磁传感器在瞬态电磁干扰与高温条件下的可靠性研究
2026-06-06 16:58:28 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究揭示了磁传感器在瞬态强电磁干扰和高温环境下的失效机理，为提高智能电网中磁传感器可靠性的封装设计提供了有益的指导。
磁传感器依托磁性敏感材料实现高精度测量，广泛应用于智能电网高压设备在线监测、故障定位、电能质量优化以及分布式能源管控等领域。在智能电网中，磁传感器因瞬态电磁干扰（EMI）和温度升高而面临可靠性问题。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院半导体研究所和中国电力科学研究院联合团队采用有限元方法，对气体绝缘变电站中使用的电流传感器在强电磁干扰和高温条件下的可靠性进行了模拟研究。研究人员以阻尼振荡波作为激励源，通过模拟分析铜屏蔽层对传感器芯片内感应电磁场的影响。研究发现，采用阻尼振荡波作为激励源，芯片和键合线处的感应电磁场响应呈现阻尼震荡波特征。值得注意的是，引入铜屏蔽层后，感应电磁场的强度显著降低，表明其具备有效的抗电磁干扰。为同时降低电磁干扰与热应力/应变，研究人员提出了一种由填充电磁屏蔽材料的3D打印树脂框架组成的新型封装结构。这项研究为提高智能电网中磁传感器可靠性的封装设计提供了有益的指导。相关研究成果以“Reliability of Magnetic Sensors under Transient Electromagnetic Interference and High Temperature”为题发表于Advanced Devices & Instrumentation期刊。
瞬态强电磁场的模拟分析
本研究基于麦克斯韦方程组，利用有限元分析方法建立了能够计入瞬态强电磁干扰的磁传感器模型。有限元分析方法将这些方程离散化为线性方程组，并通过数值方法求解，相关模拟结果如图1所示。
图1 模拟模型结构图、阻尼振荡波激励源及其作用位置
热-应力-应变问题的模拟分析
研究人员选取该磁传感器作为模拟研究对象，其结构如图1所示。各组件的热力学参数见表1。此外，在模拟分析中还将集成腔体传感器作为结构优化组纳入研究。
表1 各组件材料的热力学参数
瞬态强电磁场的模拟结果
图2展示了在强电磁干扰下，带屏蔽层和不带屏蔽层的传感器正面的电场和磁场分布。从图2A和图2B中可以看出，感应电场和感应磁场集中在引线框架区域。这是由于引线框架暴露在强电磁干扰下造成的，而芯片和内部框架区域的电磁干扰强度相对均匀。
图2 在强电磁冲击下，不带铜屏蔽层（A、B）和带铜屏蔽层（C、D）的传感器芯片正面电场（A、C）和磁场（B、D）分布
图3A模拟了不带屏蔽材料时，传感器内不同检测点电磁场响应值随时间的变化情况。各检测点的波形基本与激励源的波形一致，说明电场强度与激励源之间存在快速的响应相关性。图3B展示了不带屏蔽材料时，芯片和键合线上各检测点磁场响应值的时间变化情况。所示的磁场响应反映了激励源的波形，其特征是阻尼振荡波，即能量在达到最大振幅后逐渐减小。
图3 不带铜屏蔽层时，传感器芯片和键合线的各检测点上电场（A）和磁场（B）响应值随时间的变化
图4对比了带和不带外部铜屏蔽层时，传感器芯片及键合线上不同检测点的电场强度随时间的变化情况。添加铜屏蔽层后，传感器芯片和键合线上各检测点的电场强度和磁场强度均显著降低。由此可见，铜屏蔽层可以有效抑制电磁场干扰，从而大幅改善传感器内部的电磁场环境。
图4 带和不带外部铜屏蔽层的传感器芯片和键合线各检测点的电场和磁场响应值随时间的变化比较
热-应力-应变分析的模拟结果
图5A展示了无腔体传感器的内部变形分布；图5B展示了无腔体传感器的内应力分布；图5C展示了带腔体传感器的内部变形分布；图5D展示了带腔体传感器的应力分布，其中峰值应力显著降低；图5E和图5F分别为两种结构最大变形和应力随时间的变化情况。
图5 磁传感器的内部变形和应力分布
兼具电磁屏蔽与宽温适应性的新型磁传感器封装结构
根据模拟结果，研究人员提出了一种新型磁传感器封装结构。图6A是新型磁传感器封装结构示意图，包括传感器器件、键合线、屏蔽体、塑封料以及引线框架。图6B是多层屏蔽结构示意图。该结构设计旨在通过在每一层填充不同的电磁屏蔽材料，使电磁参数逐渐变化，从而有助于更平滑的阻抗匹配以及更有效的电磁波吸收和反射。该结构由内层、中间层、外层三层组成，由内向外依次排列。
图6 新型磁传感器封装结构示意图
在智能电网中，不同的应用场景会受到强度和类型各异的电磁影响。目前的封装结构并未针对这些环境专门设计，因此在智能电网中使用时不可避免地会遇到挑战。
总结
综上所述，这项研究采用有限元模拟的方法，揭示了磁传感器在瞬态强电磁干扰和高温环境下的失效机理。无屏蔽的传感器内部的电磁场与外部激励源的波形高度同步。铜屏蔽层的引入使电场强度平均降低了87.3%（峰值降低了95.1%），磁场强度平均降低了99.75%。封装材料中热膨胀系数不匹配导致界面应力集中（310.31 MPa）。采用腔体一体化设计可使应力降低74.6%（至78.91 MPa），键合线变形降低32.4%。这项研究还提出了一种基于3D打印树脂框架的新型封装结构，将多层电磁屏蔽（铁氧体-导电聚合物-铜）与腔体设计相结合，实现了电磁屏蔽与热应力的协同优化。该研究为提高智能电网中磁传感器可靠性的封装设计提供了有益的指导。
论文链接：https://doi.org/10.34133/adi.0124
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