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霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。本文简要介绍其工作原理， 产品特性及其典型应用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，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。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。 按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。 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。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者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、非磁的物理量例如力、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。 一 霍尔器件的工作原理在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差如图1所示：这个电压和磁场及控制电流成正比： VH＝K╳｜H╳IC｜式中VH为霍尔电压，H为磁场，IC为控制电流，K为霍尔系数。在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即： I∞B∞VH其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。 二 霍尔传感器的应用1 霍尔接近传感器和接近开关 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图1所示的接近传感器。它们的功能框见图19。(a)为霍尔线性接近传感器，(b)为霍尔接近开关。 图1 霍尔接近传感器的外形图 a)霍尔线性接近传感器 (b)霍尔接近开关 图2 霍尔接近传感器的功能框图 霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。3.2.7霍尔翼片开关 霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图20所示，其内部结构及工作原理示于图21。 图3 霍尔翼片开关的外形图 2 霍尔齿轮传感器 如图4所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。 在ABS中，速度传感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意图如图23所示。图中，1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。在制动过程中，控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。 在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。 （1）相位精度高，可满足0.4°曲轴角的要求，不需采用相位补偿。 （2）可满足0.05度曲轴角的熄火检测要求。 （3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。 用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。 图4 霍尔速度传感器的内部结构 1. 车轮速度传感器2.压力调节器3.电子控制器2. 图4 ABS气制动系统的工作原理示意图 3 旋转传感器 按图5所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 (a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式 图5 旋转传感器磁体设置 由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等，这些应用的实例如图25所示。 图6的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆35来供电和输出。 图6 霍尔流量计 由图7可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。 利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图27所示。 曲线1对应结构图（a）,曲线2对应结构图(b)，曲线3对应结构图(c)。 