起步晚 專利少 我國(guó)汽車霍爾傳感器研發(fā)任重道遠(yuǎn)

　　汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接觸式傳感器不斷顯露出局限性：易受高溫、振動(dòng)影響，易被磨損或污染，從而直接影響整個(gè)電子控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制效果。為了彌補(bǔ)接觸式傳感器的不足，霍爾傳感器得到大力發(fā)展，其因?yàn)榫哂薪Y(jié)構(gòu)牢固、無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、功耗小、耐振動(dòng)、防污染、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在電子控制系統(tǒng)中。如今，汽車霍爾傳感器取代傳統(tǒng)接觸式傳感器已成大勢(shì)所趨。

　　四大發(fā)展階段

　　汽車霍爾傳感器技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段：第一階段是從霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)40年代中期，利用霍爾效應(yīng)制成磁場(chǎng)傳感器，但霍爾效應(yīng)十分微弱，實(shí)用價(jià)值不大，沒有引起人們的重視；第二階段是從20世紀(jì)40年代末到60年代，相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場(chǎng)傳感器、非接觸式開關(guān)、位置、角度、速度、加速度傳感器等，但由于霍爾元件易受到外部磁場(chǎng)干擾等原因，沒有得到大規(guī)模推廣；第三階段是自20世紀(jì)60年代至80年代，集成電路技術(shù)快速發(fā)展，霍爾元件具備了很好的一致性，成品率很高，推動(dòng)了霍爾傳感器在汽車傳感器領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用；第四階段是20世紀(jì)80年代開始，隨著微電子、光電子等多學(xué)科的融合，汽車傳感器技術(shù)發(fā)展節(jié)奏加快，向微型化、集成化、智能化方向發(fā)展。

　　中國(guó)汽車傳感器技術(shù)起步較晚，上世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車儀表行業(yè)引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)及與之相配套的傳感器生產(chǎn)技術(shù)，基本滿足了國(guó)內(nèi)小批量、低水平車型的配套要求。國(guó)內(nèi)很多汽車零部件配套企業(yè)和科研院校致力于研究將霍爾原理技術(shù)應(yīng)用于汽車位置傳感器中，在近10年里國(guó)內(nèi)汽車霍爾傳感器技術(shù)得到迅速發(fā)展。

　　但中國(guó)汽車傳感器產(chǎn)業(yè)整體水平仍然較低，沒有形成系列化、配套化，尚未形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)，霍爾傳感器尤其是高端汽車傳感器仍然依賴進(jìn)口，博世Bosch、電裝Denso、德爾福（Delphi）、西門子（SIEMENS）等國(guó)際零部件公司占有國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)傳感器市場(chǎng)份額，中國(guó)汽車霍爾傳感器的研發(fā)任重道遠(yuǎn)。

　　外企占據(jù)優(yōu)勢(shì)

　　筆者通過(guò)檢索國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)情況發(fā)現(xiàn)，國(guó)外汽車霍爾傳感器技術(shù)起步早，早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，專利申請(qǐng)量較大。相比之下，國(guó)內(nèi)汽車霍爾傳感器技術(shù)起步較晚，2005年之前專利申請(qǐng)量較少，2005年之后快速發(fā)展起來(lái)，專利申請(qǐng)量呈跨越式增加，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量趨于接近。出現(xiàn)這種比較大的差距，主要原因在于國(guó)內(nèi)汽車制造起步較晚，且核心技術(shù)主要掌握在美、歐跨國(guó)汽車公司手中。

　　從申請(qǐng)人分布看，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人主要是以浙江漢博汽配公司、南京奧聯(lián)汽車為代表的汽配汽車制造公司和以武漢理工大學(xué)為代表的高?？蒲袉挝?，國(guó)外申請(qǐng)人主要是以日本電裝公司、德國(guó)博世公司為代表的國(guó)外汽車電子公司。全球申請(qǐng)人主要集中在日本和歐美的汽車電子制造企業(yè)，排名前10位中有4位為日本公司。

　　從地域分布看，專利申請(qǐng)主要集中在日本、美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)和韓國(guó)，這5國(guó)專利申請(qǐng)量占全球該領(lǐng)域申請(qǐng)總量的近9成。其中日本和美國(guó)均以32%的份額在專利申請(qǐng)數(shù)量上遙遙領(lǐng)先，主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)明顯。中國(guó)雖然位居第四位，但相較日本和美國(guó)還是有明顯差距，僅占8%。同時(shí)，中國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)外專利申請(qǐng)量明顯低于國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量，表明我國(guó)相關(guān)申請(qǐng)人在該領(lǐng)域的國(guó)外專利布局做得還不夠，需要加強(qiáng)國(guó)外專利申請(qǐng)。

　　三大典型技術(shù)

　　通過(guò)梳理汽車霍爾傳感器技術(shù)專利申請(qǐng)，筆者發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的改進(jìn)主要集中在霍爾元件結(jié)構(gòu)、集成電路和封裝工藝3個(gè)方面，需要中國(guó)相關(guān)企業(yè)多加關(guān)注。

　　霍爾元件結(jié)構(gòu)主要分為3種：汽車一維霍爾傳感器，用于測(cè)量垂直于元件表面的磁場(chǎng)，噪聲低，穩(wěn)定性高；汽車二維霍爾傳感器，在芯片上同時(shí)集成兩個(gè)一維霍爾元件，制成的霍爾傳感器就可以同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)同一平面的兩個(gè)分量，其最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量角度幾乎不受永磁體位置的影響，允許比較大的封裝誤差和溫度波動(dòng)；汽車三維霍爾傳感器，在傳統(tǒng)的CMOS芯片表面沉積一層集磁材料，既可以感應(yīng)垂直方向，也可以感應(yīng)平行于芯片表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)360度測(cè)量，能額外放大霍爾元件區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)，提高靈敏度。

　　優(yōu)化集成電路主要通過(guò)消除零位誤差和溫度補(bǔ)償來(lái)有效提高汽車霍爾傳感器精度。針對(duì)消除零位誤差，典型技術(shù)是冗余設(shè)計(jì)，采用兩個(gè)相對(duì)偏置的霍爾元件并聯(lián)，不等位電勢(shì)被抵消，有效提高霍爾傳感器精度。與其原理類似，還可采用4個(gè)霍爾元件并聯(lián)，以及采用多個(gè)霍爾元件并聯(lián)。針對(duì)溫度補(bǔ)償，一方面可以設(shè)置電阻等元件形成溫度補(bǔ)償電路，一方面可以在檢測(cè)用霍爾元件附近配置溫度監(jiān)控用霍爾元件，通過(guò)運(yùn)算電路進(jìn)行抵消霍爾電壓的溫度特性的運(yùn)算。

　　在改進(jìn)汽車霍爾傳感器的封裝工藝方面，主要是對(duì)各構(gòu)件準(zhǔn)確定位，減小霍爾元件位置誤差；增加軟磁元件，提高傳感器精度，如在磁鐵和磁場(chǎng)敏感元件之間的磁鐵的一側(cè)設(shè)置軟磁元件，使磁場(chǎng)的偏移量最小化等。

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)

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