高端霍爾傳感器關鍵技術的研究

李 萍，羅 云

(南京中旭電子科技有限公司 江蘇 南京 210039)

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規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。傳感器屬于電子信息行業，涉及到國民經濟和國防建設的各個領域，是衡量國家信息化程度的重要標志。

自從 1879年美國物理學家 Edwin Herbert Hall發現霍爾效應以來，霍爾傳感器被越來越多地應用于工業自動化、農業現代化、航天技術、軍事工程、機器人技術、資源開發、海洋探測、環境監測、安全保衛、醫療診斷、交通運輸、家用電器等領域，成為智能化系統必不可少的基礎技術和裝備核心。國內傳感器技術較國外還有較大差距，瑞士 LEM、德國VAC、美國 MELEXIS、Honeywell等國外廠商占據大部分市場。為此，研究國產高端霍爾傳感器，特別是航天航空國防建設方面的高性能傳感器顯得尤為迫切。

1 基本原理

霍爾傳感器工作的理論是建立在帶電粒子在磁場中運動所產生霍爾效應的基礎上。霍爾效應是指當一載流體置于磁場中靜止不動時，若此載流體中的電流方向與磁場方向不相同，則在此載流體中平行于由電流方向和磁場方向所組成的平面上將產生電勢，此電勢稱為霍爾電勢，此現象稱為霍爾效應。在磁場不太強時，霍爾電勢UH(mV)與電流強度I(mA)和磁感應強度 B(kGs)成正比，即：UH＝S·I×B，式中 S為乘積靈敏度[mV/(kGs·mA)]。

霍爾電流傳感器正是利用VH與B的線性關系，來測量導線電流的。通電導體在它周圍必然產生磁場，根據安培環路定律，我們采用具有很高磁導率的軟磁材料做成圓環(假定通電導體為圓柱體)，并開以氣隙，利用磁環對磁場加以聚集，則可以加大信號，提高信噪比。

2 主要研究內容

本項目霍爾高端傳感器應用于航天航空和國防建設等領域，為航天工程、登月工程、飛機、船艦配套。航天航空應用環境與地面應用有較大差別，由于空間應用具有不可修復性，要求傳感器必須具有很高的可靠性，我國高端霍爾傳感器依賴進口。國內傳感器技術水平低，產品種類少，許多產品僅用于一般工業用途，不能滿足于航天科技高可靠性的使用環境要求，對輻射劑量比較高的射線無法遮擋，無法達到試驗要求，由于工作溫度窄，長距離傳輸容易受到干擾，不能適應航天航空耐高溫、耐低溫的復雜環境要求。因此，航天航空高端霍爾傳感器研究必須把重點放在以下關鍵技術的突破與創新上。

2.1 霍爾電路抗輻射關鍵技術研究

在航天環境中，存在大量的輻射粒子，雖然粒子被衛星外殼阻擋，但穿透力極強的射線無法遮擋，故傳感器必須采用抗輻照設計。

采用 CMOS混合電路設計，包括霍爾元件和與之連接的調理電路。調理電路包括雙差分放大電路、史密特觸發電路、輸出電路，霍爾元件感應外界磁場并輸出電壓信號，雙差分放大電路輸入霍爾電壓并將放大后的電壓信號輸出至史密特觸發電路，史密特觸發電路將輸入的電壓信號由正弦信號轉換為數字方波脈沖信號，并將轉換后的數字方波脈沖信號通過輸出電路輸出。其中霍爾元件由砷化鎵單晶材料經濺射工藝制造而成，雙差分放大電路、史密特觸發電路、輸出電路均由釆用硅單晶材料、0.5μm CMOS擴散工藝制備的MOS管設計而成(圖1)。

