霍爾效應
關注創建者：大龍貓?? 創建時間：2021-06-10
霍爾效應的實例教程
基于ANSYS的霍爾效應的仿真分析 ￥288
基于ANSYS的霍爾效應的仿真分析
作者：大龍貓 fwz0703@163.com
霍爾效應是電磁效應的一種，這種效應在傳感器中得到了廣泛的應用，目前主要用于測量磁場強度。霍爾效應是導電材料中的電流與磁場的相互作用，而產生電動勢的一種效應。
這個導電材料通常是半導體材料，將半導體材料接入一個電源中，形成一個回路，此時電路中就存在電荷的定向移動，如下圖：
當該導體處于磁場中，電荷就會在洛倫茲力的作用下，其路徑發生偏移，電荷偏移之后形成電場，那么在兩側就會形成電壓，如圖所示
其理論公式如下所示，
其中E為電場強度，e為電荷量，n為帶電粒子數量，B磁感應強度，V粒子速度
達到平衡后，
取 Rh=1/ne
為霍爾系數，是跟霍爾材料有關的一個系數，就得到霍爾效應的核心公式：
可以看到電壓是正比于磁場強度，所以，當傳感器形狀確定以后，其通電電流確定后，那么磁場越強，其感應電壓越大，所以霍爾效應傳感器能夠應用到磁場測量中。
那么ANSYS中我們可以仿真這個現象嗎？當然可以，萬能的ANSYS可以計算這個現象，下面簡單描述其流程。
1.首先建立模型，模型如圖所示，這種結構主要是為了仿真需要，因為一側通電，產生電流，另一側是測試電壓，通過提取結果數據來獲取，側面的體形是為了電路中電流的合流，因為實際的電路就是一根測試導線來連接半導體。
展開 作為汽車產業的一個組成部分，霍爾效應傳感器用于在諸如底盤、安全、車身、保障及動力傳動等極其廣泛的一系列應用中檢測端位置或測量線性或角運動。目前，主導汽車行業研發討論的一個重要話題是功能安全。功能安全影響到所有應用系統組件的設計和功能設置，包括霍爾傳感器。
由于霍爾傳感器的非接觸式測量原理和高可靠性，在許多應用中，用霍爾傳感器實現的感知方案成為了首選。
例如，由于霍爾傳感器對環境條件（如灰塵、濕度和振動）的不敏感性，即使在十分苛刻環境溫度條件下（-40℃至150℃），其測量結果的一致性仍然很好，再加上其不受使用時間和使用次數，而影響測量精度的高品質等特性，霍爾效應傳感器正逐步取代機械開關。
為了實現不斷發展的安全和可靠性特性，開關閾值的最高精度成為了霍爾開關規范的基本參數。
在由一個磁信號通過開關閾值觸發的實際開關操作中，其動作會受開關延遲、采樣抖動和噪聲閾值等各因素的影響。上述這些因素都是不希望的，一個理想的開關應在瞬間做出反應，但由于霍爾IC的內部信號處理，它們無法完全避免。
為了獲得最佳開關性能， Micronas公司的霍爾效應開關系列的最新產品（HAL 15xy）內的信號處理對此進行了專門設計，以增強對這些負面影響的抑制能力。
本文分析了信號路徑設計是如何影響輸出信號的抖動性能的，并介紹了解決這一問題所采取的不同設計方法。
霍爾開關的信號路徑
霍爾開關的簡化信號路徑包括幾個基本組件，如圖1所描述：
圖1：簡化的霍爾開關信號路徑。
該集成霍爾傳感器將磁通密度轉換成電信號，可選的低通濾波器限制了信號帶寬，采樣或無采樣比較器判定該信號是高于還是低于當前的作用閾值。
每次被采樣時鐘觸發時，被采樣的比較器都做出新決策；而未被采樣的比較器無需觸發持續運行。
展開 類似于電流，通過自旋霍爾效應電子發生特定的偏轉，從而產生自旋流（Spin current）。自旋流作為自旋信息傳輸的核心，是發展基于自旋計算器件的關鍵。近年來，研究人員發現在鐵磁絕緣體中可通過溫度梯度驅動自旋的定向運動，從而產生自旋流及其長程輸運（Long-distance transport）現象。相較于鐵磁絕緣體，反鐵磁性有序材料具有零凈磁矩的特點，是應用于自旋電子學器件的理想材料。然而，反鐵磁體中自旋輸運現象的直接觀測目前只限于幾個納米的范圍，嚴重制約了相關材料的發展。
