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(xiàn)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(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。

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。

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。

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(xiàn)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

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(mǎn)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。

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?chē)泻芏嗟拇笮碗娮釉O(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。

圖2HDC-200EJ霍爾大電流傳感器工作曲線(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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(xiàn)

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(hù)對(duì)霍爾集成電路的外形尺寸要求越來(lái)越高，為了滿(mǎn)足用戶(hù)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%。霍爾集成電路體積縮小后，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(mǎn)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，

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(xiàn)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)。

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)

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(xiàn)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(mǎn)足多種環(huán)境條件下的應(yīng)用要求。