霍尔效应及霍尔元件在物理量测量中的应用_江铭波.pdf

第 26 卷第 2 期湖 北 工 业 大 学 学 报2011 年 04 月 Vol 26 No 2 Journal of Hubei University of TechnologyApr 2011 收稿日期 2010 10 25 作者简介 江铭波 1971 男 湖北天门人 湖北工业大学实验师 研究方向为物理传感器的应用 文章编号 1003 4684 2011 02 0142 03 霍尔效应及霍尔元件在物理量测量中的应用 江铭波 阎旭东 徐国旺 湖北工业大学理学院 湖北 武汉 430068 摘 要 根据霍尔效应的基本理论 阐明制作霍尔元件的材料的电学性质 探讨利用霍尔效应测量电学量及非电 学量的方法 关键词 霍尔效应 霍尔电势 霍尔灵敏度 磁感应强度 磁场梯度 中图分类号 TP212 文献标识码 A 霍尔效应的应用还存在着很大的开拓空间 而 阐明制作霍尔元件的基本参量的物理意义和制造该 元件所要满足的半导体材料的电学特性 探讨广泛 应用霍尔元件测量磁场 电流 电压 电功率以及非 电量 特别是微小位移量的方法 对全面应用霍尔效 应开展设计性实验研究以及在工程技术中应用霍尔 传感器是十分重要的 1 霍尔效应和霍尔参数 1 1 霍尔效应 如图 1 所示 将一 N 型半导体薄片垂直置入磁 场 B 中 并沿 DD 方向通以电流 I 就会在垂直于电 流和磁场方向的薄片的 AA 两侧产生电势UH 这一 现象叫霍尔效应 UH被称作霍尔电势 图 1 霍尔效应原理 1 2 霍尔系数 RH由材料性质确定 当霍尔效应发生时 有 RH 1 ne 1 式中 RH称为材料的霍尔系数 n 为载流子浓度 e 为电子电荷量 它是反映材料霍尔效应强弱的重要 参数 RH大 霍尔效应强 RH小 霍尔效应弱 由运 动电荷 电流 在磁场中所受洛伦兹力和霍尔电场力 平衡 进一步计算可得 RH UHd IB 2 由式 2 可知 只要给出磁感应强度 B 特斯拉 工 作电流 I 安 和元件厚度 d 米 测出霍尔电势UH 就可求出材料的霍尔系数 RH 米3 库仑 RH实际 上是有正 负符号的量 其符号由 UH的正负决定 若UH UAA 0 即UA0 即 RH 为正 其霍尔元件为 P 型半导体 测得 RH后 可进一步由式 1 求出霍尔材料的 载流子浓度 n 1 RH e 考虑到材料的电阻率 与载流子浓度n 以及电子迁移率 之间的关系 1 1 ne 于是有 RH 3 式 3 说明 测得了 RH和电阻率 便可求出迁移率 只有电阻率 大 迁移率 也大的材料 霍尔系数 RH才大 一般金属材料 很高 但 很小 而绝缘材 料 极高 但 很低 只有 N 型半导体材料 和 均 很大 P 型半导体 一般小于N 型半导体 所以 N 型半导体最适合于制造霍尔元件 霍尔效应最显著 例如 N 型锗 Ge N 型硅 Si 锑化铟 InSb 砷化 铟 InAs 磷化铟 InSp 砷化钙 CaAs 等 其各参 量值请参阅文献 2 1 3 霍尔元件灵敏度 KH与元件几何尺寸有关 霍尔元件是由壳体包围并焊接四根引线的半导 体器件 令 KH RH d 1 ned 4 将式 2 代入式 4 显然有 UH KHIB 5 KH称为霍尔元件灵敏度 它表示霍尔元件在单位 磁感应强度作用和单位工作电流控制下 霍尔电极 开路时 产生霍尔电势的大小 其单位为 伏特 安 培 特斯拉 KH不仅与霍尔元件的材料电学性质 有关 也与其几何尺寸有关 对于一个确定的霍尔元 件 KH是一个常数 只有选用的 N 型半导体材料制 成的霍尔片足够薄 一般只有 0 