基于霍爾元件磁阻效應的微距測量演示裝置

唐亞明，周儒杰，郝曉玲

(青島科技大學， 山東 青島　266042)

基于霍爾元件磁阻效應的微距測量演示裝置

唐亞明，周儒杰，郝曉玲

(青島科技大學， 山東 青島266042)

摘 要：通過裝置可以對霍爾磁阻效應、一種距離測量傳感器原理和方法進行演示和探究。在課堂教學、課程設計等場合,直觀顯示霍爾元件的各種效應和技術應用，有著良好的教學效果。

關鍵詞：霍爾元件；磁阻效應；微距測量

1器材與安裝

演示實驗裝置由磁鐵、水平調節機構、垂直調節機構、接線柱、多位波段開關、霍爾元件、精密電阻、自制演示裝置測控儀等組成。演示實驗裝置如圖1 所示。

圖1　測量演示裝置示意圖

圖2　霍爾片示意圖

2原理與內容

通有電流的半導體置于與電流方向垂直的磁場中，在垂直于電流和磁場的方向上，半導體兩側之間會產生一橫向電壓，這種現象稱為霍爾效應。半導體在產生霍爾電壓的同時，由于磁場對載流子的作用改變了載流子的運動軌跡，使得通過霍爾元件的電流密度下降，即出現半導體電阻率增大，這就是半導體的磁電阻效應。磁阻效應是半導體材料非常有用的效應[1-8]。以N 型半導體為例，電子在互相垂直的電場和磁場中，由于受到電場力和洛侖茲力的作用呈擺線運動，如圖3所示。

圖3　電子在磁場中運動的情況

電子因弧形運動，走過的路程增加，散射幾率增大，平均自由程縮短，從而引起電流密度下降、電阻率增加。理論分析表明，若不考慮載流子速度的統計分布，就不顯示磁阻效應。如果進一步考慮電子速度的統計分布，那么比平均速度快的和慢的電子分別往兩側偏轉，如圖4所示。比平均速度快的電子受到的洛侖茲力大于霍爾電場作用力，向洛侖茲力作用的方向偏轉，如圖4中2 所示；反之，比平均速度慢的電子向霍爾電場力作用的方向偏轉，如圖4中3所示。因此，速度快的和慢的電子漂移路程增加，將使整個電阻增加，顯示出磁阻效應?？梢姲雽w材料的磁阻效應是由于載壓流子速度統計分布的結果。

圖4　電子偏轉示意圖

實際上，半導體的磁阻效應與它的幾何形狀和結構密切相關。在制造半導體磁阻元件時，巧妙地利用幾何形狀和結構對磁阻效應的影響，使霍爾元件的體電阻隨磁場的增加明顯增大。本實驗演示裝置將所用霍爾片的電壓端(3、4)短接，形成所謂柵格，以短路霍爾電壓，提高了它的磁阻靈敏度，更加明顯了磁阻效應的效果。磁阻效應與磁感應強度在數值上可達到平方正比關系，即RH=KB2，使器件的電阻隨磁場變化非常明顯，這也為其用于高靈敏度測量提供了可能。

圖5是實驗演示裝置實物圖。按圖1(b)所示電路原理圖連接好線路，打開電源，調節測量電路的工作電流分別取2 mA和5 mA。通過旋轉固定磁鋼支架的水平調節鈕，逐漸增加磁鋼與霍爾片之間的距離，每位移1 mm，記錄測量電橋電路對應的輸出電壓。這是由于其中由霍爾片形成的橋臂RH1和RH2，當磁鋼和霍爾片之間的位置改變時，其阻值也隨之發生改變，從而引起測量橋路輸出不平衡電壓。測得的電壓值反映了位移變化的多少。測量數據記錄在表1和表2中，圖6、圖7為對應的電壓～位移曲線。

圖5　實驗演示裝置實物圖

位移/mm0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0電壓/mv0.000.120.240.350.450.560.660.760.840.91位移/mm10.011.012.013.014.015.016.017.018.019.0電壓/mv0.981.051.111.161.211.251.291.321.351.38

表2　測量工作電流：5 mA

圖6　測量工作電流2 mA時的電壓～位移曲線

圖7　測量工作電流5 mA時的電壓～位移曲線

由實驗數據和圖示曲線可以知道測量橋路輸出電壓隨磁鋼和霍爾片之間的位置變化而變化；另外測量橋路的測量靈敏度隨工作電流增加而提高；還有磁鋼和霍爾片之間距離相對較小時(裝置大約在0～10 mm)，測量橋路的電壓輸出與磁鋼和霍爾片之間位置改變近乎線性，這就為實際應用帶來方便。

3結論

實驗裝置巧妙利用霍爾元件的磁阻效應來傳感位移的變化量。結構簡單、物理概念清晰，無論在理論教學的課堂，還是在實驗室，現場演示生動、易于操作，提升了教學效果。

學生拿著自己制作的這套裝置，參加了2015年山東省第七屆大學生物理科技創新大賽，獲得了一等獎。

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Based on theMagnetic Resistance Effect of Hall Element Macro Measure Demonstration Device

TANG Ya-ming,ZHOU Ru-jie,HAO Xiao-ling

(Qingdao University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266042)

Abstract：By this device can be hall magnetic resistance effect,distance measuring sensor principle and the method of demonstration and explored.In classroom teaching,curriculum design,visual display various effect and the technical application of hall element,has a good teaching effect.

Key words：Hall element；magnetic resistance effect；macro measure

收稿日期：2015-11-25

文章編號：1007-2934(2016)02-0071-04

中圖分類號：O 4-33

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.019