使用量子阱霍爾效應傳感器開發線性電流隔離器

本文是翻譯的，大概內容如下：

1.QWHE傳感器可用于制造出色的電流隔離器。（QHHE是量子阱霍爾效應傳感器）QWHE 隔離器具有更低的噪聲和寄生電容、更寬的溫度和頻率工作條件、更高的線性度、更高的靈敏度和緊湊的尺寸（傳感器尺寸為 210μm×210μm)。

2.變壓器廣泛用于電源隔離

電容器用于信號隔離。這兩種類型的隔離器僅適用于交流操，且體積很大，不適合集成電路。

相比QWHE可用于直流和交流操作!!

3.光隔離器和磁阻隔離器()通常用于小信號隔離。增益溫度系數非常差

相比QWHE，無需直接接觸信號即可非侵入式檢測磁場。173K 至 400K 的溫度范圍內有效使用，頻率范圍為 DC 至 10kHz，具有出色的頻率增益線性度和極低的增益溫度系數。

傳感器和執行器 A：物理

第 263 卷，2017 年 8 月 15 日，第 54-62 頁

具有寬頻率響應和低增益溫度系數的量子阱霍爾效應線性隔離器

Chen-Wei?Liang?Ertan?Balaban?Ehsan?Ahmad?James?Sexton?Mohamed?Missous

曼徹斯特大學電氣與電子工程學院，Sackville Street, Manchester M13 9Pl, UK

2016 年 12 月 9 日收到，2017 年 5 月 8 日修訂，2017 年 5 月 22 日接受，2017 年 5 月 25 日在線提供，2017 年 6 月 4 日記錄版本。

強調

?基于量子阱霍爾效應器件的磁線性隔離器的開發。

?QWHE隔離器在0～100kHz頻率響應的相對誤差≤5.4%。

?該隔離器提供出色的增益溫度系數（< 7.5??×??10?-4??K?-1?)。

?該設備可用于直流和交流操作。

?觀察到每個頻率下輸出電壓和輸入電流之間的線性關系（R2≈1.0）

摘要

使用緊湊且高靈敏度的量子阱霍爾效應 (QWHE) 傳感器開發了一種線性電流隔離器。該傳感器基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 異質結構，最大電容為 5.5pF，3dB 帶寬為 40.2MHz。作為這項工作的一部分，印刷發射器線圈也被設計為該 QWHE 電流隔離器的一部分。在隔離器件的每個頻率下，觀察到輸入電流和輸出電壓之間的線性關系 (R2≈1.0)。0～100 kHz頻率響應的相對誤差≤5.4%。在低溫和高溫下也獲得了兩個增益溫度系數，α1和 α2，溫度為 280K 是兩個區域之間的邊界。α 1和α2的平均值分別為(7.09±0.27)×10-4K-1和(3.22±0.17)×10-4K-1。α 1和α2振幅的控制機制被認為是由于二維電子氣（2DEG）電子遷移率的溫度變化，這是由所使用的QWHE傳感器的異質結構性質引起的。QWHE 隔離器具有高精度、大帶寬、高頻率增益線性度和熱穩定性。與商用光隔離器、基于硅霍爾傳感器的隔離器和線圈隔離器相比，這種 QWHE 隔離器不需要任何外部光傳感器晶體管或鐵氧體環形線圈來提高其靈敏度。因此，它不受任何非線性晶體管行為、B-H曲線或磁保持力的影響。結果表明，這種高靈敏度、高線性 QWHE 隔離器適合用作低成本、高效率、線性電流隔離裝置。

1.介紹

電流隔離器廣泛用于電子行業，特別是用于安全和噪聲關鍵應用。主要思想是斷開兩個電路區域之間的導電路徑。它們用于防止接地回路、避免電擊以及降低共模噪聲。它們廣泛用于能量轉換應用，例如光伏系統中的 DC/DC 轉換器[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。伊曼-艾尼等人。[7]報道了一種模塊化電力電子變壓器，用于為關鍵負載供電，以將高交流輸入電壓轉換為低直流電壓。沃爾特等人。[8]提出了一種用于電動汽車的高功率和可擴展的電流隔離 DC/DC 轉換器。Bermejo 和 Castaňer[5]強調，無需使用任何 DC/DC 轉換器即可在高壓下實現具有電流隔離的直接驅動。在傳統的腦電圖系統中，需要電流隔離來確?；颊叩陌踩玔9]。

