基于混合微电路工艺的多芯片集成双轴磁传感器模块

张君利，周晓丹，薛海英，曹 彪

(华东光电集成器件研究所,江苏苏州 215163)



基于混合微电路工艺的多芯片集成双轴磁传感器模块

张君利，周晓丹，薛海英，曹 彪

(华东光电集成器件研究所,江苏苏州 215163)

采用混合微电路工艺，设计了一种基于陶瓷互连基板及封装的多芯片集成(MCM-C)模块，将全固态双轴磁阻传感器及信号处理芯片等集成为微型化、高可靠的传感器模块。模块分别以16位串行数字量输出Y、Z向磁场检测结果，可以直接与各类微处理器接口进行实时数据交换。

混合微电路；多芯片集成；MCM-C；磁阻传感器

0 引言

全固态磁阻传感器具有低成本、高灵敏度、高响应速度、功耗低和高可靠性等特点,特别是在测量弱磁场以及基于弱磁场的地磁导航、数字智能罗盘、位置测量等方面，磁阻式传感器具有更明显的优越性,此外还能用来制作高精度的转速传感器、角位移传感器等，在军用、工业、航天航海、医疗仪器等多种仪器仪表方面有着广泛应用。

本文设计的是一种基于混合微电路工艺的磁传感器集成模块，基于陶瓷互连基板及陶瓷封装的多芯片集成(MCM-C)技术，集成了全固态双轴磁阻传感器、高精密仪表放大器、基准源、电源、A/D等。

另外模块内部集成了温度传感器，使用时根据需要可以由外部微处理器对磁检测输出进行温度补偿；模块内部集成的磁置位及复位信号发生及驱动可以对传感器进行磁置位及复位，因此能够进行更为精密的磁检测。

通过混合微电路工艺集成的传感器模块，将2个轴向的磁物理量，转换为16位串行数字量输出，具有微型化、高可靠环境适应性好的特性。可以方便地与各类微处理器如单片机、DSP等接口进行实时数据交换。

1 MCM-C双轴磁传感器模块总体设计

微磁强计主要有磁阻式、霍尔效应式、磁感应式等。本模块设计采用磁阻式，内部集成了双轴线性磁阻传感器，每个轴向传感器都有4个磁阻组成的惠斯通桥，当桥路加上供电电压时，传感器将磁场强度转化为电压输出。

传感器模块由双轴磁阻传感器、传感器信号放大、升压电路、磁置位/复位控制脉冲产生电路、磁置位/复位控制脉冲驱动电路、温度传感器及16位串行A/D转换等组成，原理框图如图1所示。

图1 双轴磁传感器集成模块原理框图

设计了500倍高增益放大器对敏感器桥路输出电压放大。主要用于对弱磁场检测。主要指标：

(1)磁测量范围±1 G(1 G=1×10-4T)；

(2)采用16位A/D转换器，+1 G时输出全1数字量，-1 G时输出全0数字量(1 LSB=30 μG)；

(3)磁检测分辨率：120 μG；

(4)线性误差：0.15%FS。

2 磁置位/复位控制

磁阻传感器在测量磁信号的同时，不可避免地会受到外界磁场环境的干扰。如果传感器长期受到外部强磁场的影响，在传感器的敏感轴方向上施加超过20 G的磁场,会打乱传感器磁阻内部磁畴的极化方向,改变传感器的输出特性,使输出的信号变弱,灵敏度降低。

为消除这种影响,需要重新设置这些磁畴的极化方向来恢复传感器的灵敏度。在传感器内部置位和复位电流带(内部的约为3～5 Ω的金属带)上施加小于2 μs的4 A的电流置位脉冲,可使磁阻内部磁畴方向重新达到最大的统一,提高灵敏度。磁置位脉冲电路图如图2所示。由于传感器的输出电压的极性取决于内部磁畴的极化方向,所以对传感器施加与置位脉冲方向相反的复位脉冲,能够使磁畴方向反转,对外表现为传感器输出的极性反转。

本传感器磁置位/复位脉冲SET/RESET控制信号由模块内部微控制器P89LPC903产生。通过写入控制程序，设计由外部脉冲控制产生磁置位/复位信号，P0.4口(JTAG端口复用成I/O口)每接收到一次低电平产生下面图一个周期的信号磁置位/复位，SHDOWN为升压控制信号。

磁置位/复位脉冲脉冲信号由VDMOS管实现4 A的电流驱动，驱动电压由+5 V电源经过升压到18 V，升压电路如图2(b)所示。升压控制信号也由微控制器产生，在不需要磁置位/复位时升压电路不工作以(SHDOWN为低电平)降低功耗。磁置位复位信号电路图如图2(a)所示，具体时序图如图3所示。

(a)磁置位复位信号电路

(b)升压电路图2 磁置位复位信号电路图

图3 磁置位复位信号时序图

3 双轴磁阻传感器及信号放大

设计3 V精密参考电压为传感器提供桥压，同时也为A/D转换提供基准电压，参考电压电路如图4(a)所示。由于磁场矢量信号微弱，易受外部环境干扰，前端磁模拟信号采用仪表放大器AD623放大，双轴磁阻传感器及信号放大电路如图4(b)所示。

