霍尔效应的应用与发展

作者：张强（河北工业大学 电气与自动化学院程姝丹学院）　 程姝丹（天津水泥设计研究院）

一．霍尔效应原理[2> [4>
　　1879年霍尔()在实验中发现：在均匀强磁场B中放入一块板状金属导体，并与磁场B方向垂直如图1，在金属板中沿与磁场B垂直的方向通以电流I的时候，在金属板上下表面之间会出现横向电势差UH 这种现象称为霍尔效应，电势差UH 称为霍尔电势差。进一步的观察实验还指出，霍尔电势差UH 大小与磁感应强度B和电流强度I的大小都成正比，而与金属板的厚度d成反比。即UH =RHIB/d (V)； 式中RH——（m3C-1）仅与导体材料有关，称为霍尔系数。当时虽然发现了霍尔效应现象，但在发现电子以前，人们不知道导体中的载流子是什么，不能从电子运动的角度加以解释霍尔效应的物理现象，现在我们按电子学理论对霍尔效应做了如下的解释：金属中的电流就是自由电子的定向流动，运动中的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用。设电子以定向速度 运动，在磁场B中（ ），电子就要受到力f=－e 的作用，沿着f所指的方向漂移，从而使导体上表面积累过多的电子，下表面出现电子不足，从而在导体内产生方向向上的电场。当这电场对电子的作用力－eEH 正好与磁场作用力f相平衡时，达到稳定状态。

　　霍尔效应被发现后，人们做了大量的工作，逐渐利用这种物理现象制成霍尔元件。霍尔元件一般采用N型锗（Ge）,锑化铟（InSb）和砷化铟（InA）等半导体材料制成。锑化铟元件的霍尔输出电势较大，但受温度的影响也大；锗元件的输出电势小，受温度影响小，线性度较好。因此，采用砷化铟材料做霍尔元件受到普遍的重视。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。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。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，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μm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－55℃～150℃。 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。

二．霍尔元件的应用与当前发展状况[3> [5>[6>
　　自从霍尔效应被发现100多年以来,它的应用经历了三个阶段:
　　第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初,由于金属材料中的电子浓度很大,而霍尔效应十分微弱,所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器,但实用价值不大,到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件,作为磁场传感器。但是,由于当时未找到更合适的材料,研究处于停顿状态。
　　第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现之后,随着半导体材料、制造工艺和技术的应用,出现了各种半导体霍尔元件,特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展,相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器。
　　第三阶段是自20世纪60年代开始,随着集成电路技术的发展,出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代,随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展,霍尔元件从平面向三维方向发展,出现了三端口或四端口固态霍尔传感器,实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。霍尔集成电路出现以后，很快便得到了广泛应用。

霍尔元件应用十分广泛大致可分为以下几个方向。

1. 测量载流子浓度：
根据霍尔电压产生的公式，以及在外加磁场中测量的霍尔电压可以判断传导载流子的极性与浓度，这种方式被广泛的利用于半导体中掺杂载体的性质与浓度的测量上。
2. 测量磁场强度：

只要测出霍尔电压VBB’，即可算出磁场B的大小；并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子，P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB’的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。
3. 测量电流强度：
将图4中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料；制成多层磁芯；采用多个霍尔元件来进行检测等等。这类霍尔电流传感器的价格也相对便宜，使用非常方便，已得到极为广泛的应用，国内外已有许多厂家生产。
4. 测量微小位移：
若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图6示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z<2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。
5. 压力传感器：
霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图6所示。在图6中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图6中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。
6. 霍尔加速度传感器：

　　人们在利用霍尔效应开发的各种传感器，磁罗盘、磁头、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度传感器、压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等,已广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理各个方面。仅在汽车的电子系统中，使用霍尔IC的就有十几处。如点火控制、发动机速度检测、燃料喷射控制、底盘控制、门锁控制以及方位导航控制等。除了己非常成熟的双极型霍尔IC外，应用CMOS和Si CMOS技术的霍尔产品业已广泛使用，MOS霍尔IC的功耗更低，功能更强。霍尔IC的种类较多，大致可分为霍尔线性IC和霍尔开关IC。前者的输出与磁场成正比，用于各种参量的测量：后者的输出为高、低电平两利，状态，常用于无刷电机和汽车点火装置中。此外，大功率的霍尔IC的应用也非常广泛，它将功率驱动级和各种保护电路集成到霍尔IC中，使得器件具有很强的驱动能力，它们可直接驱动无刷电动机，也常用在汽车中作开关器件。在实际使用中，经常将霍尔集成电路(有时也用霍尔元件)与永磁体、软磁材料等封装在一起，组成适用于特定应用场合的霍尔传感器组件。
在国内，除南京中旭微电子公司可大量生产霍尔集成电路、营口华光传感元件厂可批量生产薄膜磁阻器件、西南应用磁学研究所可批量生产威根德器件外，其余各类也有研制和小批量生产。据预测：1995年，国内有41家企业生产磁传感器，总产量为2780万只.其中，霍尔器件1730万只，结型磁敏元件90万只，磁电阻元件850万只，威根德元件110万只.虽然其余各种磁传感器都有厂、所、校在进行研制，品种基本齐全，但仍末形成规模化产业。
在国外，由于磁传感器已逐渐被广泛而大量地使用，有许多企业竞相研制和生产，形成一定规模的磁传感器产业。霍尔器件是半导体磁传感器中最成熟和产量最大的产品。旭化成(InSb霍尔元件)、Honeywell、A11egro(原称Sprague)、ITT、Siemens(霍尔电路)等均已大量生产。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生产了金属膜磁敏电阻器及集成电路。TDK、Sony、Matsusbita、Toshiba等巳批量生产非晶磁头等非晶金属磁传感器。还有LEM、Honeywell、F.W．Bell、NaNa等公司生产厂各种用途和量程的电流、电压传感器和其它类型的磁传感器组件，这些磁传感器都巳得到广泛的应用。

