淺談霍爾傳感器關鍵技術的研究與選型

更新時間： 2021-08-25 　　點擊次數： 1700次

摘要：研究開發霍爾傳感器，對我國航天航空事業發展有著重要意義。從霍爾傳感器基本原理出發，針對航天航空領域存在輻射粒子、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項關鍵技術研究，提出了采用CMOS混合電路設計、氣密性封裝結構、磁平衡原理設計、高低溫分選及雙路檢測技術等研究方法和思路，設計了產品生產的技術路線和技術指標。

關鍵詞：霍爾傳感器；航天航空；關鍵技術；研究開發

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動所產生霍爾效應的基礎上。

2主要研究內容

本項目霍爾傳感器應用于航天航空和國防建設等領域，為航天工程、登月工程、飛機、船艦配套。

2.1霍爾電路抗輻射關鍵技術研究

在航天環境中，存在大量的輻射粒子，雖然粒子被衛星外殼阻擋，但穿透力強的射線無法遮擋，故傳感器要采用抗輻照設計。

采用CMOS混合電路設計，包括霍爾元件和與之連接的調理電路。調理電路包括雙差分放大電路、史密特觸發電路、輸出電路，霍爾元件感應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電路，史密特觸發電路將輸入的電壓信號由正弦信號轉換為數字方波脈沖信號，并將轉換后的數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濺射工藝制造而成，雙差分放大電路、史密特觸發電路、釆輸出電路均由用硅單晶材料、0.5μmCMOS擴散工藝制備的MOS管設計而成(圖1)。

圖1鎖定型霍爾集成電路磁電轉換特性

從而保證了霍爾混合集成電路氣密性封裝的實現，同時具備很好的高抗輻照性能。其抗輻照總劑量達100krad(1kGy)，抗中子輻射達1×1014n/cm2(n指高能粒子數目)，滿足航天應用環境需求。

2.2霍爾電路耐溫關鍵技術研究

航天航空應用環境復雜多變，要求傳感器環境適應性好，在高溫或低溫環境下能長時間工作，且不發生溫度漂移。

2.3傳感器耐溫、抗干擾關鍵技術研究

霍爾電流傳感器在空間應用時，周圍有很多的大型電子設備，會產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生產方案

3.1產品工作原理

霍爾集成電路把穩壓器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發器和集電開路輸出集成到同一單晶片，實現將變化的磁信號轉換成數字電壓輸出(圖3)。

圖3HDC-1500KJ耐高溫型霍爾電流傳感器工作曲線圖

根據霍爾效應原理，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，這個電壓經差分放大器放大后作為施密特觸發器的觸發信號。磁場的性每變換一次，電路的輸出就完成一次開關轉換，這就是霍爾開關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技術路線

3.2.1結構設計

傳統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，為了滿足用戶對產品體積的要求，產品的外形尺寸設計與進口SS400系列外形尺寸相似，達到4.5mm×3.6mm×1.7mm，只有傳統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地有所提高。因此，在電路外殼強度設計、芯片的剪切力、鍵合強度等方面均需要對工藝進行控制，以滿足設計要求。

3.2.2CMOS電路設計

電路磁場參數的中值和一致性主要通過電路設計和版圖設計來保證，

3.2.3可靠性研究

在霍爾集成電路設計階段，通過防靜電設計、耐高溫設計、高耐壓設計和輻照加固設計等方面對器件的線路和版圖進行優化設計，提高產品的參數指標。