电气测试技术第九章霍尔式传感器.ppt

广东机电职业技术学院 霍尔效应 通电的半导体，在垂直于电流和磁场的方向上（即平行于电流和磁场方向所形成的平面两侧）将产生电动势的现象。 + I + + + + + － － － － － － Ｂ l w d P型半导体霍尔效应原理图 VH 左手定则： B穿过手心， 四个手指为电流指向， 则大拇指为洛伦兹力方向。 第九章 霍尔式传感器 问题：如果是N型半导体呢？ FE FL V 第一节 工作原理 霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。 次年，霍尔又在磁性金属中发现了无需外部磁场的霍尔效应，称为反常霍尔效应。（而不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是霍尔反常效应。霍尔反常电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此是一类新的重要物理效应。） 从那时起，霍尔效应就像一个富矿，一代又一代科学家为之着迷和献身，他们的成就也多次获得诺贝尔物理奖。 ? 1980年左右，德国科学家冯·克利青发现了整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理奖。 　 1982年，美籍华人物理学家崔琦和施特默等发现了分数量子霍尔效应，这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释，他们三人荣获1998年诺贝尔物理奖。 　 最近一次与霍尔效应有关的诺贝尔奖是2010年的诺贝尔物理奖。2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米，是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。 　 此外，量子化自旋霍尔效应于2007年被发现，2010年获得欧洲物理奖，2012年获得美国物理学会巴克利奖。 　　 2013年3月15日，《科学》杂志在线发文，宣布清华大学教授薛其坤院士领衔的团队在实验上首次发现量子反常霍尔效应，而这被认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。　 中新社北京4月10日电中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应引起国际物理学界巨大反响，著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁10日称赞其是诺贝尔奖级的成绩。 ? 清华大学和中国科学院物理研究所10日在北京联合宣布：由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一实验发现也证实了三年前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。 杨振宁表示，这让他想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉他在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果，是从中国的实验室里第一次做出了诺贝尔奖级的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。 FL－洛伦兹力 FE－电场力 KH－霍尔元件的乘积灵敏度 B－磁感应强度 －磁场方向与垂直电流方向的夹角 结论：P型半导体和N型半导体在相同磁感应强度和电流方向下，产生的霍尔电势的极性是相反的。 霍尔电势： 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。 n－N型半导体电子浓度 d－霍尔元件厚度 d越小，KH越大，因此霍尔元件通常做得很薄。 霍尔器件的符号表示 H A A A B B B C C C D D D 电流端 霍尔端或输出端 第二节 基本结构和技术指标 霍尔元件的材料 霍尔元件是一种四端元件 霍尔器件的技术指标： 1、额定控制电流：受散热条件的限制。 2、乘积灵敏度KH：反映霍尔元件本身所具有的磁电转换能力。 单位：V/A?T 3、输入电阻Ri和输出电阻Ro：可用欧姆表直接测量。 4、不等位电势UM：I≠0,B=0时的输出电压。 5、温度系数α VH R0 B I：控制电流 E IH：霍尔电流 霍尔器件的基本电路 R 控制电流I由电源E供给, R为调节电阻，R0可是一 般电阻或放大器的输入电阻。 第三节 霍尔元件的测量电路 控制电流可以是直流也可以是交流。 实际的问题：存在不等位电势和温度系数 一、温度补偿 1、采用恒流源提供控制电流 2、合理选择负载电阻 3、采用热敏元件 二、不等位电势的补偿 基本思想：将霍尔元件等效为一个电桥。 UM=0，电桥平衡； UM ≠0，则电桥处于不平衡状态。 RW RW 第四节 霍尔式传感器应用 案