三．霍尔效应应用中存在的问题与注意事项
　　应用霍尔效应制作的传感器对均匀、恒定磁场测量的准确度一般在5%—0.5%，高精度的测量准确度可以达到0.05%。但对磁体表面的非均匀磁场的测量就谈不上准确度了。往往是不同的仪表，或同型号的仪表，不同的探头，或同一支探头的不同侧面。去测量同一磁体表面，同一位置（应该说看上去是同一位置）的磁场时，显示的结果大不一样，误差可以超过20%，甚至50%。
　　在实际应用中，伴随霍尔效应经常存在其他效应。例如实际中载流子迁移速率u服从统计分布规律，速度小的载流子受到的洛伦兹力小于霍尔电场作用力，向霍尔电场作用力方向偏转，速度大的载流子受到磁场作用力大于霍尔电场作用力，向洛伦兹力方向偏转。这样使得一侧告诉载流子较多，相当于温度较高，而另一侧低速载流子较多，相当于温度较低。这种横向温差就是温差电动势VE，这种现象称为爱延豪森效应。这种效应建立需要一定时间，如果采用直流电测量时会因此而给霍尔电压测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延豪森效应来不及建立，可以减小测量误差。
此外，在使用霍尔元件时还存在不等位电动势引起的误差，这是因为霍尔电极不可能绝对对称焊在霍尔片两侧产生的。由于目前生产工艺水平较高，不等位电动势很小，故一般可以忽略，也可以用一个电位器加以平衡。

四．在霍尔效应研究领域与应用领域的展望[1>
　　1．研究领域的展望
　　自从1879年24岁的研究生霍尔（Edwin H. Hall）在发现霍尔效，随着半导体物理学的迅猛发展，霍尔系数和电导率的测量已经称为研究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能等参数。在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半导体在极低温度和强磁场中发现了量子霍尔效应，它不仅可作为一种新型电阻标准，还可以改进一些基本产量的精确测定，是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一，克利青为此发现获得1985年诺贝尔物理学奖。其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和施特默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。它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步，他们为此发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。日本的物理学家日前发现。理论上來说,光学也有等同于霍尔效应的现象发生。而且此理论应该可以利用偏振光加以实验证明。
　　2．在应用领域方面的展望。
　　2．1新的霍尔元件结构。常规霍尔元件要求磁场垂直于霍尔元件，且在整个霍尔元件上是均匀磁场。而在其他情况，需要根据磁场分布情况，设计各种各样相应的非平面霍尔结构。其中，垂直式霍尔器件是一种最近新发展出来的。这种垂直式霍尔片具有低噪声、低失调和高稳定性的特点。目前根据这种原理国际上开展了许多研究项目。
　　2．2微型化。瑞士联邦技术研究所最新研制的超小型三维霍尔传感器工作面不到300×300um，只有六个管脚。这种器件特别适合用于空间窄小的检测环境，例如电动机中的间隙、磁力轴承以及其他象永磁体扫描等需接近测量表面的场合。
　　2．3高灵敏度。有资料显示，有一种高灵敏度霍尔传感器，它基于霍尔传感器原理，并且集成了磁通集中器。产品的主要创新就在于利用了成熟的微电子集成工艺，制造低成本的磁通集中器。其磁通集中器直接集成在已带有成千霍尔敏感单元的硅片上，再将硅片切割成单个的霍尔探针，最后封装成标准的集成电路芯片。这种集成化的磁通集中器的单元成本只占传感器成本的六分之一，传感器的检测灵敏度却可提高五倍以上。
　　2．4 高集成度。国外霍尔传感器的发展方向就是采用CMOS技术的高度集成化，同样功能可以集成在非常小的芯片内，如信号预处理的最主要部分已在霍尔器件上完成，其中包括前置放大、失调补偿、温度补偿、电压恒定，并且可以在芯片上集成许多附加功能，如数据存储单元、定时器A/D转换器、总线接口等，所有这些都采用CMOS标准，它们开辟了霍尔器件新的应用领域。目前，铁磁层的集成技术在磁传感器领域开创了新的研究方向，许多研究人员正致力于这方面的研究，进行中的各种课题包括二维和三维霍尔传感器，磁断续器和磁通门等等。
　　综上所述，由于采用了微电子工艺，硅霍尔传感器能很好的适用于许多工业应用。近期硅霍尔传感器的研究进展开辟了许多新的应用，例如单芯片三维高精度磁探头，无触点角位置测量，微电机的精确控制，微型电流传感器和磁断续器，以及今后将被开发的其他崭新应用。此外，为了提高电压灵敏度和横向温度灵敏度、减少失调电压,还将出现新的测量原理与方法,例如等离子霍尔效应及其传感器。
随这人类科技的进步，人们对自然认识的逐步加深，将创造出更辉煌的业绩。

参考文献
1．电磁场应用技术讲义 杨庆新 河北工业大学 2006.2
2．普通物理学 程守诛，江之永 高等教育出版社 1982
3．霍尔元件与电子检测应用电路 卢文科等 中国电力出版社 2005.4
4．传感器原理及应用 王化祥，张淑英 天津大学出版社 1988.4
5．霍尔元件及其应用 杭州中霍电子有限公司
6．LINEAR HALL-EFFECT SENSORS Joe Gilbert and Ray Dewey Allegro MicroSystems, Inc.

（转载）