霍尔效应与霍尔传感器

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1、霍尔效应霍尔效应科技名词定义科技名词定义 中文名称：霍尔效应 英文名称：Hall effect 定义 1： 在物质中任何一点产生的感应电场强度与电流密度和磁感应强度之矢量积成正比的现象。 应用学科：电力（一级学科） ；通论（二级学科）定义 2： 通过电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积 累和出现电势差的现象。 应用学科：机械工程（一级学科） ；工业自动化仪表与系统（二级学科） ；机械量测量仪表- 机械量测量仪表一般名词（三级学科） 百科名片百科名片 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于 1879 年

2、在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直 于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被 叫做霍尔电势差。发现发现霍尔效应在 1879 年被 E.H. 霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应 和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的 电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体的两端产生电压差。 虽然这 个效应多年前就已经被大家知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展 前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计

3、和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器。 霍尔效应（图中电场方向应向上）解释解释在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子与电洞受到不同方向的洛伦 兹力而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子与电洞之间会产生电场，此一电场将会使后来 的电子电洞受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子电洞能顺利通过不 会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为 a,b,d，磁场垂直 ab 平面。电流经过 ad，电流 I = nqv(ad)，n 为电荷密度。设霍尔电压为 VH，导体沿霍尔电压方向的电场为 VH / a

4、。设磁场强度为 B。 霍尔效应推导相关反应相关反应量子霍尔效应 热霍尔效应：垂直磁场的导体会有温度差。 Corbino 效应：垂直磁场的薄圆碟会产生一个圆周方向的电流。 自旋霍尔效应本质本质 固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移， 并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与 电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与 磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示： 参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。应用应用霍尔效应在应用技

5、术中特别重要。霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个 电压(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流 方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被 称为霍尔效应。好比一条路, 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动. 当有磁场时, 大家 可能会被推到靠路的右边行走. 故路 (导体) 的两侧, 就会产生电压差. 这个就叫“霍尔效应”。 根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压 的形式输出，使之具备传感和开关的功能。 讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在

6、分电器上作信号传感器、ABS 系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测 及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。 例如汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲 发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压， 控制电控单元（ECU）的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损 免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的 性能，具有明显的优势。 用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。许多人都知道，轿

7、车 的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件， 尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关 触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。 霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参 数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可 测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动 检测。目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下 40 摄氏度到零上 150 摄氏度范围内 工作，全部密封不受水

8、油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。 发展发展美国物理学家霍尔(Hall,Edwin Herbert,1855-1938)于 1879 年在实验中发现，当电流垂直 于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一 现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。 在霍尔效应发现约 100 年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究极 低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍耳效应，这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展 之一，克利青为此获得了 1985 年的诺贝尔物理学奖。 之后，美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Ch

9、ee Tsui,1939- )和美国物理学家劳克林(Robert B.Laughlin，1950-)、施特默(Horst L. St rmer，1949-)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们 对量子现象的认识更进一步，他们为此获得了 1998 年的诺贝尔物理学奖。 最近，复旦校友、斯坦福教授张首晟与母校合作开展了“量子自旋霍尔效应”的研究。 “量 子自旋霍尔效应”最先由张首晟教授预言，之后被实验证实。这一成果是美国科学杂志 评出的 2007 年十大科学进展之一。如果这一效应在室温下工作，它可能导致新的低功率的 “自旋电子学”计算设备的产生。 目前工业上应用的高

10、精度的电压和电流型传感器有很多就 是根据霍尔效应制成的,误差精度能达到 0.1%以下霍尔传感器百科名片百科名片霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象 是霍尔（A.H.Hall，18551938）于 1879 年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半 导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各 种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究 半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导 电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。霍尔效

11、应霍尔效应在半导体薄片两端通以控制电流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为 B 的匀强磁 场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为 UH 的霍尔电压 霍尔效应 霍尔元件霍尔元件霍尔传感器 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算 机和信息技术等领域得到广泛的应用。 霍尔传感器的分类霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。 （一）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。 （二）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔

12、元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组 成，它输出数字量。理论基础理论基础霍尔传感器流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。 （1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电 流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式） ，一般情况下，2 倍的过载电流持续时间 不得超过 1 分钟。 （2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻 R1，以使原边得到额定电流， 在一般情况下，2 倍的过压持续时间不得超过 1 分钟。 （3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于 电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电

13、压传感器的额定值时， 应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值 1/2 以下时，为了得到最佳精度，可以使用多 绕圈数的办法。 （4）绝缘耐压为 3KV 的传感器可以长期正常工作在 1KV 及以下交流系统和 1.5KV 及 以下直流系统中，6KV 的传感器可以长期正常工作在 2KV 及以下交流系统和 2.5KV 及以下 直流系统中，注意不要超压使用。 （5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合， 以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。 （6）在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生 较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不

14、加工作电源，在原边通一交流并 逐渐减小其值。霍尔传感器（7）传感器抗外磁场能力为：距离传感器 510cm 一个超过传感器原边电流值 2 倍的 电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于 510cm。 （8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图 110 介绍的简易典型稳压电源。 （9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间 限制的，试验过载能力时，2 倍以上的过载电流不得超过 1 分钟。 （10）原边电流母线温度不得超过 85，这是 ABS 工程塑料的特性决定的，用户有特 殊要求，可选高温塑料做外壳。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，

15、体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗 小，频率高（可达 1MHZ） ，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无 抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 m 级） 。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的 工作温度范围宽，可达55150。 按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出模拟 量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出 受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作 被检测的信息的

16、载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位 置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转 变成电量来进行检测和控制。霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如图所示。霍 尔元件是一个 N 型半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流 I，而在薄片垂直方向加以磁 场，则在半导体另外两侧便会产生一个大小与电流，和磁场 B 的乘积成工比的电压。这个 现象就是霍尔效应，所产生的电压叫霍尔电压 UH.式中: UH-霍尔电压；RH-霍尔系数；d-霍尔元件的厚度;I-通过霍尔元件的电流;B-加在霍尔元件上的磁场磁力线密度;-元件形状函数，其中 L 为元件的长度，W 为元件的宽度。从上面的公式可以看出，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有 关。在电流强度恒定以及霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压正比于磁场强度。当所加磁 场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变因此，霍尔元件可以用来测量磁场的