霍尔元件的输出电阻

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霍尔元件物理实验报告

一、实验目的1. 理解霍尔效应的产生原理和霍尔元件的工作机制。

2. 通过实验，测量霍尔元件的霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流之间的关系。

3. 学习使用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法。

4. 掌握对称测量法消除副效应影响，提高测量精度。

二、实验仪器与设备1. 霍尔效应实验仪2. 直流电源3. 电流表4. 磁场发生装置（如直螺线管）5. 标准电阻6. 滑动变阻器7. 接线板三、实验原理霍尔效应是指当电流通过导体或半导体时，在垂直于电流和磁场方向上，导体或半导体内部会产生电压差的现象。

这种电压差称为霍尔电压，其大小与电流、磁感应强度以及导体的几何尺寸有关。

在本实验中，我们使用霍尔元件来测量磁感应强度。

霍尔元件由一块半导体材料制成，当电流通过半导体材料，并在其两侧施加磁场时，会在垂直于电流和磁场方向上产生霍尔电压。

通过测量霍尔电压，我们可以计算出磁感应强度。

四、实验步骤1. 仪器连接与调试（1）按照实验仪器的说明书，连接好所有仪器设备。

（2）将霍尔元件固定在磁场发生装置上，确保其平面与磁场垂直。

（3）将霍尔元件的输出端连接到实验仪器的输入端。

（4）调节滑动变阻器，使霍尔元件的工作电流为一定值。

2. 测量霍尔电压（1）在直螺线管中通以一定的励磁电流，产生磁场。

（2）调节滑动变阻器，改变霍尔元件的工作电流。

（3）记录不同工作电流下的霍尔电压值。

3. 绘制霍尔电压与工作电流关系曲线（1）以霍尔电压为纵坐标，工作电流为横坐标，绘制霍尔电压与工作电流的关系曲线。

4. 测量磁感应强度（1）在直螺线管中通以不同的励磁电流，产生不同的磁场。

（2）记录不同励磁电流下的霍尔电压值。

（3）根据霍尔电压与工作电流的关系曲线，计算不同励磁电流下的磁感应强度。

5. 消除副效应影响（1）使用对称测量法，即改变霍尔元件的工作电流方向和磁场方向，记录相应的霍尔电压值。

（2）比较两组数据，分析副效应的影响。

五、实验结果与分析1. 霍尔电压与工作电流关系曲线根据实验数据，绘制出霍尔电压与工作电流的关系曲线。

霍尔元件的主要特性参数

霍尔元件的主要特性参数
霍尔元件的主要特性参数
1、输入电阻Rr：霍尔片的两个控制电极间的电阻值称为输入电阻。

2、输出电阻RO：两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻。

3、额定控制电流Ic：是使霍尔元件在空气中产生10℃温升的控制电流。

4、不等位电势UO：当霍尔元件的激励电流为Ic时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。

这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。

5、灵敏度KH ：在单位控制电流和单位磁感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，其单位为（V/AT），它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大
越好。

6、寄生直流电势νg：在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电极间产生的直流电势为寄生直流电势。

7、霍尔电动势温度系数α：在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化1℃，
霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，与霍尔材料无关。

