孟洋
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：研究開發(fā)霍爾傳感器，對我國航天航空事業(yè)發(fā)展有著重要意義。從霍爾傳感器基本原理出發(fā)，針對航天航空領(lǐng)域存在輻射粒子、電磁波、氣溫相差大等問題，通過開展抗輻射、抗干擾和耐溫3項關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了采用CMOS混合電路設(shè)計、氣密性封裝結(jié)構(gòu)、磁平衡原理設(shè)計、高低溫分選及雙路檢測技術(shù)等研究方法和思路，設(shè)計了產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)路線和技術(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；航天航空；關(guān)鍵技術(shù)；研究開發(fā)
0引言
傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器屬于電子信息行業(yè)，涉及到國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域，是衡量國家信息化程度的重要標(biāo)志。
自從1879年美國物理學(xué)家EdwinHerbertHall發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來，霍爾傳感器被越來越多地應(yīng)用于工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、航天技術(shù)、軍事工程、機器人技術(shù)、資源開發(fā)、海洋探測、環(huán)境監(jiān)測、信保衛(wèi)、信診斷、交通運輸、家用電器等領(lǐng)域，成為智能化系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)和裝備核心。國內(nèi)傳感器技術(shù)較國外還有較大差距，瑞士LEM、德國VAC美國MELEXIS、Honeywell等國外廠商占據(jù)大部分市場。為此，研究國產(chǎn)霍爾傳感器，特別是航天航空國防建設(shè)方面的高性能傳感器顯得尤為迫切。
1基本原理
霍爾傳感器工作的理論是建立在帶電粒子在磁場中運動所產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上。霍爾效應(yīng)是指當(dāng)一載流體置于磁場中靜止不動時，若此載流體中的電流方向與磁場方向不相同，則在此載流體中平行于由電流方向和磁場方向所組成的平面上將產(chǎn)生電勢，此電勢稱為霍爾電勢，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。在磁場不太強時，霍爾電勢UH(mV)與電流強度I(mA)和磁感應(yīng)強度B(kGs)成正比，即：UH＝S·I×B，式中S為乘積靈敏度[mV/(kGs·mA)]。
霍爾電流傳感器正是利用VH與B的線性關(guān)系，來測量導(dǎo)線電流的。通電導(dǎo)體在它周圍必然產(chǎn)生磁場，根據(jù)安培環(huán)路定律，我們采用具有很高磁導(dǎo)率的軟磁材料做成圓環(huán)(假定通電導(dǎo)體為圓柱體)，并開以氣隙，利用磁環(huán)對磁場加以聚集，則可以加大信號，提高信噪比。
2主要研究內(nèi)容
本項目霍爾傳感器應(yīng)用于航天航空和國防建設(shè)等領(lǐng)域，為航天工程、登月工程、飛機、船艦配套。航天航空應(yīng)用環(huán)境與地面應(yīng)用有較大差別，由于空間應(yīng)用具有不可修復(fù)性，要求傳感器要具有很高的可靠性，我國霍爾傳感器依賴進(jìn)口。國內(nèi)傳感器技術(shù)水平低，產(chǎn)品種類少，許多產(chǎn)品僅用于一般工業(yè)用途，不能滿足于航天科技高可靠性的使用環(huán)境要求，對輻射劑量比較高的射線無法遮擋，無法達(dá)到試驗要求，由于工作溫度窄，長距離傳輸容易受到干擾，不能適應(yīng)航天航空耐高溫、耐低溫的復(fù)雜環(huán)境要求。因此，航天航空霍爾傳感器研究要把放在以下關(guān)鍵技術(shù)的突破與創(chuàng)新上。
2.1霍爾電路抗輻射關(guān)鍵技術(shù)研究
在航天環(huán)境中，存在大量的輻射粒子，雖然粒子被衛(wèi)星外殼阻擋，但穿透力強的射線無法遮擋，故傳感器要采用抗輻照設(shè)計。
采用CMOS混合電路設(shè)計，包括霍爾元件和與之連接的調(diào)理電路。調(diào)理電路包括雙差分放大電路、史密特觸發(fā)電路、輸出電路，霍爾元件感應(yīng)外界磁場并輸出電壓信號，雙差分放大電路輸入霍爾電壓并將放大后的電壓信號輸出至史密特觸發(fā)電路，史密特觸發(fā)電路將輸入的電壓信號由正弦信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波脈沖信號，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字方波脈沖信號通過輸出電路輸出。其中霍爾元件由砷化鎵單晶材料經(jīng)濺射工藝制造而成，雙差分放大電路、史密特觸發(fā)電路、釆輸出電路均由用硅單晶材料、0.5μmCMOS擴散工藝制備的MOS管設(shè)計而成(圖1)。
