一、引言

近些年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展，特別是微電子加工技術，微型計算機技術，信息技術和材料技術的發(fā)展，使得綜合著各種先進技術的傳感器技術進入了一個前所未有的飛速發(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傳感器。與用普通壓電陶瓷片或電感線圈構成的振動傳感器相比，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—外加磁場的磁感應強度；

ρB—磁感應強度為B時的電阻率；

ρ0—磁感應強度為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。此外，對于主體材料一定的半導體磁敏電阻，它們的形狀會對磁阻效應有很大的影響，這稱為幾何磁阻效應。

三、InSb—In磁阻式振動傳感器的結(jié)構及其原理

InSb －In磁阻式振動傳感器的結(jié)構如圖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，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，以提高感應振動的靈敏度。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時，移向MR1的方向，引起磁力線向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）

此時磁阻為RB1。

MR2中磁感應強度為： 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—磁感應強度為0時的阻值；

a和b—與InSb磁阻元件的靈敏度有關的系數(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MR1、MR2組成三端式結(jié)構時，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。當傳感器檢測到外界振動時，金屬滾珠在空腔內(nèi)移動。假設某一時刻，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。

當傳感器使用在防盜報警設備中時，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，采用0.5mV的正弦波代替感應到的振動信號，通過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(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。