霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用

霍爾效應(yīng)是1879年美國物理學(xué)家霍爾讀研究生期間在做研究載流子導(dǎo)體在磁場中受力作用實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。闡述了霍爾效應(yīng)的原理，霍爾元件的特點(diǎn)和分類以及在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。 
霍爾效應(yīng) 霍爾元件 應(yīng)用 
一、霍爾效應(yīng)原理 
霍爾效應(yīng)是1879年美國物理學(xué)家霍爾讀研究生期間在做研究載流子導(dǎo)體在磁場中受力作用實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。霍爾效應(yīng)是載流試樣在與之垂直的磁場中由于載流子受洛侖茲力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)而在垂直于電流和磁場方向的試樣的兩個(gè)端面上出現(xiàn)等量異號電荷而產(chǎn)生橫向電勢差UH的現(xiàn)象。電勢差UH稱為霍爾電壓，EH稱為霍爾電場強(qiáng)度。此時(shí)的載流子既受到洛倫茲力作用又受到與洛倫茲力方向相反的霍爾電場力作用，當(dāng)載流子所受的洛倫茲力與霍爾電場力相等時(shí)，霍爾電壓保持相對穩(wěn)定。 
二、霍爾元件的特點(diǎn)和分類 
1.霍爾元件的特點(diǎn)?；魻栐慕Y(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(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕，調(diào)試方便等?；魻栐陀谰么朋w都能在很寬的溫度范圍(-40℃～1 50℃)、很強(qiáng)的振動(dòng)沖擊條件下工作，且磁場不受一般介質(zhì)的阻隔。另外它的變換器組件能夠和相關(guān)的信號處理電路集成到同一片硅片上，體積小，成本低，且具有較好的抗電磁干擾性能。 
2.霍爾元件的分類。按照霍爾元件的結(jié)構(gòu)可分為：一維霍爾元件、二維霍爾元件和三維霍爾元件。一維霍爾元件又被稱為單軸霍爾元件，它的主要參數(shù)是靈敏度、工作溫度和頻率響應(yīng)。運(yùn)用此類器件時(shí)，就可將與適當(dāng)?shù)男〈配撘黄疬\(yùn)動(dòng)的物體的位置、位移、速度、角度等信息以電信號的形式傳感出來，達(dá)到了自動(dòng)測量與控制的目的。二維霍爾元件的結(jié)構(gòu)是二維平面，也被稱為平面霍爾元件；三維霍爾元件通常被稱為非平面霍爾元件。霍爾元件按功能可分為：線形元件、開關(guān)、鎖存器和專用傳感器。 
三、霍爾效應(yīng)的應(yīng)用 
人們在利用霍爾效應(yīng)原理開發(fā)的各種霍爾元件已廣泛應(yīng)用于精密測磁、自動(dòng)化控制、通信、計(jì)算機(jī)、航天航空等工業(yè)部門及國防領(lǐng)域。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。直接應(yīng)用是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，間接應(yīng)用是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個(gè)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，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)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。 
1.日常生活中的應(yīng)用 
錄音機(jī)的換向機(jī)構(gòu)就是使用霍爾傳感器檢測磁帶終點(diǎn)并完成自動(dòng)換向功能的；錄像機(jī)中的磁鼓電機(jī)常采用銻化銦霍爾元件；洗衣機(jī)中的電動(dòng)機(jī)主要依靠霍爾傳感器檢測與控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向功能?；魻栭_關(guān)類傳感器還用于電飯煲、氣爐的溫度控制和電冰箱的除霜等方面。大量應(yīng)用于影碟機(jī)、VCD等家用電器和儀表中的霍爾電機(jī)是一種無刷電機(jī)，它是利用轉(zhuǎn)速變化信號控制霍爾電壓信號變化，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)管中的工作電流，即調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子繞組電流，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與穩(wěn)速的控制，克服了一般帶電刷或整流子直流電機(jī)不能達(dá)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)、壽命長、噪聲小的致命弱點(diǎn)?；魻栃?yīng)動(dòng)感檢測器與電子線路組裝可制成報(bào)警器，帶在老人或消防人員身上，當(dāng)出現(xiàn)昏迷、跌倒等危險(xiǎn)情形時(shí)可報(bào)警發(fā)出聲響，還可用來裝在汽車或摩托車上，達(dá)到防盜目的。 
2.工程技術(shù)中的應(yīng)用 