2mm 方可有效地 提高霍尔元件灵敏度 通常片状硅霍尔元件的 KH 仅为 2V A T 左右 而薄型霍尔元件的 KH可提高 两个数量级 例如薄膜霍尔元件都是用锑化铟薄膜 制作的 因为锑化铟的电子迁移率比其它材料都大 它既可制作单晶霍尔元件 也可制作薄膜霍尔元件 利用镀膜工艺镀膜可以得到厚度仅为 1 m 的薄膜 再经过光刻腐蚀及制作电极和焊接引线等工艺制成 薄膜霍尔元件 这样制作的霍尔元件其灵敏度大大 提高 因而有很重要的实用价值 2 霍尔元件在测量物理量中的应用 在物理量的测量中应用极为广泛 由于霍尔效 应建立的时间极短 仅为 10 12 s 其工作电流 I 也 可以用交流电 其原理就是 UH KHIB 该式中相 关联的四个物理量中 KH是反映霍尔元件自身特 性的参数 由实验室或销售商给出 也可由实验者自 己设计实验条件 测量获得 需要说明的是 KH虽 然是霍尔元件的特性参数 但在不同的实验条件 不 同的 B 不同的工作电流 I 不同的工作温度 下 KH 的值会略有差异 一般取其平均值 2 1 测量磁场 测量磁场的方法很多 而利用霍尔效应测量磁 场方法比较简单 N 型锗 Ge 和砷化钙 CaAs 霍尔 元件的霍尔电势温度系数小 线性范围大 适用于做 测量磁场的探头 将用霍尔元件制成的探头置于待 测磁场中 并输入一定的工作电流 I 则有霍尔电势 UH KHIB 输出 要注意的是此UH是在磁力线和 霍尔元件表面垂直时的霍尔电势 若不垂直 则 UH KHIBcos 为磁力线方向与霍尔元件表面法向 之间夹角 其工作电流由恒流源或恒压源供给 用 电表或电位差计测量霍尔电势UH 则UH正比于磁 场 B 用霍尔元件做探头 可以制成测量磁场分布的 特斯拉计 磁场计 用于测量 10 7 10T 量级的磁 场 地磁场约为 10 5T 量级 因而也可测地磁场 在 对弱磁场进行检测时 可以采用高磁导率的磁性材 料集中磁通 集束器 来增强磁场强度以方便测量 因霍尔元件尺寸极小 可进行多点检测 由计算机进 行数据处理 得到磁场的分布状态 测量精度可从 1 到 0 01 2 2 测量电流 根据安培定律 在载流导体周围将产生正比于 该电流的磁场 将霍尔元件置于这一磁场中 即可获 得正比于该磁场的霍尔电势UH 测量该霍尔电势 UH的大小 可间接测量电流 I0的大小 用环形导磁材料作成铁芯 套在被测电流流过 的导线上 如图 2 所示 电流感生的磁场聚集在铁芯 中 在铁芯上开一个与霍尔元件厚度相等的气隙 并 将线型霍尔元件紧紧地夹在气隙中间 霍尔集成电 路就输出与被测电流成正比的霍尔电势 UH KHIB K II0 式中 I 为工作电流 I0为被测电流 图 2 霍尔元件测电流 近十多年来 根据这一原理制成霍尔钳形电流 表 可以测量高达 2 000 A 的电流 电流波形可以是 100 kHz 的正弦波和电工技术较难测量的高频窄脉 冲 低端可以是直流电 由于测量回路与主回路隔 离 具有测量精确度高 不需切断电路电流 功耗低 等优点 2 3 测量负载功率 由于霍尔电势正比于磁感应强度 B 和工作电 流 I 之积 如果 I 和 B 是两个独立变量 霍尔元件就 是一个简单实用的模拟乘法器 如果 I 和 B 分别与 某一负载两端的电压和通过的电流有关 则霍尔元 件便可用于该负载的功率测量 将霍尔元件 H 与负载电阻 RL串联 其负载电 流 IL即霍尔元件 H 的工作电流 使 H 的外加磁场B 正比于外加电压Ui 如图 3所示 即Bi k1Ui 其中 k1为与电路器件 器件材料和结构有关的常数 因 此霍尔电势UH KHILBi KHILk1Ui