銻化銦薄膜磁阻式振動(dòng)傳感器

一、引言
　　近些年來(lái)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微電子加工技術(shù)，微型計算機技術(shù)，信息技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，使得綜合著(zhù)各種先進(jìn)技術(shù)的傳感器技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)前所未有的飛速發(fā)展階段。我們應用InSb－In共晶體薄膜磁阻元件制成了一種新型的振動(dòng)傳感器。與用普通壓電陶瓷片或電感線(xiàn)圈構成的振動(dòng)傳感器相比，這種傳感器的靈敏度更高，頻率響應寬，非常適合于在防盜報警設備中應用。
二、InSb－In共晶體磁阻薄膜的特性
　　磁阻效應是指材料電阻隨外加磁場(chǎng)的大小而變化。半導體磁敏感材料受到與電流方向相垂直方向的磁場(chǎng)作用時(shí)，由于洛侖茲力的作用，電子流動(dòng)的方向發(fā)生改變，路徑加長(cháng)，從而其阻值增大。磁阻效應分為物理磁阻效應和幾何磁阻效應。就物理磁阻效應而言，對于兩種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊的半導體材料，其中遷移率較大的一種載流子引起的電阻變化可表示為[1]
（ρB-ρ0）/ρ0=△ρ/ρ0=0.275m2B2 （1）
式中，B—外加磁場(chǎng)的磁感應強度；
ρB—磁感應強度為B時(shí)的電阻率；
ρ0—磁感應強度為0時(shí)的電阻率；
m—該種載流子的遷移率。
　　為了獲得較高的電阻變化率即高的靈敏度，應采用電子遷移率高的銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）等半導體材料和高磁感應強度的外加磁場(chǎng)。此外，對于主體材料一定的半導體磁敏電阻，它們的形狀會(huì )對磁阻效應有很大的影響，這稱(chēng)為幾何磁阻效應。
三、InSb—In磁阻式振動(dòng)傳感器的結構及其原理
　　InSb －In磁阻式振動(dòng)傳感器的結構如圖1所示。它主要由鐵磁性金屬滾珠、內球面狀支承片、絕緣基片、InSb－In磁阻元件MR1和MR2、永久磁鐵、3個(gè)引腳等組成，另外加上起屏蔽和保護作用的金屬外殼和由金屬外殼構成的空腔。其中, MR1和MR2是相對放置的一對磁阻元件片，其阻值大致相等，放置在基片下的永久磁鐵為MR1和MR2提供一個(gè)偏置磁場(chǎng)，可以提高檢測的靈敏度。三個(gè)引腳分別為電源線(xiàn)、地線(xiàn)和信號輸出線(xiàn)。當傳感器受到振動(dòng)或移動(dòng)時(shí)，金屬滾珠能在空腔中的內球面狀支承片上自由振動(dòng)或滾動(dòng)，而采用這種空腔結構，一方面可減小聲波和流動(dòng)空氣的干擾，另一方面，內球面狀支承片能保證金屬滾珠基本上保持在MR1和MR2的中間，以提高感應振動(dòng)的靈敏度。這樣，傳感器能適應任一方向。
　　已知固定偏磁為Bb，假設金屬滾珠受到外界擾動(dòng)時(shí)，移向MR1的方向，引起磁力線(xiàn)向MR1聚集，MR1表面的磁感應強度增大，則MR1中磁感應強度為：
B1=（Bb+△B） （2）
此時(shí)磁阻為RB1。
MR2中磁感應強度為: B2=（Bb-△B） （3）
此時(shí)磁阻為RB2。
InSb－In共晶體薄膜材料的磁阻特性規律是遵從單晶型材料的磁阻特性規律的，可用一元二次三項式表示〔2〕 ： RB/R0=1+aB+bB2 (4)
式中：RB—磁場(chǎng)中磁阻元件的電阻值；
R0—磁感應強度為0時(shí)的阻值；
a和b—與InSb磁阻元件的靈敏度有關(guān)的系數。
此傳感器中，磁阻元件在固定偏磁為Bb時(shí)的磁阻為RB0。
將（2）、（3）式分別代入（4）式，可得MR1的電阻R1大于MR2的電阻R2。據此分析，當金屬滾珠移向MR1方向時(shí)，MR1的電阻值增加，同時(shí)MR2 的電阻值減小，反之亦然。所以，當MR1、MR2組成三端式結構時(shí)，能通過(guò)檢測MR1、MR2中點(diǎn)電壓變化得到振動(dòng)信號。
