軸負方向上的橫向電

3、場，使自由電子在受沿 y 軸負方向上的洛倫茲力fb 的同時，也受一個沿 y 軸正方向的電場力 fe。設(shè) e 為電場強度， uh 為霍爾片 i 、面之間的電位差 （即霍爾電壓） ，則f eeeu he（3）bfe 將阻礙電荷的積聚，最后達穩(wěn)定狀態(tài)時有f bf e（4）即evbe u hb或1u h vbb（ 5）設(shè)載流子濃度為 n，單位時間內(nèi)體積為 v d b 里的載流子全部通過橫截面，則電流強度 ih 與載流子平均速度 v 的關(guān)系為i hvdbne 或i hv（6）dbne將（ 6）式代入（ 5）式得u h1i h bned（ 7）1式中 ne 即為前述的霍爾系數(shù) rh 。1考慮霍爾片厚度d

4、的影響，引進一個重要參數(shù)kh ，k hned ，則（ 5）式可寫為u hk h i h b（ 8）kh 稱為霍爾元件的靈敏度。二. 利用霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)原理利用霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)原理，如圖 3 所示它實際是利用霍爾開關(guān)測轉(zhuǎn)速。待測物上粘粘一對或多對小磁剛（n 、 s 磁極），小磁鋼越多，分辨率越高?；魻栭_關(guān)固定在小磁剛（n 、s 磁極）附近。待測物以角速度旋轉(zhuǎn)時，每當(dāng)一個小磁鋼 (n 極或 s 極 )轉(zhuǎn)動經(jīng)過霍爾開關(guān)集成電路時，霍爾開關(guān)集成電路便產(chǎn)生一個相應(yīng)的（正或負）脈沖。檢測出單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)及其長度，即可確定待測轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)動周期t 及其轉(zhuǎn)速n，即n 1/t若 n 極經(jīng)過霍爾

5、開關(guān)，其輸出電壓為正，則s 極經(jīng)過霍爾開關(guān)，其輸出電壓為負 ;反之，亦然。所以 n 極穿過霍爾開關(guān)產(chǎn)生正脈沖， s 極穿過霍爾開關(guān)產(chǎn)生負脈沖，每經(jīng)過一對 n、 s 極，就出現(xiàn)一個完整的正弦波或一對正、負方波。轉(zhuǎn)一周有多少個 n 、s 極，就有多少個正、負方波，轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的正負方波總長度，即是電機的轉(zhuǎn)動周期t（如圖 4 所示）。將霍爾開關(guān)輸出的方波信號輸入示波器，就可以在示波器上顯示出來。將其通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入到計算機，就可以很反便利用計算機進行實時的檢測，并進行各種數(shù)據(jù)與曲線處理。【內(nèi)容及步驟】按圖接好線路，調(diào)整電機電壓從0 10v，再從 100v ，每隔 1v 測一個轉(zhuǎn)速；將數(shù)據(jù)逐一填入實

6、驗表格。2v （ v）012345678910t/ 格（ s）t1（ s）t1（ s）t2（ s）t（ s）n( 轉(zhuǎn) /秒 )【數(shù)據(jù)表格與數(shù)據(jù)處理】1)根據(jù)公式一，按表處理數(shù)據(jù)，其中t （ t1+t2 ） 2。2) 作轉(zhuǎn)速電壓曲線?！驹O(shè)計并制作一個測速度和里程的裝置（速度表或里程計）】測速度和里程裝置nu 曲線3霍爾器件中的副效應(yīng)及其消除方法1不等勢電壓這是由于測量霍爾電壓的電極和a/ 位置難以做到在一個理想的等勢面上，因此當(dāng)有電流通過時，即使不加磁場也會產(chǎn)生附加的電壓，其中 r 為、 a/ 所在的兩個等勢面之間的電阻（如圖32-3所示）。的符號只與電流的方向有關(guān)，與磁場的方向無關(guān)，因此，可以

7、通過改變的方向予以消除。2溫差電效應(yīng)引起的附加電壓如圖 32-4 所示，由于構(gòu)成電流的載流子速度不同，若速度為的載流子所受的洛侖茲力與霍爾電場力的作用剛好抵消，則速度大于或小于的載流子在電場和磁場作用下，將各自朝對立面偏轉(zhuǎn)，從而在y 方向引起溫差，由此產(chǎn)生的溫差電效應(yīng)。在電極上引入附加電壓，且，其符號與和的方向關(guān)系跟是相同的， 因此不能用改變和方向的方法予以消除，但其引入的誤差很小，可以忽略。3 熱磁效應(yīng)直接引起的附加電壓因器件兩端電流引線的接觸電阻不等，通電后在接觸點兩處將產(chǎn)生不同的焦爾熱，導(dǎo)致在x方向有溫度梯度，引起載流子沿梯度方向擴散而產(chǎn)生熱擴散電流。熱流在 z 方向磁場作用下，類似于霍

8、爾效應(yīng)在y 方向上產(chǎn)生一附加電場，相應(yīng)的電壓，而的符號只與的方向有關(guān)，與的方向無關(guān)。因此可通過改變的方向予以消除。4熱磁效應(yīng)產(chǎn)生的溫差引起的附加電壓4如上所述的x 方向熱擴散電流，因載流子的速度統(tǒng)計分布，在z 方向的作用下，和2 中所述同理將在y 方向產(chǎn)生溫度梯度，由此引入的附加電壓，的符號只與的方向有關(guān)，亦能消除之?；魻栐褢?yīng)用范圍及展望現(xiàn)在霍爾元件的應(yīng)用范圍主要是制作傳感器應(yīng)用與檢測等方面?？稍O(shè)計制作高斯計測量磁場分布可以在單擺測量重力加速度g，在三線擺測轉(zhuǎn)動慣量i 中用作傳感器。既然霍爾元件存在一些缺陷，我們當(dāng)然可以利用其存在的缺陷，測其附加電壓的變化值，可將其轉(zhuǎn)換為溫度變化，熱量變化，磁場變化，電流引起的磁場變化相關(guān)值等。可用于航空測其所在空間的磁場變化率，如果我們能知道空