基于AS5045芯片的角度傳感器制造工藝研究＊

俞志根

（湖州職業技術學院 機電工程分院，浙江 湖州 313000）

1 前 言

角位移傳感器廣泛應用于機電一體化控制系統中的角度控制，在機械設備制造、化工過程控制、建筑設備、儀器儀表、醫療儀器生產等各種需要控制角度的場合［1］。主要有電阻式、電容式、電感式、光電式、光柵式等許多種，但目前市場上常用的是電阻式的角位移傳感器，它技術成熟、價格便宜，但只能輸出模擬信號、測量角度范圍只有350°左右，由于電刷的存在，機械壽命只有幾百萬次，屬于接觸式測量。而基于霍爾效應的非接觸式角位移傳感器具有無可比擬的優勢，它能輸出數字式、脈沖式和模擬式等多種信號，可實現無死角測量，理論上可實現無限壽命等等特點，是位移傳感器的發展方向［2］。目前，國外已經有這類傳感器問世。本文依據霍爾效應原理，采用大規模集成電路芯片AS5045、結合電氣隔離技術，設計了一種新型霍爾式角位移傳感器，主要由信號處理電路板、輸出接口、磁鐵、軸承透蓋、絕緣隔套、軸承座、尼龍軸套、轉軸、開口擋圈、調整墊圈和后蓋等部件組成，結構原理如下圖所示。

圖1 基于AS5045的角度傳感器結構原理圖

其中的核心器件是AS5045芯片是外購的，它采用CMOS標準工藝，并采用了一種旋轉電流Hall技術來檢測芯片表面上分布的磁場。AS5045通過內置的Hall元件輸出一個電壓，此電壓能夠代表IC的表面磁場［3］。另外，還有磁鐵、尼龍軸套、開口擋圈、調整墊圈等零件也可以外購，粘接劑也是外購的。信號處理電路板的PCB板設計好后可委托專業公司代工，其余零件自己生產，并進行產品總裝和性能測試，產品的總體生產工藝主要包括信號處理電路PCB板的設計與制造、電路元件件的SMT生產、電路性能的測試、外殼與轉軸等自制零件的設計與制造、磁鐵、軸承等外購件的采購、零件質量的檢測、整體組裝及性能檢驗等工藝過程。總體工藝流程如下圖所示。

圖2 傳感器總體工藝流程圖

2 傳感器電路板制造工藝

2.1 PCB板制造工藝

傳感器的核心是信號處理電路板的設計與制造，原理電路圖設計好后，應按IPC－2510標準進行PCB板設計。在IPC標準中特別指出帶有表面貼裝器件的PCB板允許的最大變形量為0.75%，沒有表面貼裝的PCB板允許的最大變形量為1.5%［4］。因此，必須高度重視PCB板在生產過程中的變形問題，在制造工藝的制訂時要充分考慮可引起變形的各種因素，加以合理控制，以保證質量。霍爾式角位移傳感器的信號處理電路PCB板采用雙面覆銅板，工藝流程如下圖所示。主要包括電路原理圖設計、電路PCB板設計、下料、鉆孔、導通孔金屬化、網印負性電路圖形、檢驗修板、線路圖形電鍍、電度錫、去印料、蝕刻銅、網印阻焊圖形熱固化綠油、清洗干燥、網印標記字符、外形加工與電氣通斷檢測等工藝過程，最后，PCB板入半成品倉庫待用。PCB板的設計與制造較為復雜，工藝要求很高，需要專門的生產流水線，一次性投資較大。

圖3 信號調理電路的PCB板設計制造工藝流程

2.2 電路元件貼裝工藝

PCB板完成后，可在小型SMT生產線上進行元件的貼裝，工藝流程如下圖所示。SMT工藝流程主要包括：點貼片膠、元件點貼裝、烘干固化、回流焊、清洗、檢測返修等工藝步驟，屬于較為成熟的電路生產技術。由于信號處理電路所用器件很少，都是貼片元件，故在產品中試時投資生產時需要一條小型SMT生產線專門用于電路板的生產。

圖4 信號處理電路的SMT制造工藝流程

3 傳感器轉動部件制造及裝配工藝

3.1 轉軸制造工藝

轉軸及外殼等自制零件中的轉軸采用0Cr16Ni14型不繡鋼材質，外殼采用尼龍加玻璃纖維或鋁合金材質，絕緣隔套采用尼龍材質。轉軸及鋁合金外殼的生產工藝如下圖所示。主要包括：下料、在儀表車床上精車外圓、端面和卡槽、半精磨、熱處理、精磨、質量檢驗，最后入半成品庫。

3.2 AlNiCo稀土磁鐵粘貼工藝

AlNiCo稀土磁鐵是這種角度傳感器工作的一個重要方面，磁場的性質與傳感器的性能之間有直接的關系。AlNiCo稀土磁鐵通過金屬膠安裝在轉軸端部的凹槽內，這樣可以方便地保持對中性，粘貼時上膠要均勻一致，加壓要適中，加壓時間在2－4秒之間，要保持粘貼的平整。

4 傳感器裝配工藝

尼龍外殼及隔套可在結構設計完成后委托給專業的塑料件生產企業代工生產，這樣可減少設備投資，降低生產成本。

本項目產品的組裝包括磁鐵與轉軸的粘接，軸套與軸承座的壓粘、絕緣隔套與軸承座的及透蓋的粘接等，工藝流程如下圖所示。其中，磁鐵的粘接很關鍵，主要應注意磁鐵與信號處理芯片的對中，因為如果兩者的對中性將直接影響輸出信號的可靠性與穩定性，要求兩者的對中誤差應控制在0.01mm內。主要通過控制轉軸中心與軸承透蓋中心來實現。另外，軸承座與透蓋的粘接也很重要，一定要控制好用膠量和粘接壓力、溫度和時間等工藝參數，才能保證粘接強度和密封性。經過大量試驗，軸承座與透蓋的粘接壓力應在15－20N之間，溫度在45－55℃，時間在2－3s之間，以這樣的參數最為合理。

圖6 傳感器整體組裝工藝流程

5 結 語

本文對基于AS5045芯片的新型霍爾式角位移傳感器制造工藝進行了全面的分析研究，這一工藝方案用于傳感器的生產，取得了良好的效果，達到了傳感器設計目標，在傳感器的分辨率、使用壽命、抗干擾性能等各方面指標均達到設計要求，目前生產企業正在進一步完善批量生產工藝，投入批量生產。

［1］郭 軍，劉和平，劉 平.基于大電流檢測的霍爾傳感器應用［J］.傳感器與微系統，2011，30（5）：142－145.

［2］習喜龍，劉 勇，周 崗，等.磁角度傳感器在舵角采集中的應用［J］.艦船電子工程，2010，30（9）：89－91.

［3］吳紅梅，蔣水秀.基于 AS5045的磁旋轉編碼器的研究和應用［J］.計算機光盤軟件與應用，2012（7）：57－58.

［4］劉海龍.PCB生產過程中產生變形的原因及改善［J］.印制電路信息，2012（7）：11－14.