霍爾效應(yīng)及霍爾開關(guān)

霍爾效應(yīng)科技名詞定義中文名稱：霍爾效應(yīng)英文名稱：Halleffect定義1：在物質(zhì)中任何一點(diǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度與電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度之矢量積成正比的現(xiàn)象。所屬學(xué)科：電力（一級(jí)學(xué)科）；通論（二級(jí)學(xué)科）定義2：通過(guò)電流的半導(dǎo)體在垂直電流方向的磁場(chǎng)作用下，在與電流和磁場(chǎng)垂直的方向上形成電荷積累和出現(xiàn)電勢(shì)差的現(xiàn)象。所屬學(xué)科：機(jī)械工程（一級(jí)學(xué)科）；工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)（二級(jí)學(xué)科）；機(jī)械量測(cè)量?jī)x表-機(jī)械量測(cè)量?jī)x表一般名詞（三級(jí)學(xué)科）本內(nèi)容由全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定公布霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國(guó)物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差。目錄發(fā)現(xiàn)解釋相關(guān)反應(yīng)本質(zhì)應(yīng)用發(fā)展發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)在1879年被E.H.霍爾發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的感應(yīng)效果完全不同。當(dāng) 電流通過(guò)一個(gè)位于磁場(chǎng)

中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)橫向的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。雖然這個(gè)效應(yīng)多年前就已經(jīng)被大家知道并理解，但基于霍爾效應(yīng)的傳感器在材料工藝獲得重大進(jìn)展前并不實(shí)用，直到出現(xiàn)了高強(qiáng)度的恒定磁體和工作于小電壓輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。根據(jù)設(shè)計(jì)和配置的不同，霍爾效應(yīng)傳感器可以作為開/關(guān)傳感器或者線性傳感器。.B,A++干一,霍爾效應(yīng)解釋在導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得 導(dǎo)線中的電子與電洞受到不同方向的洛倫茲力而往不同方向上聚集，在聚集起來(lái)的電子與電洞之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，此一電場(chǎng)將會(huì)使后來(lái)的電子電洞受到電力作用而平衡掉磁場(chǎng)造成的勞倫茲力，使得后來(lái)的電子電洞能順利通過(guò)霍爾效應(yīng)不會(huì)偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。方便起見，假設(shè)導(dǎo)體為一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度分別為a,b,d，磁場(chǎng)垂直ab平面。電流經(jīng)過(guò)ad，電流I=nqv(ad)，n為電荷密度。設(shè)霍爾電壓為VH，導(dǎo)體沿霍爾電壓方向的電場(chǎng)為VH/a。設(shè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為B。a=qvBVH!a-Blj(nqad^WBIl{nqd)霍爾效應(yīng)推導(dǎo)

相關(guān)反應(yīng)量子霍爾效應(yīng)熱霍爾效應(yīng)：垂直磁場(chǎng)的導(dǎo)體會(huì)有溫度差。Corbino效應(yīng)：垂直磁場(chǎng)的薄圓碟會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圓周方向的電流。自旋霍爾效應(yīng)本質(zhì)固體材料中的載流子在外加磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場(chǎng)，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場(chǎng)斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓。正交電場(chǎng)和電流強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場(chǎng)和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過(guò)程的不僅有帶負(fù)電的電子，還有帶正電的空穴。應(yīng)用霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要。霍爾發(fā)現(xiàn)，如果對(duì)位于磁場(chǎng)(B)中的導(dǎo)體(d)施加一個(gè)電壓(Iv)，該磁場(chǎng)的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場(chǎng)垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)電壓(UH)，人們將這個(gè)電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。好比一條路，本來(lái)大家是均勻的分布在路面上，往前移動(dòng).當(dāng)有磁場(chǎng)時(shí)，大家可能會(huì)被推到靠路的右邊行走.故路(導(dǎo)體)的兩側(cè)，就會(huì)產(chǎn)生電壓差.這個(gè)就叫“霍爾效應(yīng)”。根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件，就是以磁場(chǎng)為工作媒體，將物體的運(yùn)動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關(guān)的功能。訖今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號(hào)傳感器、AB*統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測(cè)器、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān)，等等。例如汽車點(diǎn)火系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機(jī)械斷電器，用作點(diǎn)火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場(chǎng)在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元(ECU)的初級(jí)電流。相對(duì)于機(jī)械斷電器而言，霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器無(wú)磨損免維護(hù)，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，還能精確地控制點(diǎn)火正時(shí)，能夠較大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。用作汽車開關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。許多人都知道，轎車的自動(dòng)化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。

