摘要：本文设计的振动传感器是一种利用锑化铟-铟（insb-in）共晶体薄膜磁阻元件的磁阻效应的新型振动传感器。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、频率响应范围更宽。经实测，其提供的电信号的信噪比大于60db。这种振动传感器适用于物体振动检测、防盗报警、振动锁、运动控制开关、自动控制开关等。

    关键词：insb-in；共晶体薄膜；磁阻效应；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