8、电阻温度系数β：电阻温度每变化1℃，霍尔元件材料的电阻变化率。

霍尔传感器基础知识单选题100道及答案解析

霍尔传感器基础知识单选题100道及答案解析1. 霍尔传感器是基于（）效应工作的。

A. 压电B. 热电C. 霍尔D. 光电答案：C解析：霍尔传感器是基于霍尔效应工作的。

2. 霍尔效应是指在（）中，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差。

A. 半导体B. 绝缘体C. 导体D. 超导体答案：C解析：霍尔效应是在导体中产生的现象。

3. 霍尔传感器主要用于测量（）。

A. 温度B. 压力C. 磁场D. 位移答案：C解析：霍尔传感器主要用于测量磁场。

4. 霍尔传感器输出的信号是（）。

A. 模拟信号B. 数字信号C. 脉冲信号D. 交流信号答案：A解析：霍尔传感器输出的通常是模拟信号。

5. 影响霍尔传感器测量精度的因素不包括（）。

A. 温度B. 磁场干扰C. 电源电压D. 光照强度答案：D解析：光照强度通常不是影响霍尔传感器测量精度的因素。

6. 霍尔传感器的灵敏度与（）有关。

A. 材料性质B. 几何尺寸C. 工作温度D. 以上都是答案：D解析：霍尔传感器的灵敏度与材料性质、几何尺寸和工作温度都有关系。

7. 以下哪种材料不适合制作霍尔传感器（）。

A. 硅B. 锗C. 铜D. 砷化镓答案：C解析：铜不具有明显的霍尔效应，不适合制作霍尔传感器。

8. 霍尔传感器的优点不包括（）。

A. 精度高B. 响应速度快C. 结构复杂D. 可靠性高答案：C解析：霍尔传感器结构相对简单，不是复杂。

9. 霍尔传感器在测量直流磁场时，（）。

A. 无需考虑磁场方向B. 需要考虑磁场方向C. 只适用于匀强磁场D. 只适用于非匀强磁场答案：B解析：测量直流磁场时需要考虑磁场方向。

10. 霍尔传感器的安装位置对测量结果（）。

A. 无影响B. 有影响C. 影响很小D. 不确定解析：安装位置会影响霍尔传感器与磁场的相对关系，从而对测量结果有影响。

11. 霍尔传感器的输出电压与（）成正比。

A. 输入电流B. 磁场强度C. 输入电流和磁场强度的乘积D. 输入电流和磁场强度的比值答案：C解析：霍尔传感器输出电压与输入电流和磁场强度的乘积成正比。

霍尔效应测电阻

霍尔效应测磁场霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。

1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象，故称霍尔效应。

后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。

随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展，现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。

在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。

近年来，霍尔效应实验不断有新发现。

1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。

目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。

在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。

【实验目的】1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用2．测绘霍尔元件的V H—Is，了解霍尔电势差V H与霍尔元件工作电流Is、磁感应强度B之间的关系。

3．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。

4．学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。

【实验原理】霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。

当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。

如图13-1所示，磁场B位于Z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。

由于洛仑兹力f L作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。

霍尔元件好坏判断

、线性霍尔元件的好坏判断1、改变磁场的大小线性霍尔元件的好坏(如:A1302、SS495A)霍尔元件通电,输出端接上电压表,磁铁从远到近逐渐靠近线性霍尔元件时,该线性霍尔元件的输出电压逐渐从小到大变化,这说明该线性霍尔元件是好的,如果磁铁从远到近逐渐地靠近线性霍尔元件,该线性霍尔元件的输出电压保持不变,这说明该线性霍尔元件已被损坏。

2、改变线性霍尔元件恒流源的电流大小判断线性霍尔元件的好坏磁铁保持不动(即对线性霍尔元件加入一个固定不变的磁场),使得线性霍尔元件恒流源的电流从零逐渐地向额定电流变化时(不能超过线性霍尔元件的额定电流),这时线性霍尔元件的输出电压也从小逐渐地向大变华,这说时该线性霍尔元件是好的,如果线性霍尔元件恒流的电流从零逐渐地向额定电流变化时,这时该线性霍尔元件的电压保持不变,这说明该线性霍尔元件已损坏二、单极开关型霍尔元件的好坏检测(如:A1104、SS443、US5881)将单极开关霍尔元件通电5V,输出端串联电阻,当磁铁远离开关霍尔元件时,开关霍尔元件的输出电压为高电平(+5V),当磁铁靠近(通常都是N极)开关霍乐元件时,开关霍尔元件的输出电压为低电平(+0.2V 左右),这说明该开关开型霍尔元件是好的。

如果不认靠近或离开霍尔开关,该霍尔开关的输出电平保持不变,则说明该霍尔开关已损坏。

三、双极霍尔开关元件的好坏检测(A3212、SS441、US4881)当磁铁N极或S极靠近霍尔开关,输出是高电平或低电平(一般为低电平),然后拿还霍尔元件,电平变高电平,这时说明霍尔元件是好的。

如果不认靠近或离开霍尔开关,该霍尔开关的输出电平保持不变,则说明该霍尔开关已损坏。

四、双极锁存霍尔开关元件的好坏检测(A1120、SS41F、US1881、MH181)当磁铁N极或S极靠近霍尔开关,输出是高电平或低电平,然后拿还霍尔元件,电平保持不变,再用刚才相反的磁极得到与刚刚相反的电平,这时说明霍尔元件是好的,如果当霍尔元件靠近得到的电平,在磁铁离开后不锁存,说明霍尔是坏的,当磁铁用相反的极性靠近霍尔,得不到与另一个极性靠近霍尔所得出相反的电平,那么这个霍尔开关也是坏的。

《传感器及其应用》第四章习题答案

第四章思考题与习题1、简述磁电感应式传感器的工作原理。

磁电感应式传感器有哪几种类型？答：磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据法拉第电磁感应定律可知，N 匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通量变化时，线圈中所产生的感应电动势e 的大小取决于穿过线圈的磁通φ的变化率，即：dtd Ne Φ-= 根据这个原理，可将磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。

2、某些磁电式速度传感器中线圈骨架为什么采用铝骨架？答：某些磁电式速度传感器中线圈采用铝骨架是因为线圈在磁路系统气隙中运动时，铝骨架中感应产生涡流，形成系统的电磁阻尼力，此阻尼起到衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。

