使用量子阱霍尔效应传感器开发线性电流隔离器

本文是翻译的，大概内容如下：

1.QWHE传感器可用于制造出色的电流隔离器。（QHHE是量子阱霍尔效应传感器）QWHE 隔离器具有更低的噪声和寄生电容、更宽的温度和频率工作条件、更高的线性度、更高的灵敏度和紧凑的尺寸（传感器尺寸为 210  μm × 210 μm)。

2.变压器广泛用于电源隔离

电容器用于信号隔离。这两种类型的隔离器仅适用于交流操，且体积很大，不适合集成电路。

相比QWHE可用于直流和交流操作!!

3. 光隔离器和磁阻隔离器()通常用于小信号隔离。增益温度系数非常差

相比QWHE，无需直接接触信号即可非侵入式检测磁场。173  K 至 400  K 的温度范围内有效使用，频率范围为 DC 至 10  kHz，具有出色的频率增益线性度和极低的增益温度系数。

传感器和执行器 A：物理

第 263 卷，2017 年 8 月 15 日，第 54-62 页

具有宽频率响应和低增益温度系数的量子阱霍尔效应线性隔离器

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

曼彻斯特大学电气与电子工程学院，Sackville Street, Manchester M13 9Pl, UK

2016 年 12 月 9 日收到，2017 年 5 月 8 日修订，2017 年 5 月 22 日接受，2017 年 5 月 25 日在线提供，2017 年 6 月 4 日记录版本。

强调

•基于量子阱霍尔效应器件的磁线性隔离器的开发。

•QWHE隔离器在0～100  kHz频率响应的相对误差≤5.4%。

•该隔离器提供出色的增益温度系数（< 7.5  ×  10 -4  K -1 )。

•该设备可用于直流和交流操作。

•观察到每个频率下输出电压和输入电流之间的线性关系（R 2  ≈  1.0）

摘要

使用紧凑且高灵敏度的量子阱霍尔效应 (QWHE) 传感器开发了一种线性电流隔离器。该传感器基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 异质结构，最大电容为 5.5  pF，3  dB 带宽为 40.2  MHz。作为这项工作的一部分，印刷发射器线圈也被设计为该 QWHE 电流隔离器的一部分。在隔离器件的每个频率下，观察到输入电流和输出电压之间的线性关系 ( R 2  ≈  1.0)。0～100 kHz频率响应的相对误差 ≤5.4%。在低温和高温下也获得了两个增益温度系数，α 1和 α 2，温度为 280 K 是两个区域之间的边界。α 1和α 2的平均值分别为(7.09  ±  0.27)  ×  10 -4  K -1和(3.22  ±  0.17)  ×  10 -4  K -1。α 1和α 2振幅的控制机制被认为是由于二维电子气（2DEG）电子迁移率的温度变化，这是由所使用的QWHE传感器的异质结构性质引起的。QWHE 隔离器具有高精度、大带宽、高频率增益线性度和热稳定性。与商用光隔离器、基于硅霍尔传感器的隔离器和线圈隔离器相比，这种 QWHE 隔离器不需要任何外部光传感器晶体管或铁氧体环形线圈来提高其灵敏度。因此，它不受任何非线性晶体管行为、B - H曲线或磁保持力的影响。结果表明，这种高灵敏度、高线性 QWHE 隔离器适合用作低成本、高效率、线性电流隔离装置。

1 .介绍

电流隔离器广泛用于电子行业，特别是用于安全和噪声关键应用。主要思想是断开两个电路区域之间的导电路径。它们用于防止接地回路、避免电击以及降低共模噪声。它们广泛用于能量转换应用，例如光伏系统 中的 DC/DC 转换器[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。伊曼-艾尼等人。[7]报道了一种模块化电力电子变压器，用于为关键负载供电，以将高交流输入电压转换为低直流电压。沃尔特等人。[8]提出了一种用于电动汽车的高功率和可扩展的电流隔离 DC/DC 转换器。Bermejo 和 Castaňer [5]强调，无需使用任何 DC/DC 转换器即可在高压下实现具有电流隔离的直接驱动。在传统的脑电图系统中，需要电流隔离来确保患者的安全[9]。

