作者：張強（河北工業(yè)大學 電氣與自動化學院程姝丹學院）　 程姝丹（天津水泥設(shè)計研究院）

一．霍爾效應(yīng)原理[2> [4>
　　1879年霍爾()在實驗中發(fā)現(xiàn)：在均勻強磁場B中放入一塊板狀金屬導體，并與磁場B方向垂直如圖1，在金屬板中沿與磁場B垂直的方向通以電流I的時候，在金屬板上下表面之間會出現(xiàn)橫向電勢差UH 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，電勢差UH 稱為霍爾電勢差。進一步的觀察實驗還指出，霍爾電勢差UH 大小與磁感應(yīng)強度B和電流強度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）僅與導體材料有關(guān)，稱為霍爾系數(shù)。當時雖然發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，但在發(fā)現(xiàn)電子以前，人們不知道導體中的載流子是什么，不能從電子運動的角度加以解釋霍爾效應(yīng)的物理現(xiàn)象，現(xiàn)在我們按電子學理論對霍爾效應(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，運動中的電子在磁場中要受到洛侖茲力的作用。設(shè)電子以定向速度 運動，在磁場B中（ ），電子就要受到力f=－e 的作用，沿著f所指的方向漂移，從而使導體上表面積累過多的電子，下表面出現(xiàn)電子不足，從而在導體內(nèi)產(chǎn)生方向向上的電場。當這電場對電子的作用力－eEH 正好與磁場作用力f相平衡時，達到穩(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）等半導體材料制成。銻化銦元件的霍爾輸出電勢較大，但受溫度的影響也大；鍺元件的輸出電勢小，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。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。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關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，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；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達－55℃～150℃。 按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，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)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。

二．霍爾元件的應(yīng)用與當前發(fā)展狀況[3> [5>[6>
　　自從霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)100多年以來,它的應(yīng)用經(jīng)歷了三個階段:
　　第一階段是從霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到20世紀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,所以沒有引起人們的重視。這段時期也有人利用霍爾效應(yīng)制成磁場傳感器,但實用價值不大,到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾元件,作為磁場傳感器。但是,由于當時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40年代中期半導體技術(shù)出現(xiàn)之后,隨著半導體材料、制造工藝和技術(shù)的應(yīng)用,出現(xiàn)了各種半導體霍爾元件,特別是鍺的采用推動了霍爾元件的發(fā)展,相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場傳感器。
　　第三階段是自20世紀60年代開始,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了將霍爾半導體元件和相關(guān)的信號調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進入20世紀80年代,隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機械加工技術(shù)的進展,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,實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化?；魻柤呻娐烦霈F(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方向。

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

只要測出霍爾電壓VBB’，即可算出磁場B的大?。徊⑶胰糁d流子類型(n型半導體多數(shù)載流子為電子，P型半導體多數(shù)載流子為空穴),則由VBB’的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。
3. 測量電流強度：
將圖4中霍爾器件的輸出（必要時可進行放大）送到經(jīng)校準的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)果的精度和線性度都較高。可測直流、交流和各種波形的電流。但它的測量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強度。電流增大后，磁芯可能達到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。當然，也可采取一些改進措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進行檢測等等。這類霍爾電流傳感器的價格也相對便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外已有許多廠家生產(chǎn)。
4. 測量微小位移：
若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖6示出3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結(jié)構(gòu)（b）在Z<2mm時，VH與Z有良好的線性關(guān)系，且分辨力可達1μm，結(jié)構(gòu)（C）的靈敏度高，但工作距離較小。用霍爾元件測量位移的優(yōu)點很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。 以微位移檢測為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機械振動、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)成均勻梯度磁場的復合系統(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)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準的p～f(VH)曲線即可得到被測壓力p的值。
6. 霍爾加速度傳感器：