【成果簡介】
近日，德國美因茨大學的R. Lebrun以及M. Klaui（共同通訊作者）等人在反鐵磁絕緣體赤鐵礦（α-Fe2O3）單晶中利用自旋霍爾效應展示了自旋流的長程傳播行為。首先研究人員將電流通過赤鐵礦單晶上的鉑絲，一方面可以引發自旋霍爾效應產生橫向自旋流，驅動自旋在鉑-赤鐵礦界面累積，這一累積富集過程能夠進一步產生帶有凈角動量的自旋流。另一方面，通過鉑絲的電流還能使得鉑絲產生焦耳熱引發橫向溫度梯度變化，從而可根據自旋塞貝克效應產生自旋流。這兩種自旋流及其自旋電壓最終共同構成了非本地電壓（non-local voltage），可通過逆自旋霍爾效應進行檢測。基于以上策略，研究人員通過計算測量發現赤鐵礦這一簡單反鐵磁絕緣體傳輸自旋信息的距離可達到微米級別，與復雜鐵磁體一樣高效。2018年9月12日，相關成果以題為“Tunable long-distance spin transport in a crystalline antiferromagnetic iron oxide”在線發表在Nature上。
展開 圖3 10.4 nm厚度FGT器件的反常霍爾效應測
量
（a）在2-140K的溫度范圍FGT納米片的反常霍爾效應Rxy（B）曲線，顯示出硬鐵磁性質；
（b）在150到185K溫度范圍的Rxy（B）曲線；
（c）歸一化Rxy（T）曲線和基于平均場理論J=1，J=∞和自旋波理論的三條擬合曲線；
（d）在2-150K內，矯頑力的溫度依賴性關系圖。
圖4 角依賴霍爾效應測量和改進的Stoner-
Wohlfarth模型圖
（a，b）Rxy（B）在外加磁場與垂直于厚度為10.4nm的納米片表面的方向之間以不同角度曲線圖；
（c）在85℃，從-6到6T的范圍內的標準化的Rxy（B）曲線；
（d）不同溫度下，有效矯頑力的有效角度依賴性圖；
（e）KA（單位磁籌的磁各向異性能）和V（外磁場作用下首先翻轉的磁籌體積）的溫度依賴性圖；
（f）Stoner-Wohlfarth模型中使用的變量的示意圖；
（g）磁系統由亞穩態轉變為非穩定態的示意圖。
【小結】
本文研究發現FGT納米薄片是vdW二維金屬鐵磁體，其矯頑力較大，MR/MS比值為1，含有相對較高的TC和強的垂直各向異性。在基于vdW材料的巨磁電阻、隧穿磁阻和自旋軌道扭矩異質結構的各種vdW磁異質結構中，這種材料具有很好的研究價值。這一發現為未來基于范德華材料的異質結構的自旋電子學的研究鋪平了道路。
【團隊介紹】
皇家墨爾本理工大學王瀾教授的團隊于2015年末在澳大利亞墨爾本成立，團隊現有副教授1人，博士后2人，博士生4人。
展開 圖 4：霍爾效應傳感器的三相允許控制器確定電機轉速以及軸的角位置。
電機控制器使用霍爾效應傳感器的輸出來確定電機速度和軸角位置。該傳感器由三個霍爾效應傳感器組成，在電機外殼內以 120° 的間隔間隔開。該傳感器具有三個數字輸出，每個霍爾效應傳感器各有一個。
霍爾效應傳感器的三個相位可以通過使用虹科M2p.7515-x4數字 I/O 卡來獲取，如圖 4 所示。虹科M2p.7515-x4 可以以高達125 毫秒/秒。M2p 系列還有一個選項，即 M2p-Star-Hub，它允許多達 16 個不同的卡（數字化儀、AWG和數字 I/O模塊）混合和同步（共享公共時鐘和觸發信號），形成時間相關測量系統。
圖 5：按位和總線視圖顯示的 16 位并行數字總線。
