摘要：本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)傳感器是一種利用銻化銦-銦（insb-in）共晶體薄膜磁阻元件的磁阻效應(yīng)的新型振動(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)范圍更寬。經(jīng)實(shí)測(cè)，其提供的電信號(hào)的信噪比大于60db。這種振動(dòng)傳感器適用于物體振動(dòng)檢測(cè)、防盜報(bào)警、振動(dòng)鎖、運(yùn)動(dòng)控制開關(guān)、自動(dòng)控制開關(guān)等。

    關(guān)鍵詞：insb-in；共晶體薄膜；磁阻效應(yīng)；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(chǎng)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(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(zhǎng)，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(chǎng)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(chǎng)。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(chǎng)，可以提高檢測(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)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