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霍尔效应的应用与发展默认分类   20008-006-044 23:19   阅读读603    评论论1   字号： 大大大  中中  小小  一霍尔效效应原理1879年年霍尔(AA.H.HHall)在实验中中发现：在在均匀强磁磁场B中放放入一块板板状金属导导体，并与与磁场B方方向垂直如如图1，在在金属板中中沿与磁场场B垂直的的方向通以以电流I的的时候，在在金属板上上下表面之之间会出现现横向电势势差UH 这种现象象称为霍尔尔效应，电电势差UHH 称为霍霍尔电势差差。进一步步的观察实实验还指出出，霍尔电电势差UHH 大小与与磁感应强强度B和电电流强度II的大小都都成正比，而而与金属板板的厚度dd成反比。即即UH =RHIBB/d (V)； 式中RHH（mm3C-1）仅仅与导体材材料有关，称称为霍尔系系数。当时时虽然发现现了霍尔效效应现象，但但在发现电电子以前，人人们不知道道导体中的的载流子是是什么，不不能从电子子运动的角角度加以解解释霍尔效效应的物理理现象，现现在我们按按电子学理理论对霍尔尔效应做了了如下的解解释：金属属中的电流流就是自由由电子的定定向流动，运运动中的电电子在磁场场中要受到到洛仑兹力力的作用。设设电子以定定向速度 运动，在在磁场B中中（ ），电电子就要受受到力f=e 的的作用，沿沿着f所指指的方向漂漂移，从而而使导体上上表面积累累过多的电电子，下表表面出现电电子不足，从从而在导体体内产生方方向向上的的电场。当当这电场对对电子的作作用力eeEH 正正好与磁场场作用力ff相平衡时时，达到稳稳定状态。 霍尔效应被被发现后，人人们做了大大量的工作作，逐渐利利用这种物物理现象制制成霍尔元元件。霍尔尔元件一般般采用N型型锗（Gee）,锑化化铟（InnSb）和和砷化铟（IInA）等等半导体材材料制成。锑锑化铟元件件的霍尔输输出电势较较大，但受受温度的影影响也大；锗元件的的输出电势势小，受温温度影响小小，线性度度较好。因因此，采用用砷化铟材材料做霍尔尔元件受到到普遍的重重视。霍尔尔器件是一一种磁传感感器。用它它们可以检检测磁场及及其变化，可可在各种与与磁场有关关的场合中中使用。按按照霍尔器器件的功能能可将它们们分为: 霍尔线性性器件和霍霍尔开关器器件。前者者输出模拟拟量，后者者输出数字字量。霍尔尔器件以霍霍尔效应为为其工作基基础。 霍霍尔器件具具有许多优优点，它们们的结构牢牢固，体积积小，重量量轻，寿命命长，安装装方便，功功耗小，频频率高（可可达1MHHZ），耐耐震动，不不怕灰尘、油油污、水汽汽及盐雾等等的污染或或腐蚀。 霍尔线性性器件的精精度高、线线性度好；霍尔开关关器件无触触点、无磨磨损、输出出波形清晰晰、无抖动动、无回跳跳、位置重重复精度高高（可达m级）。取取用了各种种补偿和保保护措施的的霍尔器件件的工作温温度范围宽宽，可达551500。 按被被检测的对对象的性质质可将它们们的应用分分为:直接接应用和间间接应用。前前者是直接接检测出受受检测对象象本身的磁磁场或磁特特性，后者者是检测受受检对象上上人为设置置的磁场，用用这个磁场场来作被检检测的信息息的载体，通通过它，将将许多非电电、非磁的的物理量例例如力、力力矩、压力力、应力、位位置、位移移、速度、加加速度、角角度、角速速度、转数数、转速以以及工作状状态发生变变化的时间间等，转变变成电量来来进行检测测和控制。 二霍尔元元件的应用用与当前发发展状况3> 5>66> 自从霍尔效效应被发现现100多多年以来,它的应用用经历了三三个阶段: 第一阶段是是从霍尔效效应的发现现到20世世纪40年年代前期。