三個霍爾效應傳感器數字輸出將旋轉周期分成六個子周期，每個子周期對應 60° 的旋轉。圖底部的彩色方框顯示了電機電樞單次旋轉期間出現的六個傳感器輸出狀態。霍爾效應傳感器允許電機控制器確定電機速度和角位置。它使用六個傳感器狀態來換向電機繞組以保持旋轉。32 位寬的數字 I/O 模塊還可以研究并行數字總線，如圖 5 所示。
數字信號可以按位或總線視圖顯示。
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Wabtec的測厚解決方案已超越了傳統“卡尺”的范疇，演變為一套集成了物理原理、數字信號處理與數據分析的智能監測系統，無論是通過高頻超聲講解微米級涂層，還是利用霍爾效應征服復雜曲面，這些技術共同構筑了工業質量控制的基石。
諾冠高壓比例閥的反饋技術優勢
諾冠（IMI Norgren）在高壓比例閥產品線中，普遍采用高精度非接觸式位置傳感器（如LVDT線性可變差動變壓器或霍爾效應傳感器），這類傳感器具有以下顯著優勢：
高響應速度與重復精度：即使在高達350 bar甚至更高的工作壓力下，也能實現微米級的位置檢測，確保系統快速穩定。
在某些情況下，TPS使用所謂的霍爾效應來完成其工作，其中涉及隨著節氣門打開和關閉而變化的磁場。傳感器讀取這些變化并與ECM通信以確定確切的節氣門位置。該讀數是您的車輛計算機如何確定在任何給定時刻向發動機輸送多少燃料。當然，這是該過程的簡化版本，并且可能因制造商或型號而異。
通過測量霍爾效應的方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當一個氣體分子被吸附于石墨烯表面時，吸附位置會發生電阻的局域變化。當然，這種效應也會發生于別種物質，但石墨烯具有高電導率和低噪聲的優良品質，能夠偵測這微小的電阻變化。
圖 4：霍爾效應傳感器的三相允許控制器確定電機轉速以及軸的角位置。
電機控制器使用霍爾效應傳感器的輸出來確定電機速度和軸角位置。該傳感器由三個霍爾效應傳感器組成，在電機外殼內以 120° 的間隔間隔開。該傳感器具有三個數字輸出，每個霍爾效應傳感器各有一個。
“HBM eDrive </span> <strong style="color: rgb(51, 182, 177);">GEN7ta系統</strong> <span style="color: rgb(68, 68, 68);">，帶有GN610B板卡和Perception軟件，是這些開發環境的理想選擇，與Locconi已經使用的扭矩傳感器和霍爾效應電流傳感器的集成非常簡單。”
我們選用文獻[45]的工作，即空氣-單軸晶體表面發生的自旋霍爾效應，來作為一個例子。系統原理圖如圖14所示，且自旋相關納米量級偏移可以通過檢查反射場的中心來進行測量。
圖14.在空氣-單軸晶體表面的反射。
這種非互易拓撲光子晶體與凝聚態物理中的量子反常霍爾效應均屬于陳絕緣體，在他們的邊界上都擁有單向傳輸的手性邊緣態(chiral edge state)。
之后，美國麻省理工學院的Marin Solja?i?教授課題組加工制作出了這種二維光學陳絕緣體，并通過實驗直接驗證了一維單向手性邊緣態的存在。
現在很多的變頻已經通過數學模型的建立，將交流電機的定子磁場UVW3相轉化為可以控制電機轉速和轉矩的兩個電流的分量，現在大多數能進行力矩控制的著名品牌的變頻器都是采用這樣方式控制力矩，UVW每相的輸出要加霍爾效應的電流檢測裝置，采樣反饋后構成閉環負反饋的電流環的PID調節；ABB的變頻又提出和這樣方式不同的直接轉矩控制技術，具體請查閱有關資料。
在大電流快充持續時間越來越長的情況下，可以方便單片機MCU進行溫度補償；在電流采樣更高功能安全等級的需求下，系統也可使用霍爾效應傳感器，實現電流的隔離采樣。
▲圖4.
