CN207751929U - 一种霍尔效应测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种霍尔效应测试仪，包括：样品台、设置在样品台底部的霍尔传感器、主控板、霍尔传感器恒流源、电压采集电路和计算机处理器；所述霍尔传感器恒流源连接所述霍尔传感器，用于给所述霍尔传感器恒流供电；所述电压采集电路分别连接到所述霍尔传感器和主控板；用于将采集的霍尔传感器的电压信号发送给所述主控板；所述计算机处理器连接所述主控板。本实用新型解决了现有技术中霍尔效应测试仪的磁场强度测定不便，影响测量准确度和数据稳定性的问题。

Description

一种霍尔效应测试仪

技术领域

本实用新型涉及一种霍尔效应测试仪。

背景技术

霍尔效应测试仪是用来测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数的，而这些参数是了解半导体材料电学特性必须预先掌控的，因此是理解和研究半导体器件和半导体材料电学特性必备的工具。除了用来测量上述参数之外，霍尔效应测试仪还可以用于判断半导体材料类型、磁流体发电、电磁无损探伤、用作霍尔传感器等。

目前常用的霍尔效应测试仪中使用的是经典的直流磁场范德堡法。这种方法对包括半导体在内的多种材料的成功测量有着悠久的历史。磁场是霍尔效应测试一个很重要的参数。磁场的大小、稳定性，直接影响了霍尔系数测试的结果。由于永磁铁的磁场会随高温环境、强磁场环境以及强烈震动等变化发生衰减。因此为保证霍尔系数的测试精度，在霍尔效应测试时对磁场的测试与标定是很有必要的。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本实用新型实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种霍尔效应测试仪。

作为本实用新型实施例的一个方面，涉及一种霍尔效应测试仪，包括：样品台、设置在样品台底部的霍尔传感器、主控板、霍尔传感器恒流源、电压采集电路和计算机处理器；

所述霍尔传感器恒流源连接所述霍尔传感器，用于给所述霍尔传感器恒流供电；所述电压采集电路分别连接到所述霍尔传感器和主控板，用于将采集的霍尔传感器的电压信号发送给所述主控板；

所述计算机处理器连接所述主控板。

在一个实施例中，可以是，所述霍尔传感器恒流源通过稳压芯片对输入电压进行稳压处理。

在一个实施例中，可以是，所述霍尔传感器恒流源的恒流电路为双运放芯片搭建的郝兰德恒流源电路，所述恒流电路连接滑动变阻器，用于调节输出电流的大小。

在一个实施例中，可以是，所述电压采集电路包括精密仪表放大器，用于对输入电压信号进行放大。

在一个实施例中，可以是，所述电压采集电路还包括至少一个RC滤波电路，用于对采集的电压信号进行降噪过滤。

在一个实施例中，可以是，所述电压采集电路还包括数模转换器，所述数模转换器与所述精密仪表放大器连接，用于将运放输出的模拟信号转换为数字信号，传递给所述主控板。

在一个实施例中，可以是，所述数模转换器的正负参考电压端子连接参考电压电路，所述参考电压电路的输入端Ref连接外部参考电源。

在一个实施例中，可以是，所述主控板与所述计算机处理器通过串口连接。

在一个实施例中，可以是，所述计算机处理器连接有显示屏。

本实用新型实施例至少实现了如下技术效果：

本实用新型实施例提供的霍尔效应测试仪，通过在样品台的底部设置霍尔传感器，在霍尔传感器通过恒定电流的情况下，测量霍尔传感器的电压值，根据电压与磁场强度呈线性关系，实时测量当前磁场的大小，得到准确的磁场强度值，提高霍尔效应测试仪测量的准确度和数据稳定性。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所记载的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供霍尔效应测试仪的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供霍尔效应测试仪的另一结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供霍尔效应测试仪的样品电极设置示意图；

图4为本实用新型实施例提供霍尔效应测试仪的信号路径转换器的导通电路转换电路图；

图5为本实用新型实施例提供霍尔效应测试仪的信号路径转换器的驱动电路图；

图6为本实用新型实施例提供霍尔效应测试仪的信号路径转换器的译码器示意图；

图7为本实用新型实施例提供霍尔效应测试仪的霍尔传感器恒流源的电路图；

图8为本实用新型实施例提供霍尔效应测试仪的电压采集电路图；

图9为本实用新型实施例提供霍尔效应测试仪的数模转换器的电路图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