kP 式中 k RHk1是常数 P UiIL是功率 霍尔电势UH与 功率成正比 该电路可用于直流功率的测量 指示仪 表采用功率刻度的伏特表做成直读式功率计 用于 测量负载的功率 测量直流范围可以从几微瓦到数 百瓦 测量误差一般小于 1 根据同样的思路 也 可设计出测量交流负载的功率表 3 143 第 26 卷第 2 期 江铭波等 霍尔效应及霍尔元件在物理量测量中的应用 图 3 用霍尔元件测量功率原理 2 4 测量非电量 微小位移 使霍尔元件在已知的梯度磁场中移动 则霍尔 电势的大小就反映出磁场的变化 因而也能反映位 移的变化 在此情况下 利用霍尔效应可以测量微小 位移 如图 4 所示 将磁场相同的两块永久磁铁同极 性 例如 N 极 两极相对放置 霍尔元件处于两块磁 铁中间 其方向与磁铁平行 以二磁铁正中处作为坐 标原点 O 此处磁感应强度 B 0 当霍尔元件沿 y 方向通以电流 I 时 其霍尔电势UH 0 当霍尔元 件偏离中心沿 x 轴位移时 磁感应强度不再为零 霍 尔元件便沿 z 方向产生相应的霍尔电势 UH输出 由UH KHIB 知 UH KHI dB dx x 6 式中 dB dx 称为磁场梯度 当dB dx 为常数时 令 K KHI dB dx 称为霍尔式位移传感器灵敏度 于是 UH K x 7 式中 UH与位移 x 成正比 UH可由毫伏表测量 因此若保持霍尔元件工作电流不变 使其在一均匀 梯度的磁场中移动 则元件输出的霍尔电势只与它 在磁场中的位移成正比 根据这一原理 即可对位移 进行测量 并能测量许多与微位移有关的电量 理论 与实践均证明 磁场梯度越大 灵敏度越高 磁场 梯度越小 则线性度越好 梯度变化越均匀 霍尔电 势与位移的关系越接近线性 这种由霍尔元件和梯 度磁场组成的测量微小位移的系统称为霍尔位移传 感器 可用来测量 1 2 mm 的微小位移 其分辨率 可达 0 001 mm 位移产生的霍尔电势可达 30 mV mm 以上 其特点是惯性小 响应速度快 图 4 用霍尔效应测量位移原理 3 结束语 应用霍尔效应测量物理量 需要有霍尔系数大 的 N 型半导体材料制作灵敏度大的霍尔元件 而霍 尔效应发生时还伴随有其它副效应及温度变化的影 响 4 测试者在使用霍尔元件时应努力减小或修正 各种副效应和温度带来的系统误差 在此基础上进 一步开拓霍尔效应在测量 工程技术中的应用 其前 景是很宽阔的 参 考 文 献 1 孟庆巨 刘海波 半导体器件物理 M 北京 科学出版 社 2009 2 赵燕 传感器原理及应用 M 北京 北京大学出版社 2010 3 李增国 传感器与检测技术 M 北京 北京航空航天 大学出版社 2009 4 李文成 王涌萍 霍尔效应测量磁场实验中的副效应及 温度对测量结果的影响 J 大学物理 1995 5 36 The Application of Hall Effect and Hall Effect Sensors in Measuring of Physical Quantity JIANG Ming bo YAN Xu dong XU Guo wang School of Science Hubei Univ of Tech Wuhan 430068 China Abstract According to the basic theory of Hall effect the electrical properties of materials that are used to make Hall Effect Sensors are introduced