采用氣密性封裝結構，將 CMOS調理電路和霍爾原件以芯片形式封裝于陶瓷安裝槽中。包括一具有安裝槽的陶瓷外殼、封裝于所述安裝槽內的霍爾元件和 CMOS調理電路以及蓋在安裝槽的外邊緣并用于氣密性結構封裝所述安裝槽的鍍金蓋板，其中霍爾元件通過一金絲與陶瓷外殼連接，調理電路通過硅鋁絲與陶瓷外殼連接，陶瓷外殼內部布設有印刷導線連接霍爾元件、CMOS調理電路和多個伸出陶瓷外殼之外的管腳，從而保證了霍爾混合集成電路氣密性封裝的實現，同時具備很好的高抗輻照性能。其抗輻照總劑量達 100krad(1kGy)，抗中子輻射達 1×1014n/cm2(n指高能粒子數目)，滿足航天應用環境需求。

圖1 鎖定型霍爾集成電路磁電轉換特性Fig.1 Lock shaping Hall IC magnetoelectric conversion characteristic diagram

2.2 霍爾電路耐溫關鍵技術研究

航天航空應用環境復雜多變，要求傳感器環境適應性好，在高溫或低溫環境下能長時間工作，且不發生溫度漂移。

將硅單晶體材料的電路芯片封裝到一氣密性封裝結構中，設計成為高可靠的霍爾片式集成電路。采用溫度補償電路抵消掉磁場計算公式中與溫度相關的參數影響，使磁場不隨溫度變化而變化。在版面設計時，采用硅平面雙極型工藝，保證電路能夠在180℃的高溫環境下短時工作。霍爾電路芯片通過硅鋁絲與陶瓷外殼連接，陶瓷外殼內部設有印刷導線連接 4個伸出管腳，連接陶瓷外殼。采用無磁氣密性封裝結構，產品結構牢固、體積小、重量輕、壽命長，耐溫可達-180℃～150℃，適應月球表面超高、低溫環境，達到宇航級要求。

2.3 傳感器耐溫、抗干擾關鍵技術研究

霍爾電流傳感器在空間應用時，周圍有很多的大型電子設備，會產生各種各樣的電磁波，要求傳感器具有很高的電磁兼容性。傳統頻率的傳感器工作溫度范圍窄(0～70℃)，長距離傳輸容易受到干擾；在寬溫區工作，溫漂大，測量精度難以保證。

因外部電磁干擾通過磁芯作用于霍爾元件，故本項目在磁芯設計時采用磁平衡對稱結構，讓外界干擾在磁芯中互相抵消。這種設計一般用于測量200A以下電流的傳感器中。

采用 0.35mm的坡莫合金冷沖成型，徑向疊片，使磁路盡可能均勻，同時也避免在磁芯中產生旋渦。為實現溫度補償措施，減小產品溫漂，選用失調小、靈敏度高的霍爾元件，或選用參數相接近的霍爾元件進行雙霍爾設計，可以到達很好的溫度性能。為提高抗外界磁干擾，選用剩磁導磁率高的坡莫合金制作屏蔽殼體，將磁芯與電源地相連接。采用上述方案設計的傳感器，可以實現在-55～+125℃達到 0.2%的精度，滿足 GJB 151A—1997《軍用設備和分系流電磁發射和敏感度要求》的要求，解決在復雜電磁環境和溫度變化大等惡劣環境下達到高精度、高抗干擾測量的難題。

對于大電流(數百安培以上)測量的需要，基于霍爾直放式的工作原理，采用雙霍爾元件補償，將被測電流產生的磁場信號轉換為電壓信號，霍爾電壓信號經放大、調整后即可得到與測量電流具有對應關系的電壓信號。采用該原理的霍爾傳感器具有封裝尺寸小、測量范圍廣、重量輕、低電源損耗的優點。

例如 HDC-XXX霍爾傳感器，采用敏感元件高低溫分選及雙路檢測技術，使溫漂低至 20×10-6/℃，在高溫度(125+5)℃的情況下進行大電流測量(能夠測量電流 1500A)，傳感器性能正常。應用恒流源放大的電路，將2個霍爾傳感器分別串聯在一射極跟隨電路構成的恒流源中；2個霍爾傳感器的輸出弱信號接差分放大器電路，差分放大器電路接反相放大電路輸出；射極跟隨電路對霍爾元件進行供電，可以保證在高溫環境中，有效控制霍爾原件的溫漂(圖2)。