下面分别对本实用新型实施例提供的霍尔效应测试仪的各种具体实施方式进行详细的说明。

实施例一：

参照图1，本实用新型实施例一提供的一种霍尔效应测试仪，包括：样品台1、设置在样品台1底部的霍尔传感器2、主控板3、霍尔传感器恒流源4、电压采集电路5和计算机处理器8；

所述霍尔传感器恒流源4连接所述霍尔传感器2，用于给所述霍尔传感器2恒流供电；所述电压采集电路5分别连接到所述霍尔传感器2和主控板3，用于将采集的霍尔传感,2的电压信号发送给所述主控板3；

所述计算机处理器8连接所述主控板3。

本实用新型实施例提供的霍尔效应测试仪，通过在样品台的底部设置霍尔传感器，在霍尔传感器通过恒定电流的情况下，测量霍尔传感器的电压值，根据电压与磁场强度呈线性关系，实时测量当前磁场的大小，得到准确的磁场强度值，提高霍尔效应测试仪测量的准确度和数据稳定性。

参照图2，本实用新型实施例提供的霍尔效应测试仪，还包括：电压表6、样品供电恒流源7和信号路径转换器9；

所述信号路径转换器9连接所述样品供电恒流源7、电压表6、主控板3和样品台1，所述信号路径转换器9还连接到所述样品台1，用于对样品台1上的待测样品提供电流和测量电压，所述主控板3控制所述信号路径转换器9的供电；

所述计算机处理器8连接所述电压表6和样品供电恒流源7。

本实用新型实施例提供的霍尔效应测试仪，通过使用信号路径转换器，在不需要变换样品各电极的物理位置的情况下，完成电极的信号转换，减少因变换电极产生的测量误差，从而使得霍尔电压的测量更加准确。

参照图3，采用范德堡法测量霍尔效应主要测试过程如下：

通过在样品台上的待测样品边缘制作4个对称的电极，通过霍尔测试仪的磁场产生装置在待测样品两端添加正向磁场，在电极1-电极3之间通电流，通过在电极2-电极4之间设置电压采集装置，测得电压vH1(电流从电极1流向电极3)；在电极3-电极1之间通电流，通过在电极2-电极4之间设置电压采集装置，测得电压vH2(电流从电极3流向电极1)。

通过霍尔测试仪的磁场产生装置在待测样品两端添加反向磁场，在电极1-电极3之间通电流，通过在电极2-电极4之间设置电压采集装置，测得电压vH3(电流从电极1流向电极3)；在电极3-电极1之间通电流，通过在电极2-电极4之间设置电压采集装置，测得电压vH4(电流从电极3流向电极1)；

通过公式：VH＝(vH1-vH3+vH2-vH4)/4，计算霍尔电压。

本实用新型的实用新型人在利用范德堡法测量霍尔效应测试过程，对测试结果误差形成原因进行发现：虽然通过改变磁场方向可以消除部分附加应，如厄廷豪森效应；通过改变电流方向可以消除不等电势差和热电势。但是根据霍尔系数公式k＝(VH*d)/(I*B)，可见在测试过程中，磁场的变化和电流的变化，会对测试数据产生重要影响。磁场是霍尔效应测试一个很重要的参数。磁场的大小、稳定性，直接影响了霍尔系数测试的结果。由于霍尔测试仪的磁场产生装置一般使用的是永磁铁，而永磁铁的磁场会随环境温度、强磁场环境以及震动等变化发生改变。因此对磁场的大小进行实时测定是消除误差的一个必要手段。同时，通过在待测样品的一组对称电极通电流，在另一组对称电极测电压，通过公式：VH1＝Vh+Vd+Vs+Vo(其中：Vh为霍尔电压、Vd为不等位电压、Vs塞贝克电压、Vo为其他附效应电压之和)及实际测量对比可以发现：霍尔测试所需分析电压，即霍尔电压Vh，只占测量电压VH1的千分之几到百分之几。这就需要在样品电流方向切换过程中尽量减小对给定的电流和测量的霍尔电压的影响。综上所述，影响直流磁场范德堡法的测试精度的因素包括：磁场的变化和切换电流时对测量的霍尔电压带来的干扰，造成采用范德堡法测试霍尔系数小或迁移率小的样品时误差过大。