最最初,由于于金属材料料中的电子子浓度很大大,而霍尔尔效应十分分微弱,所所以没有引引起人们的的重视。这这段时期也也有人利用用霍尔效应应制成磁场场传感器,但实用价价值不大,到了19910年有有人用金属属铋制成霍霍尔元件,作为磁场场传感器。但但是,由于于当时未找找到更合适适的材料,研究处于于停顿状态态。 第二阶段是是从20世世纪40年年代中期半半导体技术术出现之后后,随着半半导体材料料、制造工工艺和技术术的应用,出现了各各种半导体体霍尔元件件,特别是是锗的采用用推动了霍霍尔元件的的发展,相相继出现了了采用分立立霍尔元件件制造的各各种磁场传传感器。 第三阶段是是自20世世纪60年年代开始,随着集成成电路技术术的发展,出现了将将霍尔半导导体元件和和相关的信信号调节电电路集成在在一起的霍霍尔传感器器。进入220世纪880年代,随着大规规模超大规规模集成电电路和微机机械加工技技术的进展展,霍尔元元件从平面面向三维方方向发展,出现了三三端口或四四端口固态态霍尔传感感器,实现现了产品的的系列化、加加工的批量量化、体积积的微型化化。霍尔集集成电路出出现以后，很很快便得到到了广泛应应用。 霍尔元件应应用十分广广泛大致可可分为以下下几个方向向。 1. 测量量载流子浓浓度： 根据霍尔电电压产生的的公式，以以及在外加加磁场中测测量的霍尔尔电压可以以判断传导导载流子的的极性与浓浓度，这种种方式被广广泛的利用用于半导体体中掺杂载载体的性质质与浓度的的测量上。 2. 测量量磁场强度度： 只要测出霍霍尔电压VVBB，即即可算出磁磁场B的大大小；并且且若知载流流子类型(n型半导导体多数载载流子为电电子，P型型半导体多多数载流子子为空穴),则由VVBB的的正负可测测出磁场方方向，反之之，若已知知磁场方向向，则可判判断载流子子类型。 3. 测量量电流强度度： 将图4中霍霍尔器件的的输出（必必要时可进进行放大）送送到经校准准的显示器器上，即可可由霍尔输输出电压的的数值直接接得出被测测电流值。这这种方式的的优点是结结构简单，测测量结果的的精度和线线性度都较较高。可测测直流、交交流和各种种波形的电电流。但它它的测量范范围、带宽宽等受到一一定的限制制。在这种种应用中，霍霍尔器件是是磁场检测测器，它检检测的是磁磁芯气隙中中的磁感应应强度。电电流增大后后，磁芯可可能达到饱饱和；随着着频率升高高，磁芯中中的涡流损损耗、磁滞滞损耗等也也会随之升升高。这些些都会对测测量精度产产生影响。当当然，也可可采取一些些改进措施施来降低这这些影响，例例如选择饱饱和磁感应应强度高的的磁芯材料料；制成多多层磁芯；采用多个个霍尔元件件来进行检检测等等。这这类霍尔电电流传感器器的价格也也相对便宜宜，使用非非常方便，已已得到极为为广泛的应应用，国内内外已有许许多厂家生生产。 4. 测量量微小位移移： 若令霍尔元元件的工作作电流保持持不变，而而使其在一一个均匀梯梯度磁场中中移动，它它输出的霍霍尔电压VVH值只由由它在该磁磁场中的位位移量Z来来决定。图图6示出33种产生梯梯度磁场的的磁系统及及其与霍尔尔器件组成成的位移传传感器的输输出特性曲曲线，将它它们固定在在被测系统统上，可构构成霍尔微微位移传感感器。从曲曲线可见，结结构（b）在在Z<2mmm时，VVH与Z有有良好的线线性关系，且且分辨力可可达1mm，结构（CC）的灵敏敏度高，但但工作距离离较小。用用霍尔元件件测量位移移的优点很很多：惯性性小、频响响快、工作作可靠、寿寿命长。 以微位移移检测为基基础，可以以构成压力力、应力、应应变、机械械振动、加加速度、重重量、称重重等霍尔传传感器。 