1、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。 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。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：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
2、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弟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。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
3、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。设磁场强度为 B。 （霍尔效应推导）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：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
4、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：霍尔效应在应用技术中特别重要。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
5、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
6、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
7、、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，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。 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(K
8、laus 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 Chee 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
9、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%以下霍尔元件霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。一般用于电机中测定转子转速,如录象机的磁鼓,电脑中的散热风扇等;是一种基于霍尔效应的磁 传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用.简介：霍尔元件可用多种半导体材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InA
10、sP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等. 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。 工作原理：所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是 1879 年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。 利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差 UH 的基本关系为
11、 UH=RHIB/d （18） ，RH=1/nq（金属） （19） ，式中 RH霍尔系数：，n单位体积内载流子或自由电子的个数，q电子电量；，I通过的电流；，B垂直于 I 的磁感应强度；，d导体的厚度。 ，对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（19）不同，此处从略。 ，由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 若把霍尔元件置于电场强度为 E、磁场强度为 H 的电磁场中，则在该元件中将产生电流
12、I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度 E 成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值 P 可由 P=EH 确定。 利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。霍尔元件应用霍尔效应的半导体。 特性：1、霍尔系数（又称霍尔常数）RH。在磁场不太强时，霍尔电势差 UH 与激励电流I 和磁感应强度 B 的乘积成正比，与霍尔片的厚度 成反比，即 UH =RH*I*B/，式中的R
13、H 称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。 另 RH=*即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率 与 电子迁移 率 的乘积。2、霍尔灵敏度 KH（又称霍尔乘积灵敏度） 。霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度 成反比，即 KH=RH/，它通常可以表征霍尔常数。3、霍尔额定激励电流。当霍尔元件自身温升 10时所流过的激励电流称为额定激励电流。4、霍尔最大允许激励电流 。以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。5、霍尔输入电阻 。霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。6、霍尔输出电阻 。霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。7、霍尔元件的电阻温度系数 。在不施加磁场的条件下，环境温
14、度每变化 1时，电阻的相对变化率，用 表示，单位为%/。8、霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点） 。在没有外加磁场和霍尔激励电流为 I 的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。9、霍尔输出电压。在外加磁场和霍尔激励电流为 I 的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。10、霍尔电压输出比率。霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率 11、霍尔寄生直流电势。在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。12、霍尔不等位电势。在没有外加磁场和霍尔激励电流为 I 的情况下，环境温度每变化 1时，不等位电势的相对变化率。13
15、、霍尔电势温度系数。在外加磁场和霍尔激励电流为 I 的情况下，环境温度每变化 1时，不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数 14、热阻 Rth 。霍尔元件工作时功耗每增加 1W，霍尔元件升高的温度值称为它的热阻，它反映了元件散热的难易程度，单位为： 摄氏度/w，无刷电机霍尔传感器 AH44E，开关型霍尔集成元件，用于无刷电机的位置传感器。 ，引脚定义（有标记的一面朝向自己）：（左）电源正；（中）接地；（右）信号输出 ，体积(mm)：4.1*3.0*1.5，安装时注意减少应力与防静电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.Ha
16、ll，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。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
17、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
18、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。退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。 （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
19、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。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
20、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。