近年来，人们对微系统领域及其在广泛领域的应用越来越感兴趣，包括能够在完全电流隔离下运行的基于传感器的系统[10]。 在联合欧洲环面 (Tokamak) 的数据采集系统中，近一半的数据采集通道使用隔离超过 1000 V的电流隔离前端[11] 。隔离器兼接地开关也用于稳态超导托卡马克 SST-1 以连接和断开环形励磁线圈与其电源[12] 。在 IST/EURATOM 协会的融合实验中，控制和数据采集硬件之一系统使用 32 个电流隔离 ADC 通道，每个通道都安装在可更换的插卡上[13]。Cers 和 Ballik [14]使用异质结 双极晶体管和带折叠光电探测器二极管进行电流隔离，以增强多个设备的同时触发。巴蒂斯特等人。[15]指出，先进的电信计算架构板的关键特性之一是具有电流隔离的 ADC 或 DAC 模块。巴蒂斯塔等人。[16]使用光纤在恶劣的电磁环境中提供电流隔离同时为远程节点电子设备供电。卡明等人。[17]使用光耦合电流镜架构来提供电流隔离和模拟电流信号的线性传输。托特等人。[18]描述了用于多通道前置放大器的电流隔离低噪声电源板的实现。

目前，对线性电流隔离器的需求很大，尤其是那些为模拟应用设计的隔离器。这些类型的设备的一个要求是它们不应依赖任何信号处理技术，例如将模拟信号转换为数字信号，就像在电压到频率转换器的情况下一样。

电流隔离装置可分为不同的类别：变压器、电容器、光隔离器、霍尔效应隔离器和磁阻隔离器。变压器广泛用于电源隔离和电容器用于信号隔离。然而，这两种类型的隔离器仅适用于交流操作，两种方法都具有针对不同频率的非线性幅度特性。光隔离器和磁阻隔离器通常用于小信号隔离。然而，这些类型的隔离器的增益温度系数非常差。为了获得良好的性能，线性电流隔离、高频率增益线性度、低增益温度系数、高信噪比，高动态范围和高响应速度都是必需的。

霍尔效应传感器在运行期间无需直接接触信号即可非侵入式检测磁场。我们最近报道了一种新型霍尔效应传感器[19]、[20]，我们在这里扩展了我们的研究，包括使用这些 QWHE 传感器的新型电流隔离装置。这种隔离器的设计允许线圈传输信号信息，并允许 QWHE 传感器通过产生的磁场接收信号。由于 QWHE 传感器的紧凑尺寸 (210  μm  ×  210  μm)，隔离器系统特别适用于数据采集中的小型和高速信号隔离。除此之外，与其他可用的隔离器相比，QWHE 隔离器可以实现更高规模的集成。

此处将展示这些电流隔离器件可在 173  K 至 400  K 的温度范围内有效使用，频率范围为 DC 至 10  kHz，具有出色的频率增益线性度和极低的增益温度系数。

2 .材料和方法

2.1 .量子阱霍尔效应 (QWHE) 传感器

大多数市售霍尔效应传感器都是基于硅的。这类传感器的优点是易于与集成电路结合；但由于材料载流子迁移率低，它们的灵敏度受到限制。另一方面，与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 霍尔效应传感器相比，QWHE 传感器具有更高的材料载流子迁移率，因为 2DEG 位于异质结构内的量子阱内. 这是使用夹在两个较大带隙材料之间的窄带隙半导体薄层来实现的。来自高带隙半导体供应层的电子被吸引到量子阱中，因为这样做在能量上是有利的。这些电子在界面处积累形成高迁移率 2DEG [11]、[20]。

这些研究中使用的 QWHE 传感器由 AlGaAs/InGaAs/GaAs 材料制成，如先前报道的[20]、[21]，其磁场分辨率在 DC 时约为 1 μT，在较高频率时 <20 nT 。该传感器具有低功耗（ ~10 mW）、低电阻（~720 Ω）和紧凑的尺寸。这些 QWHE 传感器的噪声特性可与GMR和各向异性磁阻(AMR) 传感器相媲美；但具有出色的线性度、更小的设备尺寸和超过 180 dB的宽测量动态范围。    

