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课程名称： 医用物理学
专 业： 生物医学工程
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学 号： ********
霍尔效应原理及其应用
【摘要】 霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在读研究生期间在做研究载流子导体在磁场中受力作用实验时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场
和电流方向的两个端面之间会出现电势差
，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔阐述了霍尔效应的原理，霍尔元件的特点和分类以及在各个领域中的应用。 【关键词】 霍尔效应 霍尔元件 应用
Abstract：Hall Effect is a kind of electromagnetic effect, this phenomenon is the physicist
hall (A.H.H all, 1855-1938) in 1879 had found when reading a graduate student in doing research carrier conductor in magnetic field force function experiment. the current is perpendicular to the external magnetic field through the conductor, the conductor perpendicular to the magnetic field and current direction between the two end there will be potential difference, this phenomenon is hall effect. The electric potential difference is also called hall electric potential difference. Hall on the hall effect principle, characteristics and classification of hall element and the application in all fields.
Key words: Hall Effect Hall Element application
一、霍尔效应原理
（一）经典霍尔效应
霍尔效应是载流试样在与之垂直的磁场中由于载流子受洛仑兹力作用发生偏转而在垂直于电流和磁场方向的试样的两个端面上出现等量异号电荷而产生横向电势差U的现象。电势差U称为霍尔电压，E称为霍尔电场强度。此时的载流子既受到洛伦兹力作用又受到与洛伦
兹力方向相反的霍尔电场力作用，当载流子所受的洛伦兹力与霍尔电场力相等时，霍尔电压保持相对稳定。如图1 所示，将载流导体板放在磁场中，使磁场方向垂直于电流方向，在导体板两侧ab 之间就会出现横向电势差U。霍尔的发现在当时震动了科学界，许多科学家纷纷转向这一研究领域。
图1 霍尔效应原理
霍尔效应可以从运动电荷受到的洛伦兹力得到解释。实验表明，霍尔电压U与电流I、磁感应强度B 都成正比，与板的厚度d 成反比。其公式为：U = K·IB/d 。其中，K=1/nq为比例常数，称为霍尔系数，它由导体（或半导体）材料的性质所决---定。
经典霍尔效应误差:
(1)霍尔电压测量点A和A’难能做到在一个等势面上，从而产生附加电压Vo=ISR，R为A、A’所在的两个等势面间的电阻。
图2 等势面的影响
(2)由于霍尔效应本身所产生的电场和磁场，而由电磁效应所产生的热电效应和热磁效应等。
改进方法：改变Is和B的方向，取相应VH的平均值。分别测量由下列四组不同方向的Is和B组合的VAA’(A,A’两点的电势差)
+B，+Is VAA’=V1
-B，+Is VAA’= -V2
-B，-Is VAA’=V3
+B，-Is VAA’= -V4
然后，求V1 、V2 、V3 、V4的代数平均值：
VH=
（二）量子霍尔效应
按经典霍尔效应理论，霍尔电阻RH（RH=U/I=K·B/d= B/nqd）应随B 连续变化并随着n（载流子浓度）的增大而减小，但是，1980 年，克利青在1.5K 极低温度和18.9T 强磁场下，测量金属——氧化物——半导体场效应晶体管时，发现其霍尔电阻RH随磁场的变化出现了一系列量子化平台，即 RH= (h 为普朗克常数，e为电子电量，N=1,2⋯整数)，这种现象称为整数量子霍尔效应(IQHE)。
1982 年，崔琦和施特默等人在比整数量子霍尔效应更低的温度0.1K 和更强的磁场20T 条件下，对具有高迁移率的更纯净的二维电子气系统样品的测量中，也在一些电阻和温度范围内观测到横向霍尔电阻呈现平台的现象，但极为不同的是，这些平台对应的不是原来量子霍尔效应的整数值而是分数值，即RH=( V=,,,,)故称为分数量子霍尔效应(FQHE)。
二、霍尔元件的特点和分类
1．霍尔元件的特点。霍尔元件的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀，调试方便等。霍尔元件和永久磁体都能在很宽的温度范围(-40℃～1 50℃)、很强的振动冲击条件下工作，且磁场不受一般介质的阻隔。另外它的变换器组件能够和相关的信号处理电路集成到同一片硅片上，体积小，成本低，且具有较好的抗电磁干扰性能。
2．霍尔元件的分类。按照霍尔元件的结构可分为：一维霍尔元件、二维霍尔元件和三维霍尔元件。一维霍尔元件又被称为单轴霍尔元件，它的主要参数是灵敏度、工作温度和频率
响应。运用此类器件时，就可将与适当的小磁钢一起运动的物体的位置、位移、速度、角度等信息以电信号的形式传感出来，达到了自动测量与控制的目的。二维霍尔元件的结构是二维平面，也被称为平面霍尔元件；三维霍尔元件通常被称为非平面霍尔元件。霍尔元件按功能可分为：线形元件、开关、锁存器和专用传感器。如图3。
图3 霍尔元件
三、霍尔效应的应用
人们在利用霍尔效应原理开发的各种霍尔元件已广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航天航空等工业部门及国防领域。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。直接应用是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，间接应用是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量，如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 1．医学方面的运用
（1）利用霍尔效应，科学家研制了一种精密的电磁流量计—测量血液流速的仪器。如图4，利用电磁流量计，可以较为准确地测得流过血管的血流量。但是电磁流量计测量是一种损伤性的方法，使用时要将被测血管暴露在体外，它常常用于动物的实验和心脏、动脉手术中测定血流速度和血流量。
（2）电磁泵是一种利用作用在导电液体上的磁场力来运送导电液体的装置。如图5，这种泵在医学上常被用来输送血液或其他电解质溶液，由于这种装置没有任何机械运动部件，不会使血液中细胞受到损害，而且可以全部密封，避免了污染。在人工心肺机和人工肾装
置中常用它来输送血液。
图4 电磁流量计 图5 电磁泵
2．日常生活中的应用
录音机的换向机构就是使用霍尔传感器检测磁带终点并完成自动换向功能的；录像机中的磁鼓电机常采用锑化铟霍尔元件；洗衣机中的电动机主要依靠霍尔传感器检测与控制电动机的转速、转向功能。霍尔开关类传感器还用于电饭煲、气炉的温度控制和电冰箱的除霜等方面。大量应用于影碟机、VCD等家用电器和仪表中的霍尔电机是一种无刷电机，它是利用转速变化信号控制霍尔电压信号变化，从而调节驱动电路驱动管中的工作电流，即调
节电动机定子绕组电流，实现对电动机转速与稳速的控制，克服了一般带电刷或整流子直流电机不能达到转速稳、寿命长、噪声小的致命弱点。霍尔效应动感检测器与电子线路组装可制成报警器，带在老人或消防人员身上，当出现昏迷、跌倒等危险情形时可报警发出声响，还可用来装在汽车或摩托车上，达到防盗目的。
3．工程技术中的应用
（1）测量电流强度。将霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。在现在的工业现场，霍尔电流传感器是电流检测的首选产品。
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