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1、实 验 报 告姓名： 张伟楠 班级： F0703028 学号： 5070309108 实验成绩：同组姓名：马文琪 实验日期：08.03.31 指导教师： 批阅日期：集成霍尔传感器的特征测量与应用【实验目的】1了解霍耳效应原理和集成霍耳传感器的工作原理。2通过测量螺线管励磁电流与集成霍耳传感器输出电压的关系，证明霍耳电势差与磁感应强度成正比。3 用通电螺线管中心点处磁感应强度的理论计算值校准集成霍耳传感器的灵敏度。4测量螺线管内磁感应强度沿螺线管中轴线的分布，并与相应的理论曲线比较。【实验原理】1、 霍耳效应将一导电体（金属或半导体）薄片放在磁场中，并使薄片平面垂直于磁场方向。当薄片纵向端面有电
2、流I流过时，在与电流I和磁场B垂直的薄片横向端面a、b间就会产生一电势差，这种现象称为霍耳效应（Hall effect），所产生的电势差叫做霍耳电势差或霍耳电压，用UH表示。霍耳效应是由运动电荷（载流子）在磁场中受到洛伦兹力的作用引起的。洛伦兹力使载流子发生偏转，在薄片横向端面上聚积电荷形成不断增大的横向电场（称为霍耳电场），从而使载流子又受到一个与洛伦兹力反向的电场力，直到两力相等，载流子不再发生偏转，在a、b间形成一个稳定的霍耳电场。这时，两横向端面a、b间的霍耳电压就达到一个稳定值。端面a、b间霍耳电压的符合与载流子电荷的正负有关。因此，通过测量霍耳电压的正负，即可判断半导体材料的导电类
3、型。实验表明，在外磁场不太强时，霍耳电压与工作电流和磁感应强度成正比，与薄片厚度成反比，即 ( 1)式中比例系数 和分别为霍耳系数和霍耳元件的灵敏度。用霍耳效应测量磁场是在霍耳元件的灵敏度和工作电流已知的情况下，通过测量霍耳电压，再由公式（1）求出磁感应强度。2、 集成霍耳传感器SS495A型集成霍耳传感器（线性测量范围0-67mT，灵敏度31.25V/T）由霍耳元件、放大器和薄膜电阻剩余电压补偿器组成。测量时输出信号大，不必考虑剩余电压的影响。工作电压Vs5V，在磁感应强度为零时，输出电压为。它的输出电压U与磁感应强度B成线性关系。该关系可用下式表示 （2）式中U为集成霍耳传感器输出电压，K
4、为该传感器的灵敏度。3、 螺线管内磁场分布单层螺线管内磁感应强度沿螺线管中轴线的分布可由下式计算 （3）式中N为线圈匝数，L为螺线管长度，Im为励磁电流，D为线圈直径，x为以螺线管中心作为坐标原点时的位置，亨/米为真空磁导率。实验中所用的螺线管是由10层绕线组成。根据每层绕线的实际位置，用公式（3）可以计算每层绕线的B（x）值，将10层绕线的B（x）值求和，即可得到螺线管内的磁场分布。书中表1给出了励磁电流（100mA）时螺线管内磁感应强度的理论计算值。由它可以容易得到不通励磁电流时螺线管内磁感应强度的理论计算值。（对于同一点x来说，C（x）是相同的，也就是说, 即B和成正比关系，即螺线管内任
5、意一固定点的磁场的理论计算值和励磁电流成正比关系）。表1. 励磁电流IM =0.1A时螺线管内磁感应强度的理论计算值x (cm)B (mT)x (cm)B (mT)01.43668.01.40571.01.43639.01.38562.01.435610.01.34783.01.434311.01.26854.01.432311.51.19635.01.429212.01.08636.01.424512.50.92617.01.417313.00.7233【实验数据记录、实验结果计算】1. 集成霍尔传感器灵敏度K随工作电压Us变化的测量；以 Us=5V U0=2.508V U=2.617V 为
6、标准值理论得到的B=1.43662.5 mT = 3.5915 mT所以 K=30.35 VT-1123456789US/V2.503.003.504.004.505.005.506.006.50U0/V2.4551.5071.7562.0052.2582.5082.7603.0093.262U /V2.4561.5621.8282.0892.3552.6172.8793.1393.405K/ VT-10.278415.3120.0523.3927.0130.3533.1336.2039.82K99.08%49.54%33.95%22.94%11.01%0%09.17%19.26%31.19%
