锑化铟薄膜磁阻式振动传感器

一、引言
　　近些年来，随着科学技术的飞速发展，特别是微电子加工技术，微型计算机技术，信息技术和材料技术的发展，使得综合着各种先进技术的传感器技术进入了一个前所未有的飞速发展阶段。我们应用InSb－In共晶体薄膜磁阻元件制成了一种新型的振动传感器。与用普通压电陶瓷片或电感线圈构成的振动传感器相比，这种传感器的灵敏度更高，频率响应宽，非常适合于在防盗报警设备中应用。
二、InSb－In共晶体磁阻薄膜的特性
　　磁阻效应是指材料电阻随外加磁场的大小而变化。半导体磁敏感材料受到与电流方向相垂直方向的磁场作用时，由于洛仑兹力的作用，电子流动的方向发生改变，路径加长，从而其阻值增大。磁阻效应分为物理磁阻效应和几何磁阻效应。就物理磁阻效应而言，对于两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊的半导体材料，其中迁移率较大的一种载流子引起的电阻变化可表示为[1]
（ρB-ρ0）/ρ0=△ρ/ρ0=0.275m2B2 （1）
式中，B—外加磁场的磁感应强度；
ρB—磁感应强度为B时的电阻率；
ρ0—磁感应强度为0时的电阻率；
m—该种载流子的迁移率。
　　为了获得较高的电阻变化率即高的灵敏度，应采用电子迁移率高的锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料和高磁感应强度的外加磁场。此外，对于主体材料一定的半导体磁敏电阻，它们的形状会对磁阻效应有很大的影响，这称为几何磁阻效应。
三、InSb—In磁阻式振动传感器的结构及其原理
　　InSb －In磁阻式振动传感器的结构如图1所示。它主要由铁磁性金属滚珠、内球面状支承片、绝缘基片、InSb－In磁阻元件MR1和MR2、永久磁铁、3个引脚等组成，另外加上起屏蔽和保护作用的金属外壳和由金属外壳构成的空腔。其中, MR1和MR2是相对放置的一对磁阻元件片，其阻值大致相等，放置在基片下的永久磁铁为MR1和MR2提供一个偏置磁场，可以提高检测的灵敏度。三个引脚分别为电源线、地线和信号输出线。当传感器受到振动或移动时，金属滚珠能在空腔中的内球面状支承片上自由振动或滚动，而采用这种空腔结构，一方面可减小声波和流动空气的干扰，另一方面，内球面状支承片能保证金属滚珠基本上保持在MR1和MR2的中间，以提高感应振动的灵敏度。这样，传感器能适应任一方向。
　　已知固定偏磁为Bb，假设金属滚珠受到外界扰动时，移向MR1的方向，引起磁力线向MR1聚集，MR1表面的磁感应强度增大，则MR1中磁感应强度为：
B1=（Bb+△B） （2）
此时磁阻为RB1。
MR2中磁感应强度为: B2=（Bb-△B） （3）
此时磁阻为RB2。
InSb－In共晶体薄膜材料的磁阻特性规律是遵从单晶型材料的磁阻特性规律的，可用一元二次三项式表示〔2〕 ： RB/R0=1+aB+bB2 (4)
式中：RB—磁场中磁阻元件的电阻值；
R0—磁感应强度为0时的阻值；
a和b—与InSb磁阻元件的灵敏度有关的系数。
此传感器中，磁阻元件在固定偏磁为Bb时的磁阻为RB0。
将（2）、（3）式分别代入（4）式，可得MR1的电阻R1大于MR2的电阻R2。据此分析，当金属滚珠移向MR1方向时，MR1的电阻值增加，同时MR2 的电阻值减小，反之亦然。所以，当MR1、MR2组成三端式结构时，能通过检测MR1、MR2中点电压变化得到振动信号。
四、振动传感器的信号处理电路
　　InSb －In磁阻式振动传感器的灵敏度很高，能够检测到非常微弱的振动。但是，直接由传感器输出的信号比较微弱，因此在实际应用中需经处理。图2所示的电路可对传感器输出的微弱信号进行放大处理，图中的IC是常用的低噪声集成运算放大器，采用2级放大，合计电压增益为80dB。当传感器检测到外界振动时，金属滚珠在空腔内移动。假设某一时刻，金属滚珠移动到了MR1的上面，这时，MR1阻值增大，MR2阻值减小；反之，则MR1阻值减小，MR2阻值增大。所以，在感应振动的过程中，MR1和MR2总是一个阻值增大一个阻值减小。由于是稳压源供电，从欧姆定律计算可知，这种一边增大一边减小会使中点的电压变化幅度更大，因而从Vout点可获得较高的输出电压。
　　当传感器使用在防盗报警设备中时，需要对信号进行进一步的处理，去除一些偶然的振动，剔除强度声波信号的干扰和对振动的判断等。振动传感器检测到外界振动的波形如图3所示，该信号取自信号处理电路的Vout端。经实验检测，图1所示的传感器的输出信号的本底噪声均小于50μV，而从MR1与MR2连接点处得到的因感应振动或位移触发输出的信号幅度在300mV以上，信噪比大于60dB。
五、信号处理电路的频率特性
　　InSb －In共晶体薄膜磁阻的频率范围非常宽，但是振动传感器的频率响应特性受到信号处理电路的限制。当信号处理电路中耦合电容C1和C2使用6.8μF的电解电容时，采用0.5mV的正弦波代替感应到的振动信号，通过使用电路辅助设计软件OrCAD，模拟出了信号处理电路的频率响应特性，如图4所示。在图中，横轴代表频率，单位为Hz；纵轴代表输出电压的大小，单位为V。由图中可以看出，在7~10kHz的频率范围内，信号的放大倍数在7000倍以上，所以，信号处理电路的频率响应范围在7~10kHz之内。振动传感器的检测振动频率范围主要受信号处理电路的限制，因此，本文的磁阻式振动传感器检测到振动的频率范围在7~10kHz。而且通过电路的改进，相信可以把频率下限扩展到1Hz附近。

六、结论
　　InSb －In薄膜磁阻式振动传感器是一种新型的、实用的传感器，其结构简单、体积小、灵敏度高。由于在传感器内没有机械的连接，所以传感器的使用寿命很长。这种 InSb－In薄膜磁阻式振动传感器采用7~12V直流电源供电，测量振动频率范围为7~10kHz，在没有振动时输出为近似Vcc/2的直流电压，有振动时，输出是叠加在Vcc/2上、随振动大小而变化的电压信号。
　
参考文献：
[1] 曲喜新.电子元件材料手册[M]. 北京：电子工业出版社， 1989.422—430.
[2] 黄钊洪.InSb-In共晶体磁阻薄膜的晶面和磁阻特性.传感器技术[J]，2001,20(8):7-9
[3] 森村正直等. 传感器技术[M]. 科学出版社, 1986：127～130
[4] 金篆芷等. 现代传感技术[M]. 电子工业出版社, 1995：26～29
[5] 黄继昌等. 传感器工作原理及其应用实例[M]. 人民邮电出版社, 1998：135～141，238～241

作者：郑鑫 黄钊洪