霍尔效应及其传感器论文.doc

自动的检测与转换技 霍尔传感器论文 系部 电器工程系 专业 机电一体化 班级 10233 姓名 王永 学号 1023325 云南机电技术学院 2011年12月16日星期五 前言 霍尔效应在当今科学技术的许多领域都有着广泛的应用，如测量技术、电子技术、自动化技术等。近年来，由于新型半导体材料和低维物理学的发展使得人们对霍尔效应的研究取得了许多突破性进展。德国物理学家克利青(K.V.Klitzing)因发现量子霍尔效应而荣获1985年度诺贝尔物理学奖；美籍华裔物理学家崔琦、美籍德裔物理学家施特默(H.L.Stormer)和美国物理学家劳克林(R.B.Laughlin)因在发现分数量子霍尔效应方面所作出的杰出贡献而荣获 1998 年度诺贝尔物理学奖。这一领域因两次授予诺贝尔奖而引起了人们广泛的兴趣，崔琦也成为第六位获得诺贝尔奖的华裔科学家。本文系统阐述了霍尔效应及应用，并详细介绍了国内外有关量子霍尔效应研究的新进展。 1霍尔效应 1897 年，霍尔（E.H.Hall） 霍尔效应：在半导体薄片两端通一控制电流I,并在薄片的垂直方向视角磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向，将产生电势差为UH的霍尔电压。这种现象叫做霍尔效应。（如图1所示） 由实验可知：流入激励电流端的电流I越大,作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高。 霍尔电动势UH的表达式为 UH=KHIB 式中KH——霍尔元件灵敏度。 根据霍尔效应，人们利用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。该元件广泛的利用在测量，自计算机以及信息技术等领域得到了广泛的利用。 霍尔器件具有许多优点，他们结构牢固，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，水汽，油污以及盐雾等污染或腐蚀。 3.霍尔传感器的工作原理 磁场平衡式霍尔电流传感器是由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次级线圈、放大器等组成，如图所示。其工作原理是磁场平衡式的，即原边电流所产生的磁场，用通过次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态。具体工作过程为： 当原边回路有一大电流IP流过时，在导线周围产生一个强的磁场HP，这一磁场被聚磁环聚集，并感应霍尔元件，使其有一个信号输出Uh，这一信号经放大器N放大，再输入到功率放大器中，这时相应的功率管导通，从而获得一个补偿电流Is。由于这一电流要通过很多匝绕组，多匝导线所产生的磁场Hs与原边电流所产生的磁场Hp方向相反，因而相互抵消，引起磁路中总的磁场变小，使霍尔器件的输出逐渐减小，最后当Is与匝数相乘所产生的磁场Hs与Ip所产生的磁场Hp相等时，达到磁场平衡，Is不再增加，这时霍尔元件就处于零磁通检测状态。 上述过程是在非常短的时间内完成的，这一平衡的建立所需时间在１μs之内，且是一个动态平衡过程，即：原边电流Ip的任何变化都会破坏这一磁场平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔元件就有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过次级线圈对其进行补偿。因此从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时刻都与原边电流的安匝数相等，即：|NpIp|=|NsIs| 其中：Np为原边匝数，Ip原边电流；Ns为次级匝数，Is为次级电流。 所以，若已知Np、Ns，测得Is，即可得到原边电流Ip的大小。利用同样的原理，可进行电压测量，只需在原边线圈回路中串联一个电阻R1，将原边电流Ip转换成被测电压Up。 即：Up=(R1+Rin)Ip=(R1+Rin)NsIs/Np 式中Rin为原边内阻。 磁平衡式电流电压传感器测量输出信号为电流形式Is。若要获得电压的输出形式，用户需在M端和电源零点之间串一只电阻Rm，并在其上取电压Um，如图所示，串联电阻的大小由下式限定： Rmmax=(Emin-Uces-IsRi)/Is 其中：Emin为电源输出最小电压，Ri为传感器次级内阻，Uces为输出功率管的饱和压降。 用户可取的最大电压为：Ummax=Rmmax╳Is霍尔效应的应一般而言，金属和电解质的霍尔系数很小，霍尔效应不显著；半导体的霍尔系数则大得多，霍尔效应显著。从20世纪60年代起，随着半导体材料和半导体工艺的飞速发展，人们发现用半导体材料制成的霍尔元件具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输 出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，将其广泛应用于电磁测量、非电量测量、自动控制、计算与通讯装置中。 1) 测量半导体特性 霍尔效应对于诸多半导体材料和高温超导体的性质测量来说意义重大。设导体中电流方向如图1 所示，如果载流子带负电，它的运动方