一般而言,金屬和電解質(zhì)的霍爾系數(shù)很小,霍爾效應(yīng)不;半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)則大得多,霍爾效應(yīng)。從20世紀(jì)60年代起,隨著半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)用半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸
出電壓變化大和使用壽命長等點(diǎn),因此,將其應(yīng)用于電磁測(cè)量、非電量測(cè)量、自動(dòng)控制、計(jì)算與通訊裝置中。
3.1 測(cè)量半導(dǎo)體特性
霍爾效應(yīng)對(duì)于諸多半導(dǎo)體材料和溫超導(dǎo)體的性質(zhì)測(cè)量來說意義重大。設(shè)導(dǎo)體中電流方向如圖1 所示,如果載流子帶負(fù)電,它的運(yùn)動(dòng)方向和電流方向相反,作用在它上面的洛倫茲力向下,因此,導(dǎo)體上界面帶正電,下界面帶負(fù)電;如果載流子帶正電,則導(dǎo)體上界面
帶負(fù)電而下界面帶正電。由此可以看出,只要測(cè)得上下界面間霍爾電壓的符號(hào)就可以確定載流子的符號(hào)。用這種方法就能夠測(cè)定半導(dǎo)體究竟是P型還是N型。如果載流子已知,則通過測(cè)定霍爾系數(shù)K,還可算出導(dǎo)體中載流子的濃度n,進(jìn)而得出載流子濃度受其客觀因素影響的情況。如由Lake Shore公司推出的Lake Shore7500系統(tǒng),配備為7500設(shè)計(jì)的IDEAS軟件,操作簡(jiǎn)單、,可用于測(cè)量樣品的電阻、電阻率、霍爾系數(shù)、霍爾遷移率、載波密度和電子特性,能夠滿足人們多方面的測(cè)量需要。
3.2 測(cè)量磁場(chǎng)
利用霍爾效應(yīng)可以制造測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的儀器&mash;&mash;斯計(jì)。斯計(jì)的探頭是一個(gè)霍爾元件,在它的里面是一個(gè)半導(dǎo)體薄片。依據(jù)(1)式,U可用毫伏計(jì)測(cè)量,K、I也可用相應(yīng)的儀器測(cè)量,因此,就可以方便地算出B值。斯計(jì)的表盤是以磁感應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)記的,只要把斯計(jì)插入待測(cè)磁場(chǎng)中,B便可以直接讀出,非常方便。如果要求被測(cè)磁場(chǎng)精度較,如于± 0.5%,那么,通常選用砷化鎵霍爾元件,其靈敏度,約為 5-10mt/100mt.mA,溫度誤差可以忽略不計(jì);如果要求被測(cè)磁場(chǎng)精度較,體積要求不,如精度于± 0.5%時(shí),則可選用硅和鍺霍爾元件。
3.3 磁流體發(fā)電
從20世紀(jì)50年代末開始進(jìn)行研究的磁流體發(fā)電技術(shù),可能是今后取代火力發(fā)電的一個(gè)方向。其基本原理就是利用等離子體的霍爾效應(yīng),即在橫向磁場(chǎng)作用下使通過磁場(chǎng)的等離子體正、負(fù)帶電粒子分離后積聚于兩個(gè)極板形成電源電動(dòng)勢(shì)。這種的發(fā)電方式,通過燃料燃燒發(fā)出的熱能使變成等離子體流而轉(zhuǎn)換成電能,無須像火力發(fā)電一樣,先將燃料燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能以推動(dòng)發(fā)電機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng),再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,這樣在提了熱能利用效率的同時(shí),也滿足了環(huán)保的要求。目前,這方面已經(jīng)有工程,預(yù)計(jì)在 2010內(nèi)可局部商業(yè)化,發(fā)展前景廣闊。
3.4 電磁無損探傷
霍爾效應(yīng)無損探傷方法、、實(shí)用,并能實(shí)現(xiàn)無速度影響檢測(cè),因此,被應(yīng)用在設(shè)備故障診斷、材料缺陷檢測(cè)之中。其探傷原理是建立在鐵磁性材料的磁導(dǎo)率特性之上。采用霍爾元件檢測(cè)該泄漏磁場(chǎng)B的信號(hào)變化,可以有效地檢測(cè)出缺陷存在。鋼絲繩作為起重、運(yùn)輸、提升及承載設(shè)備中的重要構(gòu)件,被應(yīng)用于礦山、運(yùn)輸、建筑、旅游等行業(yè),但由于使用環(huán)境惡劣,在它表面會(huì)產(chǎn)生斷絲、磨損等各種缺陷,所以,及時(shí)對(duì)鋼絲繩探傷檢測(cè)顯得尤為重要。目前,外*的zui、*的方法就是漏磁檢測(cè)方法,根據(jù)這一檢測(cè)方法設(shè)計(jì)的斷絲探傷檢測(cè)裝置,如 EMTC系列鋼絲繩無損檢測(cè)儀,其金屬截面積測(cè)量精度為±0.2%,一個(gè)捻距內(nèi)斷絲有一根誤判時(shí)準(zhǔn)確率>90%,性能良好,在中有著的用途。
3.5 霍爾傳感器
以霍爾效應(yīng)原理構(gòu)成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件通稱為霍爾效應(yīng)磁敏傳感器,簡(jiǎn)稱霍爾傳感器。利用霍爾電壓與外加磁場(chǎng)成正比的線形關(guān)系可做成多種電學(xué)和非電學(xué)測(cè)量的線性傳感器。如控制一定電流時(shí),可以測(cè)量交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度;控制電流電壓的比例關(guān)系,令輸出的霍爾電壓與電壓乘電流成比例,可制成功率測(cè)量傳感器;當(dāng)固定磁場(chǎng)強(qiáng)度大小及方向時(shí),可以用來測(cè)量交直流電流和電壓。利用這一原理還可以進(jìn)一步測(cè)量力、位移、壓差、角度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、加速度等各種非電學(xué)量。霍爾傳感器在日常生活和工業(yè)中應(yīng)用。