　　人們在利用霍爾效應(yīng)開發(fā)的各種傳感器，磁羅盤、磁頭、電流傳感器、非接觸開關(guān)、接近開關(guān)、位置、角度、速度、加速度傳感器、壓力變送器、無刷直流電機以及各種函數(shù)發(fā)生器、運算器等,已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)和信息處理各個方面。僅在汽車的電子系統(tǒng)中，使用霍爾IC的就有十幾處。如點火控制、發(fā)動機速度檢測、燃料噴射控制、底盤控制、門鎖控制以及方位導航控制等。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?；魻朓C的種類較多，大致可分為霍爾線性IC和霍爾開關(guān)IC。前者的輸出與磁場成正比，用于各種參量的測量：后者的輸出為高、低電平兩利，狀態(tài)，常用于無刷電機和汽車點火裝置中。此外，大功率的霍爾IC的應(yīng)用也非常廣泛，它將功率驅(qū)動級和各種保護電路集成到霍爾IC中，使得器件具有很強的驅(qū)動能力，它們可直接驅(qū)動無刷電動機，也常用在汽車中作開關(guān)器件。在實際使用中，經(jīng)常將霍爾集成電路(有時也用霍爾元件)與永磁體、軟磁材料等封裝在一起，組成適用于特定應(yīng)用場合的霍爾傳感器組件。
在國內(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)預測：1995年，國內(nèi)有41家企業(yè)生產(chǎn)磁傳感器，總產(chǎn)量為2780萬只.其中，霍爾器件1730萬只，結(jié)型磁敏元件90萬只，磁電阻元件850萬只，威根德元件110萬只.雖然其余各種磁傳感器都有廠、所、校在進行研制，品種基本齊全，但仍末形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)。
在國外，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w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)用中存在的問題與注意事項
　　應(yīng)用霍爾效應(yīng)制作的傳感器對均勻、恒定磁場測量的準確度一般在5%—0.5%，高精度的測量準確度可以達到0.05%。但對磁體表面的非均勻磁場的測量就談不上準確度了。往往是不同的儀表，或同型號的儀表，不同的探頭，或同一支探頭的不同側(cè)面。去測量同一磁體表面，同一位置（應(yīng)該說看上去是同一位置）的磁場時，顯示的結(jié)果大不一樣，誤差可以超過20%，甚至50%。
　　在實際應(yīng)用中，伴隨霍爾效應(yīng)經(jīng)常存在其他效應(yīng)。例如實際中載流子遷移速率u服從統(tǒng)計分布規(guī)律，速度小的載流子受到的洛倫茲力小于霍爾電場作用力，向霍爾電場作用力方向偏轉(zhuǎn)，速度大的載流子受到磁場作用力大于霍爾電場作用力，向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這樣使得一側(cè)告訴載流子較多，相當于溫度較高，而另一側(cè)低速載流子較多，相當于溫度較低。這種橫向溫差就是溫差電動勢VE，這種現(xiàn)象稱為愛延豪森效應(yīng)。這種效應(yīng)建立需要一定時間，如果采用直流電測量時會因此而給霍爾電壓測量帶來誤差，如果采用交流電，則由于交流變化快使得愛延豪森效應(yīng)來不及建立，可以減小測量誤差。
此外，在使用霍爾元件時還存在不等位電動勢引起的誤差，這是因為霍爾電極不可能絕對對稱焊在霍爾片兩側(cè)產(chǎn)生的。由于目前生產(chǎn)工藝水平較高，不等位電動勢很小，故一般可以忽略，也可以用一個電位器加以平衡。

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，隨著半導體物理學的迅猛發(fā)展，霍爾系數(shù)和電導率的測量已經(jīng)稱為研究半導體材料的主要方法之一。通過實驗測量半導體材料的霍爾系數(shù)和電導率可以判斷材料的導電類型、載流子濃度、載流子遷移率等主要參數(shù)。若能測得霍爾系數(shù)和電導率隨溫度變化的關(guān)系，還可以求出半導體材料的雜質(zhì)電離能等參數(shù)。在霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)約100年后，德國物理學家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半導體在極低溫度和強磁場中發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，它不僅可作為一種新型電阻標準，還可以改進一些基本產(chǎn)量的精確測定，是當代凝聚態(tài)物理學和磁學令人驚異的進展之一，克利青為此發(fā)現(xiàn)獲得1985年諾貝爾物理學獎。其后美籍華裔物理學家崔琦(D. C. Tsui)和施特默在更強磁場下研究量子霍爾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)。它的發(fā)現(xiàn)使人們對宏觀量子現(xiàn)象的認識更深入一步，他們?yōu)榇税l(fā)現(xiàn)獲得了1998年諾貝爾物理學獎。日本的物理學家日前發(fā)現(xiàn)。理論上來說,光學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驗證明。
　　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)霍爾元件要求磁場垂直于霍爾元件，且在整個霍爾元件上是均勻磁場。而在其他情況，需要根據(jù)磁場分布情況，設(shè)計各種各樣相應(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。目前根據(jù)這種原理國際上開展了許多研究項目。
　　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，只有六個管腳。這種器件特別適合用于空間窄小的檢測環(huán)境，例如電動機中的間隙、磁力軸承以及其他象永磁體掃描等需接近測量表面的場合。
　　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)品的主要創(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的霍爾探針，最后封裝成標準的集成電路芯片。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，傳感器的檢測靈敏度卻可提高五倍以上。
　　2．4 高集成度。國外霍爾傳感器的發(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)，如信號預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)補償、溫度補償、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)存儲單元、定時器A/D轉(zhuǎn)換器、總線接口等，所有這些都采用CMOS標準，它們開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展開辟了許多新的應(yīng)用，例如單芯片三維高精度磁探頭，無觸點角位置測量，微電機的精確控制，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。
隨這人類科技的進步，人們對自然認識的逐步加深，將創(chuàng)造出更輝煌的業(yè)績。

參考文獻
1．電磁場應(yīng)用技術(shù)講義 楊慶新 河北工業(yè)大學 2006.2
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3．霍爾元件與電子檢測應(yīng)用電路 盧文科等 中國電力出版社 2005.4
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6．LINEAR HALL-EFFECT SENSORS Joe Gilbert and Ray Dewey Allegro MicroSystems, Inc.

（轉(zhuǎn)載）