霍尔效应及应用[1]

自动的检测与转换技

霍尔传感器论文

云南机电技术学院

2011年12月16日星期五

前言

霍尔效应在当今科学技术的许多领域都有着广泛的应用，如测量技术、电子

技术、自动化技术等。近年来，由于新型半导体材料和低维物理学的发展使得人

们对霍尔效应的研究取得了许多突破性进展。德国物理学家克利青(K.V.Klitzing)

因发现量子霍尔效应而荣获1985年度诺贝尔物理学奖；美籍华裔物理学家崔琦、

美籍德裔物理学家施特默(H.L.Stormer)和美国物理学家劳克林(R.B.Laughlin)因

在发现分数量子霍尔效应方面所作出的杰出贡献而荣获 1998 年度诺贝尔物理

学奖。这一领域因两次授予诺贝尔奖而引起了人们广泛的兴趣，崔琦也成为第六

位获得诺贝尔奖的华裔科学家。本文系统阐述了霍尔效应及应用，并详细介绍了

国内外有关量子霍尔效应研究的新进展。

1、霍尔效应

1897 年，美国物理学家霍尔（E.H.Hall）经过大量实验发现;如果让一恒定

电流通过过一金属薄片，并将金属薄片置于强磁场中再金属薄片的两端将产生与

磁场强度成正比的电动势。

霍尔效应：在半导体薄片两端通一控制电流I,并在薄片的垂直方向视角磁感

应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向，将产生电势差为UH的

霍尔电压。这种现象叫做霍尔效应。（如图1所示）

由实验可知：流入激励电流端的电流I越大,作用在薄片上的磁场强度B越

强，霍尔电动势也就越高。

霍尔电动势UH的表达式为

UH=KHIBcosΘ

式中KH——霍尔元件灵敏度。

根据霍尔效应，人们利用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。该元件广泛的

利用在测量，自计算机以及信息技术等领域得到了广泛的利用。

霍尔器件具有许多优点，他们结构牢固，体积小，重量轻，寿命长安装方便，

功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘，水汽，油污以及盐雾等污染或腐蚀。

3.霍尔传感器的工作原理

磁场平衡式霍尔电流传感器是由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次级线圈、

放大器等组成，如图所示。其工作原理是磁场平衡式的，即原边电流所产生的磁

场，用通过次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零

磁通的工作状态。具体工作过程为：

当原边回路有一大电流IP流过时，在导线周围产生一个强的磁场HP，这一磁场

被聚磁环聚集，并感应霍尔元件，使其有一个信号输出Uh，这一信号经放大器

N放大，再输入到功率放大器中，这时相应的功率管导通，从而获得一个补偿电

流Is。由于这一电流要通过很多匝绕组，多匝导线所产生的磁场Hs与原边电流

所产生的磁场Hp方向相反，因而相互抵消，引起磁路中总的磁场变小，使霍尔

器件的输出逐渐减小，最后当Is与匝数相乘所产生的磁场Hs与Ip所产生的磁场

Hp相等时，达到磁场平衡，Is不再增加，这时霍尔元件就处于零磁通检测状态。

4、霍尔效应的应用

一般而言，金属和电解质的霍尔系数很小，霍尔效应不显著；半导体的霍尔

系数则大得多，霍尔效应显著。从20世纪60年代起，随着半导体材料和半导

体工艺的飞速发展，人们发现用半导体材料制成的霍尔元件具有对磁场敏感、结

构简单、体积小、频率响应宽、输

出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，将其广泛应用于电磁测量、非电量测

量、自动控制、计算与通讯装置中。

(1) 测量半导体特性

霍尔效应对于诸多半导体材料和高温超导体的性质测量来说意义重大。设导

体中电流方向如图1 所示，如果载流子带负电，它的运动方向和电流方向相反，

作用在它上面的洛伦兹力向下，因此，导体上界面带正电，下界面带负电；如果

载流子带正电，则导体上界面

带负电而下界面带正电。由此可以看出，只要测得上下界面间霍尔电压的符号就

可以确定载流子的符号。用这种方法就能够测定半导体究竟是P型还是N型。

如果载流子已知，则通过测定霍尔系数K，还可算出导体中载流子的浓度n，进

而得出载流子浓度受其客观因素影响的情况。如由Lake Shore公司推出的

Lake Shore7500系统，配备专门为7500设计的IDEAS软件，操作简单、精

确，可用于测量样品的电阻、电阻率、霍尔系数、霍尔迁移率、载波密度和电子

特性，能够满足人们多方面的测量需要。

(2 )测量磁场

利用霍尔效应可以制造精确测量磁感应强度的仪器——高斯计。高斯计的探

头是一个霍尔元件，在它的里面是一个半导体薄片。依据（1）式，U可用毫伏

计测量，K、I也可用相应的仪器测量，因此，就可以方便地算出B值。高斯计

的表盘是以磁感应强度标记的，只要把高斯计插入待测磁场中，B便可以直接读

出，非常方便。如果要求被测磁场精度较高，如优于± 0.5%，那么，通常选用

砷化镓霍尔元件，其灵敏度高，约为 5-10mt/100mt.mA，温度误差可以忽略不

计；如果要求被测磁场精度较低，体积要求不高，如精度低于± 0.5%时，则可

选用硅和锗霍尔元件。

(3) 磁流体发电

从20世纪50年代末开始进行研究的磁流体发电技术，可能是今后取代火力

发电的一个方向。其基本原理就是利用等离子体的霍尔效应，即在横向磁场作用

下使通过磁场的等离子体正、负带电粒子分离后积聚于两个极板形成电源电动

势。这种新型的高效发电方式，通过燃料燃烧发出的热能使气体变成等离子体流

而转换成电能，无须像火力发电一样，先将燃料燃烧释放的热能转换成机械能以

推动发电机轮转动，再把机械能转换成电能，这样在提高了热能利用效率的同时，

也满足了环保的要求。目前，这方面已经有示范工程，预计在 2010内可局部商

