基于声表面波技术与磁阻效应的无线电流传感器的设计与分析.pdfVIP

超声学 基于声表面波技术与磁阻效应的无线电流传感器的设 计与分析 刘鑫璐，王文 声学微机电系统实验室 摘要：声表面波(sAW)无线无源电流传感器具有高灵敏度、高分辨率与良好稳定性能等优点， 在智能电网线路检测、工业自动化中电力继保等领域具有广泛的应用前景。论文利用反射型 延迟线结构声表面波器件在无源无线检测中对负载变化的响应机理与特点，结合磁敏电阻元 件对电流产生磁场的响应特性，对传感器响应机理特性进行理论分析，并设计实现声表面波 电流传感器器件结构。 关键词：声表面波；磁敏电阻；电流传感器 1引言 在目前众多的电流检测技术中，基于霍尔效应的传统电流检测技术以其精度 高、线性好和响应快等优点在国内外电流传感领域占有主要地位，此外基于法拉 第磁光效应的无源光纤电流检测方法以其独特优点如高灵敏度、无需供电以及良 好的稳定性等而具有很强的应用潜力，但是这两种技术的电流传感器在实际应用 中面临了一些亟待解决的问题：如传感器节点需要外部电池等电源供电；自身材 料导致的制造和加工成本高；传感器整体温度稳定性较差等n1。故近些年逐渐发 展起来的声表面波电流传感器以其无需供电无线测量，灵敏度高，低成本，良好 的可靠性与稳定性以及可基阵组合和可智能网络化等特点引起人们极大的兴趣， 并在国内外形成了一点的实验与应用基础，本文即是在此研究背景下开展起来的。 2无线电流传感器基本组成原理 无线无源声表面波电流传感器主要构成分为两大部分： 2．1磁阻效应基本原理 加到载流导体上的磁场B对电子十佳的洛伦兹力为F=evxB，其中e—q是电 子电荷，v是电子速度。洛伦兹力F使部分电子偏离原始运动路径。若由于晶格 碰撞引起的弛豫时间相当短，则向导体另--N漂移的电子将产生阻止电子进一步 漂移的横向电场，即霍尔电压。若弛豫时间相当长，则电阻明显增加，由此便产 生磁阻效应。随着对III—V族化合物的研究，发现了锑化铟和砷化铟等材料具有 极高的电子迁移率，这极大地促进了基于磁阻效应的磁敏电阻的应用研究。 对于物理磁阻效应，只有一种载流子的半导体，其电阻率变化是 -．407．． —史旦型堂院虚堂婴塞逝缉盒建逝曼Q旦生璧箜真厦堂查銮逾金 (仇一po)／po=0．275#：B2 (1) 岛为外加磁场后的电阻率，Po为未加磁场时的电阻率，乜是载流子的迁移 率，B是磁感应强度。 为使元件随着磁场的增加，电阻值明显增加，电流偏转的霍尔角增大，需要 选择高迁移率的半导体材料。锑化铟(InSb)半导体在室温下电子迁移率最高可 达78000 cm2／v·S，表格中显示了其与其他半导体材料的特性比较乜1 表格1各种半导体材料的特性比较 材料 电阻率 电子迁移率 霍尔系数 (Q·cm) “(ClIl2／V·S)RH(cm3／C) N—Ge l。0 3500 4250 N-Si 1．5 1500 2250 InSb 0．005 60000 380 InAs 0．0035 25000 115 InAsP 0．06 10500 850 GaAS 0．78 8500 6250 由此可以看出，锑化铟(InSb)完全适合制造高灵敏度的磁敏电阻。 2．2无线无源声表面波传