霍爾效應(yīng)的應(yīng)用與發(fā)展

作者：張強(qiáng)（河北工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院程姝丹學(xué)院）　 程姝丹（天津水泥設(shè)計(jì)研究院）

一．霍爾效應(yīng)原理[2> [4>
　　1879年霍爾()在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在均勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中放入一塊板狀金屬導(dǎo)體，并與磁場(chǎng)B方向垂直如圖1，在金屬板中沿與磁場(chǎng)B垂直的方向通以電流I的時(shí)候，在金屬板上下表面之間會(huì)出現(xiàn)橫向電勢(shì)差UH 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，電勢(shì)差UH 稱為霍爾電勢(shì)差。進(jìn)一步的觀察實(shí)驗(yàn)還指出，霍爾電勢(shì)差UH 大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流強(qiáng)度I的大小都成正比，而與金屬板的厚度d成反比。即UH =RHIB/d (V)； 式中RH——（m3C-1）僅與導(dǎo)體材料有關(guān)，稱為霍爾系數(shù)。當(dāng)時(shí)雖然發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，但在發(fā)現(xiàn)電子以前，人們不知道導(dǎo)體中的載流子是什么，不能從電子運(yùn)動(dòng)的角度加以解釋霍爾效應(yīng)的物理現(xiàn)象，現(xiàn)在我們按電子學(xué)理論對(duì)霍爾效應(yīng)做了如下的解釋：金屬中的電流就是自由電子的定向流動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中的電子在磁場(chǎng)中要受到洛侖茲力的作用。設(shè)電子以定向速度 運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)B中（ ），電子就要受到力f=－e 的作用，沿著f所指的方向漂移，從而使導(dǎo)體上表面積累過(guò)多的電子，下表面出現(xiàn)電子不足，從而在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生方向向上的電場(chǎng)。當(dāng)這電場(chǎng)對(duì)電子的作用力－eEH 正好與磁場(chǎng)作用力f相平衡時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

　　霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，人們做了大量的工作，逐漸利用這種物理現(xiàn)象制成霍爾元件?；魻栐话悴捎肗型鍺（Ge）,銻化銦（InSb）和砷化銦（InA）等半導(dǎo)體材料制成。銻化銦元件的霍爾輸出電勢(shì)較大，但受溫度的影響也大；鍺元件的輸出電勢(shì)小，受溫度影響小，線性度較好。因此，采用砷化銦材料做霍爾元件受到普遍的重視?；魻柶骷且环N磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)－55℃～150℃。 按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。

二．霍爾元件的應(yīng)用與當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r[3> [5>[6>
　　自從霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)100多年以來(lái),它的應(yīng)用經(jīng)歷了三個(gè)階段:
　　第一階段是從霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)40年代前期。最初,由于金屬材料中的電子濃度很大,而霍爾效應(yīng)十分微弱,所以沒(méi)有引起人們的重視。這段時(shí)期也有人利用霍爾效應(yīng)制成磁場(chǎng)傳感器,但實(shí)用價(jià)值不大,到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾元件,作為磁場(chǎng)傳感器。但是,由于當(dāng)時(shí)未找到更合適的材料,研究處于停頓狀態(tài)。
　　第二階段是從20世紀(jì)40年代中期半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)之后,隨著半導(dǎo)體材料、制造工藝和技術(shù)的應(yīng)用,出現(xiàn)了各種半導(dǎo)體霍爾元件,特別是鍺的采用推動(dòng)了霍爾元件的發(fā)展,相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場(chǎng)傳感器。
　　第三階段是自20世紀(jì)60年代開(kāi)始,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了將霍爾半導(dǎo)體元件和相關(guān)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進(jìn)入20世紀(jì)80年代,隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)展,霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展,出現(xiàn)了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感器,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。霍爾集成電路出現(xiàn)以后，很快便得到了廣泛應(yīng)用。

霍爾元件應(yīng)用十分廣泛大致可分為以下幾個(gè)方向。

1. 測(cè)量載流子濃度：
根據(jù)霍爾電壓產(chǎn)生的公式，以及在外加磁場(chǎng)中測(cè)量的霍爾電壓可以判斷傳導(dǎo)載流子的極性與濃度，這種方式被廣泛的利用于半導(dǎo)體中摻雜載體的性質(zhì)與濃度的測(cè)量上。
2. 測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度：

