霍爾傳感器共性技術和產品的研究

李 萍，羅 云

（南京中旭電子科技有限公司，江蘇南京210039）

0 引言

傳感器技術作為現代科技的前沿技術，與通信技術和計算機技術構成現代信息技術的三大支柱。傳感器技術是物聯網、人工智能的基礎，成為21世紀人們在電子信息化方面爭奪的一個制高點。傳感器產業涉及國民經濟、國防工業的各個領域，在國防設施、重大工程和重要工業裝備中，傳感器及其構成的智能化系統是必不可少的基礎技術和裝備核心［1］。

中國傳感器行業雖然發展迅速，但也面臨諸多挑戰，如高端人才不足，生產測試的自動化、規模化能力低，缺少龍頭企業，對新技術、新產品、新應用的敏感度低等。在智能制造戰略下，高性能傳感器的國產化研發及產業化顯得尤為迫切。

1 傳感器的定義

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

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、驅動程序、軟件算法等于一體的系統級產品。現階段，我國傳感器產業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展的產業空間格局。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）數據來源：賽迪顧問2020.4 Sensor

3 霍爾效應

傳感器種類及品種繁多，原理也各式各樣。自霍爾效應發現以來，霍爾傳感器已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品家族，被越來越多地應用于工業控制的各個領域。霍爾傳感器產業日益發展壯大，正在向小型化、集成化，高穩定性、高可靠性，低成本、低功耗方向發展。

霍爾效應的本質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生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，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，從而在兩側建立起一個穩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，平行電場和電流強度之比為電阻率。

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。早期霍爾效應原理首先在金屬材料中發現，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未在工業上得到實際應用。隨著半導體的出現，由于半導體的磁電現象比較顯著，霍爾元件開始進入實用階段。以霍爾效應原理構成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件通稱為霍爾效應磁敏傳感器，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越性能，如今已成為磁場測量的主流產品。目前的應用大致分為以下4個方向：一是測量載流子濃度，被廣泛應用于半導體中摻雜載體的性質與濃度的測量。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，可以構成壓力、應力、應變、機械振動、加速度、重量等霍爾傳感器［3］。霍爾傳感器因其具有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、耐震動等優點，已廣泛用于工業控制、智能儀器儀表、消費類電子和國防軍工等領域。

4 主要研究內容

4.1 霍爾混合集成電路技術研究

現有的霍爾開關集成電路基本能夠滿足各個領域的應用，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混合集成電路設計，將霍爾元件和調理電路芯片封裝成霍爾混合集成電路，具有結構牢固、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點。通過霍爾混合集成電路將許多非電、非磁的物理量，轉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。霍爾混合集成電路的穩定性、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的環境試驗要求，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；霍爾調理電路采用硅晶體材料、0.5μmCMOS擴散工藝制備的MOS管設計而成。霍爾混合集成電路功能框圖（見圖2）。

4.2 氣密性封裝技術研究

圖2 霍爾混合集成電路功能

氣密性封裝結構包括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調理電路，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構，體積小（3.8 mm×5.4 mm×1.7 mm）且具有較好的穩定性和可靠性，在電磁環境復雜的情況下仍能精準可靠地工作。封裝結構外殼尺寸如圖3所示。

圖3 封裝結構外殼尺寸

4.3 測量發電機輸出電壓頻率技術研究

在許多發電系統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定性和判斷發電機的轉速是否正常。傳統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℃，全溫區精度可達0.2%，能夠實現長距離傳輸，且抗干擾能力強。

測量發電機輸出電壓頻率的方法：單片機先系統初始化，外部中斷計算機輸入頻率脈沖次數，經延時設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系，線性誤差不大于0.2%。測量發電機輸出電壓頻率傳感器電路如圖4所示。

圖4 測量發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，再由霍爾傳感器轉換為弱點型號，經遠放放大輸出電壓信號。包括集磁環、置于磁環缺口的霍爾元件、運算放大器、AD芯片、微處理器、驅動電路和繞制在集磁環上的次級補償線圈。整個測量回路形成閉環系統，主要由磁電轉換部分、放大部分及驅動補償線路組成。

適用于測量直流到數千赫磁電流，頻帶較窄、線路形式簡單，性能穩定，可靠性高。根據需求，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形設計，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 主要產品及應用

5.1 霍爾集成電路

霍爾集成電路擁有開關型、鎖定型、線性型、小回差、片式電路等多個系列，耐溫可達-180℃，適應月球表面環境，產品性能處于國內領先水平。應用于伺服機構、衛星發射天線位置控制。

5.2 霍爾電流傳感器

霍爾電流傳感器測量范圍可由mA級到數萬A，直放式及磁平衡式設計，覆蓋各類應用。測量精度可達0.1%；低電壓技術，可工作于3.3 V電壓；溫度漂移可達十萬分之一。應用于光伏發電、機車、變頻器、通信電源、工業控制、伺服系統。霍爾電流傳感器如圖6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首創，有NPN、PNP多種輸出形式，應用于各種機械位置的檢測，可在太空、深水等復雜環境工作。霍爾位置傳感器如圖7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，應用于機床、電梯、伺服電機、工業自動化、機器人、航空航天等。霍爾角度傳感器如圖8所示。

圖8 霍爾角度傳感器