图7 霍尔车速表的框图 图8 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定 4 在大电流检测中的应用 在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图9示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。 图9（a）为G－10安装结构，中心为电流汇流排，(b)为电缆型多霍尔探头，(c)为霍尔电压放大电路。 (a)G�10安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路 图9 多霍尔探头大电流传感器 图10霍尔钳形数字电流表线路示意图 图11霍尔功率计原理图 (a)霍尔控制电路 (b)霍尔磁场电路 图12霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器 图13霍尔电度表功能框图 图14霍尔隔离放大器的功能框图 5 霍尔位移传感器 若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图15示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z<2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。 图15 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性 用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。 6 霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图16所示。在图16中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图29中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。 图16 几种霍尔压力传感器的构成原理 7 霍尔加速度传感器 图17示出霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块M，片S的末端b处固定测量位移的霍尔元件H，H的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压VH的变化。可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度。 图17 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性 三 小结目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。

1985年诺贝尔物理学奖授予德国斯图加特固体研究马克斯·普朗克研究所的冯·克利青（Klaus von Klitzing，1943-）,以表彰他发现了量子霍耳效应。霍耳效应是 1879年美国物理学家霍耳（Edwin Hall）研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。他在长方形导体薄片上通以电流，沿电流的垂直方向加磁场，发现在与电流和磁场两者垂直的两侧面产生了电势差。后来这个效应广泛应用于半导体研究。一百年过去了。1980年一种新的霍耳效应又被发现。这就是德国物理学家冯·克利青从金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）发现的量子霍耳效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，把MOSFET管放到强磁场和深低温下，证明霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现一系列平台，与平台相应的霍耳电阻等于RH＝h/i·e2，其中i是正整数1，2，3，……，这一发现是20世纪以来凝聚态物理学、各门新技术（包括低温、超导、真空、半导体工艺、强磁场等）综合发展以及冯·克利青创造性的研究工作所取得的重要成果。从50年代起，由于晶体管工业的兴盛，半导体表面研究成了热门课题，半导体物理学中兴起了一个崭新领域——二维电子系统。1957年，施里弗（J.R.Schrieffer）提出反型层理论，认为如果与半导体表面垂直的电场足够强，就可以在表面附近出现与体内导电类型相反的反型层。由于反型层中的电子被限制在很窄的势阱里，与表面垂直的电子运动状态应是量子化的，形成一系列独立能级，而与表面平行的电子运动不受拘束。这就是所谓的二维电子系统。当处于低温状态时，垂直方向的能态取最低值——基态。由于半导体工艺的发展，60年代初出现了平面型硅器件，用SiO2覆盖硅表面制成了硅MOSFET管，为研究反型层的性能提供了理想器件。改变MOSFET的栅极电压可以控制反型层中的电子浓度。