金屬鍍層應用于電磁屏蔽的研究

王雷 王文武 朱勝平 任浩 鄭民

寧波中車時代傳感技術有限公司，浙江寧波 315021

一、引言

隨著信息化與智能化時代的發(fā)展，傳感器作為信號檢測的核心器件，對其精度、可靠性、穩(wěn)定性等要求也越來越高。直放式霍爾傳感器就是其中一種，廣泛應用于軌道交通、工業(yè)變頻、光伏及汽車等行業(yè)。

如今各種控制部件集成化程度越來越高，電磁輻射環(huán)境越來越復雜，對其配套傳感器的抗干擾能力也提出了更高的要求。在完成傳統(tǒng)的采用PCB EMC設計來解決抗干擾問題后，更多采用機殼的屏蔽設計，金屬機殼能起到良好的屏蔽作用，但從減輕重量、降低成本等角度出發(fā)，越來越多地采用塑料機殼表面金屬化來進行屏蔽處理，從而達到抗干擾的效果。

傳統(tǒng)的水電鍍因為污染大而將逐漸被淘汰，本文所述金屬鍍層采用較先進的真空鍍，環(huán)保無污染，鍍層厚度一般在幾微米至幾十微米。

本文以直放式霍爾傳感器作為研究對象，分析在不同金屬鍍層下傳感器的抗干擾能力，從而進行改善和優(yōu)化，提升傳感器的抗干擾性能。

二、直放式霍爾傳感器原理

當原邊電流Ip通過一根長導線時，在導線周圍產(chǎn)生的磁通聚集在傳感器磁芯的磁路中，磁場的大小與電流大小成正比，在磁芯氣隙處，霍爾元件測量磁場大小并感應出一個電勢，霍爾元件的輸出電壓信號經(jīng)過處理，在傳感器輸出端輸出標準電壓信號，該電壓信號精確地反映原邊電流變化，如圖1所示[1-2]。

三、電磁屏蔽原理

塑料件金屬鍍層電磁屏蔽的原理如圖2所示。當電磁輻射波照射到金屬鍍層時，一部分電磁波在金屬鍍層的第一界面被反射掉，稱為反射波R；剩余部分電磁波進入金屬層內部，進入金屬層內部的電磁波一部分被內部吸收，稱為吸收損耗A；一部分在金屬層與塑料件之間的第二界面被多次反射，稱為多次反射損耗B，直到能量全部被損耗，最后剩余一小部分進入塑料件基體內部。

根據(jù)Schelkunof電磁屏蔽理論，屏蔽材料的屏蔽效能（SE）可表示為：

其中，A —吸收損耗；

B —多次反射損耗；

R —反射損耗。

普通金屬鍍層其多次反射損耗基本可以忽略不計，因此，電磁屏蔽效能可表示為：

一般來說，電屏蔽材料衰減的是高阻抗的電場，屏蔽層作用主要由表面反射R來決定，吸收損耗A則不是主要的。所以，電屏蔽材料可以用比較薄的金屬材料制作，而磁屏蔽材料的衰減主要由吸收損耗A決定，反射損耗R不是主要的。