5. 压力力传感器： 霍尔压力传传感器由弹弹性元件，磁磁系统和霍霍尔元件等等部分组成成，如图66所示。在在图6中，（aa）的弹性性元件为膜膜盒，(bb)为弹簧簧片，(cc)为波纹纹管。磁系系统最好用用能构成均均匀梯度磁磁场的复合合系统，如如图6中的的(a)、(b)，也也可采用单单一磁体，如如（c）。加加上压力后后，使磁系系统和霍尔尔元件间产产生相对位位移，改变变作用到霍霍尔元件上上的磁场，从从而改变它它的输出电电压VH。由由事先校准准的pff(VH)曲线即可可得到被测测压力p的的值。 6. 霍尔尔加速度传传感器： 图7示出霍霍尔加速度度传感器的的结构原理理和静态特特性曲线。在在盒体的OO点上固定定均质弹簧簧片S,片片S的中部部U处装一一惯性块MM，片S的的末端b处处固定测量量位移的霍霍尔元件HH，H的上上下方装上上一对永磁磁体，它们们同极性相相对安装。盒盒体固定在在被测对象象上，当它它们与被测测对象一起起作垂直向向上的加速速运动时，惯惯性块在惯惯性力的作作用下使霍霍尔元件HH产生一个个相对盒体体的位移，产产生霍尔电电压VH的的变化。可可从VH与与加速度的的关系曲线线上求得加加速度。 人们在利用用霍尔效应应开发的各各种传感器器，磁罗盘盘、磁头、电电流传感器器、非接触触开关、接接近开关、位位置、角度度、速度、加加速度传感感器、压力力变送器、无无刷直流电电机以及各各种函数发发生器、运运算器等,已广泛应应用于工业业自动化技技术、检测测技术和信信息处理各各个方面。仅仅在汽车的的电子系统统中，使用用霍尔ICC的就有十十几处。如如点火控制制、发动机机速度检测测、燃料喷喷射控制、底底盘控制、门门锁控制以以及方位导导航控制等等。除了己己非常成熟熟的双极型型霍尔ICC外，应用用CMOSS和Si CMOSS技术的霍霍尔产品业业已广泛使使用，MOOS霍尔IIC的功耗耗更低，功功能更强。霍霍尔IC的的种类较多多，大致可可分为霍尔尔线性ICC和霍尔开开关IC。前前者的输出出与磁场成成正比，用用于各种参参量的测量量：后者的的输出为高高、低电平平两利，状状态，常用用于无刷电电机和汽车车点火装置置中。此外外，大功率率的霍尔IIC的应用用也非常广广泛，它将将功率驱动动级和各种种保护电路路集成到霍霍尔IC中中，使得器器件具有很很强的驱动动能力，它它们可直接接驱动无刷刷电动机，也也常用在汽汽车中作开开关器件。在在实际使用用中，经常常将霍尔集集成电路(有时也用用霍尔元件件)与永磁磁体、软磁磁材料等封封装在一起起，组成适适用于特定定应用场合合的霍尔传传感器组件件。 在国内，除除南京中旭旭微电子公公司可大量量生产霍尔尔集成电路路、营口华华光传感元元件厂可批批量生产薄薄膜磁阻器器件、西南南应用磁学学研究所可可批量生产产威根德器器件外，其其余各类也也有研制和和小批量生生产。据预预测：19995年，国国内有411家企业生生产磁传感感器，总产产量为27780万只只.其中，霍霍尔器件11730万万只，结型型磁敏元件件90万只只，磁电阻阻元件8550万只，威威根德元件件110万万只.虽然然其余各种种磁传感器器都有厂、所所、校在进进行研制，品品种基本齐齐全，但仍仍末形成规规模化产业业。 在国外，由由于磁传感感器已逐渐渐被广泛而而大量地使使用，有许许多企业竞竞相研制和和生产，形形成一定规规模的磁传传感器产业业。霍尔器器件是半导导体磁传感感器中最成成熟和产量量最大的产产品。旭化化成(InnSb霍尔尔元件)、HHoneyywelll、A111egroo(原称SSpraggue)、IITT、SSiemeens(霍霍尔电路)等均已大大量生产。