近年來，人們對微系統領域及其在廣泛領域的應用越來越感興趣，包括能夠在完全電流隔離下運行的基于傳感器的系統[10]。在聯合歐洲環面 (Tokamak) 的數據采集系統中，近一半的數據采集通道使用隔離超過 1000 V的電流隔離前端[11]?。隔離器兼接地開關也用于穩態超導托卡馬克 SST-1 以連接和斷開環形勵磁線圈與其電源[12]?。在 IST/EURATOM 協會的融合實驗中，控制和數據采集硬件之一系統使用 32 個電流隔離 ADC 通道，每個通道都安裝在可更換的插卡上[13]。Cers 和 Ballik[14]使用異質結雙極晶體管和帶折疊光電探測器二極管進行電流隔離，以增強多個設備的同時觸發。巴蒂斯特等人。[15]指出，先進的電信計算架構板的關鍵特性之一是具有電流隔離的 ADC 或 DAC 模塊。巴蒂斯塔等人。[16]使用光纖在惡劣的電磁環境中提供電流隔離同時為遠程節點電子設備供電?？鞯热?。[17]使用光耦合電流鏡架構來提供電流隔離和模擬電流信號的線性傳輸。托特等人。[18]描述了用于多通道前置放大器的電流隔離低噪聲電源板的實現。

目前，對線性電流隔離器的需求很大，尤其是那些為模擬應用設計的隔離器。這些類型的設備的一個要求是它們不應依賴任何信號處理技術，例如將模擬信號轉換為數字信號，就像在電壓到頻率轉換器的情況下一樣。

電流隔離裝置可分為不同的類別：變壓器、電容器、光隔離器、霍爾效應隔離器和磁阻隔離器。變壓器廣泛用于電源隔離和電容器用于信號隔離。然而，這兩種類型的隔離器僅適用于交流操作，兩種方法都具有針對不同頻率的非線性幅度特性。光隔離器和磁阻隔離器通常用于小信號隔離。然而，這些類型的隔離器的增益溫度系數非常差。為了獲得良好的性能，線性電流隔離、高頻率增益線性度、低增益溫度系數、高信噪比，高動態范圍和高響應速度都是必需的。

霍爾效應傳感器在運行期間無需直接接觸信號即可非侵入式檢測磁場。我們最近報道了一種新型霍爾效應傳感器[19]、[20]，我們在這里擴展了我們的研究，包括使用這些 QWHE 傳感器的新型電流隔離裝置。這種隔離器的設計允許線圈傳輸信號信息，并允許 QWHE 傳感器通過產生的磁場接收信號。由于 QWHE 傳感器的緊湊尺寸 (210μm×210μm)，隔離器系統特別適用于數據采集中的小型和高速信號隔離。除此之外，與其他可用的隔離器相比，QWHE 隔離器可以實現更高規模的集成。

此處將展示這些電流隔離器件可在 173K 至 400K 的溫度范圍內有效使用，頻率范圍為 DC 至 10kHz，具有出色的頻率增益線性度和極低的增益溫度系數。

2.材料和方法

2.1.量子阱霍爾效應 (QWHE) 傳感器

大多數市售霍爾效應傳感器都是基于硅的。這類傳感器的優點是易于與集成電路結合；但由于材料載流子遷移率低，它們的靈敏度受到限制。另一方面，與互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 霍爾效應傳感器相比，QWHE 傳感器具有更高的材料載流子遷移率，因為 2DEG 位于異質結構內的量子阱內.這是使用夾在兩個較大帶隙材料之間的窄帶隙半導體薄層來實現的。來自高帶隙半導體供應層的電子被吸引到量子阱中，因為這樣做在能量上是有利的。這些電子在界面處積累形成高遷移率 2DEG[11]、[20]。

這些研究中使用的 QWHE 傳感器由 AlGaAs/InGaAs/GaAs 材料制成，如先前報道的[20]、[21]，其磁場分辨率在 DC 時約為 1 μT，在較高頻率時<20 nT?。該傳感器具有低功耗（?~10 mW）、低電阻（~720?Ω）和緊湊的尺寸。這些 QWHE 傳感器的噪聲特性可與GMR和各向異性磁阻(AMR) 傳感器相媲美；但具有出色的線性度、更小的設備尺寸和超過 180 dB的寬測量動態范圍。????

