霍爾傳感器共性技術(shù)和產(chǎn)品的研究

李 萍，羅 云

（南京中旭電子科技有限公司，江蘇南京210039）

0 引言

傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，與通信技術(shù)和計算機技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的基礎(chǔ)，成為21世紀(jì)人們在電子信息化方面爭奪的一個制高點。傳感器產(chǎn)業(yè)涉及國民經(jīng)濟、國防工業(yè)的各個領(lǐng)域，在國防設(shè)施、重大工程和重要工業(yè)裝備中，傳感器及其構(gòu)成的智能化系統(tǒng)是必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)和裝備核心［1］。

中國傳感器行業(yè)雖然發(fā)展迅速，但也面臨諸多挑戰(zhàn)，如高端人才不足，生產(chǎn)測試的自動化、規(guī)?；芰Φ?，缺少龍頭企業(yè)，對新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應(yīng)用的敏感度低等。在智能制造戰(zhàn)略下，高性能傳感器的國產(chǎn)化研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化顯得尤為迫切。

1 傳感器的定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電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［2］。

傳感器分類有壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、振動傳感器、磁敏傳感器、真空度傳感器等。

2 傳感器市場情況

傳感器是連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁，是具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲功能的多元件集成電路，是集成傳感芯片、通信芯片、微處理器、驅(qū)動程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級產(chǎn)品。現(xiàn)階段，我國傳感器產(chǎn)業(yè)已初步形成了以長三角、珠三角、京津冀以及中西部為重點城市集聚發(fā)展的產(chǎn)業(yè)空間格局。2014—2021年中國傳感器市場情況如圖1所示。

圖1 2014—2021年中國傳感器市場情況（單位：億元）數(shù)據(jù)來源：賽迪顧問2020.4 Sensor

3 霍爾效應(yīng)

傳感器種類及品種繁多，原理也各式各樣。自霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，霍爾傳感器已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品家族，被越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域?；魻杺鞲衅鳟a(chǎn)業(yè)日益發(fā)展壯大，正在向小型化、集成化，高穩(wěn)定性、高可靠性，低成本、低功耗方向發(fā)展。

霍爾效應(yīng)的本質(zhì)是固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比為霍爾系數(shù)，平行電場和電流強度之比為電阻率。

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。早期霍爾效應(yīng)原理首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)，但由于金屬材料中霍爾電勢太微弱，所以長期以來霍爾效應(yīng)未在工業(yè)上得到實際應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體的出現(xiàn)，由于半導(dǎo)體的磁電現(xiàn)象比較顯著，霍爾元件開始進入實用階段。以霍爾效應(yīng)原理構(gòu)成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件通稱為霍爾效應(yīng)磁敏傳感器，簡稱霍爾傳感器。

近年來隨著銻化銦、砷化鎵等霍爾元件的相繼問世以及硅集成電路的優(yōu)越性能，如今已成為磁場測量的主流產(chǎn)品。目前的應(yīng)用大致分為以下4個方向：一是測量載流子濃度，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體中摻雜載體的性質(zhì)與濃度的測量。二是測量磁場強度，只要測出霍爾電壓，即可算出磁場的大小。三是測量電流強度，測量結(jié)果的精度和線性度都較高，可測直流、交流和各種波形的電流。四是測量微小位移，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機械振動、加速度、重量等霍爾傳感器［3］?；魻杺鞲衅饕蚱渚哂薪Y(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、耐震動等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)控制、智能儀器儀表、消費類電子和國防軍工等領(lǐng)域。

4 主要研究內(nèi)容

4.1 霍爾混合集成電路技術(shù)研究

現(xiàn)有的霍爾開關(guān)集成電路基本能夠滿足各個領(lǐng)域的應(yīng)用，但是在抗輻射方面特別是抗中子輻射和抗鈷60γ射線源電離輻射總劑量比較高的情況下，達不到試驗要求。本項目采用CMOS混合集成電路設(shè)計，將霍爾元件和調(diào)理電路芯片封裝成霍爾混合集成電路，具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、功耗小、頻率高、抗輻射、耐振動、不怕污染和腐蝕等優(yōu)點。通過霍爾混合集成電路將許多非電、非磁的物理量，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制，同樣也可以對電流、電壓、功率等電量進行全隔離的檢測和控制?；魻柣旌霞呻娐返姆€(wěn)定性、可靠性、長壽命和高抗輻射能力，既能滿足高可靠霍爾集成電路的電磁參數(shù)的環(huán)境試驗要求，又具有高度抗輻射能力。抗輻射總劑量100 Krad（si）；劑量率1×1011rad（si）/s；抗中子輻射1×1014n/cm2。

霍爾元件采用砷化鎵單晶、濺射工藝制造而成；霍爾調(diào)理電路采用硅晶體材料、0.5μmCMOS擴散工藝制備的MOS管設(shè)計而成。霍爾混合集成電路功能框圖（見圖2）。