而在汽車上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機(jī)和雨刮器電機(jī)在開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào)。采用功率霍爾開關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象?；魻柶骷ㄟ^(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，可用于監(jiān)視和測(cè)量汽車各部件運(yùn)行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進(jìn)行二次變換；可測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等?；魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。目前的霍爾器件都可承受一定的振動(dòng)，可在零下40攝氏度到零上150攝氏度范圍內(nèi)工作，全部密封不受水迪污染，完全能夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。發(fā)展美國(guó)物理學(xué)家霍爾(Hall,EdwinHerbert,1855-1938)于1879年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差。在霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)約100年后，德國(guó)物理學(xué)家克利青(KlausvonKlitzing,1943-)等在研究極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體時(shí)發(fā)現(xiàn)了量子霍耳效應(yīng)，這是當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)令人驚異的進(jìn)展之一，克利青為此獲得了 1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。之后，美籍華裔物理學(xué)家崔琦(DanielCheeTsui,1939-)和美國(guó)物理學(xué)家勞克林(RobertB.Laughlin，1950-)、施特默(HorstL.Strmer，1949-)在更強(qiáng)磁場(chǎng)下研究量子霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)這個(gè)發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)量子現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步，他們?yōu)榇双@得了 1998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。最近，復(fù)旦校友、斯坦福教授張首晟與母校合作開展了“量子自旋霍爾效應(yīng)”的研究?！傲孔幼孕魻栃?yīng)”最先由張首晟教授預(yù)言，之后被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。這一成果是美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出的2007年十大科學(xué)進(jìn)展之一。如果這一效應(yīng)在室溫下工作，它可能導(dǎo)致新的低功率的“自旋電子學(xué)”計(jì)算設(shè)備的產(chǎn)生。目前工業(yè)上應(yīng)用的高精度的電壓和電流型傳感器有很多就是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，誤差精度能達(dá)到0.1%以下

霍爾開關(guān)一、原理簡(jiǎn)介當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢(shì)U，其表達(dá)式為U=K?I?B/d其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過(guò)的電流，B為外加磁場(chǎng)(洛倫慈力Lorrentz)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度由此可見，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的關(guān)系?；魻栭_關(guān)就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，同時(shí)又具備工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求?；魻栭_關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度 B來(lái)表征的，當(dāng)B值達(dá)到一定的程度(如B1)時(shí)，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出，和接近開關(guān)類似有NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型(雙極性)、雙信號(hào)輸出之分?；魻栭_關(guān)具有無(wú)觸電、低功耗、長(zhǎng)使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作?；魻栭_關(guān)可應(yīng)用于接近開關(guān)，壓力開關(guān)，里程表等，作為一種新型的電器配件。編輯本段二、霍爾開關(guān)分類單極霍爾效應(yīng)開關(guān)單極霍爾效應(yīng)開關(guān)具有磁性工作閾值 (Bop)。如果霍爾單元承受的磁通密度大于工作閾值，那么輸出晶體管將開啟；當(dāng)磁通密度降至低于工作閾值 (Brp)時(shí)，晶體管會(huì)關(guān)閉。滯后(Bhys)是兩個(gè)閾值(Bop-Brp)之間的差額。即使存在外部機(jī)械振動(dòng)及電氣噪音，此內(nèi)置滯后頁(yè)可實(shí)現(xiàn)輸出的凈切換。單極霍爾效應(yīng)的數(shù)字輸出可適應(yīng)各種邏輯系統(tǒng)。這些器件非常適合與簡(jiǎn)單的磁棒或磁桿一同使用。雙極霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)雙極霍爾效應(yīng)開關(guān)通常在南極磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠的情況下打開， 并在北極磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠的情況下關(guān)閉，但如果磁場(chǎng)被移除，則不會(huì)定義輸出狀態(tài)。有些雙極霍爾效應(yīng)開關(guān)會(huì)更改輸出狀態(tài)，有些則不會(huì)。這些霍爾效應(yīng)開關(guān)可使用南北交變磁場(chǎng)、多極環(huán)磁鐵進(jìn)行磁驅(qū)動(dòng)。全極霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)與其他霍爾效應(yīng)開關(guān)不同，只要存在強(qiáng)度足夠大的北極或南極磁場(chǎng)，這些器件就能打開；而在沒有磁場(chǎng)的時(shí)候，輸出會(huì)關(guān)閉。線性霍