3、何谓磁电式速度传感器的线圈磁场效应，如何补偿？答：线圈磁场效应是指磁电式速度传感器的线圈中感应电流产生的磁场对恒定磁场作用，而使其变化。

如公式v BlN e 0-=知，由于B 的变化而产生测量误差。

补偿方法通常是采用补偿线圈与工作线圈串接，来抵消线圈中感应电流磁场对恒定磁场的影响。

4、为什么磁电感应式传感器在工作频率较高时的灵敏度，会随频率增加而下降？答：由理论推到可得传感器灵敏度与频率关系是：42020220220)(1)(1)2()1()(ωωωωξωωξωωωω-===+-=NBl v e k v NBl e v 取当振动频率低于传感器固有频率时，这种传感器的灵敏度是随振动频率变化；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。

5、变磁通式传感器有哪些优缺点？答：变磁通式传感器的优点是对环境条件要求不高，能在－150—+900C 的温度条件下工作，而不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。

缺点主要是它的工作频率下限较高，约为50Hz ，上限可达100kHz ，所以它只适用于动态量测量，不能测静态量。

霍尔元件简介及应用

霍尔元件简介及应用霍尔元件之作用原理也就是霍尔效应，所谓霍耳效应如图1所示，系指将电流I 通至一物质，并对与电流成正角之方向施加磁场B 时，在电流与磁场两者之直角方向所产生的电位差V 之现象。

此电压是在下列情况下所产生的，有磁场B 时，由于弗莱铭(Fleming)左手定则，使洛仁子力(即可使流过物质中之电子或正孔向箭头符号所示之方向弯曲的力量：(Lorentz force)发生作用，而将电子或正孔挤向固定输出端子之一面时所产生。

电位差V 之大小通常决定于洛仁子力与藉所发生之电位差而将电子或正孔推回之力(亦即前者之力等于后者之力)，而且与电流I 乘以磁场B 之积成比例。

比例常数为决定于物质之霍耳常数除以物质在磁场方向之厚度所得之值。

图1 霍尔组件之原理在平板半导体介质中，电子移动（有电场）的方向，将因磁力的作用（有磁场），而改变电子行进的方向。

若电场与磁场互相垂直时，其传导的载子（电子或电洞），将集中于平板的上下两边，因而形成电位差存在的现象。

该电位差即霍尔电压（霍尔电压）在实际的霍尔组件中，一般使用物质中之电流载子为电子的N 型半导体材料。

将一定之输入施加至霍尔组件时之输出电压，利用上述之关系予以分析时，可以获致下列的结论：(1) 材料性质与霍尔系数乘以电子移动度之积之平方根成正比。

(2) 材料之形状与厚度之平方根之倒数成正比。

由于上述关系，实际的霍尔组件中，可将霍尔系数及电子移动度大的材料加工成薄的十字形予以制成。

图2系表示3～5 端子之霍尔组件的使用方法，在三端子霍尔元件之输出可以产生输入端子电压之大致一半与输出信号电压之和的电压，而在四端子及五端子霍尔组件中，在原理上虽然可以免除输入端子电压的影响，但实际上即使在无磁场时，也有起因于组件形状之不平衡等因素之不平衡电压存在。

(a)3脚组件(b)4脚组件(c)5脚组件图2 霍尔组件使用方法种类及接法构造：无铁心型铁心型测试用探针霍尔集成电路接法：三端子组件四端子组件五端子组件用途霍尔组件有下列三种用法：(A) 事先使一定电流流过霍尔组件，用以检出磁场或变换成磁场的其它物理量的方法。

霍尔效应原理图

霍尔效应原理图
第一节霍尔元件的基本工作原理
概述：
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
特点：
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
用霍尔线性电路检测铁磁物体用霍尔线性电路检测齿口的线路
3 无损探伤
霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用。
铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度等），图示出两种用于无损探伤的探头结构。
(a)无损探伤的探头结构
(b)检测板材用
图 1 用于无损探伤的两种霍尔探头
4 霍尔齿轮传感器
针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻) 的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。
合理选择负载电阻
❖ 如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL，则当温度为T时，RL上的电压可表示为：
UL
UH
RL RL R0
式中 R0—霍尔元件的输出电阻。
❖ 当温度由T变为T+ΔT时，则RL上的电压变为
但d太小，会使元件的输入、输出电
阻增加。
霍尔电压UH与控制电流及磁场强
度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。
I B
A

磁电式传感器

➢如果是P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得UH＝IB/ped。
➢因RH＝ρμ（其中ρ为材料电阻率；μ为载流子迁移率， μ=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半导体材料。
➢霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。
一般频响范围：10Hz~2kHz。
（二）变磁通式
又称为变磁阻磁电感应式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。结构原理如下图。
1、开磁路变磁通式
工作原理：线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2（导磁材料制成）安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一个齿，它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。
（三）磁电感应式扭矩仪（变磁通式）
1、结构组成：
转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁）固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和槽。
2、测量原理：
➢测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴（包括线圈和转子）分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。
➢安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传感器的定子槽与其转子齿相对。
定义：通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速）转换成电信号的一种传感器。
分类：磁电感应式传感器；霍尔式传感器；磁栅式传感器。
第一节磁电感应式传感器
▪ 磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称为电动式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。它是一种机-电能量变换型传感器。
在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁（极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60，其中Z为测量齿轮的齿数。

