霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用

霍爾效應(yīng)是1879年美國(guó)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(chǎng)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(lèi)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(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)方向的試樣的兩個(gè)端面上出現(xiàn)等量異號(hào)電荷而產(chǎn)生橫向電勢(shì)差UH的現(xiàn)象。電勢(shì)差UH稱(chēng)為霍爾電壓，EH稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)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(chǎng)力作用，當(dāng)載流子所受的洛倫茲力與霍爾電場(chǎng)力相等時(shí)，霍爾電壓保持相對(duì)穩(wěn)定。 
二、霍爾元件的特點(diǎn)和分類(lèi) 
1.霍爾元件的特點(diǎn)。霍爾元件的結(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，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(chǎng)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(hào)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(lèi)。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(chēng)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(lèi)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(hào)的形式傳感出來(lái)，達(dá)到了自動(dòng)測(cè)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(chēng)為平面霍爾元件；三維霍爾元件通常被稱(chēng)為非平面霍爾元件。霍爾元件按功能可分為：線形元件、開(kāi)關(guān)、鎖存器和專(zhuān)用傳感器。 
三、霍爾效應(yīng)的應(yīng)用 
人們?cè)诶没魻栃?yīng)原理開(kāi)發(fā)的各種霍爾元件已廣泛應(yīng)用于精密測(cè)磁、自動(dòng)化控制、通信、計(jì)算機(jī)、航天航空等工業(yè)部門(mén)及國(guó)防領(lǐng)域。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。直接應(yīng)用是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，間接應(yīng)用是檢測(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，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。 
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(cè)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(cè)與控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向功能?；魻栭_(kāi)關(guān)類(lèi)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(wú)刷電機(jī)，它是利用轉(zhuǎn)速變化信號(hào)控制霍爾電壓信號(hào)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(duì)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(zhǎng)、噪聲小的致命弱點(diǎn)?；魻栃?yīng)動(dòng)感檢測(cè)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(lái)裝在汽車(chē)或摩托車(chē)上，達(dá)到防盜目的。 
2.工程技術(shù)中的應(yīng)用 
（3）測(cè)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(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。可測(cè)直流、交流和各種波形的電流。在現(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，霍爾電流傳感器是電流檢測(cè)的首選產(chǎn)品。 
（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UH值只由它在該磁場(chǎng)中的位移量來(lái)決定。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，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。用霍爾元件測(cè)量位移具有靈敏度高，慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但工作距離較小。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(chēng)重等霍爾傳感器。 
（5）壓力傳感器?；魻枆毫鞲衅饔蓮椥栽?，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(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UH。由事先校準(zhǔn)的P～f( UH)曲線即可得到被測(cè)壓力P的值。 
（6）車(chē)用傳感器。車(chē)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(chē)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(chē)中，幾乎可以有20～30個(gè)霍爾傳感器用于汽車(chē)工作狀態(tài)的測(cè)量和控制。在汽車(chē)汽缸點(diǎn)火器中作電子斷續(xù)分電點(diǎn)火用；作汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸角度傳感器；作各種自動(dòng)門(mén)窗的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)；作速度表和里程表；作防鎖死剎車(chē)系統(tǒng)(ABS)中的速度傳感器、各種液體液位檢測(cè)器；作各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火檢測(cè)；作自動(dòng)剎車(chē)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(chē)用導(dǎo)航系統(tǒng)，變速器控制，汽車(chē)生產(chǎn)線自動(dòng)控制，以及公路撓性路面的檢測(cè)等。隨著車(chē)輛電子化的發(fā)展，對(duì)車(chē)用傳感器開(kāi)展以下幾個(gè)方面的研究開(kāi)發(fā)：環(huán)境檢測(cè)用傳感器：主要集中研究開(kāi)發(fā)采用微波的抗振雷達(dá)，采用紅外線的障礙檢測(cè)裝置，采用超聲波和CCD攝像機(jī)相結(jié)合的距離監(jiān)測(cè)裝置，采用微波與紅外線和攝像機(jī)相結(jié)合的視覺(jué)放大系統(tǒng)。路況檢測(cè)用傳感器：主要研究開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)與判斷輪胎與路面的各種參數(shù)等方面的傳感器。車(chē)輛狀態(tài)檢測(cè)用傳感器：主要研究開(kāi)發(fā)用于車(chē)速和角速度測(cè)量的傳感器。未來(lái)的汽車(chē)用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、多功能化、集成化和智能化。 
（7）電磁無(wú)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(duì)鋼絲繩探傷檢測(cè)顯得尤為重要?；魻栃?yīng)無(wú)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(cè)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(cè)該泄漏磁場(chǎng)的信號(hào)變化，可以有效地檢測(cè)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(chǎng)作用下使通過(guò)磁場(chǎng)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(shì)。這種新型的高效發(fā)電方式，通過(guò)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(mǎn)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(guó)的遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、“風(fēng)云”號(hào)衛(wèi)星、“神舟”號(hào)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(hào)。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(lèi)科技的進(jìn)步，人們對(duì)自然認(rèn)識(shí)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(jī)。