(1)在日常生活中的應(yīng)用。在日常生活中,霍爾傳感器大多應(yīng)用于家用電器。如錄音機(jī)的換向機(jī)構(gòu)就是使用霍爾傳感器檢測(cè)磁帶終點(diǎn)并完成自動(dòng)換向功能的;錄像機(jī)中的磁鼓電機(jī)常采用銻化銦霍爾元件;洗衣機(jī)中的電動(dòng)機(jī)都必須有正、反轉(zhuǎn)和、速旋轉(zhuǎn)功能,
主要依靠霍爾傳感器檢測(cè)與控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向來實(shí)現(xiàn)。霍爾開關(guān)類傳感器還用于電飯煲、氣爐的溫度控制和電冰箱的除霜等方面。如 HK 系列霍爾接近開關(guān)可將磁訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出,其特點(diǎn)是響應(yīng)頻率(fmax 50KHZ),重復(fù)定位精度(0.02mm),另外還有多種工作模式:常開、常閉、自鎖、NPN輸出、PNP輸出等等。霍爾電機(jī)是一種無刷電機(jī),利用轉(zhuǎn)速變化信號(hào)控制霍爾電壓信號(hào)變化,從而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)管中的工作電流,即調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子繞組電流,實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與穩(wěn)速的控制,克服了一般帶電刷或整流子直流電機(jī)不能達(dá)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)、壽命長、噪聲小的致命弱點(diǎn),大量應(yīng)用于影碟機(jī)、VCD等家用電器和儀表中。霍爾效應(yīng)動(dòng)感加上一些電子線路可制成器,帶在老人或人員身上,當(dāng)出現(xiàn)昏迷、跌倒情形時(shí)可發(fā)出聲響,還可用來裝在汽車或摩托車上,起到防盜目的。
(2)在工業(yè)中的應(yīng)用。的度自動(dòng)化才能為企業(yè)帶來率,產(chǎn)品來自過程的精度檢測(cè)控制和超后序加工。在這些過程中,必須依靠傳感器準(zhǔn)確地收集各種運(yùn)動(dòng)量、機(jī)械量、電量、溫度和濕度等信息,送計(jì)算機(jī)及時(shí)處理并指揮各執(zhí)行元件進(jìn)行
嚴(yán)密控制。霍爾效應(yīng)傳感器在其中完成對(duì)各種物理量的檢測(cè)。如HPT-3型霍爾式功率傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)真正的有功功率檢測(cè),有靈敏度、線性度好和響應(yīng)速等點(diǎn)。研究表明,當(dāng)電機(jī)負(fù)載率從0.1增加到1.15時(shí),電流改變4.15%,功率因數(shù)改變29.3%,有功功率改變33.4%,在要求率的軸承磨床、內(nèi)圓磨床中發(fā)揮著重要作用。霍爾式位移傳感器的突出點(diǎn)是輸出變化量大、靈敏度、分辨力強(qiáng)、輕、慣性小、反應(yīng)速度,作動(dòng)態(tài)位移測(cè)試。如以半導(dǎo)體材料砷化鎵霍爾器件與性能稀土永磁材料構(gòu)成的小位移傳感器及其檢測(cè)電路可分辨的zui小位移變化量可達(dá)0.1μm。在冶金、化工、超導(dǎo)體的應(yīng)用以及能物理(如可控核聚變)試驗(yàn)裝置中有許多超大型電流用電設(shè)備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器進(jìn)行大電流的測(cè)量和控制,既可滿足測(cè)量準(zhǔn)確的要求,又不會(huì)引起插入損耗,還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴測(cè)試裝置。如使用DⅢ-D托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置,可檢測(cè)達(dá)到300kA的電流。
汽車、工業(yè)控制或系統(tǒng)需要感受位置、速度、電流時(shí),霍爾元件的性、靈敏度和更好的溫度穩(wěn)定性使它有比其它傳感器更好的性能。霍爾式汽車點(diǎn)火器與傳統(tǒng)點(diǎn)火器不同,有點(diǎn)火能量、速點(diǎn)火、故障率、省油等點(diǎn)。霍爾效應(yīng)式速度和里程測(cè)試儀可以測(cè)量汽車的行駛速度及里程。如在富康1.4iRL和1.6iAL系列轎車中安裝BOSCH MP5.2電子控制多點(diǎn)燃汽油噴射系統(tǒng)的TU3JP/K(1.4iRL系列)和TU5JP/K(1.6iAL系列)發(fā)動(dòng)機(jī),其中輪速傳感器為霍爾效應(yīng)式傳感器。霍爾輪速傳感器有以下點(diǎn):一是輸出信號(hào)電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響;二是頻率響應(yīng),可達(dá) 20kHZ,相當(dāng)于車速為 1,000km/h時(shí)所檢測(cè)的信號(hào)頻率;三是抗電磁波干擾能力強(qiáng)。因此,霍爾傳感器不但應(yīng)用于S輪速檢測(cè),也應(yīng)用于其控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)。此外,霍爾傳感器在飛機(jī)、軍艦、航天器、新軍事裝備及通訊中應(yīng)用也相當(dāng)。如我國的遠(yuǎn)程DAODAN、&lquo;風(fēng)云&rquo;號(hào)衛(wèi)星、&lquo;神舟&rquo;號(hào)飛船等均使用特別研制的霍爾傳感器。
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