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浅谈霍尔传感器关键技术的研究与选型

发布时间: 2021-08-06  点击次数: 203次

摘要:研究开发霍尔传感器,对我国航天航空事业发展有着重要意义。从霍尔传感器基本原理出发,针对航天航空领域存在辐射粒子、电磁波、气温相差大等问题,通过开展抗辐射、抗干扰和耐温3项关键技术研究,提出了采用CMOS混合电路设计、气密性封装结构、磁平衡原理设计、高低温分选及双路检测技术等研究方法和思路,设计了产品生产的技术路线和技术指标。


关键词:霍尔传感器;航天航空;关键技术;研究开发


0引言
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息按一定规律变换成为信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
1基本原理
霍尔传感器工作的理论是建立在带电粒子在磁场中运动所产生霍尔效应的基础上。
2主要研究内容
本项目霍尔传感器应用于航天航空和国防建设等领域,为航天工程、登月工程、飞机、船舰配套。

2.1霍尔电路抗辐射关键技术研究

在航天环境中,存在大量的辐射粒子,虽然粒子被卫星外壳阻挡,但穿透力强的射线无法遮挡,故传感器要采用抗辐照设计。
采用CMOS混合电路设计,包括霍尔元件和与之连接的调理电路。调理电路包括双差分放大电路、史密特触发电路、输出电路,霍尔元件感应外界磁场并输出电压信号,双差分放大电路输入霍尔电压并将放大后的电压信号输出至史密特触发电路,史密特触发电路将输入的电压信号由正弦信号转换为数字方波脉冲信号,并将转换后的数字方波脉冲信号通过输出电路输出。其中霍尔元件由砷化镓单晶材料经溅射工艺制造而成,双差分放大电路、史密特触发电路、釆输出电路均由用硅单晶材料、0.5μmCMOS扩散工艺制备的MOS管设计而成(图1)。

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图1锁定型霍尔集成电路磁电转换特性
从而保证了霍尔混合集成电路气密性封装的实现,同时具备很好的高抗辐照性能。其抗辐照总剂量达100krad(1kGy),抗中子辐射达1×1014n/cm2(n指高能粒子数目),满足航天应用环境需求。


2.2霍尔电路耐温关键技术研究
航天航空应用环境复杂多变,要求传感器环境适应性好,在高温或低温环境下能长时间工作,且不发生温度漂移。
2.3传感器耐温、抗干扰关键技术研究
霍尔电流传感器在空间应用时,周围有很多的大型电子设备,会产生各种各样的电磁波,要求传感器具有很高的电磁兼容性。

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图2HDC-200EJ霍尔大电流传感器工作曲线图


3生产方案
3.1产品工作原理
霍尔集成电路把稳压器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和集电开路输出集成到同一单晶片,实现将变化的磁信号转换成数字电压输出(图3)。

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图3HDC-1500KJ耐高温型霍尔电流传感器工作曲线图


根据霍尔效应原理,霍尔元件的2个输出端将输出1个电压值,称为霍尔电压VH,这个电压经差分放大器放大后作为施密特触发器的触发信号。磁场的性每变换一次,电路的输出就完成一次开关转换,这就是霍尔开关集成电路工作的原理(图4)。

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图4霍尔集成电路的功能方框图
3.2技术路线
3.2.1结构设计
传统霍尔集成电路的外形尺寸为6.0mm×4.5mm×1.7mm。近几年,用户对霍尔集成电路的外形尺寸要求越来越高,为了满足用户对产品体积的要求,产品的外形尺寸设计与进口SS400系列外形尺寸相似,达到4.5mm×3.6mm×1.7mm,只有传统霍尔集成电路尺寸的60%。霍尔集成电路体积缩小后,对气密性,封装要求,抗30000gn恒定加速度试验,抗振动、冲击等机械性能的要求均相应地有所提高。因此,在电路外壳强度设计、芯片的剪切力、键合强度等方面均需要对工艺进行控制,以满足设计要求。


3.2.2CMOS电路设计
电路磁场参数的中值和一致性主要通过电路设计和版图设计来保证,


3.2.3可靠性研究
在霍尔集成电路设计阶段,通过防静电设计、耐高温设计、高耐压设计和辐照加固设计等方面对器件的线路和版图进行优化设计,提高产品的参数指标。

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图5生产工艺流程图


3.3主要技术指标
技术指标按照ISO9001质量管理体系和GJB9001国家标准质量管理体系执行,产品通过美国UL认证和欧盟CE认证。主要技术与产品性能指标、执行的质量和环保标准,通过的国家有关许可认证、质量认证、环境认证如图6所示。

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图6产品主要技术指标


4安科瑞霍尔传感器产品选型
4.1产品介绍
霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受,响应时间快,电流测量范围宽精度高,过载能力强


4.2产品选型
4.2.1开口式开环霍尔电流传感器

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表1


4.2.2闭口式开环霍尔电流传感器

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表2


4.2.3闭环霍尔电流传感器

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表3
4.2.4直流漏电流传感器

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表4
5结论
高性能霍尔传感器包括霍尔集成电路和开关型、锁定型、线性型、小回差等传感器。具有结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHz),耐震,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀特点,可满足多种环境条件下的应用要求。

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