（3）測量電流強(qiáng)度。將霍爾器件的輸出（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)值直接得出被測電流值。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)果的精度和線性度都較高?？蓽y直流、交流和各種波形的電流。在現(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場，霍爾電流傳感器是電流檢測的首選產(chǎn)品。 
（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(gè)均勻梯度磁場中移動(dòng)，它輸出的霍爾電壓UH值只由它在該磁場中的位移量來決定。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，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構(gòu)成霍爾微位移傳感器。用霍爾元件測量位移具有靈敏度高，慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但工作距離較小。以微位移檢測為基礎(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，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UH。由事先校準(zhǔn)的P～f( UH)曲線即可得到被測壓力P的值。 
（6）車用傳感器。車用傳感器是電子控制系統(tǒng)的主要組成部分之一，在實(shí)現(xiàn)車輛電子化中占有舉足輕重的地位。一輛電子控制系統(tǒng)比較完整的豪華轎車中，幾乎可以有20～30個(gè)霍爾傳感器用于汽車工作狀態(tài)的測量和控制。在汽車汽缸點(diǎn)火器中作電子斷續(xù)分電點(diǎn)火用；作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸角度傳感器；作各種自動(dòng)門窗的開關(guān)系統(tǒng)；作速度表和里程表；作防鎖死剎車系統(tǒng)(ABS)中的速度傳感器、各種液體液位檢測器；作各種用電負(fù)載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火檢測；作自動(dòng)剎車系統(tǒng)(替代手剎)中的速度傳感器；作蓄電池充電的電流控制器等。另外，霍爾效應(yīng)傳感器還可用于車用導(dǎo)航系統(tǒng)，變速器控制，汽車生產(chǎn)線自動(dòng)控制，以及公路撓性路面的檢測等。隨著車輛電子化的發(fā)展，對車用傳感器開展以下幾個(gè)方面的研究開發(fā)：環(huán)境檢測用傳感器：主要集中研究開發(fā)采用微波的抗振雷達(dá)，采用紅外線的障礙檢測裝置，采用超聲波和CCD攝像機(jī)相結(jié)合的距離監(jiān)測裝置，采用微波與紅外線和攝像機(jī)相結(jié)合的視覺放大系統(tǒng)。路況檢測用傳感器：主要研究開發(fā)監(jiān)測與判斷輪胎與路面的各種參數(shù)等方面的傳感器。車輛狀態(tài)檢測用傳感器：主要研究開發(fā)用于車速和角速度測量的傳感器。未來的汽車用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。 
（7）電磁無損探傷。鋼絲繩作為起重、運(yùn)輸、提升及承載設(shè)備中的重要構(gòu)件，被應(yīng)用于礦山、運(yùn)輸、建筑、旅游等行業(yè)，但由于使用環(huán)境惡劣，在它表面會(huì)產(chǎn)生斷絲、磨損等各種缺陷，所以，及時(shí)對鋼絲繩探傷檢測顯得尤為重要?；魻栃?yīng)無損探傷方法安全、可靠、實(shí)用，被應(yīng)用在設(shè)備故障診斷、材料缺陷檢測之中。其探傷原理是建立在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率特性之上。采用霍爾元件檢測該泄漏磁場的信號變化，可以有效地檢測出缺陷存在。 
（8）磁流體發(fā)電。其基本原理就是利用等離子體的霍爾效應(yīng)，即在橫向磁場作用下使通過磁場的等離子體正、負(fù)帶電粒子分離后積聚于兩個(gè)極板形成電源電動(dòng)勢。這種新型的高效發(fā)電方式，通過燃料燃燒發(fā)出的熱能使氣體變成高溫高壓的等離子體流而轉(zhuǎn)換成電能，既提高了熱能利用效率又滿足了環(huán)保的要求。磁流體發(fā)電技術(shù)，可能是今后取代火力發(fā)電的一個(gè)方向，磁流體發(fā)電發(fā)展前景廣闊。 
3.科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用 
霍爾傳感器在飛機(jī)、軍艦、航天器、新軍事裝備及通訊中應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。如我國的遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、“風(fēng)云”號衛(wèi)星、“神舟”號飛船等均使用特別研制的霍爾傳感器。在計(jì)算機(jī)控制的點(diǎn)火系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)需要發(fā)動(dòng)機(jī)各工況的輸入信號。其中霍爾效應(yīng)傳感器組件（霍爾集成電路或霍爾元件與永磁體、軟磁材料等封裝在一起）就提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸位置數(shù)據(jù)等。 
隨著人類科技的進(jìn)步，人們對自然認(rèn)識的逐步加深，霍爾元件向著更加微型化、高靈敏度、高集成度、多功能化等方向發(fā)展，將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的新現(xiàn)象和新效應(yīng)，我們期盼著科學(xué)研究的新成果，霍爾效應(yīng)應(yīng)用將創(chuàng)造出更輝煌的業(yè)績。