1966年，美国 IBM公司的福勒（A.B.Fowler），方复（F.F.Fang），霍华德（W.E.Howard）与斯泰尔斯（P.J.Styles）用实验证实了施里弗的理论预见。他们把P型硅作为衬底的MOSFET放在强磁场中，在深低温下测源极与漏极之间的电导。改变栅压VG，测出的电导呈周期性变化，有力地证实了二维电子系统的存在。这个实验激起了物理学家的浓厚兴趣，使二维电子系统成了国际上普遍重视的研究对象。70年代中期，日本东京大学年轻的物理学家安藤恒也（T.Ando）和他的老师植村泰忠（Y.Uemura）从理论上系统地研究了二维电子系统在强磁场中的输运现象，对二维电子系统的霍耳效应作了理论分析。与此同时，世界上有好几个机构在进行有关二维电子系统的实验工作，其中尤以冯·克利青所在的维尔茨堡大学最为积极。冯·克利青1943年6月28日出生于波森（Posen）的叙罗达（Schroda），德国国籍，1962年进入布朗许瓦格（Braunschweig）技术大学攻读物理。他利用假期到联邦技术物理研究所（PTB）的半导体实验室做学生工，在那里他认识了著名的物理学家兰德威尔（G.Landwehr）教授。冯·克利青在工作中丰富了实践经验，开拓了视野，并且对精密测量的重要性有了很透彻的认识，因为联邦技术物理研究所实际上是负责精密计量标准的科研机构。1969年，冯·克利青在凯斯勒（R.Kessler）教授的指导下完成了题为“用光衰减法测量锑化铟中的载流子寿命”的硕士论文。接着跟随兰德威尔教授到维尔茨堡大学物理研究所，在兰德威尔指导下当博士研究生。兰德威尔安排他研究强磁场和液氦温度下处于量子极限的Te单晶的输运特性。在这项研究中冯·克利青发现了所谓的“磁致不纯效应”（magneto-impurity effect）。1972年冯·克利青以优异成绩得博士学位，并留在维尔茨堡大学，当兰德威尔教授的研究助手。兰德威尔教授专门从事半导体输运特性的研究，是联邦德国开展二维电子系统研究的先驱。他们跟西门子公司的研究组有密切联系，而西门子公司在硅MOSFET管的制作上有丰富经验，可以为他们提供高质量的产品以供试验。1976年维尔茨堡大学又新添置了超导磁体（采用Nb3Sn和 NbTi线圈），磁场可达14.6T，为精密测量霍耳电阻作好了物质准备。冯·克利青早在当学生工时就熟悉了强磁场技术，不过那时用的是脉冲式强磁铁，采用高压电容放电，铜线圈用液氮冷却，冯·克利青曾对线圈进行过校准。在研究二维电子系统的过程中，冯·克利青和他的合作者恩格勒特（T.Englert），以及研究生爱伯特（G.Ebert）都曾在霍耳电阻随栅极电压变化的曲线上观察到平台。日本人川路绅治也报导过类似的现象。在1978年中已有多起文献记载了这一特性，当时并没有引起人们的重视，只有冯·克利青敏锐地注意到并作了坚持不懈的研究。他发现 MOSFET的霍耳电阻按 h/e2的分数量子化是在 1980年2月5日凌晨。那时他正在法国格勒诺勃（Grenoble)的强磁场实验室里测量各种样品的霍耳电阻。这个实验室是马克斯·普朗克固体研究所与法国国家研究中心（CNRS）联合建设的，1978年由兰德威尔教授担任实验室主任。恩格勒特随他一起来到格勒诺勃，从事二维电子系统的研究。1979年秋，冯·克利青也来参加。他们拥有一台强达 25 T的磁场设备，比别的地方强得多，得到的霍耳平台也显著得多。他们测量的所有样品都显示有同样的特征，i=4的平台霍耳电阻都等于6450 Ω，正好是 h/4e2。这个值与材料的具体性质无关，只决定于基本物理常数h与e。对于这件事，冯·克利青自己曾说过：“量子霍耳效应的真谛并不在于发现霍耳电阻曲线上有平台，这种平台在我的硕士生爱伯特1978年硕士论文时已发现，只是那时我们不了解平台产生的原因，也没有给出理论解释。我们那时只认为材料中的缺陷严重地影响了霍耳效应。这些结果已经公开发表，大家也都知道，并且大家都能重复。量子霍耳效应的根本发现是这些平台高度是精确地固定的，它们是不以材料、器件的尺寸而转移的，它们只是由基本物理常数h和e来确定的。”当有人问冯·克利青，量子霍耳效应是不是一个偶然的发现？他解释说量子霍耳效应作为一个普遍规律而存在的重大想法是在1980年2月5日凌晨突然闪现出来的，但它是基于长期研究工作之后的一个飞跃。“通过测量大量的不同样品，才第一次可能认识这样一种特殊的规律，而这种平凡重复的测量简直弄得我们感到乏味，我们反复变化样品，变化载流子浓度，将磁场从零扫描到最大……。终于我们发现了这样的特殊规律，所以这一结果的取得是长时间努力工作的结果，这些测量的曲线无时不在我的脑子里盘旋着，反复思考着。”冯·克利青发现量子霍耳效应的确不是偶然的。除了他执着的追求、顽强的探索精神之外，还要归功于他所处的环境。他所在的维尔茨堡大学有着非常良好的学术气氛，对他的研究大力支持，正如他自己所说，“这里既没有研究经费方面的困难，也没有来自行政的干扰，因此我们总是把眼光盯在最高目标上。”与工业界的合作也是他成功的一项重要因素。量子霍耳效应是继1962年发现的约瑟夫森效应之后又一个对基本物理常数有重大意义的固体量子效应。冯·克利青从一开始就意识到这一点。