用霍尔元件测磁场

前言：

霍耳效应是德国物理学家霍耳（A.H.Hall 1855—1938）于1879年在他的导师罗兰指导下发现的。由于这种效应对一般的材料来讲很不明显，因而长期未得到实际应用。六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，这一效应才在科学实验和工程技术中得到了广泛应用。

利用半导体材料制成的霍耳元件，特别是测量元件，广泛应用于工业自动化和电子技术等方面。由于霍耳元件的面积可以做得很小，所以可用它测量某点或缝隙中的磁场。此外，还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别半导体的类型等。近年来霍耳效应得到了重要发展，冯﹒克利青在极强磁场和极低温度下观察到了量子霍耳效应，它的应用大大提高了有关基本常数测量的准确性。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍耳器件，会有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对今后的工作将大有益处。

教学目的：

1.    了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性。

2.    掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。

3.    学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。

教学重难点：

1. 霍尔效应

2. 霍尔片载流子类型判定。

实验原理

如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中，其平面与磁场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（M、N和P、S），径电极M、N通以直流电流I_H，则在P、S极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片就是霍尔片。

假设霍尔片是由n型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极M、N上通过的电流由M极进入，N极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流I_S的方向相反为v,运动的载流子在磁场B中要受到洛仑兹力f_B的作用，f_B=ev×B，电子在f_B的作用下，在由N→M运动的过程中，同时要向S极所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（P极所在侧面）带正电，在上下两侧面之间就形成电势差V_H，即霍尔电势差。薄片中电子在受到f_B作用的同时，要受到霍尔电压产生的霍尔电场E_H的作用。f_H的方向与f_B的方向正好相反，E_H=V_H/b , b是上下侧面之间的距离即薄片的宽度，当f_H+f_B=0时，电子受力为零达到稳定状态，则有

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磁阻传感器和地磁场的测量

一．实验目的

掌握磁阻传感器的特性。

掌握地磁场的测量方法。

二．实验原理

  物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。

HMC1021Z型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图6-8-1所示。薄膜的电阻率依赖于磁化强度和电流方向间的夹角，具有以下关系式 

其中、分别是电流平行于和垂直于时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。

HMC1021Z磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2所示，图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压可以用下式表示为

      

                磁阻传感器的构造示意图　　                   磁阻传感器内的惠斯通电桥

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测螺线管磁场———实验原理

图1

   图1是一个长为2l，匝数为N的单层密绕的直螺线管产生的磁场。当导线中流过电流I时，由毕奥—萨伐尔定律可以计算出在轴线上某一点P的磁感应强度为

式中，为单位长度上的线圈匝数，R为螺线管半径，x为P点到螺线管中心处的距离。在SI单位制中，B的单位为特斯拉（T）。图1同时给出B随x的分布曲线。

    磁场测量的方法很多。其中最简单也是最常用的方法是基于电磁感应原理的探测线圈法。本实验采用此方法测量直螺线管中产生的交变磁场。下图是实验装置的实验装置的示意图。

  

图2

当螺线管A中通过一个低频的交流电流i(t) = I₀sinωt时，在螺线管内产生一个与电流成正比的交变磁场B(t) = C_pi(t) = B₀sinωt其中C_p是比例常数，把探测线圈A1放到螺线管内部或附近，在A1中将产生感生电动势，其大小取决于线圈所在处磁场的大小、线圈结构和线圈相对于磁场的取向。探测线圈的尺寸比较小，匝数比较多。若其截面积为S1，匝数为N1，线圈平面的法向平面与磁场方向的夹角为θ，则穿过线圈的磁通链数为:

Ψ = N₁S₁B(t)cosθ

根据法拉第定律，线圈中的感生电动势为：

通常测量的是电压的有效值，设E(t)的有效值为V，B(t)的有效值为B，则有，由此得出磁感应强度：

其中r₁是探测线圈的半径，f是交变电源的频率。在测量过程中如始终保持A和A₁在同一轴线上，此时，则螺线管中的磁感应强度为

在实验装置中，在待测螺线管回路中串接毫安计用于测量螺线管导线中交变电流的有效值。在探测线圈A₁两端连接数字毫伏计用于测量A₁中感应电动势的有效值。

    使用探测线圈法测量直流磁场时，可以使用冲击电流计作为探测仪器，同学们可以参考冲击电流计原理设计出测量方法。

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【实验题目】通过霍尔效应测量磁场

【实验目的】

1、了解霍尔效应原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。

2、学习用“对称测量法”消除付效应影响。

3、根据霍尔电压判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，

【实验仪器】

QS-H霍尔效应组合仪

【实验原理】

1、通过霍尔效应测量磁场

霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极A、A上施加电流I时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为)受到洛伦兹力的作用，

