俞志根

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程分院，浙江 湖州 313000）

1 前 言

角位移傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中的角度控制，在機(jī)械設(shè)備制造、化工過(guò)程控制、建筑設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療儀器生產(chǎn)等各種需要控制角度的場(chǎng)合［1］。主要有電阻式、電容式、電感式、光電式、光柵式等許多種，但目前市場(chǎng)上常用的是電阻式的角位移傳感器，它技術(shù)成熟、價(jià)格便宜，但只能輸出模擬信號(hào)、測(cè)量角度范圍只有350°左右，由于電刷的存在，機(jī)械壽命只有幾百萬(wàn)次，屬于接觸式測(cè)量。而基于霍爾效應(yīng)的非接觸式角位移傳感器具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，它能輸出數(shù)字式、脈沖式和模擬式等多種信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)死角測(cè)量，理論上可實(shí)現(xiàn)無(wú)限壽命等等特點(diǎn)，是位移傳感器的發(fā)展方向［2］。目前，國(guó)外已經(jīng)有這類傳感器問(wèn)世。本文依據(jù)霍爾效應(yīng)原理，采用大規(guī)模集成電路芯片AS5045、結(jié)合電氣隔離技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型霍爾式角位移傳感器，主要由信號(hào)處理電路板、輸出接口、磁鐵、軸承透蓋、絕緣隔套、軸承座、尼龍軸套、轉(zhuǎn)軸、開(kāi)口擋圈、調(diào)整墊圈和后蓋等部件組成，結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。

圖1 基于AS5045的角度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

其中的核心器件是AS5045芯片是外購(gòu)的，它采用CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝，并采用了一種旋轉(zhuǎn)電流Hall技術(shù)來(lái)檢測(cè)芯片表面上分布的磁場(chǎng)。AS5045通過(guò)內(nèi)置的Hall元件輸出一個(gè)電壓，此電壓能夠代表IC的表面磁場(chǎng)［3］。另外，還有磁鐵、尼龍軸套、開(kāi)口擋圈、調(diào)整墊圈等零件也可以外購(gòu)，粘接劑也是外購(gòu)的。信號(hào)處理電路板的PCB板設(shè)計(jì)好后可委托專業(yè)公司代工，其余零件自己生產(chǎn)，并進(jìn)行產(chǎn)品總裝和性能測(cè)試，產(chǎn)品的總體生產(chǎn)工藝主要包括信號(hào)處理電路PCB板的設(shè)計(jì)與制造、電路元件件的SMT生產(chǎn)、電路性能的測(cè)試、外殼與轉(zhuǎn)軸等自制零件的設(shè)計(jì)與制造、磁鐵、軸承等外購(gòu)件的采購(gòu)、零件質(zhì)量的檢測(cè)、整體組裝及性能檢驗(yàn)等工藝過(guò)程。總體工藝流程如下圖所示。

圖2 傳感器總體工藝流程圖

2 傳感器電路板制造工藝

2.1 PCB板制造工藝

傳感器的核心是信號(hào)處理電路板的設(shè)計(jì)與制造，原理電路圖設(shè)計(jì)好后，應(yīng)按IPC－2510標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)。在IPC標(biāo)準(zhǔn)中特別指出帶有表面貼裝器件的PCB板允許的最大變形量為0.75%，沒(méi)有表面貼裝的PCB板允許的最大變形量為1.5%［4］。因此，必須高度重視PCB板在生產(chǎn)過(guò)程中的變形問(wèn)題，在制造工藝的制訂時(shí)要充分考慮可引起變形的各種因素，加以合理控制，以保證質(zhì)量。霍爾式角位移傳感器的信號(hào)處理電路PCB板采用雙面覆銅板，工藝流程如下圖所示。主要包括電路原理圖設(shè)計(jì)、電路PCB板設(shè)計(jì)、下料、鉆孔、導(dǎo)通孔金屬化、網(wǎng)印負(fù)性電路圖形、檢驗(yàn)修板、線路圖形電鍍、電度錫、去印料、蝕刻銅、網(wǎng)印阻焊圖形熱固化綠油、清洗干燥、網(wǎng)印標(biāo)記字符、外形加工與電氣通斷檢測(cè)等工藝過(guò)程，最后，PCB板入半成品倉(cāng)庫(kù)待用。PCB板的設(shè)計(jì)與制造較為復(fù)雜，工藝要求很高，需要專門的生產(chǎn)流水線，一次性投資較大。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路的PCB板設(shè)計(jì)制造工藝流程