因此，本实用新型的实用新型人，根据以上技术问题进行分析，经过多次试验得到本实用新型的技术方案，通过在霍尔效应测试仪设置霍尔传感器，实时测量霍尔效应测试仪的当前磁场强度；通过在霍尔效应测试仪设置信号路径转换器，减小切换电流时对测量的霍尔电压带来的干扰。从而使得霍尔效应测试仪的精度得到提高，更好的保证测试数据的稳定性。

在一个实施例中，可以是，在霍尔效应测试仪中，所述信号路径转换器包括：与主控板连接的译码器、导通电路转换电路、分别连接所述导通电路转换电路和译码器的驱动电路；

所述导通电路转换电路包括一个4*4的继电器矩阵；所述4*4的继电器矩阵的每行的4个继电器的引出线分别连接对应常开开关的相同触点，每列的4个继电器的引出线分别连接所述常开开关的另一相同触点；

当所述信号路径转换器工作时，所述主控板用于控制所述驱动电路使得导通电路转换电路的位于4*4的继电器矩阵的不同行且不同列的4个继电器导通。

在一个实施例中，可以是，在霍尔效应测试仪中，所述信号路径转换器的列方向设置4个电极引出线分别连接样品台上的待测样品的4个对称的电极；

所述导通电路转换电路的行方向设置的4个电极引出线分别连接到样品供电恒流源的正负极和电压表的正负极。

参照图4，在一个实施例中所述信号路径转换器的导通电路转换电路包括一个4*4的继电器矩阵，具体的，可以是，所述继电器矩阵中采用的继电器为磁保继电器，更具体的，所述磁保继电器选用G6SU-2F型磁保继电器。采用磁保持继电器，在磁保继电器断电时，可以减少信号在切换过程中受到的干扰。

参照图4所示，4*4的继电器矩阵的每行的4个继电器的引出线分别连接对应常开开关的相同触点4，每列的4个继电器的引出线分别连接所述常开开关的另一相同触点5。所述信号路径转换器的列方向设置4个电极引出线1、2、3和4分别连接待测样品的4个对称的电极，所述导通电路转换电路的行方向设置的4个电极引出线分别为电流信号线I+、电流信号线I-、电压测量信号线U+和电压测量信号线U-，所述电流信号线I+、电流信号线I-连接样品供电恒流源，用于获取待测样品的恒定供电电流；所述电压信号线U+、电压信号线U-连接到电压表，用于测量样品的电压值。

参照图2、图4、图5和图6所示，所述导通电路转换电路的4*4的继电器矩阵的16个继电器的分别单独连接1个驱动电路，所述驱动电路的输入侧端子YS和YR通过译码器连接到主控板，，所述驱动电路的输出侧端子K+和K-连接到继电器的线圈的两引出端子。通过主控板发送控制信号，控制驱动电路的三极管Q1-Q6的通断来控制驱动电路的正向电压或反向电压供电，从而使导通电路转换电路的继电器吸合或断开，控制样品的供电方向。

在一个具体实施例中，当需要控制导通电路转换电路的电极引出线1连接电流信号线I+、电极引出线2连接电流信号线I-，导通电路转换电路的电极引出线3连接电压测量信号线U+、电极引出线4连接电压测量信号线U-。通过主控板控制驱动电路在4*4继电器矩阵继电器1、6、11和16通正向电压，使得继电器1、6、11和16吸合，常开开关闭合；同时，主控板控制4*4继电器矩阵的其他12个继电器通反向电压，使得该12个继电器断开，常开开关处于常开状态，从而实现电极引出线1、2之间通电流，电极引出线3、4之间测量电压的目标。

参照图5所示，本实用新型实施例提供的驱动电路，当需要控制继电器的常开开关闭合时，主控板向驱动电路的输入侧端子YS输出高电平，向驱动电路的输入侧端子YR输出低电平。此时，由于YS为高电平，三级管Q1导通，从而导致三级管Q2导通，驱动电路的输出侧端子K+就为高电平。同时YS为高电平，三级管Q5导通，驱动电路的输出侧端子K-接地。即可实现K+为高电平，K-为低电平，继电器吸合，继电器的常开开关闭合。

同理，当需要控制继电器的常开开关断开时，主控板向驱动电路的输入侧端子YS输出低电平，向驱动电路的输入侧端子YR输出高电平。由于YS为低电平，三级管Q1截止，而YR为高电平，电阻R11为高电平，Q6导通，K+接地为低电平；YR为高电平时，三级管Q4导通，则三级管Q3导通，从而K-为高电平。即可实现K-为高电平，K+为低电平，继电器断开，继电器的常开开关断开。