                                        (1)

无论载流子是负电荷还是正电荷，的方向均沿着x方向，在磁力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片B、B两侧产生一个电位差,形成一个电场E。电场使载流子又受到一个与FB方向相反的电场力，

                     (2)

其中b为薄片宽度，随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时，即

                           (3)

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北京邮电大学

电磁场与电磁波测量实验

实验报告

实验内容：无线信号场强特性的研究

学院：电子工程学院

班级：2010211203班

组员：崔宇鹏 张俊鹏 章翀

20##年5月9日

一、实验目的

1.通过实地测量校园内室内外的无线电信号场强值，掌握室内外电波传播的规律。

2.熟悉并掌握无线电中的传输损耗，路径损耗，穿透损耗，衰落等概念。

3.熟练使用无线电场强仪测试空间电场强的方法。

4.学会对大量数据进行统计分析，并得到相关传播模型。

二、实验原理

1、电波传播方式

电磁场在空间中的传输方式主要有反射、绕射、散射三种模式。当电磁波传播遇到比波长大很多的物体时，发生反射。当接收机和发射机之间无线路径被尖锐物体阻挡时发生绕射。当电波传播空间中存在物理尺寸小于电波波长的物体、且这些物体的分布较密集时，产生散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其它不规则物体、树叶、街道、标志、灯柱。

2、无线信道中信号衰减

无线信道中的信号衰减氛围衰落，路径损耗，建筑物穿透损耗。此外还有多径传播的影响。

移动环境下电波的衰落包括快衰落和慢衰落（又叫阴影衰落），快衰落的典型分布为Rayleigh分布或Rician分布；阴影衰落的典型分布为正态分布，即高斯分布。快衰落和慢衰落两者构成移动通信系统中接收信号不稳定因素。

路径损耗：测量发射机和接收机之间信号的平均衰落。即定义为有效发射功率（Pt）和平均接收功率（Pr）之差（dB）。距离是决定路径损耗大小的首要因素；除此之外，还与接收点的电波传播条件密切相关。

人们根据不同的地形地貌条件，总结出各种电波传播模型：自由空间模型，布林顿模型，Egli模型，Hata-Okumura模型。

建筑物的穿透损耗是指建筑物外测量的信号的中值电场强度和同一位置室内测量的信号中值电场强度之差（dB）。建筑物穿透损耗的大小同建筑物的材料、结构、高度、室内陈设、工作频率等多种因素有关。室外至室内建筑物的穿透损耗定义为：室外测量的信号平均场强减去在同一位置室内测量的信号平均场强，用公式表示为：

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【实验题目】通过霍尔效应测量磁场

【实验目的】

1、了解霍尔效应原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。

2、学习用“对称测量法”消除付效应影响。

3、根据霍尔电压判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，

【实验仪器】

QS-H霍尔效应组合仪

【实验原理】

1、通过霍尔效应测量磁场

霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极A、A上施加电流I时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为v)受到洛伦兹力FB的作用，

FB?qvB (1)

无论载流子是负电荷还是正电荷，FB的方向均

沿着x方向，在磁力的作用下，载流子发生偏移，

产生电荷积累，从而在薄片B、B两侧产生一个电

位差VH,形成一个电场E。电场使载流子又受到一

个与FB方向相反的电场力FE，

FE?qE?qVH (2)

其中b为薄片宽度，FE随着电荷累积而增大，当

达到稳定状态时FE?FB，即

qvB?qVH (3)

这时在B、B两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压VH称为霍尔电压，电极B、B称为霍尔电极。

另一方面，射载流子浓度为n,薄片厚度为d，则电流

强度Im与v的关系为：

Im?bdnqv或v?Im

由(3)和(4)可得到 (4)

VH?1ImB nqd

(5)

1

另R?1,则 ne

IBVH?Rm d (6)

R称为霍尔系数，它体现了材料的霍尔效应大小。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。 在应用中，(6)常以如下形式出现：

VH?KHImB

式中KH? (7) R1?称为霍尔元件灵敏度，Im称为控制电流。 dned

由式(7)可见，若Im、KH已知，只要测出霍尔电压VH，即可算出磁场B的大小；并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子，P型半导体多数载流子为空穴),则由VH的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。

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