霍尔传感器专业知识讲座

从式evB= e UH /b知，霍尔电压UH与载流子旳运动速度 v有关，即与载流子旳迁移率有关。因为= v/El(El为电流方向上旳电场强度)，材料旳电阻=1/ne，所以霍尔系数RH与载流体材料旳电阻率和载流子旳迁移率旳关系为
RH= •金属导体：大，但小（n大）； •绝缘体：大（n小），但小；它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。 •半导体：、适中—合适作霍尔元件。
移动距离与输出关系
❖ 2．霍尔开关集成器件 ❖ 常用旳霍尔开关集成器件有UGN3000系列，
其外形与UGN3501T相同。
+
霍尔开关集成器件 (a) 内部构造框图；（b）工作特征；（c）工作电路；（d）锁定型器件工作特征
第三节霍尔传感器应用
❖ 霍尔电势是有关I、B、θ三个变量旳函数，即 E=kIBcosθ，人们利用这个关系能够使其中两个变量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一种量、其他两个量都作为变量。三个变量旳多种组合使得霍尔传感器具有非常广阔旳应用领域。霍尔传感器因为构造简朴、尺寸小、无触点、动态特征好、寿命长等特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、电功率等参数旳检测都能够选用霍尔器件。它尤其适合于大电流、微小气隙中旳磁感应强度、高梯度磁场参数旳测量。另外，也可用于位移、加速度、转速等参数旳测量以及自动控制。归纳起来，霍尔传感器主要有下列三个方面旳用途：
与IB旳乘积成正比，在这方面旳应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。
电流旳测量
霍尔传感器广泛用于测量电流，从而能够制成电流过载检测器或过载保护装置；在电机控制驱动中，作为电流反馈元件，构成电流反馈回路；构成电流表。
UGN3501M霍尔电流传感器原理如图所示。
❖ 上图给出了霍尔元件用于测量电流时旳工作原理图。原则圆环铁心有一种缺口，用于安装霍尔元件，圆环上绕有线圈，当检测电流经过线圈时产生磁场，则霍尔传感器就有信号输出。若采用传感器为UGN—3501M，当线圈为9 匝，电流为20A时，其电压输出约为7.4V。利用这种原理，也可制成电流过载检测器或过载保护装置。

什么是霍尔元件.

什么是霍尔元件霍尔元件的定义霍尔器件是一种磁霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔霍尔效应如图1 所示，在一块通电的（a）霍尔效应和霍尔元件这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。

霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。

这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。

在片子上作四个电极，其中C1、C2 间通以工作电流I，C1、C2 称为电流电极，C3、C4 间取出霍尔电压VH，C3、C4 称为敏感电极。

将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。

或(3)在上述（1）、（2）、（3）式中VH 是霍尔电压，ρ 是用来制作霍尔元件的材料的为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,令工作电流恒定,因而,被测磁场的磁感应强度B 可用霍尔电压来量度。

在一些精密的测量仪表中，还采用恒温箱，将霍尔元件置于其中，令RH 保持恒定。

若使用环境的温度变化，常采用恒压驱动，因和RH 比较起来，μn 随温度的变化比较平缓，因而VH 受温度变化的影响较小。

为获得尽可能高的输出霍尔电压VH，可加大工作电流，同时元件的功耗也将增加。

(3)式表达了VH 能达到的极限——元件能承受的最大功耗。

霍尔器件霍尔器件分为: 霍尔元件和霍尔集成两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。

后者将霍尔片和它的信号处理集成在同一个芯片上。

霍尔元件霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。

InSb 和GaAs 霍尔元件输出特性见图1(a)、图1(b).（a）霍尔效应和霍尔元件（b）InSb 霍尔元件的输出特性(c)GaAs 霍尔元件的输出特性图1 霍尔元件的结构和输出特性霍尔元件的特性1、霍尔系数（又称霍尔常数）RH在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度δ成反比，即UH =RH*I*B/δ，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。

霍尔元件灵敏度的测量

西北工业大学设计性基础物理实验报告班级：11051401 姓名：日期： 2016.05.27霍尔元件灵敏度的测量一、实验目的测量置于螺线管中部霍尔元件的灵敏度。

二、实验仪器（名称、型号及参数）可调直流双路输出稳压电源一台（E1：0-5V E2：0-20V）数字式万用表（限用直流电流2mA量程档）未知阻值的电阻R0直流多值电阻箱3个（只有R1阻值准确）TH-S螺线管磁场实验仪单刀单掷开关、导线三、实验原理1.霍尔效应任何导体中通过电流时，若存在垂直于电流方向的磁场，则导体内部产生与电流和磁场方向都垂直的电场。

