霍爾效應(yīng)的應(yīng)用與發(fā)展

1、霍爾效應(yīng)的應(yīng)用與發(fā)展 HYPERLINK /blog/static/69144717200854111944968/# l # 默認(rèn)分類 2008-06-04 23:19 閱讀603評論1 字號： HYPERLINK /blog/static/69144717200854111944968/# l # 大 HYPERLINK /blog/static/69144717200854111944968/# l # 中 HYPERLINK /blog/static/69144717200854111944968/# l # 小 一霍爾效效應(yīng)原理理1879年年霍爾(A.HH.Haall)在實驗驗中發(fā)現(xiàn)

2、現(xiàn)：在均均勻強磁磁場B中中放入一一塊板狀狀金屬導(dǎo)導(dǎo)體，并并與磁場場B方向向垂直如如圖1，在在金屬板板中沿與與磁場BB垂直的的方向通通以電流流I的時時候，在在金屬板板上下表表面之間間會出現(xiàn)現(xiàn)橫向電電勢差UUH 這這種現(xiàn)象象稱為霍霍爾效應(yīng)應(yīng)，電勢勢差UHH 稱為為霍爾電電勢差。進(jìn)進(jìn)一步的的觀察實實驗還指指出，霍霍爾電勢勢差UHH 大小小與磁感感應(yīng)強度度B和電電流強度度I的大大小都成成正比，而而與金屬屬板的厚厚度d成成反比。即即UH =RHHIB/d (V)； 式中中RH（mm3C-11）僅與與導(dǎo)體材材料有關(guān)關(guān)，稱為為霍爾系系數(shù)。當(dāng)當(dāng)時雖然然發(fā)現(xiàn)了了霍爾效效應(yīng)現(xiàn)象象，但在在發(fā)現(xiàn)電電子以前前，人們們不

3、知道道導(dǎo)體中中的載流流子是什什么，不不能從電電子運動動的角度度加以解解釋霍爾爾效應(yīng)的的物理現(xiàn)現(xiàn)象，現(xiàn)現(xiàn)在我們們按電子子學(xué)理論論對霍爾爾效應(yīng)做做了如下下的解釋釋：金屬屬中的電電流就是是自由電電子的定定向流動動，運動動中的電電子在磁磁場中要要受到洛洛侖茲力力的作用用。設(shè)電電子以定定向速度度 運動動，在磁磁場B中中（ ），電電子就要要受到力力f=e 的的作用，沿沿著f所所指的方方向漂移移，從而而使導(dǎo)體體上表面面積累過過多的電電子，下下表面出出現(xiàn)電子子不足，從從而在導(dǎo)導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)生方向向向上的的電場。當(dāng)當(dāng)這電場場對電子子的作用用力eeEH 正好與與磁場作作用力ff相平衡衡時，達(dá)達(dá)到穩(wěn)定定狀態(tài)。 霍爾效應(yīng)

4、被被發(fā)現(xiàn)后后，人們們做了大大量的工工作，逐逐漸利用用這種物物理現(xiàn)象象制成霍霍爾元件件?；魻枲栐灰话悴捎糜肗型鍺鍺（Gee）,銻銻化銦（IInSbb）和砷砷化銦（IInA）等等半導(dǎo)體體材料制制成。銻銻化銦元元件的霍霍爾輸出出電勢較較大，但但受溫度度的影響響也大；鍺元件件的輸出出電勢小小，受溫溫度影響響小，線線性度較較好。因因此，采采用砷化化銦材料料做霍爾爾元件受受到普遍遍的重視視?；魻枲柶骷鞘且环N磁磁傳感器器。用它它們可以以檢測磁磁場及其其變化，可可在各種種與磁場場有關(guān)的的場合中中使用。按按照霍爾爾器件的的功能可可將它們們分為: 霍爾爾線性器器件和霍霍爾開關(guān)關(guān)器件。前前者輸出出模擬量量，后

5、者者輸出數(shù)數(shù)字量?；艋魻柶骷曰魻枲栃?yīng)為為其工作作基礎(chǔ)。 霍爾器器件具有有許多優(yōu)優(yōu)點，它它們的結(jié)結(jié)構(gòu)牢固固，體積積小，重重量輕，壽壽命長，安安裝方便便，功耗耗小，頻頻率高（可可達(dá)1MMHZ），耐耐震動，不不怕灰塵塵、油污污、水汽汽及鹽霧霧等的污污染或腐腐蝕。 霍爾線線性器件件的精度度高、線線性度好好；霍爾爾開關(guān)器器件無觸觸點、無無磨損、輸輸出波形形清晰、無無抖動、無無回跳、位位置重復(fù)復(fù)精度高高（可達(dá)達(dá)m級級）。取取用了各各種補償償和保護(hù)護(hù)措施的的霍爾器器件的工工作溫度度范圍寬寬，可達(dá)達(dá)5551550。 按按被檢測測的對象象的性質(zhì)質(zhì)可將它它們的應(yīng)應(yīng)用分為為:直接接應(yīng)用和和間接應(yīng)應(yīng)用。前前者是

