銻化銦薄膜磁阻式振動(dòng)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(jì)算機(jī)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(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(yīng)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圈構(gòu)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(yīng)寬，非常適合于在防盜報(bào)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(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，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(duì)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(qiáng)度；
ρB—磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率；
ρ0—磁感應(yīng)強(qiáng)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(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(qiáng)度的外加磁場。此外，對(duì)于主體材料一定的半導(dǎo)體磁敏電阻，它們的形狀會(huì)對(duì)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(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)及其原理
　　InSb －In磁阻式振動(dòng)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(gè)引腳等組成，另外加上起屏蔽和保護(hù)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(duì)放置的一對(duì)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，可以提高檢測的靈敏度。三個(gè)引腳分別為電源線、地線和信號(hào)輸出線。當(dāng)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(nèi)球面狀支承片上自由振動(dòng)或滾動(dòng)，而采用這種空腔結(jié)構(gòu)，一方面可減小聲波和流動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，移向MR1的方向，引起磁力線向MR1聚集，MR1表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，則MR1中磁感應(yīng)強(qiáng)度為：
B1=（Bb+△B） （2）
此時(shí)磁阻為RB1。
MR2中磁感應(yīng)強(qiáng)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(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(xiàng)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(qiáng)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(shù)。
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(jù)此分析，當(dāng)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(dāng)MR1、MR2組成三端式結(jié)構(gòu)時(shí)，能通過檢測MR1、MR2中點(diǎn)電壓變化得到振動(dòng)信號(hào)。
四、振動(dòng)傳感器的信號(hào)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(hào)比較微弱，因此在實(shí)際應(yīng)用中需經(jīng)處理。圖2所示的電路可對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理，圖中的IC是常用的低噪聲集成運(yùn)算放大器，采用2級(jí)放大，合計(jì)電壓增益為80dB。當(dāng)傳感器檢測到外界振動(dòng)時(shí)，金屬滾珠在空腔內(nèi)移動(dòng)。假設(shè)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(yīng)振動(dòng)的過程中，MR1和MR2總是一個(gè)阻值增大一個(gè)阻值減小。由于是穩(wěn)壓源供電，從歐姆定律計(jì)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(dāng)傳感器使用在防盜報(bào)警設(shè)備中時(shí)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，去除一些偶然的振動(dòng)，剔除強(qiáng)度聲波信號(hào)的干擾和對(duì)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(hào)取自信號(hào)處理電路的Vout端。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測，圖1所示的傳感器的輸出信號(hào)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(yīng)振動(dòng)或位移觸發(fā)輸出的信號(hào)幅度在300mV以上，信噪比大于60dB。
五、信號(hào)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(yīng)特性受到信號(hào)處理電路的限制。當(dāng)信號(hào)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(yīng)到的振動(dòng)信號(hào)，通過使用電路輔助設(shè)計(jì)軟件OrCAD，模擬出了信號(hào)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(hào)的放大倍數(shù)在7000倍以上，所以，信號(hào)處理電路的頻率響應(yīng)范圍在7~10kHz之內(nèi)。振動(dòng)傳感器的檢測振動(dòng)頻率范圍主要受信號(hào)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。而且通過電路的改進(jìn)，相信可以把頻率下限擴(kuò)展到1Hz附近。

六、結(jié)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(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高。由于在傳感器內(nèi)沒有機(jī)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(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(hào)。
　
參考文獻(xiàn)：
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作者：鄭鑫 黃釗洪