圖1鎖定型霍爾集成電路磁電轉(zhuǎn)換特性
采用氣密性封裝結(jié)構(gòu)，將CMOS調(diào)理電路和霍爾原件以芯片形式封裝于陶瓷安裝槽中。包括一具有安裝槽的陶瓷外殼、封裝于所述安裝槽內(nèi)的霍爾元件和CMOS調(diào)理電路以及蓋在安裝槽的外邊緣并用于氣密性結(jié)構(gòu)封裝所述安裝槽的鍍金蓋板，其中霍爾元件通過一金絲與陶瓷外殼連接，調(diào)理電路通過硅鋁絲與陶瓷外殼連接，陶瓷外殼內(nèi)部布設(shè)有印刷導(dǎo)線連接霍爾元件、CMOS調(diào)理電路和多個伸出陶瓷外殼之外的管腳，從而保證了霍爾混合集成電路氣密性封裝的實現(xiàn)，同時具備很好的高抗輻照性能。其抗輻照總劑量達(dá)100krad(1kGy)，抗中子輻射達(dá)1×1014n/cm2(n指高能粒子數(shù)目)，滿足航天應(yīng)用環(huán)境需求。
2.2霍爾電路耐溫關(guān)鍵技術(shù)研究
航天航空應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，要求傳感器環(huán)境適應(yīng)性好，在高溫或低溫環(huán)境下能長時間工作，且不發(fā)生溫度漂移。
將硅單晶體材料的電路芯片封裝到一氣密性封裝結(jié)構(gòu)中，設(shè)計成為高可靠的霍爾片式集成電路。采用溫度補償電路抵消掉磁場計算公式中與溫度相關(guān)的參數(shù)影響，使磁場不隨溫度變化而變化。在版面設(shè)計時，采用硅平面雙型工藝，保證電路能夠在180℃的高溫環(huán)境下短時工作。霍爾電路芯片通過硅鋁絲與陶瓷外殼連接，陶瓷外殼內(nèi)部設(shè)有印刷導(dǎo)線連接4個伸出管腳，連接陶瓷外殼。采用無磁氣密性封裝結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長，耐溫可達(dá)-180℃～150℃，適應(yīng)月球表面、低溫環(huán)境，達(dá)到宇航級要求。
2.3傳感器耐溫、抗干擾關(guān)鍵技術(shù)研究
霍爾電流傳感器在空間應(yīng)用時，周圍有很多的大型電子設(shè)備，會產(chǎn)生各種各樣的電磁波，要求傳感器具有很高的電磁兼容性。傳統(tǒng)頻率的傳感器工作溫度范圍窄(0～70℃)，長距離傳輸容易受到干擾；在寬溫區(qū)工作，溫漂大，測量精度難以保證。
因外部電磁干擾通過磁芯作用于霍爾元件，故本項目在磁芯設(shè)計時采用磁平衡對稱結(jié)構(gòu)，讓外界干擾在磁芯中互相抵消。這種設(shè)計一般用于測量200A以下電流的傳感器中。
采用0.35mm的坡莫合金冷沖成型，徑向疊片，使磁路盡可能均勻，同時也避免在磁芯中產(chǎn)生旋渦。為實現(xiàn)溫度補償措施， 減小產(chǎn)品溫漂，選用失調(diào)小、靈敏度高的霍爾元件，或選用參數(shù)相接近的霍爾元件進(jìn)行雙霍爾設(shè)計，可以到達(dá)很好的溫度性能。為提高抗外界磁干擾，選用剩磁導(dǎo)磁率高的坡莫合金制作屏蔽殼體，將磁芯與電源地相連接。采用上述方案設(shè)計的傳感器，可以實現(xiàn)在-55～+125℃達(dá)到0.2%的精度，滿足GJB151A—1997《設(shè)備和分系流電磁發(fā)射和敏感度要求》的要求，解決在復(fù)雜電磁環(huán)境和溫度變化大等惡劣環(huán)境下達(dá)到高精度、高抗干擾測量的難題。
對于大電流(數(shù)百安培以上)測量的需要，基于霍爾直放式的工作原理，采用雙霍爾元件補償，將被測電流產(chǎn)生的磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，霍爾電壓信號經(jīng)放大、調(diào)整后即可得到與測量電流具有對應(yīng)關(guān)系的電壓信號。采用該原理的霍爾傳感器具有封裝尺寸小、測量范圍廣、重量輕、低電源損耗的優(yōu)點。
例如霍爾傳感器，采用敏感元件高低溫分選及雙路檢測技術(shù)，使溫漂低至20×10-6/℃，在高溫度(125+5)℃的情況下進(jìn)行大電流測量(能夠測量電流1500A)，傳感器性能正常。應(yīng)用恒流源放大的電路，將2個霍爾傳感器分別串聯(lián)在一射跟隨電路構(gòu)成的恒流源中；2個霍爾傳感器的輸出弱信號接差分放大器電路，差分放大器電路接反相放大電路輸出；射跟隨電路對霍爾元件進(jìn)行供電，可以保證在高溫環(huán)境中，控制霍爾原件的溫漂(圖2)。
圖2HDC-200EJ霍爾大電流傳感器工作曲線圖
3生產(chǎn)方案
3.1產(chǎn)品工作原理
霍爾集成電路把穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和集電開路輸出集成到同一單晶片，實現(xiàn)將變化的磁信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出(圖3)。
圖3HDC-1500KJ耐高溫型霍爾電流傳感器工作曲線圖
根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件的2個輸出端將輸出1個電壓值，稱為霍爾電壓VH，這個電壓經(jīng)差分放大器放大后作為施密特觸發(fā)器的觸發(fā)信號。磁場的性每變換一次，電路的輸出就完成一次開關(guān)轉(zhuǎn)換，這就是霍爾開關(guān)集成電路工作的原理(圖4)。
