高端霍尔传感器关键技术的研究

李 萍，罗 云

(南京中旭电子科技有限公司 江苏 南京 210039)

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器属于电子信息行业，涉及到国民经济和国防建设的各个领域，是衡量国家信息化程度的重要标志。

自从 1879年美国物理学家 Edwin Herbert Hall发现霍尔效应以来，霍尔传感器被越来越多地应用于工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等领域，成为智能化系统必不可少的基础技术和装备核心。国内传感器技术较国外还有较大差距，瑞士 LEM、德国VAC、美国 MELEXIS、Honeywell等国外厂商占据大部分市场。为此，研究国产高端霍尔传感器，特别是航天航空国防建设方面的高性能传感器显得尤为迫切。

1 基本原理

霍尔传感器工作的理论是建立在带电粒子在磁场中运动所产生霍尔效应的基础上。霍尔效应是指当一载流体置于磁场中静止不动时，若此载流体中的电流方向与磁场方向不相同，则在此载流体中平行于由电流方向和磁场方向所组成的平面上将产生电势，此电势称为霍尔电势，此现象称为霍尔效应。在磁场不太强时，霍尔电势UH(mV)与电流强度I(mA)和磁感应强度 B(kGs)成正比，即：UH＝S·I×B，式中 S为乘积灵敏度[mV/(kGs·mA)]。

霍尔电流传感器正是利用VH与B的线性关系，来测量导线电流的。通电导体在它周围必然产生磁场，根据安培环路定律，我们采用具有很高磁导率的软磁材料做成圆环(假定通电导体为圆柱体)，并开以气隙，利用磁环对磁场加以聚集，则可以加大信号，提高信噪比。

2 主要研究内容

本项目霍尔高端传感器应用于航天航空和国防建设等领域，为航天工程、登月工程、飞机、船舰配套。航天航空应用环境与地面应用有较大差别，由于空间应用具有不可修复性，要求传感器必须具有很高的可靠性，我国高端霍尔传感器依赖进口。国内传感器技术水平低，产品种类少，许多产品仅用于一般工业用途，不能满足于航天科技高可靠性的使用环境要求，对辐射剂量比较高的射线无法遮挡，无法达到试验要求，由于工作温度窄，长距离传输容易受到干扰，不能适应航天航空耐高温、耐低温的复杂环境要求。因此，航天航空高端霍尔传感器研究必须把重点放在以下关键技术的突破与创新上。

2.1 霍尔电路抗辐射关键技术研究

在航天环境中，存在大量的辐射粒子，虽然粒子被卫星外壳阻挡，但穿透力极强的射线无法遮挡，故传感器必须采用抗辐照设计。

采用 CMOS混合电路设计，包括霍尔元件和与之连接的调理电路。调理电路包括双差分放大电路、史密特触发电路、输出电路，霍尔元件感应外界磁场并输出电压信号，双差分放大电路输入霍尔电压并将放大后的电压信号输出至史密特触发电路，史密特触发电路将输入的电压信号由正弦信号转换为数字方波脉冲信号，并将转换后的数字方波脉冲信号通过输出电路输出。其中霍尔元件由砷化镓单晶材料经溅射工艺制造而成，双差分放大电路、史密特触发电路、输出电路均由釆用硅单晶材料、0.5μm CMOS扩散工艺制备的MOS管设计而成(图1)。

采用气密性封装结构，将 CMOS调理电路和霍尔原件以芯片形式封装于陶瓷安装槽中。包括一具有安装槽的陶瓷外壳、封装于所述安装槽内的霍尔元件和 CMOS调理电路以及盖在安装槽的外边缘并用于气密性结构封装所述安装槽的镀金盖板，其中霍尔元件通过一金丝与陶瓷外壳连接，调理电路通过硅铝丝与陶瓷外壳连接，陶瓷外壳内部布设有印刷导线连接霍尔元件、CMOS调理电路和多个伸出陶瓷外壳之外的管脚，从而保证了霍尔混合集成电路气密性封装的实现，同时具备很好的高抗辐照性能。其抗辐照总剂量达 100krad(1kGy)，抗中子辐射达 1×1014n/cm2(n指高能粒子数目)，满足航天应用环境需求。

图1 锁定型霍尔集成电路磁电转换特性Fig.1 Lock shaping Hall IC magnetoelectric conversion characteristic diagram

2.2 霍尔电路耐温关键技术研究

航天航空应用环境复杂多变，要求传感器环境适应性好，在高温或低温环境下能长时间工作，且不发生温度漂移。

将硅单晶体材料的电路芯片封装到一气密性封装结构中，设计成为高可靠的霍尔片式集成电路。采用温度补偿电路抵消掉磁场计算公式中与温度相关的参数影响，使磁场不随温度变化而变化。在版面设计时，采用硅平面双极型工艺，保证电路能够在180℃的高温环境下短时工作。霍尔电路芯片通过硅铝丝与陶瓷外壳连接，陶瓷外壳内部设有印刷导线连接 4个伸出管脚，连接陶瓷外壳。采用无磁气密性封装结构，产品结构牢固、体积小、重量轻、寿命长，耐温可达-180℃～150℃，适应月球表面超高、低温环境，达到宇航级要求。

2.3 传感器耐温、抗干扰关键技术研究

霍尔电流传感器在空间应用时，周围有很多的大型电子设备，会产生各种各样的电磁波，要求传感器具有很高的电磁兼容性。传统频率的传感器工作温度范围窄(0～70℃)，长距离传输容易受到干扰；在宽温区工作，温漂大，测量精度难以保证。