参照图6，本实用新型实施例提供的霍尔效应测试仪，所述译码器选择型号为74HC238的芯片，所述驱动电路的输入侧端子YS与YR连接到译码器的Y0与Y1端子，或连接到译码器的Y2与Y3端子，或连接到译码器的Y4与Y5端子，或连接到译码器的Y6与Y7端子，而译码器的A、B和C端连接到主控板，那么，通过三个译码器74HC238既可以实现将16个驱动电路与主控板连接，实现采用较少的译码器的I/O口实现整体电路的连接。

本实用新型实施例提供的霍尔效应测试仪，通过对霍尔效应测试中的供电电流和测量电压信号进行重构，采用4*4的继电器矩阵，通过控制不同继电器的通断，实现不改变接线电极的情况，使得信号路径改变。每个继电器单独控制，且信号路径构造完成，切断电源，减少电源对信号的干扰，整个信号构建全部实现自动化控制。通过主控板控制驱动电路的电压方向，控制信号路径转换器中电流和电压信号与4个引出电极线的连接关系进行变换。

在一个实施例中，可以是，在霍尔效应测试仪中，所述霍尔传感器恒流源通过稳压芯片对输入电压进行稳压处理。

在一个实施例中，可以是，在霍尔效应测试仪中，所述霍尔传感器恒流源的恒流电路为双运放芯片搭建的郝兰德恒流源电路，所述恒流电路连接滑动变阻器，用于调节输出电流的大小。

在一个实施例中，可以是，在霍尔效应测试仪中，所述电压采集电路包括精密仪表放大器，用于对输入电压信号进行放大。

在一个实施例中，可以是，在霍尔效应测试仪中，所述电压采集电路还包括至少一个RC滤波电路，用于对采集的电压信号进行降噪过滤。

在一个实施例中，可以是，在霍尔效应测试仪中，所述电压采集电路还包括数模转换器，所述数模转换器与所述精密仪表放大器连接，用于将运放输出的模拟信号转换为数字信号，传递给所述主控板。

参照图7在一个实施例中，可以是，所述霍尔传感器恒流源包括恒流电路和稳压电路。

参照图7所示，在一个具体实施例中，所述稳压电路的稳压芯片选择REF5025芯片，通过将外部供电电源连接所述REF5025芯片，得到稳定的供电电压VREF。

参照图7所示，在一个实施例中，所述恒流电路采用V/I转换原理，所述恒流电路为包括双运放芯片的郝兰德电路。具体地，可以是，所述双运放芯片选择OPA2335AI D芯片，将经过稳压电路得到的供电电压VREF连接到所述OPA2335AI D芯片的电压输入端，在一个具体实施例中，所述OPA2335AI D芯片的电压输入端连接电阻R4，通过电阻R4对电路进行过流保护。通过在OPA2335AI D芯片的端子1和5之间连接滑动变阻器RS1，用于调节输出恒定电流IOUT的大小，根据恒定电流公式为Iout＝VREF/RS1，已知输入电压VREF的电压值和调节滑动变阻器RS1的电阻值，就可得出输出恒定电流Iout的电流值。

参照图8，所述恒定电流IOUT通过插针header4连接到霍尔传感器，用于霍尔传感器供电。所述电压采集电路通过插针header4连接到霍尔传感器，用于采集霍尔传感器的电压值。所述电压采集电路包括精密仪表放大器和与精密仪表放大器连接的数模转换器，所述精密仪表放大器，用于对输入电压信号进行放大，所述模拟转换器用于将经过精密仪表放大器运算放大后的电压信号的模拟信号转换为数字信号，并传递给与模拟转换器连接的主控板。

在一个具体实施例中，所述精密仪表放大器的输入端和输出端还连接有RC滤波电路。

在一个具体实施例中，所述精密仪表运放器选择INA326芯片，在所述INA326芯片的端子1和8之间连接用于调节运算放大倍数的电阻。

参照图9，在一个实施例中，可以是，所述数模转换器选用ADS1256芯片，所述INA326芯片的电压输出端子AIN012可以连接到所述ADS1256芯片的采集输入端子AIN0-AIN7中的任一个端子，所述ADS1256芯片的模拟电压供电采用外部供电，在外部供电输入端连接LC滤波电路，对电压信号进行降噪处理，所述ADS1256芯片的数字电压外部供电输入端连接电容滤波电路，所述ADS1256芯片的信号输出端子连接到主控板，所述数模转换器的正负参考电压端子连接参考电压电路，所述参考电压电路的输入端Ref连接外部参考电源，用于对模数转换器提供基准电压。具体的，可以是，所述主控板包括STM32F103微处理器(图中未示出)，所述ADS1256芯片的片选CS、数据准备DRDY、数据输出DOUT、数据输入DIN和串行时钟SCLK分别与STM32F103微处理器的对应引脚连接。

