唐亞明，周儒杰，郝曉玲

(青島科技大學(xué)， 山東 青島　266042)

基于霍爾元件磁阻效應(yīng)的微距測(cè)量演示裝置

唐亞明，周儒杰，郝曉玲

(青島科技大學(xué)， 山東 青島266042)

摘 要：通過裝置可以對(duì)霍爾磁阻效應(yīng)、一種距離測(cè)量傳感器原理和方法進(jìn)行演示和探究。在課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)等場(chǎng)合,直觀顯示霍爾元件的各種效應(yīng)和技術(shù)應(yīng)用，有著良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：霍爾元件；磁阻效應(yīng)；微距測(cè)量

1器材與安裝

演示實(shí)驗(yàn)裝置由磁鐵、水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、垂直調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、接線柱、多位波段開關(guān)、霍爾元件、精密電阻、自制演示裝置測(cè)控儀等組成。演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。

圖1　測(cè)量演示裝置示意圖

圖2　霍爾片示意圖

2原理與內(nèi)容

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

圖3　電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的情況

電子因弧形運(yùn)動(dòng)，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(tǒng)計(jì)分布，就不顯示磁阻效應(yīng)。如果進(jìn)一步考慮電子速度的統(tǒng)計(jì)分布，那么比平均速度快的和慢的電子分別往兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，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(chǎng)作用力，向洛侖茲力作用的方向偏轉(zhuǎn)，如圖4中2 所示；反之，比平均速度慢的電子向霍爾電場(chǎng)力作用的方向偏轉(zhuǎn)，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(gè)電阻增加，顯示出磁阻效應(yīng)?？梢姲雽?dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)是由于載壓流子速度統(tǒng)計(jì)分布的結(jié)果。

圖4　電子偏轉(zhuǎn)示意圖

實(shí)際上，半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)與它的幾何形狀和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在制造半導(dǎo)體磁阻元件時(shí)，巧妙地利用幾何形狀和結(jié)構(gòu)對(duì)磁阻效應(yīng)的影響，使霍爾元件的體電阻隨磁場(chǎng)的增加明顯增大。本實(shí)驗(yàn)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(yīng)的效果。磁阻效應(yīng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度在數(shù)值上可達(dá)到平方正比關(guān)系，即RH=KB2，使器件的電阻隨磁場(chǎng)變化非常明顯，這也為其用于高靈敏度測(cè)量提供了可能。

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

圖5　實(shí)驗(yàn)演示裝置實(shí)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(cè)量工作電流：5 mA

圖6　測(cè)量工作電流2 mA時(shí)的電壓～位移曲線

圖7　測(cè)量工作電流5 mA時(shí)的電壓～位移曲線

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖示曲線可以知道測(cè)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(cè)量橋路的測(cè)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(duì)較小時(shí)(裝置大約在0～10 mm)，測(cè)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(shí)際應(yīng)用帶來方便。

3結(jié)論

實(shí)驗(yàn)裝置巧妙利用霍爾元件的磁阻效應(yīng)來傳感位移的變化量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理概念清晰，無論在理論教學(xué)的課堂，還是在實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)場(chǎng)演示生動(dòng)、易于操作，提升了教學(xué)效果。

學(xué)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(xué)生物理科技創(chuàng)新大賽，獲得了一等獎(jiǎng)。

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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(hào)：1007-2934(2016)02-0071-04

中圖分類號(hào)：O 4-33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.019