2.2.量子阱霍爾效應 (QWHE) 隔離器

所提出的 QWHE 隔離器的概述如圖 1 所示。隔離器設備使用 QWHE 傳感器作為接收器，以及用作發射器的兩層印刷線圈以形成隔離屏障。信號通過磁場的變化進行傳輸和接收，無需物理連接。此設計包含兩個印刷電路板(PCB)，用于發射器線圈以及接收器 QWHE 傳感器的底座。發射器線圈具有 14 等效匝數 N，等效線圈環路直徑R為 4.191毫米。線圈和傳感器之間的間隔距離d為 1.5 mm。

圖 1。量子阱霍爾效應隔離器示意圖。

2.3.量子阱霍爾效應隔離裝置電路設計

圖 2描繪了 QWHE 隔離原型裝置的框圖。發射器線圈偏置電流由函數發生器（function

Generator）提供，參考信號從函數發生器（Keysight/Agilent 33500B）輸入。QWHE隔離裝置是通過發射線圈將信號電流轉換為磁場，然后通過帶有兩級放大器的高靈敏度QWHE傳感器將該磁場信號轉換為霍爾電壓信號，從而實現隔離。使用電位器手動調節隔離裝置的偏移量。兩個低噪聲臺式電源用于為音頻放大器（發射器電路）提供電源，并分別為 QWHE 傳感器、信號放大器電路供電和偏移調整電路（接收電路）。

圖 2。QWHE隔離裝置的框圖。

2.4.QWHE 線性電流隔離裝置原型

圖 3顯示了 QWHE 電流隔離裝置原型的照片。包含傳感器偏置電流源和兩級放大器的設備主板如圖3（a）所示，QWHE隔離器如圖3?（b）所示。這些電路被分成兩個不同的部分，用于使用低溫恒溫器對隔離器進行各種性能測試。QWHE 隔離器安裝在低溫恒溫器室內。為了放大來自 QWHE 傳感器的差分霍爾電壓信號，主板上使用了商用儀表放大器(INA217)。該放大器具有寬電源電壓范圍具有出色的輸出電壓擺幅，以及非常低的輸入和輸出噪聲。圖 3 (a)所示的雙絞線用于連接外部電源（電池）。在圖 3?（b）中，兩根（紅色）電纜用于連接發射線圈的偏置電流信號輸入，三根（白色）同軸電纜用于連接 QWHE 傳感器隔離器和隔離設備主板。

圖 3。QWHE電流隔離裝置原型的照片，(a) 主板和 (b) QWHE隔離器部件。插圖顯示了 QWHE 傳感器和發射器線圈的示意圖。

3.結果

如圖2 所示，該QWHE隔離器通過磁場強度的變化發送和接收信號信息來操作。因此，隔離器件的性能測試包括：QWHE 傳感器帶寬分析、兩級放大器波特圖、隔離器頻率響應、隔離器增益溫度系數，最后是隔離器幅度線性度。

3.1.QWHE 傳感器的電容和頻率響應

QWHE傳感器多層結構中的等效電阻RHE和電容Cp存在于任意兩個歐姆觸點之間。為了測量Cp，構建了一個等效電路模型來計算該電容對頻率響應的影響。圖 4說明了 QWHE 傳感器的等效電路。如上所述，P2A QWHE 傳感器的電阻RHE約為 720Ω[20]。

圖 4。QWHE傳感器的等效電路。

用1.0-5.0 MHz 頻率范圍內的Keysight/Agilent B1500a 半導體參數分析儀，去測量三個 P2A QWHE 傳感器（#1、#2 和 #3）的pin腳 1、3（輸入引腳）和pin腳 2、4（輸出引腳）之間的電容電容隨頻率變化的結果如圖 5 所示。所有三個傳感器的引腳 1-3 和引腳 2-4 之間的最大電容分別約為 5.5 和 5.2pF。

圖 5。引腳 1-3 和 2-4（輸入/輸出引腳）之間的QWHE電容。

對于高頻下的RC電路，電容器提供的電抗較小，因此輸出會隨著頻率的增加而降低。理論RC-3dB 截止頻率fcut（最大 QWHE 電容為 5.5pF）可以從以下等式獲得：