2.2 . 量子阱霍尔效应 (QWHE) 隔离器

所提出的 QWHE 隔离器的概述如图 1 所示。隔离器设备使用 QWHE 传感器作为接收器，以及用作发射器的两层印刷线圈以形成隔离屏障。信号通过磁场的变化进行传输和接收，无需物理连接。此设计包含两个印刷电路板(PCB)，用于发射器线圈以及接收器 QWHE 传感器的底座。发射器线圈具有 14 等效匝数 N，等效线圈环路直径R为 4.191 毫米。线圈和传感器之间的间隔距离d 为 1.5 mm。

图 1。量子阱霍尔效应隔离器示意图 。

2.3 .量子阱霍尔效应隔离装置电路设计

图 2描绘了 QWHE 隔离原型装置的框图。发射器线圈偏置电流由函数发生器（function

Generator）提供，参考信号从函数发生器（Keysight/Agilent 33500B）输入。QWHE隔离装置是通过发射线圈将信号电流转换为磁场，然后通过带有两级放大器的高灵敏度QWHE传感器将该磁场信号转换为霍尔电压信号，从而实现隔离。使用电位器手动调节隔离装置的偏移量。两个低噪声台式电源用于为音频放大器（发射器电路）提供电源，并分别为 QWHE 传感器、信号放大器电路供电和偏移调整电路（接收电路）。

图 2。QWHE隔离装置的框图。

2.4 .QWHE 线性电流隔离装置原型

图 3显示了 QWHE 电流隔离装置原型的照片。包含传感器偏置电流源和两级放大器的设备主板如图3（a）所示，QWHE隔离器如图3 （b）所示。这些电路被分成两个不同的部分，用于使用低温恒温器对隔离器进行各种性能测试。QWHE 隔离器安装在低温恒温器室内。为了放大来自 QWHE 传感器的差分霍尔电压信号，主板上使用了商用仪表放大器(INA217)。该放大器具有宽电源电压范围具有出色的输出电压摆幅，以及非常低的输入和输出噪声。图 3 (a)所示的双绞线用于连接外部电源（电池）。在图 3 （b）中，两根（红色）电缆用于连接发射线圈的偏置电流信号输入，三根（白色）同轴电缆用于连接 QWHE 传感器隔离器和隔离设备主板。

图 3。QWHE电流隔离装置原型的照片，(a) 主板和 (b) QWHE隔离器部件。插图显示了 QWHE 传感器和发射器线圈的示意图。

3 .结果

如图2 所示，该QWHE 隔离器通过磁场强度的变化发送和接收信号信息来操作。因此，隔离器件的性能测试包括：QWHE 传感器带宽分析、两级放大器波特图、隔离器频率响应、隔离器增益温度系数，最后是隔离器幅度线性度。

3.1 .QWHE 传感器的电容和频率响应

QWHE传感器多层结构中的等效电阻R HE和电容C p存在于任意两个欧姆触点之间。为了测量C p，构建了一个等效电路模型来计算该电容对频率响应的影响。图 4说明了 QWHE 传感器的等效电路。如上所述，P2A QWHE 传感器的电阻R HE约为 720 Ω [20]。

图 4。QWHE传感器的等效电路。

用 1.0-5.0 MHz 频率范围内的 Keysight/Agilent B1500a 半导体参数分析仪，去测量三个 P2A QWHE 传感器（#1、#2 和 #3）的pin脚 1、3（输入引脚）和pin脚 2、4（输出引脚）之间的电容电容随频率变化的结果如图 5 所示。所有三个传感器的引脚 1-3 和引脚 2-4 之间的最大电容分别约为 5.5 和 5.2  pF。

图 5。引脚 1-3 和 2-4（输入/输出引脚）之间的QWHE电容。

对于高频下的RC电路，电容器提供的电抗较小，因此输出会随着频率的增加而降低。理论RC -3  dB 截止频率f cut（最大 QWHE 电容为 5.5  pF）可以从以下等式获得：

因此，P2A QWHE 传感器的固有截止频率约为 40.2  MHz。

3.2 . QWHE隔离器件接收电路放大级的波特图

放大器级的工作带宽是任何隔离器件的重要参数。使用惠斯通电桥配置测量接收器电路放大器级波特图以提供参考差分信号输入。图 6显示了以 dB 为单位的归一化幅度的波特图。对于倍频程带宽，典型的插入损耗规格约为 3  dB（最大幅度的 0.707）。因此， 接收器电路放大器级的隔离器件的 3 dB 带宽约为 900  kHz。

