銻化銦薄膜磁阻式振動傳感器

一、引言
　　近些年來，隨著科學(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，使得綜合著各種先進技術(shù)的傳感器技術(shù)進入了一個前所未有的飛速發(fā)展階段。我們應(yīng)用InSb－In共晶體薄膜磁阻元件制成了一種新型的振動傳感器。與用普通壓電陶瓷片或電感線圈構(gòu)成的振動傳感器相比，這種傳感器的靈敏度更高，頻率響應(yīng)寬，非常適合于在防盜報警設(shè)備中應(yīng)用。
二、InSb－In共晶體磁阻薄膜的特性
　　磁阻效應(yīng)是指材料電阻隨外加磁場的大小而變化。半導(dǎo)體磁敏感材料受到與電流方向相垂直方向的磁場作用時，由于洛侖茲力的作用，電子流動的方向發(fā)生改變，路徑加長，從而其阻值增大。磁阻效應(yīng)分為物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)。就物理磁阻效應(yīng)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(dǎo)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—外加磁場的磁感應(yīng)強度；
ρB—磁感應(yīng)強度為B時的電阻率；
ρ0—磁感應(yīng)強度為0時的電阻率；
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(yīng)采用電子遷移率高的銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）等半導(dǎo)體材料和高磁感應(yīng)強度的外加磁場。此外，對于主體材料一定的半導(dǎo)體磁敏電阻，它們的形狀會對磁阻效應(yīng)有很大的影響，這稱為幾何磁阻效應(yīng)。
三、InSb—In磁阻式振動傳感器的結(jié)構(gòu)及其原理
　　InSb －In磁阻式振動傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由鐵磁性金屬滾珠、內(nèi)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(gòu)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提供一個偏置磁場，可以提高檢測的靈敏度。三個引腳分別為電源線、地線和信號輸出線。當(dāng)傳感器受到振動或移動時，金屬滾珠能在空腔中的內(nèi)球面狀支承片上自由振動或滾動，而采用這種空腔結(jié)構(gòu)，一方面可減小聲波和流動空氣的干擾，另一方面，內(nèi)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(yīng)振動的靈敏度。這樣，傳感器能適應(yīng)任一方向。
　　已知固定偏磁為Bb，假設(shè)金屬滾珠受到外界擾動時，移向MR1的方向，引起磁力線向MR1聚集，MR1表面的磁感應(yīng)強度增大，則MR1中磁感應(yīng)強度為：
B1=（Bb+△B） （2）
此時磁阻為RB1。
MR2中磁感應(yīng)強度為: B2=（Bb-△B） （3）
此時磁阻為RB2。
InSb－In共晶體薄膜材料的磁阻特性規(guī)律是遵從單晶型材料的磁阻特性規(guī)律的，可用一元二次三項式表示〔2〕 ： RB/R0=1+aB+bB2 (4)
式中：RB—磁場中磁阻元件的電阻值；
R0—磁感應(yīng)強度為0時的阻值；
a和b—與InSb磁阻元件的靈敏度有關(guān)的系數(shù)。
此傳感器中，磁阻元件在固定偏磁為Bb時的磁阻為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(jù)此分析，當(dāng)金屬滾珠移向MR1方向時，MR1的電阻值增加，同時MR2 的電阻值減小，反之亦然。所以，當(dāng)MR1、MR2組成三端式結(jié)構(gòu)時，能通過檢測MR1、MR2中點電壓變化得到振動信號。
四、振動傳感器的信號處理電路
　　InSb －In磁阻式振動傳感器的靈敏度很高，能夠檢測到非常微弱的振動。但是，直接由傳感器輸出的信號比較微弱，因此在實際應(yīng)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(dāng)傳感器檢測到外界振動時，金屬滾珠在空腔內(nèi)移動。假設(shè)某一時刻，金屬滾珠移動到了MR1的上面，這時，MR1阻值增大，MR2阻值減小；反之，則MR1阻值減小，MR2阻值增大。所以，在感應(yīng)振動的過程中，MR1和MR2總是一個阻值增大一個阻值減小。由于是穩(wěn)壓源供電，從歐姆定律計算可知，這種一邊增大一邊減小會使中點的電壓變化幅度更大，因而從Vout點可獲得較高的輸出電壓。
　　當(dāng)傳感器使用在防盜報警設(shè)備中時，需要對信號進行進一步的處理，去除一些偶然的振動，剔除強度聲波信號的干擾和對振動的判斷等。振動傳感器檢測到外界振動的波形如圖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連接點處得到的因感應(yīng)振動或位移觸發(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，但是振動傳感器的頻率響應(yīng)特性受到信號處理電路的限制。當(dāng)信號處理電路中耦合電容C1和C2使用6.8μF的電解電容時，采用0.5mV的正弦波代替感應(yīng)到的振動信號，通過使用電路輔助設(shè)計軟件OrCAD，模擬出了信號處理電路的頻率響應(yīng)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(nèi)，信號的放大倍數(shù)在7000倍以上，所以，信號處理電路的頻率響應(yīng)范圍在7~10kHz之內(nèi)。振動傳感器的檢測振動頻率范圍主要受信號處理電路的限制，因此，本文的磁阻式振動傳感器檢測到振動的頻率范圍在7~10kHz。而且通過電路的改進，相信可以把頻率下限擴展到1Hz附近。

六、結(jié)論
　　InSb －In薄膜磁阻式振動傳感器是一種新型的、實用的傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高。由于在傳感器內(nèi)沒有機械的連接，所以傳感器的使用壽命很長。這種 InSb－In薄膜磁阻式振動傳感器采用7~12V直流電源供電，測量振動頻率范圍為7~10kHz，在沒有振動時輸出為近似Vcc/2的直流電壓，有振動時，輸出是疊加在Vcc/2上、隨振動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.
[2] 黃釗洪.InSb-In共晶體磁阻薄膜的晶面和磁阻特性.傳感器技術(shù)[J]，2001,20(8):7-9
[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(xiàn)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(yīng)用實例[M]. 人民郵電出版社, 1998：135～141，238～241

作者：鄭鑫 黃釗洪