只要測(cè)出霍爾電壓VBB’，即可算出磁場(chǎng)B的大??；并且若知載流子類型(n型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為電子，P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴),則由VBB’的正負(fù)可測(cè)出磁場(chǎng)方向，反之，若已知磁場(chǎng)方向，則可判斷載流子類型。
3. 測(cè)量電流強(qiáng)度：
將圖4中霍爾器件的輸出（必要時(shí)可進(jìn)行放大）送到經(jīng)校準(zhǔn)的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測(cè)電流值。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果的精度和線性度都較高?？蓽y(cè)直流、交流和各種波形的電流。但它的測(cè)量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場(chǎng)檢測(cè)器，它檢測(cè)的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電流增大后，磁芯可能達(dá)到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會(huì)隨之升高。這些都會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。當(dāng)然，也可采取一些改進(jìn)措施來(lái)降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個(gè)霍爾元件來(lái)進(jìn)行檢測(cè)等等。這類霍爾電流傳感器的價(jià)格也相對(duì)便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已有許多廠家生產(chǎn)。
4. 測(cè)量微小位移：
若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場(chǎng)中的位移量Z來(lái)決定。圖6示出3種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測(cè)系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)（b）在Z<2mm時(shí)，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達(dá)1μm，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度高，但工作距離較小。用霍爾元件測(cè)量位移的優(yōu)點(diǎn)很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長(zhǎng)。 以微位移檢測(cè)為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。
5. 壓力傳感器：
霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖6所示。在圖6中，（a）的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場(chǎng)的復(fù)合系統(tǒng)，如圖6中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如（c）。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對(duì)位移，改變作用到霍爾元件上的磁場(chǎng)，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準(zhǔn)的p～f(VH)曲線即可得到被測(cè)壓力p的值。
6. 霍爾加速度傳感器：

　　人們?cè)诶没魻栃?yīng)開(kāi)發(fā)的各種傳感器，磁羅盤(pán)、磁頭、電流傳感器、非接觸開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、位置、角度、速度、加速度傳感器、壓力變送器、無(wú)刷直流電機(jī)以及各種函數(shù)發(fā)生器、運(yùn)算器等,已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和信息處理各個(gè)方面。僅在汽車(chē)的電子系統(tǒng)中，使用霍爾IC的就有十幾處。如點(diǎn)火控制、發(fā)動(dòng)機(jī)速度檢測(cè)、燃料噴射控制、底盤(pán)控制、門(mén)鎖控制以及方位導(dǎo)航控制等。除了己非常成熟的雙極型霍爾IC外，應(yīng)用CMOS和Si CMOS技術(shù)的霍爾產(chǎn)品業(yè)已廣泛使用，MOS霍爾IC的功耗更低，功能更強(qiáng)?；魻朓C的種類較多，大致可分為霍爾線性IC和霍爾開(kāi)關(guān)IC。前者的輸出與磁場(chǎng)成正比，用于各種參量的測(cè)量：后者的輸出為高、低電平兩利，狀態(tài)，常用于無(wú)刷電機(jī)和汽車(chē)點(diǎn)火裝置中。此外，大功率的霍爾IC的應(yīng)用也非常廣泛，它將功率驅(qū)動(dòng)級(jí)和各種保護(hù)電路集成到霍爾IC中，使得器件具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，它們可直接驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，也常用在汽車(chē)中作開(kāi)關(guān)器件。在實(shí)際使用中，經(jīng)常將霍爾集成電路(有時(shí)也用霍爾元件)與永磁體、軟磁材料等封裝在一起，組成適用于特定應(yīng)用場(chǎng)合的霍爾傳感器組件。
在國(guó)內(nèi)，除南京中旭微電子公司可大量生產(chǎn)霍爾集成電路、營(yíng)口華光傳感元件廠可批量生產(chǎn)薄膜磁阻器件、西南應(yīng)用磁學(xué)研究所可批量生產(chǎn)威根德器件外，其余各類也有研制和小批量生產(chǎn)。據(jù)預(yù)測(cè)：1995年，國(guó)內(nèi)有41家企業(yè)生產(chǎn)磁傳感器，總產(chǎn)量為2780萬(wàn)只.其中，霍爾器件1730萬(wàn)只，結(jié)型磁敏元件90萬(wàn)只，磁電阻元件850萬(wàn)只，威根德元件110萬(wàn)只.雖然其余各種磁傳感器都有廠、所、校在進(jìn)行研制，品種基本齊全，但仍末形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)。
在國(guó)外，由于磁傳感器已逐漸被廣泛而大量地使用，有許多企業(yè)競(jìng)相研制和生產(chǎn)，形成一定規(guī)模的磁傳感器產(chǎn)業(yè)?；魻柶骷前雽?dǎo)體磁傳感器中最成熟和產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。旭化成(InSb霍爾元件)、Honeywell、A11egro(原稱Sprague)、ITT、Siemens(霍爾電路)等均已大量生產(chǎn)。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生產(chǎn)了金屬膜磁敏電阻器及集成電路。TDK、Sony、Matsusbita、Toshiba等巳批量生產(chǎn)非晶磁頭等非晶金屬磁傳感器。還有LEM、Honeywell、F.W．Bell、NaNa等公司生產(chǎn)廠各種用途和量程的電流、電壓傳感器和其它類型的磁傳感器組件，這些磁傳感器都巳得到廣泛的應(yīng)用。