因此，P2A QWHE 傳感器的固有截止頻率約為 40.2MHz。

3.2.QWHE隔離器件接收電路放大級的波特圖

放大器級的工作帶寬是任何隔離器件的重要參數。使用惠斯通電橋配置測量接收器電路放大器級波特圖以提供參考差分信號輸入。圖 6顯示了以 dB 為單位的歸一化幅度的波特圖。對于倍頻程帶寬，典型的插入損耗規格約為 3dB（最大幅度的 0.707）。因此，接收器電路放大器級的隔離器件的 3 dB 帶寬約為 900kHz。

圖 6。接收器電路放大器級的波特圖（歸一化幅度）。

3.3.QWHE 隔離器頻率響應

分別使用動態信號分析儀 (SRS SR785) 和 6.5 位數字萬用表(Keysight/Agilent 34461A DMM) 測量 QWHE 隔離設備輸出電壓和發射器線圈偏置電流。測量和理論磁場與頻率的頻率響應曲線如圖7所示。結果表明，隔離器的頻率響應在 0–100kHz 的頻率范圍內大致平坦（這是 SRS SR785 中可用的最高頻率）。相對誤差范圍為 0.29% 至 5.35%。它們比商業線性隔離器小得多，例如 Analog Device 的 AD215，其在 100 khz時的增益相對誤差為 58%。因此，QWHE 隔離器顯示出更有利的頻率響應。

圖 7。QWHE線性隔離器頻率響應和相對誤差（實線和虛線分別是測量磁場和理論磁場）。

此外，圖 8顯示了理論和實測磁場強度與不同場強下頻率的頻率響應曲線。結果顯示出極好的擬合，表明隔離器在不同幅度下的頻率響應在 0-10kHz 的頻率范圍內也大致平坦。線圈施加 B 場 50-1000μT 的平均相對誤差范圍為 -1.77% 至 -2.28%，當線圈施加的磁場強度增加時，相對誤差略有下降。不同外加磁場范圍的相對誤差中位數均約為 2.2%。

圖 8。在不同的線圈偏置頻率下，測量的 B 場（實線）與其理論 B 場（虛線）進行比較。

3.4.QWHE 隔離器幅度線性度

還測量了具有不同線圈偏置頻率的 QWHE 隔離器振幅線性度。接收器傳感器從發射器線圈檢測到的B場（以 μT 為單位）可以使用以下等式計算，該等式源自 Biot-Savart 定律：

(2)其中發射器線圈等效匝數N=14，等效線圈回路直徑R=4.191mm，線圈到傳感器的距離d=1.5mm，自由空間磁導率μ0=1.26×10-6Hm-1，I是線圈偏置電流（A）。

此外，隔離裝置的測量磁場可以從方程式的電路輸出電壓估計。

其中 QWHE 傳感器靈敏度 s=0.17VT-1mA-1，傳感器偏置電流Ibias=3mA，電路增益G=1000，B是 QWHE 傳感器測量的 B 場強度（單位 T）。

圖 9顯示了不同頻率下實測磁場強度（根據隔離裝置電路輸出電壓計算）與理論磁場強度（根據發射線圈偏置電流計算）之間的關系。觀察到輸出電壓和發射器線圈偏置電流之間的高度線性關系，以及不同頻率下的測量和理論B場之間的高度線性關系。對于這些關系中的每一個，計算得出的R2≈ 1.0。這一結果表明，QWHE 隔離器在不同頻率下的幅度是高度線性的。

圖 9。(a) 電路輸出電壓和施加的線圈電流和 (b) 測量和理論 B 場之間的關系。

3.5.增益溫度系數

使用 Oxford Optistat DN2低溫恒溫器，使用液氮冷卻和可編程溫度控制器進行增益溫度系數測量。測量的 B 場數據是使用向發射器線圈施加的 100mA 電流獲得的。不同頻率下實測B場與溫度的曲線如圖10所示。在 DC 到 10 之間的頻率曲線的輪廓kHz 相似，表明測量的 B 場值隨著溫度的升高而平穩下降。這是由于 QWHE 隔離器的發射器和接收器幅度隨溫度略有變化。這些幅度變化是由電流到磁場強度的轉換誤差（通過傳輸）和磁場測量誤差（通過接收）引起的。此外，插圖顯示了測量 B 場的溫度依賴性變化，表明溫度系數發生了變化。因此，該 QWHE 隔離器在低溫和高溫下具有兩種不同的增益溫度系數，轉折點約為 280K。

