基于混合微電路工藝的多芯片集成雙軸磁傳感器模塊

張君利，周曉丹，薛海英，曹 彪

(華東光電集成器件研究所,江蘇蘇州 215163)

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基于混合微電路工藝的多芯片集成雙軸磁傳感器模塊

張君利，周曉丹，薛海英，曹 彪

(華東光電集成器件研究所,江蘇蘇州 215163)

采用混合微電路工藝，設(shè)計(jì)了一種基于陶瓷互連基板及封裝的多芯片集成(MCM-C)模塊，將全固態(tài)雙軸磁阻傳感器及信號(hào)處理芯片等集成為微型化、高可靠的傳感器模塊。模塊分別以16位串行數(shù)字量輸出Y、Z向磁場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，可以直接與各類微處理器接口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

混合微電路；多芯片集成；MCM-C；磁阻傳感器

0 引言

全固態(tài)磁阻傳感器具有低成本、高靈敏度、高響應(yīng)速度、功耗低和高可靠性等特點(diǎn),特別是在測(cè)量弱磁場(chǎng)以及基于弱磁場(chǎng)的地磁導(dǎo)航、數(shù)字智能羅盤、位置測(cè)量等方面，磁阻式傳感器具有更明顯的優(yōu)越性,此外還能用來(lái)制作高精度的轉(zhuǎn)速傳感器、角位移傳感器等，在軍用、工業(yè)、航天航海、醫(yī)療儀器等多種儀器儀表方面有著廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)的是一種基于混合微電路工藝的磁傳感器集成模塊，基于陶瓷互連基板及陶瓷封裝的多芯片集成(MCM-C)技術(shù)，集成了全固態(tài)雙軸磁阻傳感器、高精密儀表放大器、基準(zhǔn)源、電源、A/D等。

另外模塊內(nèi)部集成了溫度傳感器，使用時(shí)根據(jù)需要可以由外部微處理器對(duì)磁檢測(cè)輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償；模塊內(nèi)部集成的磁置位及復(fù)位信號(hào)發(fā)生及驅(qū)動(dòng)可以對(duì)傳感器進(jìn)行磁置位及復(fù)位，因此能夠進(jìn)行更為精密的磁檢測(cè)。

通過(guò)混合微電路工藝集成的傳感器模塊，將2個(gè)軸向的磁物理量，轉(zhuǎn)換為16位串行數(shù)字量輸出，具有微型化、高可靠環(huán)境適應(yīng)性好的特性?？梢苑奖愕嘏c各類微處理器如單片機(jī)、DSP等接口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

1 MCM-C雙軸磁傳感器模塊總體設(shè)計(jì)

微磁強(qiáng)計(jì)主要有磁阻式、霍爾效應(yīng)式、磁感應(yīng)式等。本模塊設(shè)計(jì)采用磁阻式，內(nèi)部集成了雙軸線性磁阻傳感器，每個(gè)軸向傳感器都有4個(gè)磁阻組成的惠斯通橋，當(dāng)橋路加上供電電壓時(shí)，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。

傳感器模塊由雙軸磁阻傳感器、傳感器信號(hào)放大、升壓電路、磁置位/復(fù)位控制脈沖產(chǎn)生電路、磁置位/復(fù)位控制脈沖驅(qū)動(dòng)電路、溫度傳感器及16位串行A/D轉(zhuǎn)換等組成，原理框圖如圖1所示。

圖1 雙軸磁傳感器集成模塊原理框圖

設(shè)計(jì)了500倍高增益放大器對(duì)敏感器橋路輸出電壓放大。主要用于對(duì)弱磁場(chǎng)檢測(cè)。主要指標(biāo)：

(1)磁測(cè)量范圍±1 G(1 G=1×10-4T)；

(2)采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，+1 G時(shí)輸出全1數(shù)字量，-1 G時(shí)輸出全0數(shù)字量(1 LSB=30 μG)；

(3)磁檢測(cè)分辨率：120 μG；

(4)線性誤差：0.15%FS。

2 磁置位/復(fù)位控制

磁阻傳感器在測(cè)量磁信號(hào)的同時(shí)，不可避免地會(huì)受到外界磁場(chǎng)環(huán)境的干擾。如果傳感器長(zhǎng)期受到外部強(qiáng)磁場(chǎng)的影響，在傳感器的敏感軸方向上施加超過(guò)20 G的磁場(chǎng),會(huì)打亂傳感器磁阻內(nèi)部磁疇的極化方向,改變傳感器的輸出特性,使輸出的信號(hào)變?nèi)?靈敏度降低。