2.测量计算方法当霍尔电场力与洛伦兹力平衡时，霍尔片中载流子不再迁移，霍尔片上下两个平面间会形成霍尔电压，且霍尔电压与电场强度成正比，流过器件的霍尔电流与电子定向运动速度成正比，则U H=K H I S B其中K H为比例系数，即霍尔元件的灵敏度。

3.不等位电位差可以通过取霍尔电压平均值来消除。

四、实验内容与方法1、测量未知电阻R0、万用表内阻r如图1连接线路，取U=4V，R1=2KΩ，测量I1，取下R0，替换为R2,，调节数值使万用表读数与前一致，则R2数值为R0。

如图2连接线路，调节R1=2KΩ，得到I2；调节R1’=3KΩ，得到I3，计算可得r。

2、测量励磁电流、霍尔电流、霍尔电压如图3连接电路，调节R1=4KΩ，根据等势点，可得励磁电流I M。

如图4连接电路，取R1=200Ω，根据R1和万用表内阻的比例可得霍尔电流I S。

如图5连接电路，将图4和图3连接到一起，取合适的R2值使得万用表读数为0，取R=1Ω此时R两端电压为霍尔电压，使用图6电路图得到电流表示数，计算霍尔电压。

五、实验数据记录与处理（列表记录数据并写出主要处理过程）图1：I1=1.845mA R0=9.5Ω图2：I2=1.847mA I3=1.251mA R1=2000Ω R1’=3000Ω解方程组得r=98.99Ω图3：R1=4000Ω I=0.965mA I M==0.963mA图4：R1=200Ω I万=0.698mA I s=0.698+6.98=7.678mA图5、图6：R2=13111.5Ω I万=0.002mA R=R万98.99Ω U=0.02*98.99=1.98V六、实验分析与讨论1.霍尔元件电流端电阻数百欧姆，其工作电流不能超过10mA，以免损坏霍尔元件，应详细计算出各个电路中保护电阻的大概数值之后进行测量。

霍尔传感器(精)

式中，UHt为温度为t时的霍尔电压；UH0为0时的霍尔电压；Rvt为温度为t时的输出电阻；Rv0为０时的输出电阻。负载RL上的电压UL为
UL=[UH0(1+α t) ] RL/[Rv0(1+β t)+RL]
(6-2-15)
为使UL不随温度变化，可对式(6-2-15)求导数并使其等于零，可得
RL/Rv0≈β /α -1≈β /α
即
v I nqbd
(6-2-5)
将式（6-2-5）代入式（6-2-3），得到
UH

1 nqd
IB

RH
IB d

K H IB
(6-2-6)
式中RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，RH

1 nq
；
KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和
单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，KH=RH/d，它
设霍尔元件的输入电阻为Ri，当输入控制电流I时，元件
的功耗Pi为
Pi

I 2R

I2
l
bd
(6-2-9)
式中，ρ 为霍尔元件的电阻率。
设霍尔元件允许的最大温升为Δ T，相应的最大允许控制电流为Icm时，在单位时间内通过霍尔元件表面逸散的热量应
等于霍尔元件的最大功耗，即
Pm

I
2 cm
l bd

2 AlbT
(6-2-10)
式中，A为散热系数W/(m2C)。上式中的2lb表示霍尔片的上、
下表面积之和，式中忽略了通过侧面积逸散的热量。
这样，由上式便可得出通过霍尔元件的最大允许控制电流为
Icm b 2AdT / (6-2-11)

实验二霍尔系数和电阻率的测量

实验二霍尔系数和电阻率的测量把通有电流的半导体置于磁场中，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象称为霍尔效应。

随着半导体物理学的发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。

通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。

若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。

一、实验目的1. 了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识；2. 学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量并绘制试样的V H-I S和V H-I M曲线；3. 确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。

二、实验原理霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。

当带电粒子（电子和空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的积累，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。

对于图 (a)所示的N型半导体试样，若在X方向的电极D、E上通以电流I S，在Z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力：FB（）v eg其中，e为载流子（电子）电量，v为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B为磁感A C A C(a(b图样品示意图无论载流子是正电荷还是负电荷，Fg 的方向均沿Y 方向，在此力的作用下，载流子发生偏移，则在Y 方向即试样A 、A ’电极两侧就开始聚集异号电荷，在A 、A ’两侧产生一个电位差V H ，形成相应的附加电场E H ——霍尔电场，相应的电压V H 称为霍尔电压，电极A 、A ’称为霍尔电极。

电场的指向取决于试样的导电类型。

N 型半导体的多数载流子为电子，P 型半导体的多数载流子为空穴。

对N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，P 型试样则沿Y 方向，有I S (X)、B (Z) E H (Y) < 0 (N 型)E H (Y) > 0 (P 型)显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移。

