侯文莉
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：研究開(kāi)發(fā)霍爾傳感器，對(duì)我國(guó)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(duì)航天航空領(lǐng)域存在輻射粒子、電磁波、氣溫相差大等問(wèn)題，通過(guò)開(kāi)展抗輻射、抗干擾和耐溫3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了采用CMOS混合電路設(shè)計(jì)、氣密性封裝結(jié)構(gòu)、磁平衡原理設(shè)計(jì)、高低溫分選及雙路檢測(cè)技術(shù)等研究方法和思路，設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)
0引言
傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)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(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、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(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，是衡量國(guó)家信息化程度的重要標(biāo)志。
自從1879年美國(guó)物理學(xué)家EdwinHerbertHall發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)以來(lái)，霍爾傳感器被越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、航天技術(shù)、軍事工程、機(jī)器人技術(shù)、資源開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、信保衛(wèi)、信診斷、交通運(yùn)輸、家用電器等領(lǐng)域，成為智能化系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)和裝備核心。國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)較國(guó)外還有較大差距，瑞士LEM、德國(guó)VAC美國(guó)MELEXIS、Honeywell等國(guó)外廠商占據(jù)大部分市場(chǎng)。為此，研究國(guó)產(chǎn)霍爾傳感器，特別是航天航空國(guó)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上?；魻栃?yīng)是指當(dāng)一載流體置于磁場(chǎng)中靜止不動(dòng)時(shí)，若此載流體中的電流方向與磁場(chǎng)方向不相同，則在此載流體中平行于由電流方向和磁場(chǎng)方向所組成的平面上將產(chǎn)生電勢(shì)，此電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，霍爾電勢(shì)UH(mV)與電流強(qiáng)度I(mA)和磁感應(yīng)強(qiáng)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(lái)測(cè)量導(dǎo)線電流的。通電導(dǎo)體在它周圍必然產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(kāi)以氣隙，利用磁環(huán)對(duì)磁場(chǎng)加以聚集，則可以加大信號(hào)，提高信噪比。
2主要研究?jī)?nèi)容
本項(xiàng)目霍爾傳感器應(yīng)用于航天航空和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域，為航天工程、登月工程、飛機(jī)、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(guó)霍爾傳感器依賴進(jìn)口。國(guó)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(duì)輻射劑量比較高的射線無(wú)法遮擋，無(wú)法達(dá)到試驗(yàn)要求，由于工作溫度窄，長(zhǎng)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(qiáng)的射線無(wú)法遮擋，故傳感器要采用抗輻照設(shè)計(jì)。
采用CMOS混合電路設(shè)計(jì)，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(chǎng)并輸出電壓信號(hào)，雙差分放大電路輸入霍爾電壓并將放大后的電壓信號(hào)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(hào)由正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波脈沖信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字方波脈沖信號(hào)通過(guò)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(kuò)散工藝制備的MOS管設(shè)計(jì)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(guò)一金絲與陶瓷外殼連接，調(diào)理電路通過(guò)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(gè)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(shí)現(xiàn)，同時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(jì)成為高可靠的霍爾片式集成電路。采用溫度補(bǔ)償電路抵消掉磁場(chǎng)計(jì)算公式中與溫度相關(guān)的參數(shù)影響，使磁場(chǎng)不隨溫度變化而變化。在版面設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)工作?；魻栯娐沸酒ㄟ^(guò)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(gè)伸出管腳，連接陶瓷外殼。采用無(wú)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(zhǎng)，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(jí)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(shí)，周圍有很多的大型電子設(shè)備，會(huì)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(zhǎng)距離傳輸容易受到干擾；在寬溫區(qū)工作，溫漂大，測(cè)量精度難以保證。
因外部電磁干擾通過(guò)磁芯作用于霍爾元件，故本項(xiàng)目在磁芯設(shè)計(jì)時(shí)采用磁平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)，讓外界干擾在磁芯中互相抵消。這種設(shè)計(jì)一般用于測(cè)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(shí)也避免在磁芯中產(chǎn)生旋渦。為實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)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(jì)，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(jì)的傳感器，可以實(shí)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(cè)量的難題。
對(duì)于大電流(數(shù)百安培以上)測(cè)量的需要，基于霍爾直放式的工作原理，采用雙霍爾元件補(bǔ)償，將被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，霍爾電壓信號(hào)經(jīng)放大、調(diào)整后即可得到與測(cè)量電流具有對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓信號(hào)。采用該原理的霍爾傳感器具有封裝尺寸小、測(cè)量范圍廣、重量輕、低電源損耗的優(yōu)點(diǎn)。
例如霍爾傳感器，采用敏感元件高低溫分選及雙路檢測(cè)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(cè)量(能夠測(cè)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(gè)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(gè)霍爾傳感器的輸出弱信號(hào)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(duì)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(kāi)路輸出集成到同一單晶片，實(shí)現(xiàn)將變化的磁信號(hào)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(gè)輸出端將輸出1個(gè)電壓值，稱為霍爾電壓VH，這個(gè)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(hào)。磁場(chǎng)的性每變換一次，電路的輸出就完成一次開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，這就是霍爾開(kāi)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(jì)
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(duì)霍爾集成電路的外形尺寸要求越來(lái)越高，為了滿足用戶對(duì)產(chǎn)品體積的要求，產(chǎn)品的外形尺寸設(shè)計(jì)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%?；魻柤呻娐敷w積縮小后，對(duì)氣密性，封裝要求，抗30000gn恒定加速度試驗(yàn)，抗振動(dòng)、沖擊等機(jī)械性能的要求均相應(yīng)地有所提高。因此，在電路外殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)、芯片的剪切力、鍵合強(qiáng)度等方面均需要對(duì)工藝進(jìn)行控制，以滿足設(shè)計(jì)要求。
3.2.2CMOS電路設(shè)計(jì)
電路磁場(chǎng)參數(shù)的中值和一致性主要通過(guò)電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)來(lái)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(chǎng)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(yùn)算放大器的失調(diào)電壓從3mV降低為1mV。
④對(duì)版圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品的鍵合區(qū)由3個(gè)(電源、地和輸出)變成4個(gè)(多1個(gè)備份點(diǎn))，保證產(chǎn)品在工藝過(guò)程的開(kāi)口應(yīng)力相同。
⑤由4個(gè)霍爾元件組成霍爾元件陣列，放置在整個(gè)電路版圖的正中，減小應(yīng)力和溫度對(duì)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(jì)階段，通過(guò)防靜電設(shè)計(jì)、耐高溫設(shè)計(jì)、高耐壓設(shè)計(jì)和輻照加固設(shè)計(jì)等方面對(duì)器件的線路和版圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的參數(shù)指標(biāo)。在生產(chǎn)階段對(duì)霍爾集成電路工藝進(jìn)行控制，對(duì)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(yàn)方法和程序》方法，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行150℃下的電老煉試驗(yàn)，剔除早期失效的產(chǎn)品，并通過(guò)抽樣可靠性試驗(yàn)對(duì)霍爾集成電路的可靠性水平進(jìn)行評(píng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量管理體系執(zhí)行，產(chǎn)品通過(guò)美國(guó)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(guò)的國(guó)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(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過(guò)霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)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(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過(guò)載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。
4.2產(chǎn)品選型
4.2.1開(kāi)口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器
表1
4.2.2閉口式開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)，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(diǎn)，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(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.06版
作者簡(jiǎn)介：侯文莉，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事隔離式安全柵研究發(fā)展.