內部吸收波的公式如下：

反射損耗的公式如下：

對于遠場波（平面波輻射波）有：

對于近場波：

磁場：

電場：

其中，t —屏蔽層厚度（mm）；

f —電磁波頻率（Hz）；

σr—屏蔽材料相對電導率；

ur—屏蔽材料相對磁導率；

X —為場源與屏蔽體之間的距離（cm）[3]。

由公式（3）可見，吸收損耗A只與屏蔽材料的厚度、電磁波頻率、磁導率、電導率有關，且吸收損耗與屏蔽材料厚度成線性關系。

由公式（4）可見，對于遠場波反射損耗與電磁波頻率、磁導率、電導率有關。

由公式（5）、（6）可見，對近場波反射損耗與電磁波頻率、磁導率、電導率、場源距離有關。

塑料件上采用真空鍍時鍍層厚度都比較薄，一般只有幾微米至幾十微米，因此，吸收損耗A也比較?。豢梢杂枚啻畏瓷鋼p耗來進行修正，對于近場源公式如下：

其中，λ —與材料的種類、溫度和雜質含量等有關的常數(shù)。

關于遠場多次反射損耗計算較復雜，此文暫不做介紹。

表1 常用金屬相對磁導率及相對電導率

綜合上述公式可見，有較高電導率及磁導率的屏蔽鍍層有較好的屏蔽作用。常用金屬相對磁導率ur及相對電導率σr如表1所示。銀、銅、金、鋁等都是很好的電導體，相對電導率σr較大，在高阻抗電場環(huán)境下有很好的屏蔽作用，但在低阻抗磁場環(huán)境下屏蔽卻不夠理想，屏蔽效果主要以反射損耗R為主。對于鋼、坡莫合金、不銹鋼等導磁材料而言，它們相對磁導率ur較大，在低阻抗磁場環(huán)境下有很好的屏蔽作用，屏蔽作用主要以吸收損耗A為主，隨著電磁波的頻率升高，電磁波的穿透能力變強，屏蔽效果變差[4-5]。

而今，花五奇面前的對手，就是善使龍爪手和分筋錯骨手的頂尖高手，“鐵手揉豆渣”，一旦被秦鐵崖的鐵手擒住，比試就算結束?；ㄎ迤嫔窠?jīng)繃得緊緊的，他知道，一旦自己招式用老，手臂、肩膀甚至脖子就會被秦鐵崖拿住。他可不是張萬邦，肩膀厚、膀子粗、力氣大，他那么瘦，被秦鐵崖拿住，可就慘了。

四、直放式傳感器樣機驗證

為了提高屏蔽效果，在實際應用中鍍層材料可針對金屬材料特性及使用電磁場環(huán)境進行選擇。在低阻抗的電磁場環(huán)境中，優(yōu)先選用吸收損耗大的材料，如鋼、坡莫合金、不銹鋼等。在高阻抗的電磁場環(huán)境中，優(yōu)先選用反射損耗大的材料，如銀、銅、金、鋁等。

在傳感器實際應用中，環(huán)境一般都是高阻抗電磁場干擾，干擾電磁場進入傳感器磁芯，影響磁芯中的磁通，進而影響霍爾元件的輸出，因此需要選用反射損耗大的材料，即電導率較高的金屬作為屏蔽鍍層材料。在塑料件外殼進行鍍銀、鍍金時，因面積較大，成本高，不適合工業(yè)批量化生產(chǎn)，故選用相對導電率較高的銅、鋁進行屏蔽測試試驗。本文以5種樣本進行測試，分別為無鍍層、鍍鋁3μm、鍍鋁18μm、鍍銅3μm、鍍銅18μm。圖3為5種鍍層樣本，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

測試條件：電磁波的輻射強度：10V/m；輻射頻率測試波動范圍：80MHz～1GHz；傳感器測試點：零點輸出；外殼鍍層接地。

表2 測試數(shù)據(jù)

無鍍層與不同材質鍍層測試數(shù)據(jù)對比：圖4為測試數(shù)據(jù)折線圖?？梢钥闯觯诟咦杩闺姶艌龈蓴_下，樣品零點輸出波動范圍從高到低依次為：無鍍層、鍍18μm鋁層、鍍18μm銅層。從中可得出金屬鍍層有較好的屏蔽作用，且銅的屏蔽效果優(yōu)于鋁的屏蔽效果。

同種金屬鍍層不同厚度測試數(shù)據(jù)對比：圖5為同種金屬鍍層不同厚度測試數(shù)據(jù)折線圖?？煽闯觯诟咦杩闺姶艌龈蓴_下，同種鋁或銅的鍍層情況下，18μm厚的金屬鍍層屏蔽效果均優(yōu)于3μm厚的金屬鍍層。

五、結論

本文主要通過對金屬鍍層屏蔽效果的理論分析研究，并結合實際對直放式傳感器測試數(shù)據(jù)對比分析，得出不同材料、不同鍍層厚度對屏蔽效果的影響。金屬鍍層具有一定的屏蔽效果，銅鍍層屏蔽效果優(yōu)于鋁鍍層的屏蔽效果，同種金屬鍍層材料厚度越厚屏蔽效果越好。在實際工業(yè)化批量生產(chǎn)中，可通過真空鍍將金屬鍍至塑料外殼上，在提高傳感器抗干擾性的同時，既環(huán)保又利于批量自動化生產(chǎn)。