图 6。接收器电路放大器级的波特图（归一化幅度）。

3.3 . QWHE 隔离器频率响应

分别使用动态信号分析仪 (SRS SR785) 和 6.5 位数字万用表(Keysight/Agilent 34461A DMM) 测量 QWHE 隔离设备输出电压和发射器线圈偏置电流。测量和理论磁场与频率的频率响应曲线如图7所示。结果表明，隔离器的频率响应在 0–100  kHz 的频率范围内大致平坦（这是 SRS SR785 中可用的最高频率）。相对误差范围为 0.29% 至 5.35%。它们比商业线性隔离器小得多，例如 Analog Device 的 AD215，其在 100 khz时的增益相对误差为 58% 。因此，QWHE 隔离器显示出更有利的频率响应。

图 7。QWHE线性隔离器频率响应和相对误差（实线和虚线分别是测量磁场和理论磁场）。

此外，图 8显示了理论和实测磁场强度与不同场强下频率的频率响应曲线。结果显示出极好的拟合，表明隔离器在不同幅度下的频率响应在 0-10  kHz 的频率范围内也大致平坦。线圈施加 B 场 50-1000 μT 的平均相对误差范围为 -1.77% 至 -2.28%，当线圈施加的磁场强度增加时，相对误差略有下降。不同外加磁场范围的相对误差中位数均约为 2.2%。 

图 8。在不同的线圈偏置频率下，测量的 B 场（实线）与其理论 B 场（虚线）进行比较。

3.4 . QWHE 隔离器幅度线性度

还测量了具有不同线圈偏置频率的 QWHE 隔离器振幅线性度。接收器传感器从发射器线圈检测到的B场（以 μT 为单位）可以使用以下等式计算，该等式源自 Biot-Savart 定律：

(2)其中发射器线圈等效匝数N  =  14，等效线圈回路直径R  =  4.191  mm，线圈到传感器的距离d  =  1.5  mm，自由空间磁导率μ 0  =  1.26  ×  10 -6  H  m -1，I是线圈偏置电流（A）。

此外，隔离装置的测量磁场可以从方程式的电路输出电压估计。

其中 QWHE 传感器灵敏度 s  =  0.17  V  T -1  mA -1，传感器偏置电流Ibias =  3  mA  ，电路增益G  =  1000，B是 QWHE 传感器测量的 B 场强度（单位 T）。

图 9显示了不同频率下实测磁场强度（根据隔离装置电路输出电压计算）与理论磁场强度（根据发射线圈偏置电流计算）之间的关系。观察到输出电压和发射器线圈偏置电流之间的高度线性关系，以及不同频率下的测量和理论B场之间的高度线性关系。对于这些关系中的每一个，计算得出的R 2  ≈ 1.0。 这一结果表明，QWHE 隔离器在不同频率下的幅度是高度线性的。

图 9。(a) 电路输出电压和施加的线圈电流和 (b) 测量和理论 B 场之间的关系。

3.5 . 增益温度系数

使用 Oxford Optistat DN2低温恒温器，使用液氮冷却和可编程温度控制器进行增益温度系数测量。测量的 B 场数据是使用向发射器线圈施加的 100  mA 电流获得的。不同频率下实测B场与温度的曲线如图10所示。在 DC 到 10 之间的频率曲线的轮廓 kHz 相似，表明测量的 B 场值随着温度的升高而平稳下降。这是由于 QWHE 隔离器的发射器和接收器幅度随温度略有变化。这些幅度变化是由电流到磁场强度的转换误差（通过传输）和磁场测量误差（通过接收）引起的。此外，插图显示了测量 B 场的温度依赖性变化，表明温度系数发生了变化。因此，该 QWHE 隔离器在低温和高温下具有两种不同的增益温度系数，转折点约为 280  K。

图 10。在不同线圈偏置频率下测量的 B 场与温度的关系图。插图显示了 B 场的温度依赖性，表明QWHE 隔离器的增益温度系数发生了变化。

随着温度的升高，由于 QWHE 传感器灵敏度的变化和线圈架及其绕组的膨胀[22]，在发射器线圈中心测量的B场（承载恒定电流I s）会降低。在这个发射器线圈的中心，磁通密度B 随温度变化：