2.2 電路元件貼裝工藝

PCB板完成后，可在小型SMT生產(chǎn)線上進(jìn)行元件的貼裝，工藝流程如下圖所示。SMT工藝流程主要包括：點(diǎn)貼片膠、元件點(diǎn)貼裝、烘干固化、回流焊、清洗、檢測(cè)返修等工藝步驟，屬于較為成熟的電路生產(chǎn)技術(shù)。由于信號(hào)處理電路所用器件很少，都是貼片元件，故在產(chǎn)品中試時(shí)投資生產(chǎn)時(shí)需要一條小型SMT生產(chǎn)線專門用于電路板的生產(chǎn)。

圖4 信號(hào)處理電路的SMT制造工藝流程

3 傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)部件制造及裝配工藝

3.1 轉(zhuǎn)軸制造工藝

轉(zhuǎn)軸及外殼等自制零件中的轉(zhuǎn)軸采用0Cr16Ni14型不繡鋼材質(zhì)，外殼采用尼龍加玻璃纖維或鋁合金材質(zhì)，絕緣隔套采用尼龍材質(zhì)。轉(zhuǎn)軸及鋁合金外殼的生產(chǎn)工藝如下圖所示。主要包括：下料、在儀表車床上精車外圓、端面和卡槽、半精磨、熱處理、精磨、質(zhì)量檢驗(yàn)，最后入半成品庫(kù)。

3.2 AlNiCo稀土磁鐵粘貼工藝

AlNiCo稀土磁鐵是這種角度傳感器工作的一個(gè)重要方面，磁場(chǎng)的性質(zhì)與傳感器的性能之間有直接的關(guān)系。AlNiCo稀土磁鐵通過(guò)金屬膠安裝在轉(zhuǎn)軸端部的凹槽內(nèi)，這樣可以方便地保持對(duì)中性，粘貼時(shí)上膠要均勻一致，加壓要適中，加壓時(shí)間在2－4秒之間，要保持粘貼的平整。

4 傳感器裝配工藝

尼龍外殼及隔套可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后委托給專業(yè)的塑料件生產(chǎn)企業(yè)代工生產(chǎn)，這樣可減少設(shè)備投資，降低生產(chǎn)成本。

本項(xiàng)目產(chǎn)品的組裝包括磁鐵與轉(zhuǎn)軸的粘接，軸套與軸承座的壓粘、絕緣隔套與軸承座的及透蓋的粘接等，工藝流程如下圖所示。其中，磁鐵的粘接很關(guān)鍵，主要應(yīng)注意磁鐵與信號(hào)處理芯片的對(duì)中，因?yàn)槿绻麅烧叩膶?duì)中性將直接影響輸出信號(hào)的可靠性與穩(wěn)定性，要求兩者的對(duì)中誤差應(yīng)控制在0.01mm內(nèi)。主要通過(guò)控制轉(zhuǎn)軸中心與軸承透蓋中心來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，軸承座與透蓋的粘接也很重要，一定要控制好用膠量和粘接壓力、溫度和時(shí)間等工藝參數(shù)，才能保證粘接強(qiáng)度和密封性。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，軸承座與透蓋的粘接壓力應(yīng)在15－20N之間，溫度在45－55℃，時(shí)間在2－3s之間，以這樣的參數(shù)最為合理。

圖6 傳感器整體組裝工藝流程

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)基于AS5045芯片的新型霍爾式角位移傳感器制造工藝進(jìn)行了全面的分析研究，這一工藝方案用于傳感器的生產(chǎn)，取得了良好的效果，達(dá)到了傳感器設(shè)計(jì)目標(biāo)，在傳感器的分辨率、使用壽命、抗干擾性能等各方面指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，目前生產(chǎn)企業(yè)正在進(jìn)一步完善批量生產(chǎn)工藝，投入批量生產(chǎn)。

［1］郭 軍，劉和平，劉 平.基于大電流檢測(cè)的霍爾傳感器應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（5）：142－145.

［2］習(xí)喜龍，劉 勇，周 崗，等.磁角度傳感器在舵角采集中的應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2010，30（9）：89－91.

［3］吳紅梅，蔣水秀.基于 AS5045的磁旋轉(zhuǎn)編碼器的研究和應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（7）：57－58.

［4］劉海龍.PCB生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生變形的原因及改善［J］.印制電路信息，2012（7）：11－14.