PPhiliips、HHoneyywelll、Sonny、IBBM等已大大量生产了了金属膜磁磁敏电阻器器及集成电电路。TDDK、Soony、MMatsuusbitta、Tooshibba等巳批批量生产非非晶磁头等等非晶金属属磁传感器器。还有LLEM、HHoneyywelll、F.WWBelll、NaaNa等公公司生产厂厂各种用途途和量程的的电流、电电压传感器器和其它类类型的磁传传感器组件件，这些磁磁传感器都都巳得到广广泛的应用用。 三霍尔效效应应用中中存在的问问题与注意意事项 应用霍尔效效应制作的的传感器对对均匀、恒恒定磁场测测量的准确确度一般在在5%00.5%，高高精度的测测量准确度度可以达到到0.055%。但对对磁体表面面的非均匀匀磁场的测测量就谈不不上准确度度了。往往往是不同的的仪表，或或同型号的的仪表，不不同的探头头，或同一一支探头的的不同侧面面。去测量量同一磁体体表面，同同一位置（应应该说看上上去是同一一位置）的的磁场时，显显示的结果果大不一样样，误差可可以超过220%，甚甚至50%。 在实际际应用中，伴伴随霍尔效效应经常存存在其他效效应。例如如实际中载载流子迁移移速率u服服从统计分分布规律，速速度小的载载流子受到到的洛伦兹兹力小于霍霍尔电场作作用力，向向霍尔电场场作用力方方向偏转，速速度大的载载流子受到到磁场作用用力大于霍霍尔电场作作用力，向向洛伦兹力力方向偏转转。这样使使得一侧告告诉载流子子较多，相相当于温度度较高，而而另一侧低低速载流子子较多，相相当于温度度较低。这这种横向温温差就是温温差电动势势VE，这这种现象称称为爱延豪豪森效应。这这种效应建建立需要一一定时间，如如果采用直直流电测量量时会因此此而给霍尔尔电压测量量带来误差差，如果采采用交流电电，则由于于交流变化化快使得爱爱延豪森效效应来不及及建立，可可以减小测测量误差。 此外，在使使用霍尔元元件时还存存在不等位位电动势引引起的误差差，这是因因为霍尔电电极不可能能绝对对称称焊在霍尔尔片两侧产产生的。由由于目前生生产工艺水水平较高，不不等位电动动势很小，故故一般可以以忽略，也也可以用一一个电位器器加以平衡衡。 四在霍尔尔效应研究究领域与应应用领域的的展望11> 1研究领领域的展望望 自从18779年244岁的研究究生霍尔（EEdwinn H. Halll）在发现现霍尔效，随随着半导体体物理学的的迅猛发展展，霍尔系系数和电导导率的测量量已经称为为研究半导导体材料的的主要方法法之一。通通过实验测测量半导体体材料的霍霍尔系数和和电导率可可以判断材材料的导电电类型、载载流子浓度度、载流子子迁移率等等主要参数数。若能测测得霍尔系系数和电导导率随温度度变化的关关系，还可可以求出半半导体材料料的杂质电电离能等参参数。在霍霍尔效应发发现约1000年后，德德国物理学学家克利青青(Klaaus vvon KKlitzzing)等研究半半导体在极极低温度和和强磁场中中发现了量量子霍尔效效应，它不不仅可作为为一种新型型电阻标准准，还可以以改进一些些基本产量量的精确测测定，是当当代凝聚态态物理学和和磁学令人人惊异的进进展之一，克克利青为此此发现获得得19855年诺贝尔尔物理学奖奖。其后美美籍华裔物物理学家崔崔琦(D. C. Tsuii)和施特特默在更强强磁场下研研究量子霍霍尔效应时时发现了分分数量子霍霍尔效应。它它的发现使使人们对宏宏观量子现现象的认识识更深入一一步，他们们为此发现现获得了11998年年诺贝尔物物理学奖。日日本的物理理学家日前前发现。理理论上來说说,光学也也有等同于于霍尔效应应的现象发发生。