霍尔效应的应用与发展

1、霍尔效应的应用与发展 HYPERLINK /blog/static/69144717200854111944968/# l # 默认分类 2008-06-04 23:19 阅读603评论1 字号： HYPERLINK /blog/static/69144717200854111944968/# l # 大 HYPERLINK /blog/static/69144717200854111944968/# l # 中 HYPERLINK /blog/static/69144717200854111944968/# l # 小 一霍尔效效应原理理1879年年霍尔(A.HH.Haall)在实验验中发现

2、现：在均均匀强磁磁场B中中放入一一块板状状金属导导体，并并与磁场场B方向向垂直如如图1，在在金属板板中沿与与磁场BB垂直的的方向通通以电流流I的时时候，在在金属板板上下表表面之间间会出现现横向电电势差UUH 这这种现象象称为霍霍尔效应应，电势势差UHH 称为为霍尔电电势差。进进一步的的观察实实验还指指出，霍霍尔电势势差UHH 大小小与磁感感应强度度B和电电流强度度I的大大小都成成正比，而而与金属属板的厚厚度d成成反比。即即UH =RHHIB/d (V)； 式中中RH（mm3C-11）仅与与导体材材料有关关，称为为霍尔系系数。当当时虽然然发现了了霍尔效效应现象象，但在在发现电电子以前前，人们们不

3、知道道导体中中的载流流子是什什么，不不能从电电子运动动的角度度加以解解释霍尔尔效应的的物理现现象，现现在我们们按电子子学理论论对霍尔尔效应做做了如下下的解释释：金属属中的电电流就是是自由电电子的定定向流动动，运动动中的电电子在磁磁场中要要受到洛洛仑兹力力的作用用。设电电子以定定向速度度 运动动，在磁磁场B中中（ ），电电子就要要受到力力f=e 的的作用，沿沿着f所所指的方方向漂移移，从而而使导体体上表面面积累过过多的电电子，下下表面出出现电子子不足，从从而在导导体内产产生方向向向上的的电场。当当这电场场对电子子的作用用力eeEH 正好与与磁场作作用力ff相平衡衡时，达达到稳定定状态。 霍尔效应

4、被被发现后后，人们们做了大大量的工工作，逐逐渐利用用这种物物理现象象制成霍霍尔元件件。霍尔尔元件一一般采用用N型锗锗（Gee）,锑锑化铟（IInSbb）和砷砷化铟（IInA）等等半导体体材料制制成。锑锑化铟元元件的霍霍尔输出出电势较较大，但但受温度度的影响响也大；锗元件件的输出出电势小小，受温温度影响响小，线线性度较较好。因因此，采采用砷化化铟材料料做霍尔尔元件受受到普遍遍的重视视。霍尔尔器件是是一种磁磁传感器器。用它它们可以以检测磁磁场及其其变化，可可在各种种与磁场场有关的的场合中中使用。按按照霍尔尔器件的的功能可可将它们们分为: 霍尔尔线性器器件和霍霍尔开关关器件。前前者输出出模拟量量，后

5、者者输出数数字量。霍霍尔器件件以霍尔尔效应为为其工作作基础。 霍尔器器件具有有许多优优点，它它们的结结构牢固固，体积积小，重重量轻，寿寿命长，安安装方便便，功耗耗小，频频率高（可可达1MMHZ），耐耐震动，不不怕灰尘尘、油污污、水汽汽及盐雾雾等的污污染或腐腐蚀。 霍尔线线性器件件的精度度高、线线性度好好；霍尔尔开关器器件无触触点、无无磨损、输输出波形形清晰、无无抖动、无无回跳、位位置重复复精度高高（可达达m级级）。取取用了各各种补偿偿和保护护措施的的霍尔器器件的工工作温度度范围宽宽，可达达5551550。 按按被检测测的对象象的性质质可将它它们的应应用分为为:直接接应用和和间接应应用。前前者是

6、直直接检测测出受检检测对象象本身的的磁场或或磁特性性，后者者是检测测受检对对象上人人为设置置的磁场场，用这这个磁场场来作被被检测的的信息的的载体，通通过它，将将许多非非电、非非磁的物物理量例例如力、力力矩、压压力、应应力、位位置、位位移、速速度、加加速度、角角度、角角速度、转转数、转转速以及及工作状状态发生生变化的的时间等等，转变变成电量量来进行行检测和和控制。 二霍尔元元件的应应用与当当前发展展状况3 56 自从霍尔效效应被发发现1000多年年以来,它的应应用经历历了三个个阶段: 第一阶段是是从霍尔尔效应的的发现到到20世世纪400年代前前期。最最初,由由于金属属材料中中的电子子浓度很很大,

