基于AS5045芯片的角度传感器制造工艺研究＊

俞志根

（湖州职业技术学院 机电工程分院，浙江 湖州 313000）

1 前 言

角位移传感器广泛应用于机电一体化控制系统中的角度控制，在机械设备制造、化工过程控制、建筑设备、仪器仪表、医疗仪器生产等各种需要控制角度的场合［1］。主要有电阻式、电容式、电感式、光电式、光栅式等许多种，但目前市场上常用的是电阻式的角位移传感器，它技术成熟、价格便宜，但只能输出模拟信号、测量角度范围只有350°左右，由于电刷的存在，机械寿命只有几百万次，属于接触式测量。而基于霍尔效应的非接触式角位移传感器具有无可比拟的优势，它能输出数字式、脉冲式和模拟式等多种信号，可实现无死角测量，理论上可实现无限寿命等等特点，是位移传感器的发展方向［2］。目前，国外已经有这类传感器问世。本文依据霍尔效应原理，采用大规模集成电路芯片AS5045、结合电气隔离技术，设计了一种新型霍尔式角位移传感器，主要由信号处理电路板、输出接口、磁铁、轴承透盖、绝缘隔套、轴承座、尼龙轴套、转轴、开口挡圈、调整垫圈和后盖等部件组成，结构原理如下图所示。

图1 基于AS5045的角度传感器结构原理图

其中的核心器件是AS5045芯片是外购的，它采用CMOS标准工艺，并采用了一种旋转电流Hall技术来检测芯片表面上分布的磁场。AS5045通过内置的Hall元件输出一个电压，此电压能够代表IC的表面磁场［3］。另外，还有磁铁、尼龙轴套、开口挡圈、调整垫圈等零件也可以外购，粘接剂也是外购的。信号处理电路板的PCB板设计好后可委托专业公司代工，其余零件自己生产，并进行产品总装和性能测试，产品的总体生产工艺主要包括信号处理电路PCB板的设计与制造、电路元件件的SMT生产、电路性能的测试、外壳与转轴等自制零件的设计与制造、磁铁、轴承等外购件的采购、零件质量的检测、整体组装及性能检验等工艺过程。总体工艺流程如下图所示。

图2 传感器总体工艺流程图

2 传感器电路板制造工艺

2.1 PCB板制造工艺

传感器的核心是信号处理电路板的设计与制造，原理电路图设计好后，应按IPC－2510标准进行PCB板设计。在IPC标准中特别指出带有表面贴装器件的PCB板允许的最大变形量为0.75%，没有表面贴装的PCB板允许的最大变形量为1.5%［4］。因此，必须高度重视PCB板在生产过程中的变形问题，在制造工艺的制订时要充分考虑可引起变形的各种因素，加以合理控制，以保证质量。霍尔式角位移传感器的信号处理电路PCB板采用双面覆铜板，工艺流程如下图所示。主要包括电路原理图设计、电路PCB板设计、下料、钻孔、导通孔金属化、网印负性电路图形、检验修板、线路图形电镀、电度锡、去印料、蚀刻铜、网印阻焊图形热固化绿油、清洗干燥、网印标记字符、外形加工与电气通断检测等工艺过程，最后，PCB板入半成品仓库待用。PCB板的设计与制造较为复杂，工艺要求很高，需要专门的生产流水线，一次性投资较大。

图3 信号调理电路的PCB板设计制造工艺流程

2.2 电路元件贴装工艺

PCB板完成后，可在小型SMT生产线上进行元件的贴装，工艺流程如下图所示。SMT工艺流程主要包括：点贴片胶、元件点贴装、烘干固化、回流焊、清洗、检测返修等工艺步骤，属于较为成熟的电路生产技术。由于信号处理电路所用器件很少，都是贴片元件，故在产品中试时投资生产时需要一条小型SMT生产线专门用于电路板的生产。

图4 信号处理电路的SMT制造工艺流程

3 传感器转动部件制造及装配工艺

3.1 转轴制造工艺

转轴及外壳等自制零件中的转轴采用0Cr16Ni14型不绣钢材质，外壳采用尼龙加玻璃纤维或铝合金材质，绝缘隔套采用尼龙材质。转轴及铝合金外壳的生产工艺如下图所示。主要包括：下料、在仪表车床上精车外圆、端面和卡槽、半精磨、热处理、精磨、质量检验，最后入半成品库。

3.2 AlNiCo稀土磁铁粘贴工艺

AlNiCo稀土磁铁是这种角度传感器工作的一个重要方面，磁场的性质与传感器的性能之间有直接的关系。AlNiCo稀土磁铁通过金属胶安装在转轴端部的凹槽内，这样可以方便地保持对中性，粘贴时上胶要均匀一致，加压要适中，加压时间在2－4秒之间，要保持粘贴的平整。

4 传感器装配工艺

尼龙外壳及隔套可在结构设计完成后委托给专业的塑料件生产企业代工生产，这样可减少设备投资，降低生产成本。

本项目产品的组装包括磁铁与转轴的粘接，轴套与轴承座的压粘、绝缘隔套与轴承座的及透盖的粘接等，工艺流程如下图所示。其中，磁铁的粘接很关键，主要应注意磁铁与信号处理芯片的对中，因为如果两者的对中性将直接影响输出信号的可靠性与稳定性，要求两者的对中误差应控制在0.01mm内。主要通过控制转轴中心与轴承透盖中心来实现。另外，轴承座与透盖的粘接也很重要，一定要控制好用胶量和粘接压力、温度和时间等工艺参数，才能保证粘接强度和密封性。经过大量试验，轴承座与透盖的粘接压力应在15－20N之间，温度在45－55℃，时间在2－3s之间，以这样的参数最为合理。

图6 传感器整体组装工艺流程

5 结 语

本文对基于AS5045芯片的新型霍尔式角位移传感器制造工艺进行了全面的分析研究，这一工艺方案用于传感器的生产，取得了良好的效果，达到了传感器设计目标，在传感器的分辨率、使用寿命、抗干扰性能等各方面指标均达到设计要求，目前生产企业正在进一步完善批量生产工艺，投入批量生产。

［1］郭 军，刘和平，刘 平.基于大电流检测的霍尔传感器应用［J］.传感器与微系统，2011，30（5）：142－145.

［2］习喜龙，刘 勇，周 岗，等.磁角度传感器在舵角采集中的应用［J］.舰船电子工程，2010，30（9）：89－91.

［3］吴红梅，蒋水秀.基于 AS5045的磁旋转编码器的研究和应用［J］.计算机光盘软件与应用，2012（7）：57－58.

［4］刘海龙.PCB生产过程中产生变形的原因及改善［J］.印制电路信息，2012（7）：11－14.