其中T是器件温度 (K)；T o是参考温度（在这项工作中， T o  =  273 K）；α是器件增益温度系数（K -1）；k s o是参考温度T o下的线圈常数。 

QWHE 隔离器的幅值与温度的变化有关，如下式所示：

其中G L和G Lo分别是T和T o处的器件增益。重新排列方程。

从方程式。(6)很明显，( T  - T o ) 与 [( G L - G Lo )/ G Lo ] 的关系图是线性的，梯度等于 α。图 11显示了这一点，在六个不同的线圈偏置频率下。通过原点的每个回归的R 2如图 11 (a)-(f) 所示。从图 11可以明显看出，QWHE 隔离器具有两种不同的增益温度系数，一种在低温下，一种在高温下。增益温度系数随温度的变化表明控制器件增益的机制发生了变化。   

图 11。QWHE隔离器在选定的线圈偏置频率下的 [( G L  - G Lo )/ G Lo ] 与 ( T - T o ) 的关系图，其中R 1 2和R 2 2是低温和高温下的 R 平方地区分别。   

低温区增益温度系数α 1的计算值如表1所示。它们的范围从 6.68  ×  10 -4到 7.49  ×  10 -4  K -1。类似地，高温区的温度系数α 2的计算值从2.96  ×  10 -4到3.43  ×  10 -4  K -1变化。这表明 QWHE 传感器在高温区域的性能更好。此外，α 1与α 2的比值范围为 2.09-2.26，平均比率为 2.20。

表 1。不同频率下两个增益温度系数的计算值汇总。

4 . 讨论

对于大多数应用，以下特性描述了电流隔离器的期望行为： (1) 频率增益线性；(2) 低增益温度系数；(3) 工作频率范围广；(4) 低输出噪声。这项工作中报告的性能测试表明，线性QWHE电流隔离器原型满足上述所有特性。

最常用的隔离器是光隔离器（光耦合器）和电容或电感耦合器（变压器）。这些设备的一些常见缺点是它们通常具有有限的线性度和频率性能。此外，变压器不能通过低频或直流信号。此外，它们通常体积庞大，需要混合封装，这是集成电路制造的一个相当大的限制[23]。例如，Analog Device 的 AD215 变压器线性隔离器，在 100 kHz 时的增益相对误差 ≥58%，并且具有相当大的功耗。光隔离器速度慢、体积大、可靠性有限且线性度差。 

与市售的硅线性霍尔传感器相比，QWHE 传感器在最小可检测磁场随频率变化方面具有显着优势[19] 。QWHE 隔离器具有更低的噪声和寄生电容、更宽的温度和频率工作条件、更高的线性度、更高的灵敏度和紧凑的尺寸。这些因素共同构成了高质量的电流隔离器。

如前所述，增益温度系数随温度的变化表明控制机制发生了变化。PCB中铝的电阻温度系数约为4.29  ×  10 -3  K -1，低于α 1和α 2 。因此，PCB电路的电阻温度系数不是QWHE电流隔离器件增益的主要控制机制。通常，随着 2DEG 温度的降低，电子迁移率会增加，这与观察到的 QWHE 传感器增益温度系数的行为相匹配（温度依赖性遵循 T -n， n  ∼  3/2 [24]的相关性）。因此，低温和高温区域温度系数的控制机制更可能是由于 2DEG QWHE 传感器的电子迁移率随温度的变化。

5 . 结论

电流隔离器在两个通信点之间提供信息和电源交换，同时防止两个电路之间的实际电流流动，保护用户和设备免受潜在危险的电流和电压浪涌的影响。这现在是工业工程中大多数法律法规的一部分。此处报道的QWHE传感器可用于制造出色的电流隔离器。这种新器件带来了新的紧凑和节能隔离器，其多通道功能允许设备设计具有更小的外形尺寸。QWHE 隔离装置具有高性能和非常小的尺寸（传感器尺寸为 210  μm × 210 μm) 使其便于在通信、航空航天、信息和生物医学应用中使用

审核编辑：汤梓红