6、直直接檢測測出受檢檢測對象象本身的的磁場或或磁特性性，后者者是檢測測受檢對對象上人人為設(shè)置置的磁場場，用這這個磁場場來作被被檢測的的信息的的載體，通通過它，將將許多非非電、非非磁的物物理量例例如力、力力矩、壓壓力、應(yīng)應(yīng)力、位位置、位位移、速速度、加加速度、角角度、角角速度、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速以及及工作狀狀態(tài)發(fā)生生變化的的時間等等，轉(zhuǎn)變變成電量量來進(jìn)行行檢測和和控制。 二霍爾元元件的應(yīng)應(yīng)用與當(dāng)當(dāng)前發(fā)展展?fàn)顩r3 56 自從霍爾效效應(yīng)被發(fā)發(fā)現(xiàn)1000多年年以來,它的應(yīng)應(yīng)用經(jīng)歷歷了三個個階段: 第一階段是是從霍爾爾效應(yīng)的的發(fā)現(xiàn)到到20世世紀(jì)400年代前前期。最最初,由由于金屬屬材料中中的電子子濃度很很大,

7、而而霍爾效效應(yīng)十分分微弱,所以沒沒有引起起人們的的重視。這這段時期期也有人人利用霍霍爾效應(yīng)應(yīng)制成磁磁場傳感感器,但但實用價價值不大大,到了了19110年有有人用金金屬鉍制制成霍爾爾元件,作為磁磁場傳感感器。但但是,由由于當(dāng)時時未找到到更合適適的材料料,研究究處于停停頓狀態(tài)態(tài)。 第二階段是是從200世紀(jì)440年代代中期半半導(dǎo)體技技術(shù)出現(xiàn)現(xiàn)之后,隨著半半導(dǎo)體材材料、制制造工藝藝和技術(shù)術(shù)的應(yīng)用用,出現(xiàn)現(xiàn)了各種種半導(dǎo)體體霍爾元元件,特特別是鍺鍺的采用用推動了了霍爾元元件的發(fā)發(fā)展,相相繼出現(xiàn)現(xiàn)了采用用分立霍霍爾元件件制造的的各種磁磁場傳感感器。 第三階段是是自200世紀(jì)660年代代開始,隨著集集成電路路

8、技術(shù)的的發(fā)展,出現(xiàn)了了將霍爾爾半導(dǎo)體體元件和和相關(guān)的的信號調(diào)調(diào)節(jié)電路路集成在在一起的的霍爾傳傳感器。進(jìn)進(jìn)入200世紀(jì)880年代代,隨著著大規(guī)模模超大規(guī)規(guī)模集成成電路和和微機械械加工技技術(shù)的進(jìn)進(jìn)展,霍霍爾元件件從平面面向三維維方向發(fā)發(fā)展,出出現(xiàn)了三三端口或或四端口口固態(tài)霍霍爾傳感感器,實實現(xiàn)了產(chǎn)產(chǎn)品的系系列化、加加工的批批量化、體體積的微微型化?；艋魻柤沙呻娐烦龀霈F(xiàn)以后后，很快快便得到到了廣泛泛應(yīng)用。 霍爾元件應(yīng)應(yīng)用十分分廣泛大大致可分分為以下下幾個方方向。 1. 測量量載流子子濃度： 根據(jù)霍爾電電壓產(chǎn)生生的公式式，以及及在外加加磁場中中測量的的霍爾電電壓可以以判斷傳傳導(dǎo)載流流子的極極性與濃濃

9、度，這這種方式式被廣泛泛的利用用于半導(dǎo)導(dǎo)體中摻摻雜載體體的性質(zhì)質(zhì)與濃度度的測量量上。 2. 測量量磁場強強度： 只要測出霍霍爾電壓壓VBBB，即即可算出出磁場BB的大小??；并且且若知載載流子類類型(nn型半導(dǎo)導(dǎo)體多數(shù)數(shù)載流子子為電子子，P型型半導(dǎo)體體多數(shù)載載流子為為空穴),則由由VBBB的正正負(fù)可測測出磁場場方向，反反之，若若已知磁磁場方向向，則可可判斷載載流子類類型。 3. 測量量電流強強度： 將圖4中霍霍爾器件件的輸出出（必要要時可進(jìn)進(jìn)行放大大）送到到經(jīng)校準(zhǔn)準(zhǔn)的顯示示器上，即即可由霍霍爾輸出出電壓的的數(shù)值直直接得出出被測電電流值。這這種方式式的優(yōu)點點是結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，測測量結(jié)果果的精度度和線性