霍尔元件技术指标参考

霍尔元件技术指标1相关参数１.1封装形式TＯ—９2(三脚插片),SＯT-23(三脚贴片)。

还有SIP-4(四脚插片),SOＴ－１43(四脚贴片)与SOT－89(四脚贴片)1。

2电源有3、5~2４V,2。

５～3。

5V,2、5～5V1。

3灵敏度Kh 数量级在,且数值越大灵敏度越高1.4霍尔电势温度越小,设备精确度越大(必要时可以增加温度补偿电路)1。

5额定控制电流一般在几mA～几十mA,尺寸越大其值越大(尺寸大得可达几百ｍＡ)１。

６型号开关型得、线性得、单极性得、双极性得。

双极开关霍尔元件:１７7A、１７7B、１７７C单极霍尔开关元件:AH175、７32、1881、S41、SＨ１2AＦ、3144、４4E、３0２1、１37、ＡＨ137、AH28４线性霍尔元件:350３、S4９6B、４9Ｅ锁定霍尔元件:ATS17５、AＨ173、SS413A、31７2、３075互补双输出开关霍尔元件:2７6A、２7６Ｂ、2７6C、27７A、277Ｂ、27７Ｃ信号霍尔元件:2１1A、2１１B、211C微功耗霍尔元件:ＴEＬ４9１3、TP4913、A321２、A３2１１。

(具体霍尔开关元件见附录)ﻫ1.7输入电阻与输出电阻一般在几Ω到几百Ω,且输入电阻要大于输出电阻1。

8外接上拉电阻一般大于1KΩ、对一般TＴL电路,由于其高电平电压较低,用于驱动CＭOＳ电路时,增加上拉电阻,可以提高其高电平得电压。

常用得阻值就是4.7ｋ或10k。

上拉电阻得就是接在１脚电源Ｖｃc与3脚信号输出Ｖout之间。

１。

9功能分类按照霍尔器件得功能可将它们分为:霍尔线性器件与霍尔开关器件。

前者输出模拟量,后者输出数字量。

都就是输出高电平脉冲信号,不同得就是开关型相当于到ＧS设定值时电平反转;线性得可能就是电压逐渐变化,到一定时使后处理电路输出反电平、一般建议用线性得,开关型常因为温度等原因使得设定值漂移,导致灵敏度下降。

１、10霍尔工作点霍尔得工作点一般在:单极开关６0到2０0,双极锁定在１00内(单位GS)、1、1１霍尔工作频率一般霍尔得工作频率在100KHＺ以上1、12输出幅值由具体型号及供电电源决定,一般来讲,输出幅度比供电电源略低、1、1３输出方波延迟时间经过霍尔器件得信号在上升时有一定延迟,取上升１0％到90％得时间段作为参考,一般在ms数量级。

自动控制电路装调维修试题

自动控制电路装调维修试题1 （判断题）.CCD以电压或者电流为信号对借2 （判断题）.基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成位移传感器,用于探测位移、压力、温度等变化。

对（正确答案）错3 （判断题）.光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件。

对（正确答案）错4 （判断题）.光敏电阻亮电流与暗电流之差称为光电流。

对（正确答案）错5 （判断题）.光纤工作的基础是光的全反射。

对错6 （判断题）.光纤传感器所采用的光纤一般多采用同轴分布（发送光纤在外）方式的光纤。

对7 （判断题）.霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。

时错8 （判断题）.将半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。

对错9 （判断题）.有色金属传感器基本上属于高频振荡型。

对（正确答案）错10 （判断题）.电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，通过它将被测量如尺寸、位移、压力等非电量的变化转化成电容量的变化的一种传感器。

对错H（判断题）.电容式开关接近的作用电容式接近开关不仅能检测金属，而且也能对非金属物质如塑料、玻璃、水、油等物质进行相应的检测。

对（正确答案）错12 （判断题）.速度继电器以转速为输入量的非电信号检测电器，它能在被测转速升或降至某一预定设定的值时输出开关信号。

对错13 （判断题）.温度继电器是利用过热元件间接地反映出绕组温度而动作的保护电器称为温度继电器。

对错14 （判断题）.采用几个热电偶串联的方法测量多点的平均温度，当有一只热电偶烧断时，不能够很快地觉察出来。

对错15 （判断题）.压力继电器是利用液体压力来启闭电气触点的液电信号转换元件。

对错1（单选题）.下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是OOA、光电效应传感器B、红外热释电探测器C、固体图像传感器D、光纤传感器A、光电管（i-B、光电池C、光敏电阻D、光敏二极管3 （单选题）.下列光电器件是基于光导效应的是OoA、光电管B、光电池C、光敏电阻D、光敏二极管4 （单选题）.光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为OoA、伏安特性B、光照特性C、光谱特性D、频率特性5 （单选题）.下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是Oo A^光电效应传感器B、红外热释电探测器C、固体图像传感器D、光纤传感器（正确答案）6 （单选题）.光敏电阻的特性是OA、有光照时亮电阻很大B、无光照时暗电阻很小C、无光照时暗电流很大D、受一定波长范围的光照时亮电流很大（7 （单选题）.光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和（）两个重要部件。

