文档介绍：“温度补偿法改进霍尔效应测磁场实验”研究报告
青岛滨海学院作者: 李明广杨廷志狄文婷
指导教师:王宇飞
摘要:实验室利用霍尔效应测量磁场得到了广泛的应用,但一般都忽略温度对其测量精确度的影响。为减小温度对霍尔电压输出的影响,本文对一般霍尔元件进行简易的改进。利用热敏电阻的特性,采用温度补偿电路提高霍尔效应测量磁场的测量精确度,实现了实验室内对实验仪器的简易改进。
关键词:霍尔效应,热敏电阻,温度补偿
一、引言:
置于磁场中的载流体,如果电流方向与磁场垂直,则在垂直于电流和磁场的方向会产生一个附加的横向电场,这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔发现的,即霍尔效应。
随着电子技术的不断发展,霍尔器件越来越得到广泛的应用。霍尔效应是测定半导体材料电学参数的主要手段,随着实验电子技术的日益发展,利用该效应制成的霍尔器件,由于其结构简单,频率响应宽,寿命长,可靠性高,可实现非接触测量等优点,已广泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面。
利用霍尔效应测量磁场时,一般都忽略了温度变化对测量结果的影响,然而霍尔元件是采用锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔灵敏度、输入、输出电阻都将发生变化,从而使霍尔元件产生温度误差。为了提高测量的精确度,可以利用热敏电阻来减小温度变化对测量的影响。
二、研究方法:
I实验设备:
HL-III型霍尔效应实验组合仪
HL-C型螺线管试验装置
改进型霍尔元件模块
II实验原理:霍尔效应从本质上讲是指运动的带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用而引起偏转的现象。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固定的材料中时,这种偏转就会导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的积聚,从而形成附加的横向电场。霍尔效应测量磁场原理如图1所示。
d
+++++++++++++
-------------
A’
C’
A
C
l
IS
EH
v
eEH
b
O
Y
X
Z
图1 霍尔效应法测量磁场原理
d
+++++++++++++
-------------
C’
A
C
l
IS
EH
v
b
+e
A’
eEH
当样品两侧电荷的积累就达到平衡,故有
(1)
其中为霍尔电场,是载流子在电场方向上的平均漂移速度。
设试样的宽度为b,厚度为d,载流子浓度为n,则
(2)
由式(1)和式(2)可得
(3)
即霍尔电压VH (A、A′电极之间的电压)与ISB乘积成正比,与试样厚度d成反比。比例系数称为霍尔系数,它是反映材料的霍尔效应强弱的重要参数。
因此在实际应用中,就将式(3)写成
(4)
其中,称为霍尔元件的灵敏度,
III因素控制:
实验主要对温度对实验结果的影响进行减小,同时对主要副效应采用对称测量法进行纠正,具体方案在后面有详细介绍。
IV改进方案:
对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件,如图a所示的温度补偿电路,图中Rt是热敏元件(热电阻或是热敏电阻)。在输入回路中进行温度补偿的电路,即当温度变化时,用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度Kh和输入电阻Rt变化对霍尔输出电势Uh的影响。
如图b所示,是输出回路进行温度补偿的电路,即当温度变化时,用Rt的变化来抵消霍尔电势Uh和输出电阻Ro变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。在安装测量电路时,热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或是尽量靠近,以使二者的温度变化达到一致。
三、研究结果及其分析:
I 霍尔效应测量未添加热敏电阻实验相关数据
表a1 室温20摄氏度 Im=,B=
Is
(mA)
V1(mA)
V2(mA)
V3(mA)
V4(mA)
Vh=(V1-V2+V3-V4)/4
(mV)
+Is,+B
+Is,-B
-Is,-B
-Is,+B
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
表a2 室温30摄氏度 Im=,B=
Is
(mA)
V1(mA)
V2(mA)
V3(mA)
V4(mA)
Vh=(