10、性度都較較高?？煽蓽y直流流、交流流和各種種波形的的電流。但但它的測測量范圍圍、帶寬寬等受到到一定的的限制。在在這種應(yīng)應(yīng)用中，霍霍爾器件件是磁場場檢測器器，它檢檢測的是是磁芯氣氣隙中的的磁感應(yīng)應(yīng)強度。電電流增大大后，磁磁芯可能能達(dá)到飽飽和；隨隨著頻率率升高，磁磁芯中的的渦流損損耗、磁磁滯損耗耗等也會會隨之升升高。這這些都會會對測量量精度產(chǎn)產(chǎn)生影響響。當(dāng)然然，也可可采取一一些改進(jìn)進(jìn)措施來來降低這這些影響響，例如如選擇飽飽和磁感感應(yīng)強度度高的磁磁芯材料料；制成成多層磁磁芯；采采用多個個霍爾元元件來進(jìn)進(jìn)行檢測測等等。這這類霍爾爾電流傳傳感器的的價格也也相對便便宜，使使用非常常方便，已已得到極極為廣泛泛

11、的應(yīng)用用，國內(nèi)內(nèi)外已有有許多廠廠家生產(chǎn)產(chǎn)。 4. 測量量微小位位移： 若令霍爾元元件的工工作電流流保持不不變，而而使其在在一個均均勻梯度度磁場中中移動，它它輸出的的霍爾電電壓VHH值只由由它在該該磁場中中的位移移量Z來來決定。圖圖6示出出3種產(chǎn)產(chǎn)生梯度度磁場的的磁系統(tǒng)統(tǒng)及其與與霍爾器器件組成成的位移移傳感器器的輸出出特性曲曲線，將將它們固固定在被被測系統(tǒng)統(tǒng)上，可可構(gòu)成霍霍爾微位位移傳感感器。從從曲線可可見，結(jié)結(jié)構(gòu)（bb）在ZZ 1研究領(lǐng)領(lǐng)域的展展望 自從18779年224歲的的研究生生霍爾（EEdwiin HH. HHalll）在發(fā)發(fā)現(xiàn)霍爾爾效，隨隨著半導(dǎo)導(dǎo)體物理理學(xué)的迅迅猛發(fā)展展，霍爾爾系數(shù)

12、和和電導(dǎo)率率的測量量已經(jīng)稱稱為研究究半導(dǎo)體體材料的的主要方方法之一一。通過過實驗測測量半導(dǎo)導(dǎo)體材料料的霍爾爾系數(shù)和和電導(dǎo)率率可以判判斷材料料的導(dǎo)電電類型、載載流子濃濃度、載載流子遷遷移率等等主要參參數(shù)。若若能測得得霍爾系系數(shù)和電電導(dǎo)率隨隨溫度變變化的關(guān)關(guān)系，還還可以求求出半導(dǎo)導(dǎo)體材料料的雜質(zhì)質(zhì)電離能能等參數(shù)數(shù)。在霍霍爾效應(yīng)應(yīng)發(fā)現(xiàn)約約1000年后，德德國物理理學(xué)家克克利青(Klaaus vonn Kllitzzingg)等研研究半導(dǎo)導(dǎo)體在極極低溫度度和強磁磁場中發(fā)發(fā)現(xiàn)了量量子霍爾爾效應(yīng)，它它不僅可可作為一一種新型型電阻標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，還還可以改改進(jìn)一些些基本產(chǎn)產(chǎn)量的精精確測定定，是當(dāng)當(dāng)代凝聚聚態(tài)物理理學(xué)

13、和磁磁學(xué)令人人驚異的的進(jìn)展之之一，克克利青為為此發(fā)現(xiàn)現(xiàn)獲得119855年諾貝貝爾物理理學(xué)獎。其其后美籍籍華裔物物理學(xué)家家崔琦(D. C. Tsuui)和和施特默默在更強強磁場下下研究量量子霍爾爾效應(yīng)時時發(fā)現(xiàn)了了分?jǐn)?shù)量量子霍爾爾效應(yīng)。它它的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)使人們們對宏觀觀量子現(xiàn)現(xiàn)象的認(rèn)認(rèn)識更深深入一步步，他們們?yōu)榇税l(fā)發(fā)現(xiàn)獲得得了19998年年諾貝爾爾物理學(xué)學(xué)獎。日日本的物物理學(xué)家家日前發(fā)發(fā)現(xiàn)。理理論上來來說,光光學(xué)也有有等同于于霍爾效效應(yīng)的現(xiàn)現(xiàn)象發(fā)生生。而且且此理論論應(yīng)該可可以利用用偏振光光加以實實驗證明明。 2在應(yīng)用用領(lǐng)域方方面的展展望。 21新的的霍爾元元件結(jié)構(gòu)構(gòu)。常規(guī)規(guī)霍爾元元件要求求磁場垂垂直于霍

