霍尔传感器HallEffect：探索性研究及应用

霍尔传感器

Hall Effect

霍尔效应是一种磁电效应，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、自动化技术等等。特别是利用霍尔效应制成的各种半导体传感器已经广泛应用于我们的生活中，它正在悄悄地改变我们的生活方式。

实验装置

霍尔元件1个，磁铁1块，自制演示仪一套，如图1所示。

图1　霍尔传感器演示仪

现象观察

1.电压表指针偏转观察

把万用表拨至电压10V直流挡，接入演示仪输出端，将磁铁靠近霍尔元件，观察（a）万用表指针的偏转幅度与磁铁离霍尔元件的远近关系；（b）磁铁从不同方向靠近霍尔元件万用表指针的偏转情况。

2.发光二极管发光亮度观察

把一只发光二极管接入演示仪输出端，一块磁铁靠近霍尔元件，观察发光二极管的发光亮度变化情况。

3.计数器原理观察

在一可旋转的圆盘边缘处固定一小磁铁，在圆盘外侧靠近边缘处安装一霍尔元件，转动圆盘，观察发光二极管的发光变化情况以及演示仪计数板的变化情况。

现象解密

霍尔效应是霍尔（Hall，A.H.1855-1938）24岁在美国霍普金斯大学研究生期间，研究载流导体在磁场中受力性质时发现的一种磁现象。后来发现半导体和导电流体等也存在这种现象，而且半导体的霍尔效应比金属强得多。

沿半导体薄板板面方向通以直流电流，如图2（a）所示。在垂直于半导体薄板方向加一匀强磁场，电子受洛仑兹力作用向下偏转，如图2（b）所示。电子在薄板下方沉积，使板下方带负电，上方带正电，上下方正负电荷产生一向下的电场，如图2（c）所示。于是板内运动的电子除了受到向下的洛仑兹力外，还受到向上的电场力作用，两力相等（eE=evB）则达到平衡状态，板内电子将不再偏转，如图2（d）所示。这时板上下方的电势差被称为霍尔电势V_H，V_H正比于磁感应强度B。

图2　（a）霍尔效应原理示意图

图2　（b）霍尔效应原理示意图(www.xing528.com)

图2　（c）霍尔效应原理示意图

图2　（d）霍尔效应原理示意图

可见半导体薄片上有四个电极，两红线为电流极，两绿线为霍尔电压V_H输出极称为敏感极。用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件，如图3所示。

实际的霍尔线性集成元件中，通常在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路，市场上能买到的有3极（单端输出）和4极（双端输出）两种元件。

以A04E霍尔元件为例，它的管脚与接线图如图4所示。

近年来，由于新型半导体材料和低维物理学的迅速发展，使得人们对霍尔效应的研究又取得了许多突破性的进展。德国物理学家克利青(K.V.Klitzing)因于1979年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。

图3　霍尔元件塑封图

图4　管脚与接线图

应用拓展

霍尔元件的应用原理简单，信号处理方便，元件本身又有很多独特的优点，结合其他组件和器件，应用千变万化，已作为一种磁场传感器和磁电转换的基础器件，像其他传感器等基础器件一样，在各种信息采集和处理中发挥越来越重要的作用。它可以用来测量磁场、检测铁磁物质、制成磁读头和接近开关等等，用途不胜枚举。

思考题

1.实验中的磁铁如果改变N极和S极方向，电压表指针是否会改变方向？为什么？

2.为什么半导体的霍尔效应比金属的霍尔效应要明显得多？

3.假使其他条件不变，仅提高温度，V_H的大小怎样改变？根据你的判断结果，设想霍尔元件还可有什么用途？你能设计出一款利用霍尔元件的产品吗？说出其中道理。

4.利用霍尔元件可制成罗盘指示方向，试说明其原理。