基于ANSYS的霍尔效应的仿真分析


基于ANSYS的霍尔效应的仿真分析

作者:大龙猫 fwz0703@163.com       

     霍尔效应是电磁效应的一种,这种效应在传感器中得到了广泛的应用,目前主要用于测量磁场强度。霍尔效应是导电材料中的电流与磁场的相互作用,而产生电动势的一种效应。

      这个导电材料通常是半导体材料,将半导体材料接入一个电源中,形成一个回路,此时电路中就存在电荷的定向移动,如下图:

001.gif

        当该导体处于磁场中,电荷就会在洛伦兹力的作用下,其路径发生偏移,电荷偏移之后形成电场,那么在两侧就会形成电压,如图所示

002.gif

其理论公式如下所示,

003.jpg

其中E为电场强度,e为电荷量,n为带电粒子数量,B磁感应强度,V粒子速度

达到平衡后,

004.jpg


取 Rh=1/ne

 为霍尔系数,是跟霍尔材料有关的一个系数,就得到霍尔效应的核心公式:

005.jpg

      可以看到电压是正比于磁场强度,所以,当传感器形状确定以后,其通电电流确定后,那么磁场越强,其感应电压越大,所以霍尔效应传感器能够应用到磁场测量中。

     那么ANSYS中我们可以仿真这个现象吗?当然可以,万能的ANSYS可以计算这个现象,下面简单描述其流程。

      1.首先建立模型,模型如图所示,这种结构主要是为了仿真需要,因为一侧通电,产生电流,另一侧是测试电压,通过提取结果数据来获取,侧面的体形是为了电路中电流的合流,因为实际的电路就是一根测试导线来连接半导体。

     2.网格尽量划分规程,如图所示

Picture2.png

      3.设置条件,将传感器的的半导体部分添加一个0.8T的Z向匀强磁场,左右面设置为高3V,低0V的电压,或者给定电流来模拟激励电路,另一侧空出,供后续测量电压,相当于图中的电压表测量其电压

Picture3.png

     4.结果如图所示,当没有外加磁场的时候,其结果如图所示,电流均匀的从两侧通过,则电子的流动是对称的,上下之间电压差为0V

Picture7.png

    5.当有外加磁场的时候,其结果可以看到电子在半导体中发生了偏移,在上下两侧产生的电压差

5.1磁场分布如图所示,可以看到添加磁场为匀强磁场

Picture4.png

5.2整体的电流分布和电压分布如图所示,看到看到电流发生 了偏移,电压也在上下两侧有电压差产生

Picture5.png

5.3分别提取两侧电压可以得到需要的电压结果,当前的感应电压为2.636-0.364=2.272V

Picture6.png

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