当他确定霍耳平台的阻值是h/e2的分值时，就主动询问联邦技术物理研究所的电气基准部对 h/e2的精确测定有没有兴趣。答复是如果能达到高于10-6的精度就很感兴趣。可是在格勒诺勃精确度仅为1%。于是冯·克利青马上返回维尔茨堡，用那里的超导线圈继续试验，不久就达到了 5×10-6，证明霍耳电阻确实是 h/e2的分值。于是他写了一篇通讯给《物理评论快报》，题为“基于基本常数实现电阻基准”。没有料到，文章被退回，因为该刊编辑认为精确度不够，精确测量欧姆值需要更高的精确度。于是，冯·克利青转向精细结构常数，将论文改写为“基于量子霍耳电阻高精度测定精细结构常数的新方法”，量子霍耳效应第一次公开宣布，得到了强烈反响。1981年，在第二届精密测量与基本常数国际会议上，冯·克利青进一步从理论上论证量子霍耳效应的普遍性，还总结了各种不同类型的硅MOSFET管在强磁场和深低温下测到的霍耳电阻数据，得：h/e2=25812.79±0.04Ω（1.5ppm）并且预言，如果再增大磁场和降低温度，不确定度可小于0.1ppm。在1986年的平差中，霍耳电阻RH取六个最新测量结果的平均值，得RH=25 812.8461（16）ΩBI85（0.062ppm）其中ΩBI85表示国际计量局（BIPM）1985年1月1日标定的欧姆基准值，1ΩBI85=0.999 998 437（50）Ω。由此可得精细结构常数α的倒数为α-1（Ω/ΩBI85）＝137.036 2044（85）或α-1＝137.035 990 2（85），不确定度为 0.062ppm。这样推算出来的α-1值与 1986年平差结果α-1＝137.035 989 5（61）（0.045ppm）精确吻合。量子霍耳效应具有如此之高的精确性和复现性，对于计量工作者的确是一件很值得欢迎的好事。因为如果能够根据量子霍耳效应来定义欧姆，又能够根据约瑟夫森效应来定义伏特，就可以组成一对以基本物理常数为基础的电学基准，使电学单位从实物基准向自然基准过渡。国际计量委员会下属的电学咨询委员会（CCE）在1986年的第17届会议上决定：从1990年1月1日起，以量子霍耳效应所得的霍耳电阻RH＝h/e2来代表欧姆的国家参考标准，并以约瑟夫森效应所得的频率-电压比f/UJ来代表伏特的国家参考标准。1988年CCE第18届会议正式建议将第一阶（I＝1）霍耳平台相应的电阻值定义为冯·克利青常数，以RK表示，并通过了如下决议：“国际计量委员会……考虑到——大多数现有的实验室所拥有的电阻参考标准随着时间有显著变化，——基于量子霍耳效应的实验室电阻参考标准是稳定的和可复现的，——对大多数新近的测量结果作的详尽研究得到的冯·克利青常数值RK，也就是说，量子霍耳效应中的霍耳电势差除以相当于平台i=1的电流所得的值为 25 812.807 Ω，——量子霍耳效应以及上述RK值，可以用来建立电阻的参考标准，相对于欧姆，它以一个标准偏差表示的不确定度估计为2×10-7，而其复现性要好得多，因此建议——精确地取 25 812.807Ω作为冯·克利青常数的约定值，以RK-90表示之，——此值从 1990年1月1日起。而不是在这以前，由所有以量子霍耳效应为电阻测量标准的实验室使用，——从同一日期开始，所有其它实验室都将自己的实验室参考标准调整为与RK-90一致。并主张——在可预见的未来无需改变冯·克利青常数的这个推荐值。”这项决议已得到国际计量委员会的批准，并公布执行。于是，从1990中1月1日起，世界各国有了统一的国家电阻标准。这个新的标准是以量子霍耳效应为基础，容易复现，不会随时间变化。有必要指出，目前只是由量子霍耳效应获取电阻的实用参考基准，而不是对国际单位制中的欧姆给出新的定义。因为欧姆和伏特一样，在国际单位制中都是导出单位，如果另给它们下定义，就必然与安培的定义，μ0的精确值乃至能量、功率等力学量及千克质量基准的规定不相容。尽管如此，目前的决定在基本物理计量史上仍然是继秒和米的新定义后的又一有重大意义的事件。从1990年1月1日起，还有一个重要的电学量给定了新的标准，这就是电压。新的电压标准是建立在约瑟夫森效应的基础上的。约瑟夫森效应也是一种发生在凝聚态中的量子效应，也是高度精确的。约瑟夫森由于发现了这一效应已于1973年获得了诺贝尔物理学奖。K. Von Klitzing，G. Dorda，M. Pepper于1979年发现，霍尔常数（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值）是量子化的，RH＝V/I＝h/νe2，ν＝1，2，3，……。这种效应称为整数量子霍尔效应。进而,AT&T的D. Tsui、H. Stormer和A.Gossard发现，随着磁场增强，在v＝1/3,1/5,1/7…等处，霍尔常数出现了新的台阶。这种现象称为分数量子霍尔效应。 R. Laughlin 给出了解释，他认为，由于极少量杂质的出现，整数v个朗道能级被占据，这导致电场与电子密度的比值B/ρ为h/ev，从而导致霍尔常数出现台阶。他还指出，由于在那些分数占有数处，电子形成了一种新的稳定流体，正是这些电子中的排斥作用导致了分数量子霍尔效应。