业化，发展前景广阔。

(4) 电磁无损探伤

霍尔效应无损探伤方法安全、可靠、实用，并能实现无速度影响检测，因此，

被应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中。其探伤原理是建立在铁磁性材料的

高磁导率特性之上。采用霍尔元件检测该泄漏磁场B的信号变化，可以有效地

检测出缺陷存在。钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中的重要构件，被应

用于矿山、运输、建筑、旅游等行业，但由于使用环境恶劣，在它表面会产生断

丝、磨损等各种缺陷，所以，及时对钢丝绳探伤检测显得尤为重要。目前，国内

外公认的最可靠、最实用的方法就是漏磁检测方法，根据这一检测方法设计的断

丝探伤检测装置，如 EMTC系列钢丝绳无损检测仪，其金属截面积测量精度为

±0.2％，一个捻距内断丝有一根误判时准确率>90％，性能良好，在生产中有着

广泛的用途。

五 霍尔传感器的应用

以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为霍尔效应

磁敏传感器，简称霍尔传感器。利用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可做

成多种电学和非电学测量的线性传感器。如控制一定电流时，可以测量交、直流

磁感应强度和磁场强度；控制电流电压的比例关系，令输出的霍尔电压与电压乘

电流成比例，可制成功率测量传感器；当固定磁场强度大小及方向时，可以用来

测量交直流电流和电压。利用这一原理还可以进一步精确测量力、位移、压差、

角度、振动、转速、加速度等各种非电学量。霍尔传感器在日常生活和工业生产

中广泛用 。 （一）线性型霍尔传感器测量物理量 1，电流传感器器

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔

传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。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。 霍尔电流传感器工作原理如图6

所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，

当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

2．位移测量

两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为

零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有

一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，

是按这一原理制成的力传感器。

二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告

知器、报警器、自动控制电路等。

1．测转速或转数

在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋

转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

六、量子霍尔效应的新进展

量子霍尔效应的一个重要应用是高精度地测定了精细结构常数α。它是用来量度电磁相互作用强度的。在SI单位制中，精细结构常数的表达式为α= e2/2εohc，其中 c 为光速，h 为普朗克常数，e 为电子电荷。由量子霍尔效应测定的α的倒数不确定度为6.2×10-8，可以看出，其具有很高的精确度。

通过大量实验和严格理论研究证明，在量子霍尔效应的 RH-B 关系曲线中的电阻平台是与 h/e2 成比例的，而与样品的材料、形状等因素无关。普朗克常数h和电子电荷e都是基本物理常数，因此，可以采用量子霍尔电阻的普遍性和很高的测量精确性的特点，将其作为电阻单位欧姆的自然基准。从1990年1月1日起，国际计量委员会在世界范围内启用量子化霍尔电阻标准代替原来的实物标准，并给出了国际推荐值 RH=h/e2=25812.807Ω。为此，国际计量局还建立了一套可运输的量子化霍尔电阻装置，到已建立此种自然基准的各个国家实验室进行循环比对。结果表明，各国的数据一致性为10-8量级，好一些的可达到10-9量级。2000年10 月，日本电学计量机构的中西正和博士携带了三个高稳定的1Ω标准电阻到中国计量科学研究院进行双边国际比对，结果表明，两国用量子化霍

尔电阻复现1Ω电阻量值的差别仅为 1.3nΩ，优于目前文献中已发表的所有结果，表明我国电学计量基准已达到世界先进水平。

但是，在实际电能应用中，直流电仅是很小一部分，大规模应用是在50HZ或60HZ交流电状态下进行的，通讯等领域则应用了从音频到微波的广阔的交流电频段。为了保持单位的一致性，交流阻抗的单位亦应溯源到量子化霍尔电阻。此项研究在国际上开展了近10年，但目前各国的研究者遇到了同一问题，）即发现在音频范围内交流量子化霍尔电阻并没有达到和直流相近的高准确度，一般在1～2 ×10-7左右。如何进一步提高交流量子化霍尔电阻的准确度，至今还不十分清楚。总之，尽管交流量子化霍尔效应的研究是一个有吸引力的课题，但要取得长足的进步尚需进行相当深入的基础性研究。

七、结束语

霍尔效应是一种发现、研究和应用都很早的磁电效应，从经典霍尔效应到整数量子霍尔效应再到分数量子霍尔效应，已经取得了不少科研成果。最近几年里，人们的兴趣主要集中在量子霍尔器件上，而电子在量子霍尔磁场中的自旋已成为研究领域的课题。分数量子霍尔效应开创了一个新的研究多体现象的新时代，新的物理效应有可能开拓出新的学科领域，这将进一步影响到物理学的很多分支。相信在不久的将来，在这个领域，将不断出现科学研究的新成果，更多地为人类造福。