因外部电磁干扰通过磁芯作用于霍尔元件，故本项目在磁芯设计时采用磁平衡对称结构，让外界干扰在磁芯中互相抵消。这种设计一般用于测量200A以下电流的传感器中。

采用 0.35mm的坡莫合金冷冲成型，径向叠片，使磁路尽可能均匀，同时也避免在磁芯中产生旋涡。为实现温度补偿措施，减小产品温漂，选用失调小、灵敏度高的霍尔元件，或选用参数相接近的霍尔元件进行双霍尔设计，可以到达很好的温度性能。为提高抗外界磁干扰，选用剩磁导磁率高的坡莫合金制作屏蔽壳体，将磁芯与电源地相连接。采用上述方案设计的传感器，可以实现在-55～+125℃达到 0.2%的精度，满足 GJB 151A—1997《军用设备和分系流电磁发射和敏感度要求》的要求，解决在复杂电磁环境和温度变化大等恶劣环境下达到高精度、高抗干扰测量的难题。

对于大电流(数百安培以上)测量的需要，基于霍尔直放式的工作原理，采用双霍尔元件补偿，将被测电流产生的磁场信号转换为电压信号，霍尔电压信号经放大、调整后即可得到与测量电流具有对应关系的电压信号。采用该原理的霍尔传感器具有封装尺寸小、测量范围广、重量轻、低电源损耗的优点。

例如 HDC-XXX霍尔传感器，采用敏感元件高低温分选及双路检测技术，使温漂低至 20×10-6/℃，在高温度(125+5)℃的情况下进行大电流测量(能够测量电流 1500A)，传感器性能正常。应用恒流源放大的电路，将2个霍尔传感器分别串联在一射极跟随电路构成的恒流源中；2个霍尔传感器的输出弱信号接差分放大器电路，差分放大器电路接反相放大电路输出；射极跟随电路对霍尔元件进行供电，可以保证在高温环境中，有效控制霍尔原件的温漂(图2)。

图2 HDC-200EJ霍尔大电流传感器工作曲线图Fig.2 HDC-200EJ Hall large current sensor working curve

3 生产方案

3.1 产品工作原理

霍尔集成电路把稳压器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和集电极开路输出集成到同一单晶片，实现将变化的磁信号转换成数字电压输出(图3)。

图3 HDC-1500KJ耐高温型霍尔电流传感器工作曲线图Fig.3 HDC-1500KJ high temperature resistant Hall current sensor working curve

根据霍尔效应原理，霍尔元件的2个输出端将输出1个电压值，称为霍尔电压VH，这个电压经差分放大器放大后作为施密特触发器的触发信号。磁场的极性每变换一次，电路的输出就完成一次开关转换，这就是霍尔开关集成电路工作的原理(图4)。

图4 霍尔集成电路的功能方框图Fig.4 Functional block diagram of Hall IC

3.2 技术路线

3.2.1 结构设计

传统霍尔集成电路的外形尺寸为 6.0mm×4.5mm×1.7mm。近几年，用户对霍尔集成电路的外形尺寸要求越来越高，为了满足用户对产品体积的要求，产品的外形尺寸设计与进口 SS400系列外形尺寸相似，达到 4.5mm×3.6mm×1.7mm，只有传统霍尔集成电路尺寸的60%。霍尔集成电路体积缩小后，对气密性，封装要求，抗 30000gn恒定加速度试验，抗振动、冲击等机械性能的要求均相应地有所提高。因此，在电路外壳强度设计、芯片的剪切力、键合强度等方面均需要对工艺进行控制，以满足设计要求。

3.2.2 CMOS电路设计

电路磁场参数的中心值和一致性主要通过电路设计和版图设计来保证，包括以下几种方法：

①采用恒压偏置模式提高芯片与芯片之间磁场参数的一致性。

②提高电路稳压模块的性能，使得稳压电路的精度从 3%提高到 1%，改进施密特触发器，使其磁滞更为精确。

③将运算放大器的失调电压从 3mV降低为1mV。

④对版图进行优化设计，使得产品的键合区由3个(电源、地和输出)变成 4个(多 1个备份点)，保证产品在工艺过程的开口应力相同。

⑤由4个霍尔元件组成霍尔元件阵列，放置在整个电路版图的正中央，减小应力和温度对霍尔元件参数的影响。

3.2.3 可靠性研究

在霍尔集成电路设计阶段，通过防静电设计、耐高温设计、高耐压设计和辐照加固设计等方面对器件的线路和版图进行优化设计，提高产品的参数指标。在生产阶段对霍尔集成电路工艺进行控制，对封装工艺进行攻关，保证产品密封性，减少内部多余物的产生，控制产品内部气氛，提高产品质量。最终，使霍尔集成电路可靠性达到航天航空用户的要求。成品出厂筛选阶段，按照 GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》方法，通过对产品进行150℃下的电老炼试验，剔除早期失效的产品，并通过抽样可靠性试验对霍尔集成电路的可靠性水平进行评估。

技术路线如图5所示。

图5 生产工艺流程图Fig.5 Production process flow chart

3.3 主要技术指标

技术指标按照 ISO 9001质量管理体系和 GJB 9001国家军用标准质量管理体系执行，产品通过美国UL认证和欧盟CE认证。主要技术与产品性能指标、执行的质量和环保标准，通过的国家有关许可认证、质量认证、环境认证如表1所示。

表1 产品主要技术指标Tab.1 Main technical indexes of product

4 主要产品

高性能霍尔传感器包括霍尔集成电路和开关型、锁定型、线性型、小回差等传感器。具有结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达 1MHz)，耐震，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀特点，可满足多种环境条件下的应用要求。