而且且此理论应应该可以利利用偏振光光加以实验验证明。 2在应用用领域方面面的展望。 21新的的霍尔元件件结构。常常规霍尔元元件要求磁磁场垂直于于霍尔元件件，且在整整个霍尔元元件上是均均匀磁场。而而在其他情情况，需要要根据磁场场分布情况况，设计各各种各样相相应的非平平面霍尔结结构。其中中，垂直式式霍尔器件件是一种最最近新发展展出来的。这这种垂直式式霍尔片具具有低噪声声、低失调调和高稳定定性的特点点。目前根根据这种原原理国际上上开展了许许多研究项项目。 22微型型化。瑞士士联邦技术术研究所最最新研制的的超小型三三维霍尔传传感器工作作面不到3300×3300umm，只有六六个管脚。这这种器件特特别适合用用于空间窄窄小的检测测环境，例例如电动机机中的间隙隙、磁力轴轴承以及其其他象永磁磁体扫描等等需接近测测量表面的的场合。 23高灵灵敏度。有有资料显示示，有一种种高灵敏度度霍尔传感感器，它基基于霍尔传传感器原理理，并且集集成了磁通通集中器。产产品的主要要创新就在在于利用了了成熟的微微电子集成成工艺，制制造低成本本的磁通集集中器。其其磁通集中中器直接集集成在已带带有成千霍霍尔敏感单单元的硅片片上，再将将硅片切割割成单个的的霍尔探针针，最后封封装成标准准的集成电电路芯片。这这种集成化化的磁通集集中器的单单元成本只只占传感器器成本的六六分之一，传传感器的检检测灵敏度度却可提高高五倍以上上。 24 高高集成度。国国外霍尔传传感器的发发展方向就就是采用CCMOS技技术的高度度集成化，同同样功能可可以集成在在非常小的的芯片内，如如信号预处处理的最主主要部分已已在霍尔器器件上完成成，其中包包括前置放放大、失调调补偿、温温度补偿、电电压恒定，并并且可以在在芯片上集集成许多附附加功能，如如数据存储储单元、定定时器A/D转换器器、总线接接口等，所所有这些都都采用CMMOS标准准，它们开开辟了霍尔尔器件新的的应用领域域。目前，铁铁磁层的集集成技术在在磁传感器器领域开创创了新的研研究方向，许许多研究人人员正致力力于这方面面的研究，进进行中的各各种课题包包括二维和和三维霍尔尔传感器，磁磁断续器和和磁通门等等等。 综上所述，由由于采用了了微电子工工艺，硅霍霍尔传感器器能很好的的适用于许许多工业应应用。近期期硅霍尔传传感器的研研究进展开开辟了许多多新的应用用，例如单单芯片三维维高精度磁磁探头，无无触点角位位置测量，微微电机的精精确控制，微微型电流传传感器和磁磁断续器，以以及今后将将被开发的的其他崭新新应用。此此外，为了了提高电压压灵敏度和和横向温度度灵敏度、减减少失调电电压,还将将出现新的的测量原理理与方法,例如等离离子霍尔效效应及其传传感器。 随这人类科科技的进步步，人们对对自然认识识的逐步加加深，将创创造出更辉辉煌的业绩绩。  作者：张强强1 程姝姝丹2 11.河北工工业大学 电气与自自动化学院院 2天天津水泥设设计研究院院 参考文献 1电磁场场应用技术术讲义 杨杨庆新 河河北工业大大学 20006.22 2普通物物理学 程程守诛，江江之永 高高等教育出出版社 11982 3霍尔元元件与电子子检测应用用电路 卢卢文科等 中国电力力出版社 20055.4 4传感器器原理及应应用 王化化祥，张淑淑英 天津津大学出版版社 19988.44 5霍尔元元件及其应应用 杭州州中霍电子子有限公司司 6LINNEAR HALLL-EFFFECT SENSSORS Joe Gilbbert and Ray Deweey Alllegrro MiicroSSysteems, Inc. 来源：水水泥技术22006