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1、? 霍尔开关器件特性及应用实验 实验目的与要求 ：1. 掌握霍尔元件的工作原理，了解霍尔开关集成电路的特性及其主要参数和应用 .?2. 测量风扇在不同工作电压下的转速，并描绘出速度与电压的曲线.实验仪器 ：霍尔开关集成电路，电压，风扇，导线等实验原理 ：? 一. 霍尔元件及霍尔开关集成电路的工作原理一块长方形金属薄片或半导体薄片，若在某方向上通入电流IH ，在其垂直方向上加一磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差UH ，这个现象称为“霍尔效应” 。 UH 称为“霍尔电压” 。霍尔发现这个电位差 UH 与电流强度 IH 成正比，与磁感应强度 B 成正比，与薄片的厚度 d 成反比，即U
2、HI H BRH（ 1）d式中 RH 叫霍尔系数，它表示该材料产生霍尔效应能力的大小。霍尔电压的产生可以用洛伦兹力来解释。图 1 霍尔效应原理图如图 1 所示，将一块厚度为d、宽度为 b、长度为 L 的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场B 中，磁场 B 沿 Z 轴正方向。当电流沿 X 轴正方向通过半导体时，若薄片中的载流子（设为自由电子）以平均速度 v 沿 X 轴负方向作定向运动，所受的洛伦兹力为f BevB（ 2）在 fB 的作用下自由电子受力偏转，结果向板面“I”积聚，同时在板面“”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿Y 轴负方向上的横向电场，使自由电子在受沿 Y 轴负方向上的洛伦兹力fB
3、的同时，也受一个沿 Y 轴正方向的电场力 fE。设 E 为电场强度， UH 为霍尔片 I 、面之间的电位差 （即霍尔电压） ，则f EeEU He（3）bfE 将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有f Bf E（4）即evBe U Hb或1U H vBb（ 5）设载流子浓度为 n，单位时间内体积为 v d b 里的载流子全部通过横截面，则电流强度 IH 与载流子平均速度 v 的关系为I Hvdbne 或I Hv（6）dbne将（ 6）式代入（ 5）式得U H1I H Bned（ 7）1式中 ne 即为前述的霍尔系数 RH 。1考虑霍尔片厚度d 的影响，引进一个重要参数KH ，K Hned ，则（
4、 5）式可写为U HKHIHB（ 8）KH 称为霍尔元件的灵敏度。二. 利用霍尔传感器测转速的结构原理利用霍尔传感器测转速的结构原理，如图 3 所示它实际是利用霍尔开关测转速。待测物上粘粘一对或多对小磁刚（N 、 S 磁极），小磁钢越多，分辨率越高。霍尔开关固定在小磁刚（N 、S 磁极）附近。待测物以角速度旋转时，每当一个小磁钢 (N 极或 S 极 )转动经过霍尔开关集成电路时，霍尔开关集成电路便产生一个相应的（正或负）脉冲。检测出单位时间内的脉冲数及其长度，即可确定待测转动物体的转动周期T 及其转速n，即n 1/T若 N 极经过霍尔开关，其输出电压为正，则S 极经过霍尔开关，其输出电压为负
5、;反之，亦然。所以 N 极穿过霍尔开关产生正脉冲， S 极穿过霍尔开关产生负脉冲，每经过一对 N、 S 极，就出现一个完整的正弦波或一对正、负方波。转一周有多少个 N 、S 极，就有多少个正、负方波，转一周所产生的正负方波总长度，即是电机的转动周期T（如图 4 所示）。将霍尔开关输出的方波信号输入示波器，就可以在示波器上显示出来。将其通过模数转换器输入到计算机，就可以很反便利用计算机进行实时的检测，并进行各种数据与曲线处理。【内容及步骤】按图接好线路，调整电机电压从0 10V，再从 100V ，每隔 1V 测一个转速；将数据逐一填入实验表格。2V （ v）012345678910t/ 格（ s
6、）T1（ s）T1（ s）T2（ s）T（ s）N(转/秒 )【数据表格与数据处理】1)根据公式一，按表处理数据，其中T （ T1+T2 ） 2。2) 作转速电压曲线。【设计并制作一个测速度和里程的装置（速度表或里程计）】测速度和里程装置NU 曲线3霍尔器件中的副效应及其消除方法1不等势电压这是由于测量霍尔电压的电极和A/ 位置难以做到在一个理想的等势面上，因此当有电流通过时，即使不加磁场也会产生附加的电压，其中 r 为、 A/ 所在的两个等势面之间的电阻（如图32-3所示）。的符号只与电流的方向有关，与磁场的方向无关，因此，可以通过改变的方向予以消除。2温差电效应引起的附加电压如图 32-4
7、 所示，由于构成电流的载流子速度不同，若速度为的载流子所受的洛仑兹力与霍尔电场力的作用刚好抵消，则速度大于或小于的载流子在电场和磁场作用下，将各自朝对立面偏转，从而在Y 方向引起温差，由此产生的温差电效应。在电极上引入附加电压，且，其符号与和的方向关系跟是相同的， 因此不能用改变和方向的方法予以消除，但其引入的误差很小，可以忽略。3 热磁效应直接引起的附加电压因器件两端电流引线的接触电阻不等，通电后在接触点两处将产生不同的焦尔热，导致在X方向有温度梯度，引起载流子沿梯度方向扩散而产生热扩散电流。热流在 Z 方向磁场作用下，类似于霍尔效应在Y 方向上产生一附加电场，相应的电压，而的符号只与的方向
8、有关，与的方向无关。因此可通过改变的方向予以消除。4热磁效应产生的温差引起的附加电压4如上所述的X 方向热扩散电流，因载流子的速度统计分布，在Z 方向的作用下，和2 中所述同理将在Y 方向产生温度梯度，由此引入的附加电压，的符号只与的方向有关，亦能消除之。霍尔元件已应用范围及展望现在霍尔元件的应用范围主要是制作传感器应用与检测等方面。可设计制作高斯计测量磁场分布可以在单摆测量重力加速度g，在三线摆测转动惯量I 中用作传感器。既然霍尔元件存在一些缺陷，我们当然可以利用其存在的缺陷，测其附加电压的变化值，可将其转换为温度变化，热量变化，磁场变化，电流引起的磁场变化相关值等。可用于航空测其所在空间的磁场变化率，如果我们能知道空间的磁场分布图，而每一空间位置又对应一个磁场变化值，那么卫星，飞船等的空间位置我们就能够一清二楚，而且测得的变化率又可反映卫星，飞船等是否运行正常！总之，我们若能很好的利用霍尔元件及其带来的衍生物，那么将会得到意想不到的效果！谢谢！化药062班邓月明杨阳5