三．霍爾效應(yīng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題與注意事項(xiàng)
　　應(yīng)用霍爾效應(yīng)制作的傳感器對(duì)均勻、恒定磁場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確度一般在5%—0.5%，高精度的測(cè)量準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.05%。但對(duì)磁體表面的非均勻磁場(chǎng)的測(cè)量就談不上準(zhǔn)確度了。往往是不同的儀表，或同型號(hào)的儀表，不同的探頭，或同一支探頭的不同側(cè)面。去測(cè)量同一磁體表面，同一位置（應(yīng)該說(shuō)看上去是同一位置）的磁場(chǎng)時(shí)，顯示的結(jié)果大不一樣，誤差可以超過(guò)20%，甚至50%。
　　在實(shí)際應(yīng)用中，伴隨霍爾效應(yīng)經(jīng)常存在其他效應(yīng)。例如實(shí)際中載流子遷移速率u服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，速度小的載流子受到的洛倫茲力小于霍爾電場(chǎng)作用力，向霍爾電場(chǎng)作用力方向偏轉(zhuǎn)，速度大的載流子受到磁場(chǎng)作用力大于霍爾電場(chǎng)作用力，向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這樣使得一側(cè)告訴載流子較多，相當(dāng)于溫度較高，而另一側(cè)低速載流子較多，相當(dāng)于溫度較低。這種橫向溫差就是溫差電動(dòng)勢(shì)VE，這種現(xiàn)象稱為愛(ài)延豪森效應(yīng)。這種效應(yīng)建立需要一定時(shí)間，如果采用直流電測(cè)量時(shí)會(huì)因此而給霍爾電壓測(cè)量帶來(lái)誤差，如果采用交流電，則由于交流變化快使得愛(ài)延豪森效應(yīng)來(lái)不及建立，可以減小測(cè)量誤差。
此外，在使用霍爾元件時(shí)還存在不等位電動(dòng)勢(shì)引起的誤差，這是因?yàn)榛魻栯姌O不可能絕對(duì)對(duì)稱焊在霍爾片兩側(cè)產(chǎn)生的。由于目前生產(chǎn)工藝水平較高，不等位電動(dòng)勢(shì)很小，故一般可以忽略，也可以用一個(gè)電位器加以平衡。

