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(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。

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(yùn)動所產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上。

2主要研究內(nèi)容

本項(xiàng)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(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)的射線無法遮擋，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(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(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。

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(shí)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(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。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(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(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，對氣密性，封裝要求，抗30000gn恒定加速度試驗(yàn)，抗振動、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)

電路磁場參數(shù)的中值和一致性主要通過電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)來保證，

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)。

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(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)

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(diǎn)，可滿足多種環(huán)境條件下的應(yīng)用要求。