霍尔传感器共性技术和产品的研究

2020-12-11李萍，罗云

江苏科技信息 2020年32期

李萍，罗云

（南京中旭电子科技有限公司，江苏南京210039）

0 引言

传感器技术作为现代科技的前沿技术，与通信技术和计算机技术构成现代信息技术的三大支柱。传感器技术是物联网、人工智能的基础，成为21世纪人们在电子信息化方面争夺的一个制高点。传感器产业涉及国民经济、国防工业的各个领域，在国防设施、重大工程和重要工业装备中，传感器及其构成的智能化系统是必不可少的基础技术和装备核心［1］。

中国传感器行业虽然发展迅速，但也面临诸多挑战，如高端人才不足，生产测试的自动化、规模化能力低，缺少龙头企业，对新技术、新产品、新应用的敏感度低等。在智能制造战略下，高性能传感器的国产化研发及产业化显得尤为迫切。

1 传感器的定义

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电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［2］。

传感器分类有压力敏和力敏传感器、位置传感器、液位传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、磁敏传感器、真空度传感器等。

2 传感器市场情况

传感器是连接物理世界和数字世界的桥梁，是具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储功能的多元件集成电路，是集成传感芯片、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品。现阶段，我国传感器产业已初步形成了以长三角、珠三角、京津冀以及中西部为重点城市集聚发展的产业空间格局。2014—2021年中国传感器市场情况如图1所示。

图1 2014—2021年中国传感器市场情况（单位：亿元）数据来源：赛迪顾问2020.4 Sensor

3 霍尔效应

传感器种类及品种繁多，原理也各式各样。自霍尔效应发现以来，霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于工业控制的各个领域。霍尔传感器产业日益发展壮大，正在向小型化、集成化，高稳定性、高可靠性，低成本、低功耗方向发展。

霍尔效应的本质是固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比为霍尔系数，平行电场和电流强度之比为电阻率。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。早期霍尔效应原理首先在金属材料中发现，但由于金属材料中霍尔电势太微弱，所以长期以来霍尔效应未在工业上得到实际应用。随着半导体的出现，由于半导体的磁电现象比较显著，霍尔元件开始进入实用阶段。以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。

近年来随着锑化铟、砷化镓等霍尔元件的相继问世以及硅集成电路的优越性能，如今已成为磁场测量的主流产品。目前的应用大致分为以下4个方向：一是测量载流子浓度，被广泛应用于半导体中掺杂载体的性质与浓度的测量。二是测量磁场强度，只要测出霍尔电压，即可算出磁场的大小。三是测量电流强度，测量结果的精度和线性度都较高，可测直流、交流和各种波形的电流。四是测量微小位移，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量等霍尔传感器［3］。霍尔传感器因其具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、耐震动等优点，已广泛用于工业控制、智能仪器仪表、消费类电子和国防军工等领域。

4 主要研究内容

4.1 霍尔混合集成电路技术研究

现有的霍尔开关集成电路基本能够满足各个领域的应用，但是在抗辐射方面特别是抗中子辐射和抗钴60γ射线源电离辐射总剂量比较高的情况下，达不到试验要求。本项目采用CMOS混合集成电路设计，将霍尔元件和调理电路芯片封装成霍尔混合集成电路，具有结构牢固、体积小、重量轻、功耗小、频率高、抗辐射、耐振动、不怕污染和腐蚀等优点。通过霍尔混合集成电路将许多非电、非磁的物理量，转变成电量来进行检测和控制，同样也可以对电流、电压、功率等电量进行全隔离的检测和控制。霍尔混合集成电路的稳定性、可靠性、长寿命和高抗辐射能力，既能满足高可靠霍尔集成电路的电磁参数的环境试验要求，又具有高度抗辐射能力。抗辐射总剂量100 Krad（si）；剂量率1×1011rad（si）/s；抗中子辐射1×1014n/cm2。

霍尔元件采用砷化镓单晶、溅射工艺制造而成；霍尔调理电路采用硅晶体材料、0.5μmCMOS扩散工艺制备的MOS管设计而成。霍尔混合集成电路功能框图（见图2）。

4.2 气密性封装技术研究

图2 霍尔混合集成电路功能

气密性封装结构包括具有安装槽的陶瓷外壳，封装于所述安装槽内的霍尔元件和调理电路，以及盖在安装槽的外边缘并用于气密性封装安装槽的镀金盖板，采用独特的气密性封装结构，体积小（3.8 mm×5.4 mm×1.7 mm）且具有较好的稳定性和可靠性，在电磁环境复杂的情况下仍能精准可靠地工作。封装结构外壳尺寸如图3所示。

图3 封装结构外壳尺寸

4.3 测量发电机输出电压频率技术研究

在许多发电系统和交流电源中都须测量电压的频率，用来检测电压频率的稳定性和判断发电机的转速是否正常。传统的频率传感器长距离输出电压信号容易受到干扰，测量精度差。本项目研究一种长距离传输时高精度、宽温度范围的频率传感器，解决频率电隔离条件下的高精度测量难题，特别是温度变化恶劣环境的频率高精度的测量问题。工作温度范围能达到-400～+850℃，全温区精度可达0.2%，能够实现长距离传输，且抗干扰能力强。

测量发电机输出电压频率的方法：单片机先系统初始化，外部中断计算机输入频率脉冲次数，经延时设置后计算输入信号频率，再计算PWM输入电压信号，实测频率误差不大于0.2%，输出的电流信号与频率呈线性关系，线性误差不大于0.2%。测量发电机输出电压频率传感器电路如图4所示。

图4 测量发电机输出电压频率传感器电路

4.4 耐高温和耐压电流检测技术研究

耐高温和耐压霍尔电流传感器是一种检测装置，能将电隔离测量输出为电信信号或电流信号。工作原理是将通电导线周围的磁场集中起来提供给霍尔传感器，再由霍尔传感器转换为弱点型号，经远放放大输出电压信号。包括集磁环、置于磁环缺口的霍尔元件、运算放大器、AD芯片、微处理器、驱动电路和绕制在集磁环上的次级补偿线圈。整个测量回路形成闭环系统，主要由磁电转换部分、放大部分及驱动补偿线路组成。

适用于测量直流到数千赫磁电流，频带较窄、线路形式简单，性能稳定，可靠性高。根据需求，测量电流量为1 500 A，外壳能拆卸及窗口的尺寸比较大，测量回路采用双霍尔电路的开环形设计，且线性要求测量到0～2 000 A，在输出端没有采取限幅措施。耐高温和耐压电流传感器在耐高压（6 000 V，AC/SOH2）、高温度（100℃+5℃）的情况下进行大电流测量，能够测量电流（1 500 A），并且传感器性能正常，外壳不变形；过载（±2 000 A）不损坏。耐高温和耐压霍尔电流传感器如图5所示。