為消除這種影響,需要重新設(shè)置這些磁疇的極化方向來(lái)恢復(fù)傳感器的靈敏度。在傳感器內(nèi)部置位和復(fù)位電流帶(內(nèi)部的約為3～5 Ω的金屬帶)上施加小于2 μs的4 A的電流置位脈沖,可使磁阻內(nèi)部磁疇方向重新達(dá)到最大的統(tǒng)一,提高靈敏度。磁置位脈沖電路圖如圖2所示。由于傳感器的輸出電壓的極性取決于內(nèi)部磁疇的極化方向,所以對(duì)傳感器施加與置位脈沖方向相反的復(fù)位脈沖,能夠使磁疇方向反轉(zhuǎn),對(duì)外表現(xiàn)為傳感器輸出的極性反轉(zhuǎn)。

本傳感器磁置位/復(fù)位脈沖SET/RESET控制信號(hào)由模塊內(nèi)部微控制器P89LPC903產(chǎn)生。通過(guò)寫入控制程序，設(shè)計(jì)由外部脈沖控制產(chǎn)生磁置位/復(fù)位信號(hào)，P0.4口(JTAG端口復(fù)用成I/O口)每接收到一次低電平產(chǎn)生下面圖一個(gè)周期的信號(hào)磁置位/復(fù)位，SHDOWN為升壓控制信號(hào)。

磁置位/復(fù)位脈沖脈沖信號(hào)由VDMOS管實(shí)現(xiàn)4 A的電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓由+5 V電源經(jīng)過(guò)升壓到18 V，升壓電路如圖2(b)所示。升壓控制信號(hào)也由微控制器產(chǎn)生，在不需要磁置位/復(fù)位時(shí)升壓電路不工作以(SHDOWN為低電平)降低功耗。磁置位復(fù)位信號(hào)電路圖如圖2(a)所示，具體時(shí)序圖如圖3所示。

(a)磁置位復(fù)位信號(hào)電路

(b)升壓電路圖2 磁置位復(fù)位信號(hào)電路圖

圖3 磁置位復(fù)位信號(hào)時(shí)序圖

3 雙軸磁阻傳感器及信號(hào)放大

設(shè)計(jì)3 V精密參考電壓為傳感器提供橋壓，同時(shí)也為A/D轉(zhuǎn)換提供基準(zhǔn)電壓，參考電壓電路如圖4(a)所示。由于磁場(chǎng)矢量信號(hào)微弱，易受外部環(huán)境干擾，前端磁模擬信號(hào)采用儀表放大器AD623放大，雙軸磁阻傳感器及信號(hào)放大電路如圖4(b)所示。

(a)參考電壓電路

(b)雙軸磁阻傳感器及信號(hào)放大電路圖4 雙軸磁阻傳感器及信號(hào)放大電路圖

4 溫度測(cè)量設(shè)計(jì)

考慮在高精度測(cè)量時(shí)需要，由于磁阻傳感器本身的靈敏度溫度漂移為2.700×10-3/℃，為了滿足高精度測(cè)量或多傳感器數(shù)據(jù)融合溫度補(bǔ)償需要，設(shè)計(jì)了溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)模塊工作環(huán)境溫度，溫度測(cè)量電路如圖5所示。

圖5 溫度測(cè)量電路圖

設(shè)計(jì)選用了電源電流為80 μA的低功耗半導(dǎo)體溫度傳感器DS60,其靈敏度為6.25 mV/℃，精度±2 ℃，輸出直流偏置424 mV，測(cè)溫范圍-40～125 ℃。因此，-40～125 ℃范圍內(nèi)，溫度傳感器典型輸出電壓為174～1 205 mV。經(jīng)過(guò)跟隨器跟隨后至A/D轉(zhuǎn)換器輸出串行數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓范圍0～3 V，0 V輸入對(duì)應(yīng)的A/D輸出編碼全0，3 V輸入對(duì)應(yīng)的A/D輸出編碼全1，1 LSB=3/216=31 mV。

5 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

圖6 四通道16位A/D轉(zhuǎn)換電路圖

為了傳感器組件使用時(shí)方便地與微處理器接口，2路磁阻傳感器及1路溫度傳感器輸出的模擬電壓量均經(jīng)過(guò)16位轉(zhuǎn)換串行數(shù)字量。設(shè)計(jì)如圖6所示。其中，MY(Y方向磁阻模擬量)對(duì)應(yīng)A/D通道0，MZ(Z方向磁阻模擬量)對(duì)應(yīng)A/D通道1和2，溫度傳感器對(duì)應(yīng)A/D通道3。