(a)参考电压电路

(b)双轴磁阻传感器及信号放大电路图4 双轴磁阻传感器及信号放大电路图

4 温度测量设计

考虑在高精度测量时需要，由于磁阻传感器本身的灵敏度温度漂移为2.700×10-3/℃，为了满足高精度测量或多传感器数据融合温度补偿需要，设计了温度传感器用来检测模块工作环境温度，温度测量电路如图5所示。

图5 温度测量电路图

设计选用了电源电流为80 μA的低功耗半导体温度传感器DS60,其灵敏度为6.25 mV/℃，精度±2 ℃，输出直流偏置424 mV，测温范围-40～125 ℃。因此，-40～125 ℃范围内，温度传感器典型输出电压为174～1 205 mV。经过跟随器跟随后至A/D转换器输出串行数字量。A/D转换器输入模拟电压范围0～3 V，0 V输入对应的A/D输出编码全0，3 V输入对应的A/D输出编码全1，1 LSB=3/216=31 mV。

5 A/D转换设计

图6 四通道16位A/D转换电路图

为了传感器组件使用时方便地与微处理器接口，2路磁阻传感器及1路温度传感器输出的模拟电压量均经过16位转换串行数字量。设计如图6所示。其中，MY(Y方向磁阻模拟量)对应A/D通道0，MZ(Z方向磁阻模拟量)对应A/D通道1和2，温度传感器对应A/D通道3。

A/D转换的工作方式、通道设定及其他控制等均由外部控制。控制方式如下：

A/D为单端输入方式，通道选择设置位由A2、A1、A0确定，A/D控制位定义说明及通道的对应关系如表1和表2所示。

表1 单端输入通道选择(SGL/DIF=1)

A2A1A0CH0CH1CH2CH3001+IN101+IN010+IN110+IN

表2 A/D控制位(SOMO端)描述

BIT名称定义描述7S起始位在DIN第一个上升沿高电平有效6-4A2-A0通道选择详见表43———2SGL输入方式选择位本设计为单端输入,因此该位置11-0PD1-PD0时钟选择及power-down方式控制位00power-down模式10内部时钟模式01—11外部时钟模式

A/D转换时序如图7所示。

6 混合微电路多芯片集成(MCM-C)设计

采用基于Al2O3陶瓷基板的厚膜混合集成工艺，将以上有源器件、无源元件集成为微小型磁阻传感器组件。

通过光绘、制版、丝网印刷导电互连、丝网印刷厚膜电阻、烧结等工艺，厚膜有源器件采用未封装的半导体裸芯片，环氧

图7 A/D转换时序图

胶粘接安装于陶瓷基板上，裸芯片采用金丝键合的方法与基板实现电学互连。

主要工艺流程如图8所示。

图8 工艺流程

最终，陶瓷盖通过绝缘环氧粘接至陶瓷基板完成混合集成的封装。封装形式设计为双列直插式，产品外形如图9所示，传感器轴向My/Mz方向如图所示。

图9 双轴磁传感器组件封装外形图及轴向示意图

7 集成模块引脚

集成模块各个引脚及功能如表3所示。

表3 集成模块引脚及其功能

8 结束语

采用混合微电路工艺，将传感器芯片、模拟信号芯片、数字信号芯片、功率驱动芯片等集成封装在同一部件内，制造了基于陶瓷基板互连及封装的多芯片集成(MCM-C)传感器模块。具有以下优越性：采用未封装的半导体裸芯片集成后封装，实现了尺寸24 mm×20 mm微型化传感器组件；全固态的微型双列直插封装模块，没有移动部件，易于安装且可靠性高；高灵敏度，传感器可远距离感应被测物体。

[1] 黄一菲,郑神,吴亮,等.坡莫合金磁阻传感器的特性研究和应用.物理实验，2002，22(4)：45-48.

[2] JLICARI J J,ENLOW L R.混合微电路技术手册.北京:电子工业出版社,2004.

Multichip Integrated Dual-axis Magnetic Sensors ModuleBased on Hybrid Microcircuit Process

ZHANG Jun-li，ZHOU Xiao-dan，XUE Hai-ying，CAO Biao

(HUA DONG Photo-Electron IC Institute，Suzhou 215163,China)

A multichip integrated module was designed by hybrid microcircuit process based on ceramic substrate (MCM-C) technology.This minimized and reliable sensor module consists of magnetoresistive sensor chip and signal processing chips.The module outputs magnetic field test results in theyandzdirection in 16 bit serial data.It can exchange real-time data directly with all kinds of microprocessor interface.

hybrid microcircuit；multichip module；MCM-C；magnetoresistive sensor

2014-11-19 收修改稿日期：2015-03-05

TM452

A

1002-1841(2015)08-0007-03

张君利(1969—)，研究员,主要从事混合微电子集成设计。E-mail:zjl21402@163.com 周晓丹(1964—)，高级工程师,从事集成电路质量及可靠性设计。