关于霍尔元件特性分析及参数的讨论

关于霍尔元件特性分析及参数的讨论江铭波;贺华;徐国旺【摘要】The character of the output voltage of the Hall electronic components was first investigated and the characterized parameters of the Hall electronic components were redefined.Furthermore,the cause of zero deviation was analyzed.%阐明霍尔元件的输出电压及其特性,对霍尔元件的几个特性参数进行再定义,全面分析零位误差产生的原因.【期刊名称】《湖北工业大学学报》【年(卷),期】2012(027)002【总页数】4页(P104-106,121)【关键词】形状系数;额定控制电流;霍尔灵敏度;磁灵敏度【作者】江铭波;贺华;徐国旺【作者单位】湖北工业大学理学院,湖北武汉430068;湖北工业大学理学院,湖北武汉430068;湖北工业大学理学院,湖北武汉430068【正文语种】中文【中图分类】TP2121 霍尔元件的结构和霍尔电压霍尔元件是根据霍尔效应制成的四端子磁电转换元件.主要由霍尔芯片、四根引线和壳体组成.芯片是一块用半导体晶体制成的矩形或十字形薄片，四根引线中有两根为外加激励电流或激励电压的输入电极，称为激励电极或控制电极；另两根是霍尔电压输出端引线，称为霍尔电极.外壳一般由塑胶树脂材料、非导磁材料或陶瓷材料制成，但有些外壳上带有高导磁率材料制成的磁性物质贴片，为的是获得较大的输出电压.霍尔元件在垂直于芯片受磁平面的磁场B和控制电流I的作用下，产生霍尔电压［1］其中d是芯片厚度；RH为霍尔系数.但严格讲，式（1）仅适于无限长的霍尔芯片，实际上芯片的长度是有限的，若芯片长为l，宽为b，长宽比之值常设在不同形状的芯片，将导致电流电极和霍尔电极对霍尔电压产生影响.因此实际产生的霍尔电压应修正为［2］设KH为比例系数，则式中，KH称为霍尔乘积灵敏度；为元件的形状函数或元件的形状效应系数.形状效应系数之值随元件的形状而异.从实际情形来看，十字形元件的值受磁场的影响较小，为了得到较高的值，实际应用的霍尔元件大都采用十字形.元件的形状系数修正值分别如表1［3］和图1所示.表1 形状效应系数l／b f（l／b） l／b f（l／b）0.5 0.370 2.5 0.967 1.0 0.675 3.0 0.984 1.5 0.841 4.0 0.996 2.0 0.923图1 霍尔元件形状系数曲线2 对霍尔元件几个特性参数定义的讨论描述霍尔元件的特性参数较多，各厂家给出的参数不尽一致，对参数名称的定义也不十分严谨.这无疑给研究、设计及使用者等带来不便.依笔者拙见，提出如下几点看法，以和广大读者讨论.2.1 额定控制电流、最大控制电流和额定功耗由于霍尔材料本身特性以及使用时受到环境、温升、散热条件等的影响，其控制电流受到限制，其所限控制电流的大小如何确定，在文献中，大约有3种表述：1）当霍尔元件自身温升100C时所流过的控制电流，称为额定控制电流Ic；当霍尔元件达到其允许的最高温升时，流过霍尔元件的电流称为最大控制电流Icm［4］.2）霍尔元件因电流而发热，使在空气中的霍尔元件产生允许温升ΔT的控制电流称为额定控制电流Icm，当I＞Icm时，器件温升将大于允许的温升，器件特性将变坏［5］.3）根据额定功耗P0定义额定控制电流：在环境温度250C时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积称为霍尔元件的额定功耗P0，当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗P0就可以确定额定控制电流［6］.对霍尔元件，使用额定控制电流这一参数是完全必要的，在额定控制电流范围内使用霍尔元件是安全的；而对于“最大允许控制电流”的概念，可以并入额定控制电流这一概念之中，并对额控制电流严格定义为：在环境温度250C时，使霍尔元件产生允许温升ΔT的控制度电流称为额定控制电流，即式中，b、d分别为霍尔元件宽度和厚度；ρ为元件工作区电阻率；as为元件的散热系数.因此，额定控制电流Icm是与材质、元件大小、散热条件及允许温升ΔT有关的量.