7、而而霍尔效效应十分分微弱,所以没没有引起起人们的的重视。这这段时期期也有人人利用霍霍尔效应应制成磁磁场传感感器,但但实用价价值不大大,到了了19110年有有人用金金属铋制制成霍尔尔元件,作为磁磁场传感感器。但但是,由由于当时时未找到到更合适适的材料料,研究究处于停停顿状态态。 第二阶段是是从200世纪440年代代中期半半导体技技术出现现之后,随着半半导体材材料、制制造工艺艺和技术术的应用用,出现现了各种种半导体体霍尔元元件,特特别是锗锗的采用用推动了了霍尔元元件的发发展,相相继出现现了采用用分立霍霍尔元件件制造的的各种磁磁场传感感器。 第三阶段是是自200世纪660年代代开始,随着集集成电路路

8、技术的的发展,出现了了将霍尔尔半导体体元件和和相关的的信号调调节电路路集成在在一起的的霍尔传传感器。进进入200世纪880年代代,随着着大规模模超大规规模集成成电路和和微机械械加工技技术的进进展,霍霍尔元件件从平面面向三维维方向发发展,出出现了三三端口或或四端口口固态霍霍尔传感感器,实实现了产产品的系系列化、加加工的批批量化、体体积的微微型化。霍霍尔集成成电路出出现以后后，很快快便得到到了广泛泛应用。 霍尔元件应应用十分分广泛大大致可分分为以下下几个方方向。 1. 测量量载流子子浓度： 根据霍尔电电压产生生的公式式，以及及在外加加磁场中中测量的的霍尔电电压可以以判断传传导载流流子的极极性与浓浓

9、度，这这种方式式被广泛泛的利用用于半导导体中掺掺杂载体体的性质质与浓度度的测量量上。 2. 测量量磁场强强度： 只要测出霍霍尔电压压VBBB，即即可算出出磁场BB的大小小；并且且若知载载流子类类型(nn型半导导体多数数载流子子为电子子，P型型半导体体多数载载流子为为空穴),则由由VBBB的正正负可测测出磁场场方向，反反之，若若已知磁磁场方向向，则可可判断载载流子类类型。 3. 测量量电流强强度： 将图4中霍霍尔器件件的输出出（必要要时可进进行放大大）送到到经校准准的显示示器上，即即可由霍霍尔输出出电压的的数值直直接得出出被测电电流值。这这种方式式的优点点是结构构简单，测测量结果果的精度度和线性

10、性度都较较高。可可测直流流、交流流和各种种波形的的电流。但但它的测测量范围围、带宽宽等受到到一定的的限制。在在这种应应用中，霍霍尔器件件是磁场场检测器器，它检检测的是是磁芯气气隙中的的磁感应应强度。电电流增大大后，磁磁芯可能能达到饱饱和；随随着频率率升高，磁磁芯中的的涡流损损耗、磁磁滞损耗耗等也会会随之升升高。这这些都会会对测量量精度产产生影响响。当然然，也可可采取一一些改进进措施来来降低这这些影响响，例如如选择饱饱和磁感感应强度度高的磁磁芯材料料；制成成多层磁磁芯；采采用多个个霍尔元元件来进进行检测测等等。这这类霍尔尔电流传传感器的的价格也也相对便便宜，使使用非常常方便，已已得到极极为广泛泛

11、的应用用，国内内外已有有许多厂厂家生产产。 4. 测量量微小位位移： 若令霍尔元元件的工工作电流流保持不不变，而而使其在在一个均均匀梯度度磁场中中移动，它它输出的的霍尔电电压VHH值只由由它在该该磁场中中的位移移量Z来来决定。图图6示出出3种产产生梯度度磁场的的磁系统统及其与与霍尔器器件组成成的位移移传感器器的输出出特性曲曲线，将将它们固固定在被被测系统统上，可可构成霍霍尔微位位移传感感器。从从曲线可可见，结结构（bb）在ZZ 1研究领领域的展展望 自从18779年224岁的的研究生生霍尔（EEdwiin HH. HHalll）在发发现霍尔尔效，随随着半导导体物理理学的迅迅猛发展展，霍尔尔系数

12、和和电导率率的测量量已经称称为研究究半导体体材料的的主要方方法之一一。通过过实验测测量半导导体材料料的霍尔尔系数和和电导率率可以判判断材料料的导电电类型、载载流子浓浓度、载载流子迁迁移率等等主要参参数。若若能测得得霍尔系系数和电电导率随随温度变变化的关关系，还还可以求求出半导导体材料料的杂质质电离能能等参数数。在霍霍尔效应应发现约约1000年后，德德国物理理学家克克利青(Klaaus vonn Kllitzzingg)等研研究半导导体在极极低温度度和强磁磁场中发发现了量量子霍尔尔效应，它它不仅可可作为一一种新型型电阻标标准，还还可以改改进一些些基本产产量的精精确测定定，是当当代凝聚聚态物理理学