圖2 HDC-200EJ霍爾大電流傳感器工作曲線圖Fig.2 HDC-200EJ Hall large current sensor working curve

3 生產方案

3.1 產品工作原理

霍爾集成電路把穩壓器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發器和集電極開路輸出集成到同一單晶片，實現將變化的磁信號轉換成數字電壓輸出(圖3)。

圖3 HDC-1500KJ耐高溫型霍爾電流傳感器工作曲線圖Fig.3 HDC-1500KJ high temperature resistant Hall current sensor working curve

根據霍爾效應原理，霍爾元件的2個輸出端將輸出1個電壓值，稱為霍爾電壓VH，這個電壓經差分放大器放大后作為施密特觸發器的觸發信號。磁場的極性每變換一次，電路的輸出就完成一次開關轉換，這就是霍爾開關集成電路工作的原理(圖4)。

圖4 霍爾集成電路的功能方框圖Fig.4 Functional block diagram of Hall IC

3.2 技術路線

3.2.1 結構設計

傳統霍爾集成電路的外形尺寸為 6.0mm×4.5mm×1.7mm。近幾年，用戶對霍爾集成電路的外形尺寸要求越來越高，為了滿足用戶對產品體積的要求，產品的外形尺寸設計與進口 SS400系列外形尺寸相似，達到 4.5mm×3.6mm×1.7mm，只有傳統霍爾集成電路尺寸的60%。霍爾集成電路體積縮小后，對氣密性，封裝要求，抗 30000gn恒定加速度試驗，抗振動、沖擊等機械性能的要求均相應地有所提高。因此，在電路外殼強度設計、芯片的剪切力、鍵合強度等方面均需要對工藝進行控制，以滿足設計要求。

3.2.2 CMOS電路設計

電路磁場參數的中心值和一致性主要通過電路設計和版圖設計來保證，包括以下幾種方法：

①采用恒壓偏置模式提高芯片與芯片之間磁場參數的一致性。

②提高電路穩壓模塊的性能，使得穩壓電路的精度從 3%提高到 1%，改進施密特觸發器，使其磁滯更為精確。

③將運算放大器的失調電壓從 3mV降低為1mV。

④對版圖進行優化設計，使得產品的鍵合區由3個(電源、地和輸出)變成 4個(多 1個備份點)，保證產品在工藝過程的開口應力相同。

⑤由4個霍爾元件組成霍爾元件陣列，放置在整個電路版圖的正中央，減小應力和溫度對霍爾元件參數的影響。

3.2.3 可靠性研究

在霍爾集成電路設計階段，通過防靜電設計、耐高溫設計、高耐壓設計和輻照加固設計等方面對器件的線路和版圖進行優化設計，提高產品的參數指標。在生產階段對霍爾集成電路工藝進行控制，對封裝工藝進行攻關，保證產品密封性，減少內部多余物的產生，控制產品內部氣氛，提高產品質量。最終，使霍爾集成電路可靠性達到航天航空用戶的要求。成品出廠篩選階段，按照 GJB 548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》方法，通過對產品進行150℃下的電老煉試驗，剔除早期失效的產品，并通過抽樣可靠性試驗對霍爾集成電路的可靠性水平進行評估。

技術路線如圖5所示。

圖5 生產工藝流程圖Fig.5 Production process flow chart

3.3 主要技術指標

技術指標按照 ISO 9001質量管理體系和 GJB 9001國家軍用標準質量管理體系執行，產品通過美國UL認證和歐盟CE認證。主要技術與產品性能指標、執行的質量和環保標準，通過的國家有關許可認證、質量認證、環境認證如表1所示。

表1 產品主要技術指標Tab.1 Main technical indexes of product

4 主要產品

高性能霍爾傳感器包括霍爾集成電路和開關型、鎖定型、線性型、小回差等傳感器。具有結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達 1MHz)，耐震，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕特點，可滿足多種環境條件下的應用要求。