四．在霍爾效應(yīng)研究領(lǐng)域與應(yīng)用領(lǐng)域的展望[1>
　　1．研究領(lǐng)域的展望
　　自從1879年24歲的研究生霍爾（Edwin H. Hall）在發(fā)現(xiàn)霍爾效，隨著半導(dǎo)體物理學(xué)的迅猛發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率的測(cè)量已經(jīng)稱為研究半導(dǎo)體材料的主要方法之一。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率可以判斷材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。若能測(cè)得霍爾系數(shù)和電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系，還可以求出半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)電離能等參數(shù)。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(Klaus von Klitzing)等研究半導(dǎo)體在極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，它不僅可作為一種新型電阻標(biāo)準(zhǔn)，還可以改進(jìn)一些基本產(chǎn)量的精確測(cè)定，是當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)和磁學(xué)令人驚異的進(jìn)展之一，克利青為此發(fā)現(xiàn)獲得1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其后美籍華裔物理學(xué)家崔琦(D. C. Tsui)和施特默在更強(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)。它的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)宏觀量子現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)更深入一步，他們?yōu)榇税l(fā)現(xiàn)獲得了1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。日本的物理學(xué)家日前發(fā)現(xiàn)。理論上來(lái)說(shuō),光學(xué)也有等同于霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象發(fā)生。而且此理論應(yīng)該可以利用偏振光加以實(shí)驗(yàn)證明。
　　2．在應(yīng)用領(lǐng)域方面的展望。
　　2．1新的霍爾元件結(jié)構(gòu)。常規(guī)霍爾元件要求磁場(chǎng)垂直于霍爾元件，且在整個(gè)霍爾元件上是均勻磁場(chǎng)。而在其他情況，需要根據(jù)磁場(chǎng)分布情況，設(shè)計(jì)各種各樣相應(yīng)的非平面霍爾結(jié)構(gòu)。其中，垂直式霍爾器件是一種最近新發(fā)展出來(lái)的。這種垂直式霍爾片具有低噪聲、低失調(diào)和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。目前根據(jù)這種原理國(guó)際上開(kāi)展了許多研究項(xiàng)目。
　　2．2微型化。瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所最新研制的超小型三維霍爾傳感器工作面不到300×300um，只有六個(gè)管腳。這種器件特別適合用于空間窄小的檢測(cè)環(huán)境，例如電動(dòng)機(jī)中的間隙、磁力軸承以及其他象永磁體掃描等需接近測(cè)量表面的場(chǎng)合。
　　2．3高靈敏度。有資料顯示，有一種高靈敏度霍爾傳感器，它基于霍爾傳感器原理，并且集成了磁通集中器。產(chǎn)品的主要?jiǎng)?chuàng)新就在于利用了成熟的微電子集成工藝，制造低成本的磁通集中器。其磁通集中器直接集成在已帶有成千霍爾敏感單元的硅片上，再將硅片切割成單個(gè)的霍爾探針，最后封裝成標(biāo)準(zhǔn)的集成電路芯片。這種集成化的磁通集中器的單元成本只占傳感器成本的六分之一，傳感器的檢測(cè)靈敏度卻可提高五倍以上。
　　2．4 高集成度。國(guó)外霍爾傳感器的發(fā)展方向就是采用CMOS技術(shù)的高度集成化，同樣功能可以集成在非常小的芯片內(nèi)，如信號(hào)預(yù)處理的最主要部分已在霍爾器件上完成，其中包括前置放大、失調(diào)補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、電壓恒定，并且可以在芯片上集成許多附加功能，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、定時(shí)器A/D轉(zhuǎn)換器、總線接口等，所有這些都采用CMOS標(biāo)準(zhǔn)，它們開(kāi)辟了霍爾器件新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，鐵磁層的集成技術(shù)在磁傳感器領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)了新的研究方向，許多研究人員正致力于這方面的研究，進(jìn)行中的各種課題包括二維和三維霍爾傳感器，磁斷續(xù)器和磁通門(mén)等等。
　　綜上所述，由于采用了微電子工藝，硅霍爾傳感器能很好的適用于許多工業(yè)應(yīng)用。近期硅霍爾傳感器的研究進(jìn)展開(kāi)辟了許多新的應(yīng)用，例如單芯片三維高精度磁探頭，無(wú)觸點(diǎn)角位置測(cè)量，微電機(jī)的精確控制，微型電流傳感器和磁斷續(xù)器，以及今后將被開(kāi)發(fā)的其他嶄新應(yīng)用。此外，為了提高電壓靈敏度和橫向溫度靈敏度、減少失調(diào)電壓,還將出現(xiàn)新的測(cè)量原理與方法,例如等離子霍爾效應(yīng)及其傳感器。
隨這人類科技的進(jìn)步，人們對(duì)自然認(rèn)識(shí)的逐步加深，將創(chuàng)造出更輝煌的業(yè)績(jī)。

參考文獻(xiàn)
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