A/D轉(zhuǎn)換的工作方式、通道設(shè)定及其他控制等均由外部控制?？刂品绞饺缦拢?/p>

A/D為單端輸入方式，通道選擇設(shè)置位由A2、A1、A0確定，A/D控制位定義說(shuō)明及通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1和表2所示。

表1 單端輸入通道選擇(SGL/DIF=1)

A2A1A0CH0CH1CH2CH3001+IN101+IN010+IN110+IN

表2 A/D控制位(SOMO端)描述

BIT名稱定義描述7S起始位在DIN第一個(gè)上升沿高電平有效6-4A2-A0通道選擇詳見表43———2SGL輸入方式選擇位本設(shè)計(jì)為單端輸入,因此該位置11-0PD1-PD0時(shí)鐘選擇及power-down方式控制位00power-down模式10內(nèi)部時(shí)鐘模式01—11外部時(shí)鐘模式

A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖7所示。

6 混合微電路多芯片集成(MCM-C)設(shè)計(jì)

采用基于Al2O3陶瓷基板的厚膜混合集成工藝，將以上有源器件、無(wú)源元件集成為微小型磁阻傳感器組件。

通過(guò)光繪、制版、絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電互連、絲網(wǎng)印刷厚膜電阻、燒結(jié)等工藝，厚膜有源器件采用未封裝的半導(dǎo)體裸芯片，環(huán)氧

圖7 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序圖

膠粘接安裝于陶瓷基板上，裸芯片采用金絲鍵合的方法與基板實(shí)現(xiàn)電學(xué)互連。

主要工藝流程如圖8所示。

圖8 工藝流程

最終，陶瓷蓋通過(guò)絕緣環(huán)氧粘接至陶瓷基板完成混合集成的封裝。封裝形式設(shè)計(jì)為雙列直插式，產(chǎn)品外形如圖9所示，傳感器軸向My/Mz方向如圖所示。

圖9 雙軸磁傳感器組件封裝外形圖及軸向示意圖

7 集成模塊引腳

集成模塊各個(gè)引腳及功能如表3所示。

表3 集成模塊引腳及其功能

8 結(jié)束語(yǔ)

采用混合微電路工藝，將傳感器芯片、模擬信號(hào)芯片、數(shù)字信號(hào)芯片、功率驅(qū)動(dòng)芯片等集成封裝在同一部件內(nèi)，制造了基于陶瓷基板互連及封裝的多芯片集成(MCM-C)傳感器模塊。具有以下優(yōu)越性：采用未封裝的半導(dǎo)體裸芯片集成后封裝，實(shí)現(xiàn)了尺寸24 mm×20 mm微型化傳感器組件；全固態(tài)的微型雙列直插封裝模塊，沒(méi)有移動(dòng)部件，易于安裝且可靠性高；高靈敏度，傳感器可遠(yuǎn)距離感應(yīng)被測(cè)物體。

[1] 黃一菲,鄭神,吳亮,等.坡莫合金磁阻傳感器的特性研究和應(yīng)用.物理實(shí)驗(yàn)，2002，22(4)：45-48.

[2] JLICARI J J,ENLOW L R.混合微電路技術(shù)手冊(cè).北京:電子工業(yè)出版社,2004.

Multichip Integrated Dual-axis Magnetic Sensors ModuleBased on Hybrid Microcircuit Process

ZHANG Jun-li，ZHOU Xiao-dan，XUE Hai-ying，CAO Biao

(HUA DONG Photo-Electron IC Institute，Suzhou 215163,China)

A multichip integrated module was designed by hybrid microcircuit process based on ceramic substrate (MCM-C) technology.This minimized and reliable sensor module consists of magnetoresistive sensor chip and signal processing chips.The module outputs magnetic field test results in theyandzdirection in 16 bit serial data.It can exchange real-time data directly with all kinds of microprocessor interface.

hybrid microcircuit；multichip module；MCM-C；magnetoresistive sensor

2014-11-19 收修改稿日期：2015-03-05

TM452

A

1002-1841(2015)08-0007-03

張君利(1969—)，研究員,主要從事混合微電子集成設(shè)計(jì)。E-mail:zjl21402@163.com 周曉丹(1964—)，高級(jí)工程師,從事集成電路質(zhì)量及可靠性設(shè)計(jì)。