额定功耗定义为：在环境温度250C时，允许通过霍尔元件的额定控制电流Icm和电压的乘积，用P0表示.2.2 霍尔灵敏度KH和磁灵敏度KB霍尔乘积灵敏度简称为霍尔灵敏度或灵敏度，由霍尔片自身的材料结构和尺寸以及结构决定，是反映霍尔元件磁电变换大小的一个重要参数.一般要求KH越大越好，显然d越小，KH越大.但元件厚度太薄，会使元件的输入、输出电阻增加，因此不宜太薄.此外KH与形状系数有关.在霍尔片的材质和形状尺寸以及结构决定后，KH就成为一个常数.在实际使用上，霍尔元件的使用手册中经常是在输入Ic＝1mA的控制电流，在垂直于感磁面方向施加0.1T的外磁场B条件下，给出其霍尔电极上产生的霍尔电压值，以此种形式体现出霍尔元件的灵敏度，其单位为mV／（mA·T）.磁灵敏度定义为：当控制电流为额定控制电流Icm时，单位磁感应强度产生的开路霍尔电动势称为磁灵敏度，用KB表示.是在当时，由于并根据式（5）计算出最大霍尔电压因而根据定义，求得可见选用乘积μρ1／2和允许温升ΔT 大的半导体材料，就可以得到较大的磁灵敏度，N型砷化镓霍尔元件的μ和ρ均较大，其磁灵敏度也大.2.3 不平衡电势U0和不平衡电阻r0在额定控制电流Icm之下，不加磁场时，霍尔电极之间的空载霍尔电势称为不平衡电势，或不等位电势，用U0表示，单位为mV.不平衡电势U0和额定控制电流之比称为不平衡电阻，或不等位电阻，用r0表示.不平衡电势U0是额定控制电流通过不平衡电阻r0产生的电压降.不平衡电阻是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等原因造成的.有的文献对不等位电势U0这样定义：当控制电流I流过元件时，即使磁感应强度等于零，在霍尔电极上仍有电动势存在，该电动势称为不等位电动势U0.显然这里的不等位电势与前者不完全等同.有些产品提供不平衡电势U0之值应为前者，有些产品提供不平衡电阻r0参数数值，则更为确切.3 霍尔元件的零位误差在实际使用中，存在着各种影响霍尔元件精度的因素，即在霍尔电势中存在着各种误差电势，产生这些误差的因素主要有两类，一类是半导体本身所固有的温度特性；另一类是半导体制造工艺的缺陷.分别表现为温度误差和零位误差.笔者仅分析零位误差的物理机制.3.1 零位误差零位误差是在不加控制电流或不加外磁场时.出现的霍尔电势.前述不平衡电势是主要的零位误差.不平衡电势输出，其数量级与霍尔电势的数量级相当，因此对霍尔元件的不平衡电势不能忽略.如果经过测试确知霍尔电极偏离等位面的方向，则可以采用机械修磨或用化学腐蚀的方法来减小不等位电势.现在一般采用补偿网络进行补偿.3.2 寄生直流电势在没有磁场下，元件通以交流控制电流，其输出除了交流不等位电势外，还有个直流电势分量，此电势称为寄生直流电势.产生寄生直流电势的原因有两个，一是由于电流控制极及霍尔电极的欧姆接触不良，造成整流效应；二是由于霍尔电极的焊点大小不同，导致两焊点的热容量不同而产生温差效应，造成直流附加电势.寄生直流电势很容易导致输出产生漂移，为减小其影响，在元件制作和安装时应尽量改善电极的欧姆电阻接触性能和元件的散热条件.3.3 感应零电势Ui0当没有控制电流时，在交流或脉动磁场作用下产生的电势称为感应零电势Ui0.它与霍尔电极引线构成的感应面积s成正比，如图2a所示，根据电磁感应定律有为了减小感应零电势，可通过合理布线，使霍尔电极引线围成感应面积s所产生的感应电势互相抵消（图2b）.图2 感应电势及其补偿3.4 自激场零电势当霍尔电极通以控制电流时，此电流会产生磁场，这一磁场称为自激场（图3a）.由于元件的左右两半场相等，故产生的电势方向相反，而相互抵消.实际应用时多为图3b所示的形状.由于控制电流引线也产生磁场，使元件左右两磁场强度不相等，因而有霍尔电势输出，这一输出电势称为自激场零电势.图3 自激场零电势示意图要克服自激场零电势的影响，只要在安装过程中将控制电流予以合理安排.［参考文献］［1］江铭波，阎旭东，徐国旺.霍尔效应及霍尔元件在物理检测中的应用［J］.湖北工业大学学报 2011（2）：142－144.［2］钱显毅，唐国兴.传感器原理与检测技术［M］.北京：机械工业出版社，2010.［3］王桂荣，李宪芝.传感器原理及应用［M］.北京电力出版社，2010.［4］苏震.现代传感技术［M］.北京：电子工业出版社，2010.［5］孟立凡，蓝金辉.传感器原理及应用［M］.北京：电子工业出版社，2008. ［6］刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术［M］.北京：人民邮电出版社，2010.。