13、和磁磁学令人人惊异的的进展之之一，克克利青为为此发现现获得119855年诺贝贝尔物理理学奖。其其后美籍籍华裔物物理学家家崔琦(D. C. Tsuui)和和施特默默在更强强磁场下下研究量量子霍尔尔效应时时发现了了分数量量子霍尔尔效应。它它的发现现使人们们对宏观观量子现现象的认认识更深深入一步步，他们们为此发发现获得得了19998年年诺贝尔尔物理学学奖。日日本的物物理学家家日前发发现。理理论上來來说,光光学也有有等同于于霍尔效效应的现现象发生生。而且且此理论论应该可可以利用用偏振光光加以实实验证明明。 2在应用用领域方方面的展展望。 21新的的霍尔元元件结构构。常规规霍尔元元件要求求磁场垂垂直于霍

14、霍尔元件件，且在在整个霍霍尔元件件上是均均匀磁场场。而在在其他情情况，需需要根据据磁场分分布情况况，设计计各种各各样相应应的非平平面霍尔尔结构。其其中，垂垂直式霍霍尔器件件是一种种最近新新发展出出来的。这这种垂直直式霍尔尔片具有有低噪声声、低失失调和高高稳定性性的特点点。目前前根据这这种原理理国际上上开展了了许多研研究项目目。 22微型型化。瑞瑞士联邦邦技术研研究所最最新研制制的超小小型三维维霍尔传传感器工工作面不不到30003300uum，只只有六个个管脚。这这种器件件特别适适合用于于空间窄窄小的检检测环境境，例如如电动机机中的间间隙、磁磁力轴承承以及其其他象永永磁体扫扫描等需需接近测测量表

15、面面的场合合。 23高灵灵敏度。有有资料显显示，有有一种高高灵敏度度霍尔传传感器，它它基于霍霍尔传感感器原理理，并且且集成了了磁通集集中器。产产品的主主要创新新就在于于利用了了成熟的的微电子子集成工工艺，制制造低成成本的磁磁通集中中器。其其磁通集集中器直直接集成成在已带带有成千千霍尔敏敏感单元元的硅片片上，再再将硅片片切割成成单个的的霍尔探探针，最最后封装装成标准准的集成成电路芯芯片。这这种集成成化的磁磁通集中中器的单单元成本本只占传传感器成成本的六六分之一一，传感感器的检检测灵敏敏度却可可提高五五倍以上上。 24 高高集成度度。国外外霍尔传传感器的的发展方方向就是是采用CCMOSS技术的的高

16、度集集成化，同同样功能能可以集集成在非非常小的的芯片内内，如信信号预处处理的最最主要部部分已在在霍尔器器件上完完成，其其中包括括前置放放大、失失调补偿偿、温度度补偿、电电压恒定定，并且且可以在在芯片上上集成许许多附加加功能，如如数据存存储单元元、定时时器A/D转换换器、总总线接口口等，所所有这些些都采用用CMOOS标准准，它们们开辟了了霍尔器器件新的的应用领领域。目目前，铁铁磁层的的集成技技术在磁磁传感器器领域开开创了新新的研究究方向，许许多研究究人员正正致力于于这方面面的研究究，进行行中的各各种课题题包括二二维和三三维霍尔尔传感器器，磁断断续器和和磁通门门等等。 综上所述，由由于采用用了微电

17、电子工艺艺，硅霍霍尔传感感器能很很好的适适用于许许多工业业应用。近近期硅霍霍尔传感感器的研研究进展展开辟了了许多新新的应用用，例如如单芯片片三维高高精度磁磁探头，无无触点角角位置测测量，微微电机的的精确控控制，微微型电流流传感器器和磁断断续器，以以及今后后将被开开发的其其他崭新新应用。此此外，为为了提高高电压灵灵敏度和和横向温温度灵敏敏度、减减少失调调电压,还将出出现新的的测量原原理与方方法,例例如等离离子霍尔尔效应及及其传感感器。 随这人类科科技的进进步，人人们对自自然认识识的逐步步加深，将将创造出出更辉煌煌的业绩绩。 作者：张强强1 程程姝丹22 1.河北工工业大学学 电气气与自动动化学院院 2天津水水泥设计计研究院院 参考文献 1电磁场场应用技技术讲义义 杨庆庆新 河河北工业业大学 20