14、霍爾元件件，且在在整個霍霍爾元件件上是均均勻磁場場。而在在其他情情況，需需要根據(jù)據(jù)磁場分分布情況況，設(shè)計計各種各各樣相應(yīng)應(yīng)的非平平面霍爾爾結(jié)構(gòu)。其其中，垂垂直式霍霍爾器件件是一種種最近新新發(fā)展出出來的。這這種垂直直式霍爾爾片具有有低噪聲聲、低失失調(diào)和高高穩(wěn)定性性的特點點。目前前根據(jù)這這種原理理國際上上開展了了許多研研究項目目。 22微型型化。瑞瑞士聯(lián)邦邦技術(shù)研研究所最最新研制制的超小小型三維維霍爾傳傳感器工工作面不不到30003300uum，只只有六個個管腳。這這種器件件特別適適合用于于空間窄窄小的檢檢測環(huán)境境，例如如電動機機中的間間隙、磁磁力軸承承以及其其他象永永磁體掃掃描等需需接近測測量表

15、面面的場合合。 23高靈靈敏度。有有資料顯顯示，有有一種高高靈敏度度霍爾傳傳感器，它它基于霍霍爾傳感感器原理理，并且且集成了了磁通集集中器。產(chǎn)產(chǎn)品的主主要創(chuàng)新新就在于于利用了了成熟的的微電子子集成工工藝，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帶帶有成千千霍爾敏敏感單元元的硅片片上，再再將硅片片切割成成單個的的霍爾探探針，最最后封裝裝成標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的集成成電路芯芯片。這這種集成成化的磁磁通集中中器的單單元成本本只占傳傳感器成成本的六六分之一一，傳感感器的檢檢測靈敏敏度卻可可提高五五倍以上上。 24 高高集成度度。國外外霍爾傳傳感器的的發(fā)展方方向就是是采用CCMOSS技術(shù)的的高

16、度集集成化，同同樣功能能可以集集成在非非常小的的芯片內(nèi)內(nèi)，如信信號預(yù)處處理的最最主要部部分已在在霍爾器器件上完完成，其其中包括括前置放放大、失失調(diào)補償償、溫度度補償、電電壓恒定定，并且且可以在在芯片上上集成許許多附加加功能，如如數(shù)據(jù)存存儲單元元、定時時器A/D轉(zhuǎn)換換器、總總線接口口等，所所有這些些都采用用CMOOS標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，它們們開辟了了霍爾器器件新的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域。目目前，鐵鐵磁層的的集成技技術(shù)在磁磁傳感器器領(lǐng)域開開創(chuàng)了新新的研究究方向，許許多研究究人員正正致力于于這方面面的研究究，進(jìn)行行中的各各種課題題包括二二維和三三維霍爾爾傳感器器，磁斷斷續(xù)器和和磁通門門等等。 綜上所述，由由于采用用了微電

17、電子工藝藝，硅霍霍爾傳感感器能很很好的適適用于許許多工業(yè)業(yè)應(yīng)用。近近期硅霍霍爾傳感感器的研研究進(jìn)展展開辟了了許多新新的應(yīng)用用，例如如單芯片片三維高高精度磁磁探頭，無無觸點角角位置測測量，微微電機的的精確控控制，微微型電流流傳感器器和磁斷斷續(xù)器，以以及今后后將被開開發(fā)的其其他嶄新新應(yīng)用。此此外，為為了提高高電壓靈靈敏度和和橫向溫溫度靈敏敏度、減減少失調(diào)調(diào)電壓,還將出出現(xiàn)新的的測量原原理與方方法,例例如等離離子霍爾爾效應(yīng)及及其傳感感器。 隨這人類科科技的進(jìn)進(jìn)步，人人們對自自然認(rèn)識識的逐步步加深，將將創(chuàng)造出出更輝煌煌的業(yè)績績。 作者：張強強1 程程姝丹22 1.河北工工業(yè)大學(xué)學(xué) 電氣氣與自動動化學(xué)院院 2天津水水泥設(shè)計計研究院院 參考文獻(xiàn) 1電磁場場應(yīng)用技技術(shù)講義義 楊慶慶新 河河北工業(yè)業(yè)大學(xué) 20