1、會計學1第1頁/共45頁山東農業大學物理實驗教學中心山東農業大學物理實驗教學中心第2頁/共45頁Edwin Hall（18551938） 霍爾效應是霍爾霍爾效應是霍爾 (Hall)24歲時在美國霍普金斯大學歲時在美國霍普金斯大學研究生期間，研究關于載研究生期間，研究關于載流導體在磁場中的受力性流導體在磁場中的受力性質時發現的一種現象。質時發現的一種現象。第3頁/共45頁第4頁/共45頁霍爾效應測試霍爾效應測試儀儀霍爾效應實驗霍爾效應實驗儀儀 第5頁/共45頁由電磁鐵（由電磁鐵（2500GS/A）、霍爾樣品及調節架、雙刀雙擲開關構成。）、霍爾樣品及調節架、雙刀雙擲開關構成。 第6頁/共45頁霍爾

2、效應實驗儀的部件之一：電磁鐵（霍爾效應實驗儀的部件之一：電磁鐵（2500GS/A） 第7頁/共45頁霍爾樣品及調節霍爾樣品及調節架架 第8頁/共45頁調節架上的水平和垂直刻度調節架上的水平和垂直刻度 第9頁/共45頁霍爾效應測試儀霍爾效應測試儀 第10頁/共45頁YXZ4312dBHI (1-1)dBRIVHHHV第11頁/共45頁 上式中比例系數R稱為霍爾系數，對同一材料R為一常數。因成品霍爾元件（根據霍爾效應制成的器件）d也是一常數。故R/d常用另一常數K來表示，有BKIVHHK稱為霍爾元件的靈敏度，它是一個重要參數，表示該元件在單位磁感應強度和單位電流作用時霍爾電壓的大小。如果霍爾元件的

3、靈敏度K知道（一般由實驗室給出），測出電流 和霍爾電壓 ，就可以根據下式求出磁感應強度B。HIHVHHKIVB第12頁/共45頁+ + + + + + + + - - - - - - - LxBbYdevBfB 現研究一個長度為L、寬度為d的N型半導體材料制成的霍爾元件。當沿X方向通以電流 后，載流子（對N型半導體是電子）e將以平均速度v沿與電流相反的方向運動，在磁感應強度為B的磁場中，電子將受到洛侖茲力的作用，其大小為HIHIeBfzv第13頁/共45頁 的方向可以由左手定則決定。在 的作用下，電荷將在元件沿y的兩端面堆積形成電場 它會對載流子產生一靜電力 ，其大小為它的方向與洛侖茲力相反，

4、即它是阻止電荷繼續堆積。+ + + + + + + + - - - - - - - LxBbYZdBfBfHEeEf EfEfBfeV第14頁/共45頁當 和 達到靜態平衡后，有 即于是電荷堆積的兩端面（Z方向）的電勢差為 通過的電流可表示為 式中n是電子濃度，得vbBVH（1- 4）nevbdIH（1- 5）nebdIvHBfBfEf=EfbVeeEevbHH第15頁/共45頁將 代入 可得vbBVHnebdIvHnedBIvH可改寫為BKIdBRIVHHH就是霍爾系數neR1第16頁/共45頁第17頁/共45頁第18頁/共45頁 霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢UH的影響很大。通

5、常霍爾電極位于極片長度的中間，其寬度遠小于基片的長度。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如下圖：第19頁/共45頁1鍺(Ge) 輸出小，但溫度性能和線性度較好； 2硅(Si) 線性度最好，但帶負載能力較差，通常不作單個霍爾元件；3砷化銦(InAs) 輸出較大，受溫度影響小，線性度較好，應用較多； 4銻化銦(InSb) 輸出大，但受溫度影響大（尤其是低溫）v 霍爾元件材料： 第20頁/共45頁第21頁/共45頁第22頁/共45頁 1) 不等位電勢及其補償第23頁/共45頁霍爾元件不等位電勢原理圖第24頁/共45頁第25頁/共45頁2) 溫度誤差及其補償第26頁/共45頁第27頁/共45頁溫度補償

6、電路 電流I為恒定電流，不受溫度影響；電阻rH為霍爾元件等效輸入電阻；在霍爾元件的控制電極并聯一個合適的補償電阻rT，rT具有與rH相同的正溫度系數，起分流作用。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，rT會自動加強分流，減小了霍爾元件的控制電流IH，從而達到補償的目的。補償原理：第28頁/共45頁橋路補償法的溫度補償電路第29頁/共45頁 3）寄生直流電壓 在無磁場的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量稱為寄生直流電壓。產生寄生直流電壓的原因大致上的兩個方面： 1) 由于控制極焊接處歐姆接觸不良而造成一種整流效應，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量

7、。 2) 輸出極焊點熱容量不相等產生溫差電動勢。 制做和封裝霍爾元件時，發送電極歐姆接觸性能和元件的散熱條件，是減少寄生直流電壓的有效措施。 第30頁/共45頁 4 4、集成霍爾傳感器、集成霍爾傳感器 集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優點，正越來越愛到眾的重視。 集成霍爾傳感器的輸出是經過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類

8、型。第31頁/共45頁(1) 開關型集成霍爾傳感器 開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經過處理后輸出一個高電平或低電平的數字信號。其典型電路見圖。 第32頁/共45頁 第33頁/共45頁 集成霍爾傳感器的輸出電平與磁場B之間的關系見圖6-2-7，可以看出，集成霍爾傳感器的導通磁感應強度和截止磁感應強度之間存在滯后效應。 開關型集成霍爾傳感器的這一特性，正是我們所需要的，它大大增強了開關電路的抗干擾能力，保證開關動作穩定，不產生振蕩現象。第34頁/共45頁 (2) 線性集成霍爾傳感器 線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出信號與磁感應強度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩壓四部分組成，其典型線路見圖。圖中，霍爾元件的輸出經由V1、V2、R1至R5組成的第一級差分放大器放大，放大后的信號再由V3、V6、R6、R7組成的第二級差分放大器放大。第二級放大采用達林頓對管，射極電阻R8外接，適當選取R8的阻值，可以調整該極的工作點，從而改變電路增益。在電源電壓為9V，R8取2K時，全電路的增益可達1000倍左右，與分立元件霍爾傳感器相比，靈敏度大為提高。 第35頁/共45頁第36頁/共45頁4. 霍爾式傳感器的應用霍爾式傳感器的應用l I保持恒定，UHB 可測量位移、角度、轉速及加速度等