7、101112131415161718US/V7.007.508.008.509.009.5010.00U0/V3.5123.7704.0184.2704.5224.7775.031U /V3.6653.9354.1914.4544.7184.9845.246K/ VT-142.6045.9448.1751.2354.5757.6459.86K40.36%51.37%58.71%68.80%79.81%89.90%97.24%其中 K=U-U0B K=K-K标准100%作出图像：将霍耳传感器置于螺线管内中心点，当螺线管通过励磁电流IM时，在0至500mA电流输出范围内，每隔50mA测量集成霍耳传
8、感器的输出电压U，记录UIM关系数据；1234567891011Im/mA050100150200250300350400450500B /mT00.7181.4372.1552.8733.5924.3105.0285.7466.4657.183U / V00.02140.04300.06460.08630.10800.12970.15140.17320.19490.2164产品说明书中K值：31.251.25 V/T作关系图：Linear Regression through origin for DATA2_B:Y = B * XParameterValueError-A0-B0.0301
9、11.37764E-5-RSDNP-11.94167E-4110.0001-直线拟合的相关系数为1 ，拟合度非常高。由图中的拟合直线的斜率B= 0.03011可得 K=30.11 V/T在说明书的误差范围之内，实验成功。在励磁电流为mA时的霍耳传感器在管内不同位置处的霍耳电压U；123456789X /cm-13.00-12.50-12.00-11.50-11.00-10.50-10.00-9.50-9.00U /mV53.4268.5381.3290.1195.5199.18101.61103.33104.48B /mT1.7742.2762.7012.9933.1723.2943.3753
10、.4323.470101112131415161718X /cm-8.50-8.00-7.00-6.00-5.00-4.00-3.00-2.00-1.00U /mV105.31105.91106.86107.47107.87108.06108.21108.28108.27B /mT3.4973.5173.5493.5693.5823.5893.59433.5963.596192021222324252627X /cm01.002.003.004.005.006.007.008.00U /mV108.28108.28108.24108.22108.14107.96107.61107.10106.
11、20B /mT3.5963.5963.5953.5943.5913.5853.5733.5563.527282930313233343536X /cm9.009.5010.0010.5011.0011.5012.0012.5013.00U /mV104.75103.64102.05100.0096.4491.5083.6171.8256.94B /mT3.4793.4423.3893.3213.2033.0392.7772.3851.891其中，由于补偿电路分去了U0，所以电压表上的读数即为实际的U - U0,于是得到各个位置的磁感应强度。理论的B由公式 B=C(X)IM 以及 实验原理中的表
12、的数据得到；作出磁感应强度B与位置X的关系图： 可以看出，实验数据与理论数据的一致性很高，特别是螺旋管中部的那一系列点，几乎完全重合。【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】1. 实验的第一部分是对K进行粗略定标，从最后得到的图中可以看出，霍尔传感器的灵敏度随着工作电压的变化有着非常明显的变化，从2.5V到10V的工作电压，K值从极小增加到标准K的2倍左右，K在这里皆取了绝对值，从其数据可以看出，K随着工作电压的变大而变大，在3V之后，其增长速度趋于稳定。由此可以看出，要做好霍尔元件的实验，选取一个合适的工作电压是非常重要的。2. 实验的第二部分是对K进行精确定标，取定了5V的工作电压，在此电压下进行K值的精确测量，为实验的第三部