四、振動(dòng)傳感器的信號處理電路
　　InSb －In磁阻式振動(dòng)傳感器的靈敏度很高，能夠檢測到非常微弱的振動(dòng)。但是，直接由傳感器輸出的信號比較微弱，因此在實(shí)際應用中需經(jīng)處理。圖2所示的電路可對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大處理，圖中的IC是常用的低噪聲集成運算放大器，采用2級放大，合計電壓增益為80dB。當傳感器檢測到外界振動(dòng)時(shí)，金屬滾珠在空腔內移動(dòng)。假設某一時(shí)刻，金屬滾珠移動(dòng)到了MR1的上面，這時(shí)，MR1阻值增大，MR2阻值減??；反之，則MR1阻值減小，MR2阻值增大。所以，在感應振動(dòng)的過(guò)程中，MR1和MR2總是一個(gè)阻值增大一個(gè)阻值減小。由于是穩壓源供電，從歐姆定律計算可知，這種一邊增大一邊減小會(huì )使中點(diǎn)的電壓變化幅度更大，因而從Vout點(diǎn)可獲得較高的輸出電壓。
　　當傳感器使用在防盜報警設備中時(shí)，需要對信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理，去除一些偶然的振動(dòng)，剔除強度聲波信號的干擾和對振動(dòng)的判斷等。振動(dòng)傳感器檢測到外界振動(dòng)的波形如圖3所示，該信號取自信號處理電路的Vout端。經(jīng)實(shí)驗檢測，圖1所示的傳感器的輸出信號的本底噪聲均小于50μV，而從MR1與MR2連接點(diǎn)處得到的因感應振動(dòng)或位移觸發(fā)輸出的信號幅度在300mV以上，信噪比大于60dB。
五、信號處理電路的頻率特性
　　InSb －In共晶體薄膜磁阻的頻率范圍非常寬，但是振動(dòng)傳感器的頻率響應特性受到信號處理電路的限制。當信號處理電路中耦合電容C1和C2使用6.8μF的電解電容時(shí)，采用0.5mV的正弦波代替感應到的振動(dòng)信號，通過(guò)使用電路輔助設計軟件OrCAD，模擬出了信號處理電路的頻率響應特性，如圖4所示。在圖中，橫軸代表頻率，單位為Hz；縱軸代表輸出電壓的大小，單位為V。由圖中可以看出，在7~10kHz的頻率范圍內，信號的放大倍數在7000倍以上，所以，信號處理電路的頻率響應范圍在7~10kHz之內。振動(dòng)傳感器的檢測振動(dòng)頻率范圍主要受信號處理電路的限制，因此，本文的磁阻式振動(dòng)傳感器檢測到振動(dòng)的頻率范圍在7~10kHz。而且通過(guò)電路的改進(jìn)，相信可以把頻率下限擴展到1Hz附近。

六、結論
　　InSb －In薄膜磁阻式振動(dòng)傳感器是一種新型的、實(shí)用的傳感器，其結構簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高。由于在傳感器內沒(méi)有機械的連接，所以傳感器的使用壽命很長(cháng)。這種 InSb－In薄膜磁阻式振動(dòng)傳感器采用7~12V直流電源供電，測量振動(dòng)頻率范圍為7~10kHz，在沒(méi)有振動(dòng)時(shí)輸出為近似Vcc/2的直流電壓，有振動(dòng)時(shí)，輸出是疊加在Vcc/2上、隨振動(dòng)大小而變化的電壓信號。
　
參考文獻：
[1] 曲喜新.電子元件材料手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 1989.422—430.
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[3] 森村正直等. 傳感器技術(shù)[M]. 科學(xué)出版社, 1986：127～130
[4] 金篆芷等. 現代傳感技術(shù)[M]. 電子工業(yè)出版社, 1995：26～29
[5] 黃繼昌等. 傳感器工作原理及其應用實(shí)例[M]. 人民郵電出版社, 1998：135～141，238～241

作者：鄭鑫 黃釗洪