集成霍爾傳感器的特性測量與應(yīng)用

1、集成霍爾傳感器的特性測量與應(yīng)用【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解霍耳效應(yīng)原理和集成霍耳傳感器的工作原理。2通過測量螺線管勵磁電流與集成霍耳傳感器輸出電壓的關(guān)系，證明霍耳電勢差與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。3   用通電螺線管中心點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論計算值校準(zhǔn)集成霍耳傳感器的靈敏度。4測量螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度沿螺線管中軸線的分布，并與相應(yīng)的理論曲線比較。【實(shí)驗(yàn)原理】1、   霍耳效應(yīng)將一導(dǎo)電體（金屬或半導(dǎo)體）薄片放在磁場中，并使薄片平面垂直于磁場方向。當(dāng)薄片縱向端面有電流I流過時，在與電流I和磁場B垂直的薄片橫向端面a、b間就會產(chǎn)生一電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)（Hall effec

2、t），所產(chǎn)生的電勢差叫做霍耳電勢差或霍耳電壓，用UH表示。霍耳效應(yīng)是由運(yùn)動電荷（載流子）在磁場中受到洛倫茲力的作用引起的。洛倫茲力使載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在薄片橫向端面上聚積電荷形成不斷增大的橫向電場（稱為霍耳電場），從而使載流子又受到一個與洛倫茲力反向的電場力，直到兩力相等，載流子不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在a、b間形成一個穩(wěn)定的霍耳電場。這時，兩橫向端面a、b間的霍耳電壓就達(dá)到一個穩(wěn)定值。端面a、b間霍耳電壓的符合與載流子電荷的正負(fù)有關(guān)。因此，通過測量霍耳電壓的正負(fù)，即可判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。實(shí)驗(yàn)表明，在外磁場不太強(qiáng)時，霍耳電壓與工作電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，與薄片厚度成反比，即  

3、( 1)式中比例系數(shù) 和分別為霍耳系數(shù)和霍耳元件的靈敏度。用霍耳效應(yīng)測量磁場是在霍耳元件的靈敏度和工作電流已知的情況下，通過測量霍耳電壓，再由公式（1）求出磁感應(yīng)強(qiáng)度。2、   集成霍耳傳感器SS495A型集成霍耳傳感器（線性測量范圍0-67mT，靈敏度31.25V/T）由霍耳元件、放大器和薄膜電阻剩余電壓補(bǔ)償器組成。測量時輸出信號大，不必考慮剩余電壓的影響。工作電壓Vs5V，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時，輸出電壓為。它的輸出電壓U與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成線性關(guān)系。該關(guān)系可用下式表示 （2）式中U為集成霍耳傳感器輸出電壓，K為該傳感器的靈敏度。3、   螺線管內(nèi)磁場分布單

4、層螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度沿螺線管中軸線的分布可由下式計算 （3）式中N為線圈匝數(shù)，L為螺線管長度，Im為勵磁電流，D為線圈直徑，x為以螺線管中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)時的位置，亨/米為真空磁導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)中所用的螺線管是由10層繞線組成。根據(jù)每層繞線的實(shí)際位置，用公式（3）可以計算每層繞線的B（x）值，將10層繞線的B（x）值求和，即可得到螺線管內(nèi)的磁場分布。書中表1給出了勵磁電流（100mA）時螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論計算值。由它可以容易得到不通勵磁電流時螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論計算值。（對于同一點(diǎn)x來說，C（x）是相同的，也就是說, 即B和成正比關(guān)系，即螺線管內(nèi)任意一固定點(diǎn)的磁場的理論計算值和勵磁電流成正比

5、關(guān)系）。表1. 勵磁電流IM =0.1A時螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論計算值x (cm)B (mT)x (cm)B (mT)01.4366±8.01.4057±1.01.4363±9.01.3856±2.01.4356±10.01.3478±3.01.4343±11.01.2685±4.01.4323±11.51.1963±5.01.4292±12.01.0863±6.01.4245±12.50.9261±7.01.4173±13.00.7233【實(shí)

6、驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計算】1. 集成霍爾傳感器靈敏度K隨工作電壓Us變化的測量；以 Us=5V U0=2.508V U=2.617V 為標(biāo)準(zhǔn)值理論得到的B=1.4366×2.5 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

7、.0130.3533.1336.2039.82K99.08%49.54%33.95%22.94%11.01%0%09.17%19.26%31.19%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

8、=K-K標(biāo)準(zhǔn)×100%作出圖像：將霍耳傳感器置于螺線管內(nèi)中心點(diǎn)，當(dāng)螺線管通過勵磁電流IM時，在0至500mA電流輸出范圍內(nèi)，每隔50mA測量集成霍耳傳感器的輸出電壓U，記錄UIM關(guān)系數(shù)據(jù)；1234567891011Im/mA050100150200250300350400450500B /mT00.7181.4372.1552.8733.5924.3105.0285.7466.4657.183U / V00.02140.04300.06460.08630.10800.12970.15140.17320.19490.2164產(chǎn)品說明書中K值：31.25±1.25 V/T作關(guān)系

9、圖：Linear Regression through origin for DATA2_B:Y = B * XParameterValueError-A0-B0.030111.37764E-5-RSDNP-11.94167E-411<0.0001-直線擬合的相關(guān)系數(shù)為1 ，擬合度非常高。由圖中的擬合直線的斜率B= 0.03011可得 K=30.11 V/T在說明書的誤差范圍之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)成功。在勵磁電流為mA時的霍耳傳感器在管內(nèi)不同位置處的霍耳電壓U；123456789X /cm-13.00-12.50-12.00-11.50-11.00-10.50-10.00-9.50-9.00U /m

10、V53.4268.5381.3290.1195.5199.18101.61103.33104.48B /mT1.7742.2762.7012.9933.1723.2943.3753.4323.470101112131415161718X /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 /mV108.28108.28108.24108.22108.14107.96107.61107.10106.20B /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 /mT3.4793.4423.3893.3