在一个具体实施例中，所述霍尔传感器设置在所述样品台的中央位置。

当需要测量霍尔测试仪的磁场强度时，霍尔传感器通电工作，将霍尔传感器测量得到的电压信号经过由电阻R38和电容C68、以及电阻R40和电容C73组成的RC滤波电路，对采集的电压信号进行滤波去除噪声，通过精密仪表运放器对电压信号进行运算放大，将运放后的电压信号再经过R31和C57组成的RC滤波电路对运算放大后的电压信号进行滤波去除噪声。经过INA326芯片放大后的电压信号通过AD采样芯片将模拟信号转换为数字信号，通过主控板传输到计算机处理器进行，由于采用的是恒流供电，电压信号与磁场强度大小呈正比，将得到的电压大小，带入公式：B＝K*V_YF，(其中：K为常数，V_YF为运放后数字信号的电压值)，即可得到此时的磁场强度值。

本实用新型实施例提供的霍尔效应测试仪，可以通过对磁场的实时测定来提高霍尔测量的精确度。通过在样品台的底部放置霍尔传感器，在霍尔传感器通过恒定电流的情况下，电压大小与磁场强度呈线性关系。每次霍尔测试开始前，由主控板控制霍尔传感器恒流源给霍尔传感器通恒定的电流，通过电压采集电路采集霍尔传感器的电压值，通过数模转换器传送到所述主控板，就可以实时测定出当前磁场的大小。

在一个实施例中，可以是，在所述的霍尔效应测试仪中，所述主控板与所述计算机处理器通过串口连接。具体的，可以是，所述STM32F103微处理器与所述计算机处理器串口连接，将电压模拟信号转换后的数字信号传输给所述计算机处理器。

在一个实施例中，可以是，在所述的霍尔效应测试仪中，所述计算机处理器连接有显示屏(图中未示出)。通过显示屏实时显示霍尔传感器测量的磁场强度。具体的，可以是，通过计算机处理器进行处理，将测量的电压值换算成对应的磁场强度值，在显示屏进行显示。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种霍尔效应测试仪，其特征在于，包括：样品台、设置在样品台底部的霍尔传感器、主控板、霍尔传感器恒流源、电压采集电路和计算机处理器；

所述霍尔传感器恒流源连接所述霍尔传感器，用于给所述霍尔传感器恒流供电；所述电压采集电路分别连接到所述霍尔传感器和主控板，用于将采集的霍尔传感器的电压信号发送给所述主控板；

所述计算机处理器连接所述主控板。

2.如权利要求1所述的霍尔效应测试仪，其特征在于，所述霍尔传感器恒流源通过稳压芯片对输入电压进行稳压处理。

3.如权利要求2所述的霍尔效应测试仪，其特征在于，所述霍尔传感器恒流源的恒流电路为双运放芯片搭建的郝兰德恒流源电路，所述恒流电路连接滑动变阻器，用于调节输出电流的大小。

4.如权利要求1所述的霍尔效应测试仪，其特征在于，所述电压采集电路包括精密仪表放大器，用于对输入电压信号进行放大。

5.如权利要求4所述的霍尔效应测试仪，其特征在于，所述电压采集电路还包括至少一个RC滤波电路，用于对采集的电压信号进行降噪过滤。

6.如权利要求4所述的霍尔效应测试仪，其特征在于，所述电压采集电路还包括数模转换器，所述数模转换器与所述精密仪表放大器连接，用于将运放输出的模拟信号转换为数字信号，传递给所述主控板。

7.如权利要求6所述的霍尔效应测试仪，所述数模转换器的正负参考电压端子连接参考电压电路，所述参考电压电路的输入端Ref连接外部参考电源。

8.如权利要求1-7任一项所述的霍尔效应测试仪，所述主控板与所述计算机处理器通过串口连接。

9.如权利要求1-7任一项所述的霍尔效应测试仪，所述计算机处理器连接有显示屏。