圖 10。在不同線圈偏置頻率下測量的 B 場與溫度的關系圖。插圖顯示了 B 場的溫度依賴性，表明QWHE隔離器的增益溫度系數發生了變化。

隨著溫度的升高，由于 QWHE 傳感器靈敏度的變化和線圈架及其繞組的膨脹[22]，在發射器線圈中心測量的B場（承載恒定電流Is）會降低。在這個發射器線圈的中心，磁通密度B 隨溫度變化：

其中T是器件溫度 (K)；To是參考溫度（在這項工作中，To=273K）；α是器件增益溫度系數（K-1）；kso是參考溫度To下的線圈常數。

QWHE 隔離器的幅值與溫度的變化有關，如下式所示：

其中GL和GLo分別是T和To處的器件增益。重新排列方程。

從方程式。(6)很明顯，(T-To) 與 [(GL-GLo)/GLo] 的關系圖是線性的，梯度等于 α。圖 11顯示了這一點，在六個不同的線圈偏置頻率下。通過原點的每個回歸的R2如圖 11(a)-(f) 所示。從圖 11可以明顯看出，QWHE 隔離器具有兩種不同的增益溫度系數，一種在低溫下，一種在高溫下。增益溫度系數隨溫度的變化表明控制器件增益的機制發生了變化。

圖 11。QWHE隔離器在選定的線圈偏置頻率下的 [(GL-GLo)/GLo] 與 (T-To) 的關系圖，其中R12和R22是低溫和高溫下的 R 平方地區分別。

低溫區增益溫度系數α1的計算值如表1所示。它們的范圍從 6.68×10-4到 7.49×10-4K-1。類似地，高溫區的溫度系數α2的計算值從2.96×10-4到3.43×10-4K-1變化。這表明 QWHE 傳感器在高溫區域的性能更好。此外，α1與α2的比值范圍為 2.09-2.26，平均比率為 2.20。

表 1。不同頻率下兩個增益溫度系數的計算值匯總。

4.討論

對于大多數應用，以下特性描述了電流隔離器的期望行為： (1) 頻率增益線性；(2) 低增益溫度系數；(3) 工作頻率范圍廣；(4) 低輸出噪聲。這項工作中報告的性能測試表明，線性QWHE電流隔離器原型滿足上述所有特性。

最常用的隔離器是光隔離器（光耦合器）和電容或電感耦合器（變壓器）。這些設備的一些常見缺點是它們通常具有有限的線性度和頻率性能。此外，變壓器不能通過低頻或直流信號。此外，它們通常體積龐大，需要混合封裝，這是集成電路制造的一個相當大的限制[23]。例如，Analog Device 的 AD215 變壓器線性隔離器，在 100kHz 時的增益相對誤差 ≥58%，并且具有相當大的功耗。光隔離器速度慢、體積大、可靠性有限且線性度差。

與市售的硅線性霍爾傳感器相比，QWHE 傳感器在最小可檢測磁場隨頻率變化方面具有顯著優勢[19]?。QWHE 隔離器具有更低的噪聲和寄生電容、更寬的溫度和頻率工作條件、更高的線性度、更高的靈敏度和緊湊的尺寸。這些因素共同構成了高質量的電流隔離器。

如前所述，增益溫度系數隨溫度的變化表明控制機制發生了變化。PCB中鋁的電阻溫度系數約為4.29×10-3K-1，低于α1和α2。因此，PCB電路的電阻溫度系數不是QWHE電流隔離器件增益的主要控制機制。通常，隨著 2DEG 溫度的降低，電子遷移率會增加，這與觀察到的 QWHE 傳感器增益溫度系數的行為相匹配（溫度依賴性遵循 T-n，n～3/2[24]的相關性）。因此，低溫和高溫區域溫度系數的控制機制更可能是由于 2DEG QWHE 傳感器的電子遷移率隨溫度的變化。

5.結論

電流隔離器在兩個通信點之間提供信息和電源交換，同時防止兩個電路之間的實際電流流動，保護用戶和設備免受潛在危險的電流和電壓浪涌的影響。這現在是工業工程中大多數法律法規的一部分。此處報道的QWHE傳感器可用于制造出色的電流隔離器。這種新器件帶來了新的緊湊和節能隔離器，其多通道功能允許設備設計具有更小的外形尺寸。QWHE 隔離裝置具有高性能和非常小的尺寸（傳感器尺寸為 210μm×210μm) 使其便于在通信、航空航天、信息和生物醫學應用中使用

審核編輯：湯梓紅