摘 要：本文介紹一種采用銻化銦－銦共晶體磁敏電阻作為敏感元件的半導(dǎo)體薄膜型齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，得出了傳感器檢測(cè)距離與磁阻輸出信號(hào)的關(guān)系曲線。傳感器驅(qū)動(dòng)級(jí)采用推挽輸出的形式，輸出矩形脈沖負(fù)荷能力強(qiáng)，輸出拉電流最大可達(dá)200ma以上，當(dāng)溫度在-30℃～＋70℃之間變化時(shí)，信號(hào)處理電路輸出依然穩(wěn)定可靠。

    關(guān)鍵詞：銻化銦－銦；齒輪轉(zhuǎn)速傳感器；推挽驅(qū)動(dòng)

    一、引言

    銻化銦齒輪轉(zhuǎn)速傳感器是一種測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速的裝置，由敏感元件和處理電路組成，其中，敏感元件采用半導(dǎo)體銻化銦薄膜磁阻元件制成。這種傳感器具有靈敏度較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1][2]，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。但是用半導(dǎo)體銻化銦生產(chǎn)的轉(zhuǎn)速傳感器往往也存在一些缺陷，如半導(dǎo)體材料溫度系數(shù)較大，環(huán)境溫度改變時(shí)可能導(dǎo)致輸出誤報(bào)現(xiàn)象；此外，在實(shí)際生產(chǎn)中，還要考慮銻化銦磁阻的靜態(tài)阻值允許有一定不對(duì)稱(chēng)性和離散性�；谝陨蟽蓚�(gè)特點(diǎn)，本文有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了電路，抑制了溫漂的影響。

    二、銻化銦齒輪轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理

    半導(dǎo)體銻化銦insb轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理的理論基礎(chǔ)是磁阻效應(yīng)，即磁感應(yīng)強(qiáng)度變化引起磁敏電阻的電阻率改變。對(duì)于n型半導(dǎo)體材料，當(dāng)兩種載流子遷移率相差相當(dāng)懸殊而且空穴遷移率小到可忽略不計(jì)時(shí)，其電阻率的變化可表示為[3]：

    （rb-r0）/r0= 0.273mn2b2 (1)

    式中：b—磁感應(yīng)強(qiáng)度；

    rb、r0—磁感應(yīng)強(qiáng)度分別在b和0時(shí)材料的電阻率；

    mn—半導(dǎo)體材料中電子遷移率。

    insb材料具有電子遷移率高的特點(diǎn)，室溫下質(zhì)量良好的n型insb的電子遷移率可高達(dá)78000cm2/v?s，是制作磁敏電阻的合適材料。如果用薄膜工藝制造的銻化銦銦（insb-in）共晶體薄膜代替銻化銦單晶體，可以克服用傳統(tǒng)工藝制磁阻元件時(shí)須采用把單晶切片再研磨減薄工藝的許多缺點(diǎn)，節(jié)約了材料，提高了效率。

    銻化銦磁頭工作原理見(jiàn)圖1，它由兩個(gè)insb--in共晶體磁敏電阻 mr1和mr2、基片和永磁體等構(gòu)成。永磁體中發(fā)出的磁力線在空間中是發(fā)散的，有一部分穿越基片和磁敏電阻到達(dá)表面，且分布基本對(duì)稱(chēng)。當(dāng)齒輪劃過(guò)磁頭某一磁阻附近的瞬間，磁力線密度在這個(gè)磁敏元件處增加，而在另一個(gè)磁敏元件處減小，從而導(dǎo)致兩個(gè)磁阻元件的阻值一個(gè)增加，一個(gè)減小。由于磁頭由穩(wěn)壓源供電（如圖2），由歐姆定理可知：在兩個(gè)磁敏元件連接點(diǎn)處輸出電壓va發(fā)生變化，即磁頭輸出隨之變化的電信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的頻率可以反映齒輪旋轉(zhuǎn)快慢。

    三、信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

    信號(hào)采集電路采用磁阻三端差分型輸出電路（如圖2），這種信號(hào)采集電路具有輸出信號(hào)較大和較強(qiáng)抑制溫漂的能力。

    信號(hào)處理電路采用阻容耦合型差動(dòng)放大電路（如圖3），ic1和ic2為兩級(jí)差動(dòng)放大，改變r(jià)3、r4、r5和r6的阻值可以調(diào)整放大倍數(shù)。運(yùn)放的靜態(tài)電壓由r1和r2來(lái)調(diào)節(jié)，考慮到通常磁頭內(nèi)的上、下兩個(gè)磁阻元件不完全平衡，mr1與mr2的阻值會(huì)有10%以?xún)?nèi)的差別，在＋5v的工作電源下，信號(hào)采集的輸出端電壓會(huì)在2.4v～2.6v之間。為了減少信號(hào)在磁頭與運(yùn)放之間阻容耦合中的損失，一般把集成運(yùn)放靜態(tài)電壓設(shè)置為低于2.5v，取2v比較合適。ic3為電壓比較器，電阻r7和r8用來(lái)調(diào)節(jié)比較器基準(zhǔn)電壓。磁頭輸出的微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)電壓放大和電壓比較器后輸出為矩形脈沖。

    比較器輸出的脈沖驅(qū)動(dòng)電流有限，一般不采用此脈沖直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而是經(jīng)過(guò)一驅(qū)動(dòng)級(jí)電路。比較器輸出脈沖作為驅(qū)動(dòng)級(jí)的輸入信號(hào)，再由驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出脈沖向外提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。目前常用的驅(qū)動(dòng)方法是集電極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)法，而實(shí)際上這種方法存在驅(qū)動(dòng)電流小和輸出的高電平不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。下面介紹一種采用ttl推挽輸出的驅(qū)動(dòng)電路。

    四、采用ttl推挽輸出的驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

    下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)磁頭輸出信號(hào)大小與檢測(cè)距離之間的關(guān)系、傳感器的驅(qū)動(dòng)能力、傳感器溫度穩(wěn)定性等進(jìn)行測(cè)試。

    1、磁頭輸出信號(hào)大小與檢測(cè)距離關(guān)系實(shí)驗(yàn)

    隨機(jī)選出三個(gè)圖1所示的銻化銦磁頭，磁頭靈敏度均為3.2倍（b＝0.3t），分別標(biāo)記為1�！�3＃。改變檢測(cè)距離，分別記錄不同檢測(cè)距離時(shí)磁敏電阻輸出的信號(hào)峰值vpp，得出的磁敏電阻輸出信號(hào)與檢測(cè)距離的關(guān)系如圖4。

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