4.2 氣密性封裝技術(shù)研究

圖2 霍爾混合集成電路功能

氣密性封裝結(jié)構(gòu)包括具有安裝槽的陶瓷外殼，封裝于所述安裝槽內(nèi)的霍爾元件和調(diào)理電路，以及蓋在安裝槽的外邊緣并用于氣密性封裝安裝槽的鍍金蓋板，采用獨特的氣密性封裝結(jié)構(gòu)，體積?。?.8 mm×5.4 mm×1.7 mm）且具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，在電磁環(huán)境復(fù)雜的情況下仍能精準(zhǔn)可靠地工作。封裝結(jié)構(gòu)外殼尺寸如圖3所示。

圖3 封裝結(jié)構(gòu)外殼尺寸

4.3 測量發(fā)電機輸出電壓頻率技術(shù)研究

在許多發(fā)電系統(tǒng)和交流電源中都須測量電壓的頻率，用來檢測電壓頻率的穩(wěn)定性和判斷發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是否正常。傳統(tǒng)的頻率傳感器長距離輸出電壓信號容易受到干擾，測量精度差。本項目研究一種長距離傳輸時高精度、寬溫度范圍的頻率傳感器，解決頻率電隔離條件下的高精度測量難題，特別是溫度變化惡劣環(huán)境的頻率高精度的測量問題。工作溫度范圍能達到-400～+850℃，全溫區(qū)精度可達0.2%，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離傳輸，且抗干擾能力強。

測量發(fā)電機輸出電壓頻率的方法：單片機先系統(tǒng)初始化，外部中斷計算機輸入頻率脈沖次數(shù)，經(jīng)延時設(shè)置后計算輸入信號頻率，再計算PWM輸入電壓信號，實測頻率誤差不大于0.2%，輸出的電流信號與頻率呈線性關(guān)系，線性誤差不大于0.2%。測量發(fā)電機輸出電壓頻率傳感器電路如圖4所示。

圖4 測量發(fā)電機輸出電壓頻率傳感器電路

4.4 耐高溫和耐壓電流檢測技術(shù)研究

耐高溫和耐壓霍爾電流傳感器是一種檢測裝置，能將電隔離測量輸出為電信信號或電流信號。工作原理是將通電導(dǎo)線周圍的磁場集中起來提供給霍爾傳感器，再由霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為弱點型號，經(jīng)遠放放大輸出電壓信號。包括集磁環(huán)、置于磁環(huán)缺口的霍爾元件、運算放大器、AD芯片、微處理器、驅(qū)動電路和繞制在集磁環(huán)上的次級補償線圈。整個測量回路形成閉環(huán)系統(tǒng)，主要由磁電轉(zhuǎn)換部分、放大部分及驅(qū)動補償線路組成。

適用于測量直流到數(shù)千赫磁電流，頻帶較窄、線路形式簡單，性能穩(wěn)定，可靠性高。根據(jù)需求，測量電流量為1 500 A，外殼能拆卸及窗口的尺寸比較大，測量回路采用雙霍爾電路的開環(huán)形設(shè)計，且線性要求測量到0～2 000 A，在輸出端沒有采取限幅措施。耐高溫和耐壓電流傳感器在耐高壓（6 000 V，AC/SOH2）、高溫度（100℃+5℃）的情況下進行大電流測量，能夠測量電流（1 500 A），并且傳感器性能正常，外殼不變形；過載（±2 000 A）不損壞。耐高溫和耐壓霍爾電流傳感器如圖5所示。

圖5 耐高溫和耐壓霍爾電流傳感器

5 主要產(chǎn)品及應(yīng)用

5.1 霍爾集成電路

霍爾集成電路擁有開關(guān)型、鎖定型、線性型、小回差、片式電路等多個系列，耐溫可達-180℃，適應(yīng)月球表面環(huán)境，產(chǎn)品性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。應(yīng)用于伺服機構(gòu)、衛(wèi)星發(fā)射天線位置控制。

5.2 霍爾電流傳感器

霍爾電流傳感器測量范圍可由mA級到數(shù)萬A，直放式及磁平衡式設(shè)計，覆蓋各類應(yīng)用。測量精度可達0.1%；低電壓技術(shù)，可工作于3.3 V電壓；溫度漂移可達十萬分之一。應(yīng)用于光伏發(fā)電、機車、變頻器、通信電源、工業(yè)控制、伺服系統(tǒng)?；魻栯娏鱾鞲衅魅鐖D6所示。

圖6 霍爾電流傳感器

5.3 霍爾位置傳感器

霍爾位置傳感器為國內(nèi)首創(chuàng)，有NPN、PNP多種輸出形式，應(yīng)用于各種機械位置的檢測，可在太空、深水等復(fù)雜環(huán)境工作?；魻栁恢脗鞲衅魅鐖D7所示。

圖7 霍爾位置傳感器

5.4 霍爾角度傳感器

霍爾角度傳感器適合多種通信方式和抗干擾算法，輸出信號有SSI、RS485、Modbus、CANOpen等，應(yīng)用于機床、電梯、伺服電機、工業(yè)自動化、機器人、航空航天等?；魻柦嵌葌鞲衅魅鐖D8所示。

圖8 霍爾角度傳感器