金属镀层应用于电磁屏蔽的研究

王雷 王文武 朱胜平 任浩 郑民

宁波中车时代传感技术有限公司，浙江宁波 315021

一、引言

随着信息化与智能化时代的发展，传感器作为信号检测的核心器件，对其精度、可靠性、稳定性等要求也越来越高。直放式霍尔传感器就是其中一种，广泛应用于轨道交通、工业变频、光伏及汽车等行业。

如今各种控制部件集成化程度越来越高，电磁辐射环境越来越复杂，对其配套传感器的抗干扰能力也提出了更高的要求。在完成传统的采用PCB EMC设计来解决抗干扰问题后，更多采用机壳的屏蔽设计，金属机壳能起到良好的屏蔽作用，但从减轻重量、降低成本等角度出发，越来越多地采用塑料机壳表面金属化来进行屏蔽处理，从而达到抗干扰的效果。

传统的水电镀因为污染大而将逐渐被淘汰，本文所述金属镀层采用较先进的真空镀，环保无污染，镀层厚度一般在几微米至几十微米。

本文以直放式霍尔传感器作为研究对象，分析在不同金属镀层下传感器的抗干扰能力，从而进行改善和优化，提升传感器的抗干扰性能。

二、直放式霍尔传感器原理

当原边电流Ip通过一根长导线时，在导线周围产生的磁通聚集在传感器磁芯的磁路中，磁场的大小与电流大小成正比，在磁芯气隙处，霍尔元件测量磁场大小并感应出一个电势，霍尔元件的输出电压信号经过处理，在传感器输出端输出标准电压信号，该电压信号精确地反映原边电流变化，如图1所示[1-2]。

三、电磁屏蔽原理

塑料件金属镀层电磁屏蔽的原理如图2所示。当电磁辐射波照射到金属镀层时，一部分电磁波在金属镀层的第一界面被反射掉，称为反射波R；剩余部分电磁波进入金属层内部，进入金属层内部的电磁波一部分被内部吸收，称为吸收损耗A；一部分在金属层与塑料件之间的第二界面被多次反射，称为多次反射损耗B，直到能量全部被损耗，最后剩余一小部分进入塑料件基体内部。

根据Schelkunof电磁屏蔽理论，屏蔽材料的屏蔽效能（SE）可表示为：

其中，A —吸收损耗；

B —多次反射损耗；

R —反射损耗。

普通金属镀层其多次反射损耗基本可以忽略不计，因此，电磁屏蔽效能可表示为：

一般来说，电屏蔽材料衰减的是高阻抗的电场，屏蔽层作用主要由表面反射R来决定，吸收损耗A则不是主要的。所以，电屏蔽材料可以用比较薄的金属材料制作，而磁屏蔽材料的衰减主要由吸收损耗A决定，反射损耗R不是主要的。

内部吸收波的公式如下：

反射损耗的公式如下：

对于远场波（平面波辐射波）有：

对于近场波：

磁场：

电场：

其中，t —屏蔽层厚度（mm）；

f —电磁波频率（Hz）；

σr—屏蔽材料相对电导率；

ur—屏蔽材料相对磁导率；

X —为场源与屏蔽体之间的距离（cm）[3]。

由公式（3）可见，吸收损耗A只与屏蔽材料的厚度、电磁波频率、磁导率、电导率有关，且吸收损耗与屏蔽材料厚度成线性关系。

由公式（4）可见，对于远场波反射损耗与电磁波频率、磁导率、电导率有关。

由公式（5）、（6）可见，对近场波反射损耗与电磁波频率、磁导率、电导率、场源距离有关。

塑料件上采用真空镀时镀层厚度都比较薄，一般只有几微米至几十微米，因此，吸收损耗A也比较小；可以用多次反射损耗来进行修正，对于近场源公式如下：

其中，λ —与材料的种类、温度和杂质含量等有关的常数。

关于远场多次反射损耗计算较复杂，此文暂不做介绍。

表1 常用金属相对磁导率及相对电导率

综合上述公式可见，有较高电导率及磁导率的屏蔽镀层有较好的屏蔽作用。常用金属相对磁导率ur及相对电导率σr如表1所示。银、铜、金、铝等都是很好的电导体，相对电导率σr较大，在高阻抗电场环境下有很好的屏蔽作用，但在低阻抗磁场环境下屏蔽却不够理想，屏蔽效果主要以反射损耗R为主。对于钢、坡莫合金、不锈钢等导磁材料而言，它们相对磁导率ur较大，在低阻抗磁场环境下有很好的屏蔽作用，屏蔽作用主要以吸收损耗A为主，随着电磁波的频率升高，电磁波的穿透能力变强，屏蔽效果变差[4-5]。

而今，花五奇面前的对手，就是善使龙爪手和分筋错骨手的顶尖高手，“铁手揉豆渣”，一旦被秦铁崖的铁手擒住，比试就算结束。花五奇神经绷得紧紧的，他知道，一旦自己招式用老，手臂、肩膀甚至脖子就会被秦铁崖拿住。他可不是张万邦，肩膀厚、膀子粗、力气大，他那么瘦，被秦铁崖拿住，可就惨了。

四、直放式传感器样机验证

为了提高屏蔽效果，在实际应用中镀层材料可针对金属材料特性及使用电磁场环境进行选择。在低阻抗的电磁场环境中，优先选用吸收损耗大的材料，如钢、坡莫合金、不锈钢等。在高阻抗的电磁场环境中，优先选用反射损耗大的材料，如银、铜、金、铝等。

在传感器实际应用中，环境一般都是高阻抗电磁场干扰，干扰电磁场进入传感器磁芯，影响磁芯中的磁通，进而影响霍尔元件的输出，因此需要选用反射损耗大的材料，即电导率较高的金属作为屏蔽镀层材料。在塑料件外壳进行镀银、镀金时，因面积较大，成本高，不适合工业批量化生产，故选用相对导电率较高的铜、铝进行屏蔽测试试验。本文以5种样本进行测试，分别为无镀层、镀铝3μm、镀铝18μm、镀铜3μm、镀铜18μm。图3为5种镀层样本，测试数据如表2所示。

测试条件：电磁波的辐射强度：10V/m；辐射频率测试波动范围：80MHz～1GHz；传感器测试点：零点输出；外壳镀层接地。

表2 测试数据

无镀层与不同材质镀层测试数据对比：图4为测试数据折线图。可以看出，在高阻抗电磁场干扰下，样品零点输出波动范围从高到低依次为：无镀层、镀18μm铝层、镀18μm铜层。从中可得出金属镀层有较好的屏蔽作用，且铜的屏蔽效果优于铝的屏蔽效果。

同种金属镀层不同厚度测试数据对比：图5为同种金属镀层不同厚度测试数据折线图。可看出，在高阻抗电磁场干扰下，同种铝或铜的镀层情况下，18μm厚的金属镀层屏蔽效果均优于3μm厚的金属镀层。

五、结论

本文主要通过对金属镀层屏蔽效果的理论分析研究，并结合实际对直放式传感器测试数据对比分析，得出不同材料、不同镀层厚度对屏蔽效果的影响。金属镀层具有一定的屏蔽效果，铜镀层屏蔽效果优于铝镀层的屏蔽效果，同种金属镀层材料厚度越厚屏蔽效果越好。在实际工业化批量生产中，可通过真空镀将金属镀至塑料外壳上，在提高传感器抗干扰性的同时，既环保又利于批量自动化生产。