圖4霍爾集成電路的功能方框圖
3.2技術(shù)路線
3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計
傳統(tǒng)霍爾集成電路的外形尺寸為6.0mm×4.5mm×1.7mm。近幾年，用戶對霍爾集成電路的外形尺寸要求越來越高，為了滿足用戶對產(chǎn)品體積的要求，產(chǎn)品的外形尺寸設(shè)計與進(jìn)口SS400系列外形尺寸相似，達(dá)到4.5mm×3.6mm×1.7mm，只有傳統(tǒng)霍爾集成電路尺寸的60%。霍爾集成電路體積縮小后，對氣密性，封裝要求，抗30000gn恒定加速度試驗，抗振動、沖擊等機械性能的要求均相應(yīng)地有所提高。因此，在電路外殼強度設(shè)計、芯片的剪切力、鍵合強度等方面均需要對工藝進(jìn)行控制，以滿足設(shè)計要求。
3.2.2CMOS電路設(shè)計
電路磁場參數(shù)的中值和一致性主要通過電路設(shè)計和版圖設(shè)計來保證，包括以下幾種方法：
①采用恒壓偏置模式提高芯片與芯片之間磁場參數(shù)的一致性。
②提高電路穩(wěn)壓模塊的性能，使得穩(wěn)壓電路的精度從3%提高到1%，改進(jìn)施密特觸發(fā)器，使其磁滯更為準(zhǔn)。
③將運算放大器的失調(diào)電壓從3mV降低為1mV。
④對版圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得產(chǎn)品的鍵合區(qū)由3個(電源、地和輸出)變成4個(多1個備份點)，保證產(chǎn)品在工藝過程的開口應(yīng)力相同。
⑤由4個霍爾元件組成霍爾元件陣列，放置在整個電路版圖的正中，減小應(yīng)力和溫度對霍爾元件參數(shù)的影響。
3.2.3可靠性研究
在霍爾集成電路設(shè)計階段，通過防靜電設(shè)計、耐高溫設(shè)計、高耐壓設(shè)計和輻照加固設(shè)計等方面對器件的線路和版圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高產(chǎn)品的參數(shù)指標(biāo)。在生產(chǎn)階段對霍爾集成電路工藝進(jìn)行控制，對封裝工藝進(jìn)行攻關(guān)，保證產(chǎn)品密封性，減少內(nèi)部多余物的產(chǎn)生，控制產(chǎn)品內(nèi)部氣氛，提高產(chǎn)品質(zhì)量。終，使霍爾集成電路可靠性達(dá)到航天航空用戶的要求。成品出廠篩選階段，按照GJB548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》方法，通過對產(chǎn)品進(jìn)行150℃下的電老煉試驗，剔除早期失效的產(chǎn)品，并通過抽樣可靠性試驗對霍爾集成電路的可靠性水平進(jìn)行評估。
技術(shù)路線如圖5所示。
圖5生產(chǎn)工藝流程圖
3.3主要技術(shù)指標(biāo)
技術(shù)指標(biāo)按照ISO9001質(zhì)量管理體系和GJB9001國家標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量管理體系執(zhí)行，產(chǎn)品通過美國UL認(rèn)證和歐盟CE認(rèn)證。主要技術(shù)與產(chǎn)品性能指標(biāo)、執(zhí)行的質(zhì)量和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，通過的國家有關(guān)許可認(rèn)證、質(zhì)量認(rèn)證、環(huán)境認(rèn)證如圖6所示。
圖6產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)
4安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
4.1產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。
4.2產(chǎn)品選型
4.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器
表1
4.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器
表2
4.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器
表3
4.2.4直流漏電流傳感器
表4
5結(jié)論
高性能霍爾傳感器包括霍爾集成電路和開關(guān)型、鎖定型、線性型、小回差等傳感器。具有結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHz)，耐震，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕特點，可滿足多種環(huán)境條件下的應(yīng)用要求。
【參考文獻(xiàn)】
[1]李萍，羅云.霍爾傳感器關(guān)鍵技術(shù)的研究
[2]何希才.傳感器及應(yīng)用電路[M].北京：北京電子工業(yè)出版社，2001.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版
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