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Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用 二
2．光電計(jì)數(shù)器表2、光敏Z-元件應(yīng)用電路與輸出信號(hào)波形阻態(tài)圖
圖8是光電計(jì)數(shù)器電路。D1是緩沖級(jí)D2-1、D2-2是信號(hào)反相級(jí)，供計(jì)數(shù)級(jí)選擇。R1、V1、V2、R2、R3構(gòu)成了溫度補(bǔ)償電橋，其中，V2避光，V1受光，且V1、V2應(yīng)選擇反向靈敏度溫漂DTR相近的Z-元件。R2用來調(diào)整在最大溫漂狀態(tài)下，無光照時(shí)D1保持輸出為低電平。在被計(jì)數(shù)的物品遮擋一次光照時(shí)，D1輸出一個(gè)負(fù)脈沖，D2-1、D2-2輸出的計(jì)數(shù)脈沖可供選擇。當(dāng)工作溫度變化時(shí)，因D1兩個(gè)輸入端等電位同步變化，不致產(chǎn)生誤動(dòng)作。
光敏Z-元件還有更多的場(chǎng)合能夠應(yīng)用，這里不一一例舉。
七、 磁敏Z-元件及其技術(shù)參數(shù)
1．磁敏Z-元件的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)及命名方法
磁敏Z-元件是一種經(jīng)過特殊摻雜而制得的改性PN結(jié)。圖9(a)是結(jié)構(gòu)示意，圖9(b)是電路符號(hào)，“+”表示正向使用時(shí)接電源“+”端，M表示對(duì)磁場(chǎng)敏感。
表3、磁敏Z-元件分檔代號(hào)與技術(shù)參數(shù)
名稱
符號(hào)
閾值電壓分檔代號(hào)
單位
測(cè)試條件(T=20°C)
10
20
30
31
閾值電壓
Vth
<10
10-20
20-30
>30
V
RL:5~150kW
閾值磁場(chǎng)
Bth
1
<300
mT
RL:5~150kW
2
>300
閾值電流
Ith
<1
£2
£3
>3
mA
RL:5kW
磁場(chǎng)范圍
B
1
(1~1.5)Bth
mT
RL:5~150kW
2
頻率范圍
f
1~100
kHz
RL:5kW
輸出幅值
VP.P
³Vth/6
V
RL:5~150kW
頻率靈敏度
SF
>20
Hz/mT
RL:5~150kW
電壓靈敏度
ST
<-300
mV/100mT
E>Vth+RL.Ith
磁敏Z-元件的命名方法有兩種：
國內(nèi)命名法
國際命名法
2．磁敏Z-元件的伏安特性曲線
磁敏Z-元件的伏安特性，應(yīng)當(dāng)在無磁場(chǎng)的情況下進(jìn)行測(cè)量，圖9(c)是伏安特性測(cè)量電路，正向伏安特性的測(cè)量電路與方法與溫敏Z-元件的相同[6]。
圖9(d)的伏安特性中OP段為高阻區(qū)，記為M1，pf段為負(fù)阻區(qū)，記為M2，fm為低阻區(qū)，記為M3區(qū)。特性中的Vth叫做閾值電壓，表示在25℃時(shí)兩端電壓的最大值。Ith叫做閾值電流，是Z-元件電壓為Vth時(shí)的電流。Vf叫做導(dǎo)通電壓，是M3區(qū)電壓的最小值。If叫做導(dǎo)通電流，是對(duì)應(yīng)Vf的電流，是低阻區(qū)電流最小值。反向特性無磁敏。
3．磁敏Z-元件的分檔代號(hào)與技術(shù)參數(shù)
磁敏Z-元件的技術(shù)參數(shù)列于表3，磁敏Z-元件的分檔代號(hào)有兩個(gè)，一個(gè)是Vth，共分四檔；另一個(gè)是閾值磁場(chǎng)，共分兩檔。磁敏Z-元件的技術(shù)參數(shù)符合QJ/HN003-1998。
八、 磁敏Z-元件的磁敏特性
磁敏Z-元件的正向伏安特性，可用圖9(c)所示電路進(jìn)行測(cè)量，與溫敏Z-元件正向伏安特性測(cè)量電路與方法相同。［6］
磁敏Z-元件在磁場(chǎng)中，其伏安特性曲線形狀發(fā)生了變化，因而，技術(shù)參數(shù)也發(fā)生了變化。磁場(chǎng)由弱到強(qiáng)的變化過程，技術(shù)參數(shù)的變化范圍如表3所示。
1．閾值磁場(chǎng)：Bth(mT )
磁敏Z-元件置于磁場(chǎng)中，如圖10所示。電路中產(chǎn)生了自激振蕩，輸出信號(hào)VO的波形類似于溫敏Z-元件的下降沿觸發(fā)的脈沖頻率信號(hào)。使Z-元件剛剛起振的磁場(chǎng)，定義為閾值磁場(chǎng)，用Bth表示。
2．磁場(chǎng)范圍：B(mT)
磁場(chǎng)范圍，表示維持Z-元件正常振蕩的磁場(chǎng)，其值為(1~1.5)Bth。
3．頻率范圍：f(Hz)
Z-元件在磁場(chǎng)中正常的信號(hào)頻率范圍。
4．頻率靈敏度：SF(Hz/mT)
磁敏Z-元件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生振蕩后，頻率的變化量Df(Hz)與磁場(chǎng)變化量DB(mT)之比為頻率靈敏度SF(Hz/mT)：
&nb
sp; (5)
5．電壓靈敏度ST(mV/mT)
磁敏Z-元件在磁場(chǎng)中，Vf向右平移增大，磁場(chǎng)越強(qiáng)，Vf增加的越多，見圖11。電壓靈敏度ST等于導(dǎo)通電壓Vf的增量DVf與磁場(chǎng)變化增量DB之比。
(mV/mT) (6)
磁敏Z-元件在實(shí)驗(yàn)中，除上述參數(shù)用來表述在磁場(chǎng)中變化外，還有一種在磁場(chǎng)中的特性沒有相應(yīng)的參數(shù)可以表示。例如，在磁場(chǎng)中，Vf階躍式的增大，同時(shí)Vth也增大，幅度變化為：
Vf：(1~3) Vf，Vth： Vth+(0~1V)，
參見圖11。這一特性非常適合制作磁控開關(guān)、轉(zhuǎn)速表等。
九、 磁敏Z-元件的應(yīng)用電路
磁敏Z-元件是一個(gè)非線性元件［1］，典型應(yīng)用電路為Z-元件與一個(gè)負(fù)載電阻RL串聯(lián)的電路。RL的一個(gè)作用是限制工作電流，另一個(gè)作用是可以從RL與Z-元件連接點(diǎn)處取出輸出信號(hào)，如圖12(a)所示。Z-元件允許并聯(lián)一個(gè)電容器，輸出脈沖頻率信號(hào)。
1． 工作在M3區(qū)輸出階躍信號(hào)
磁敏Z-元件工作在哪一個(gè)區(qū)，與電源電壓E的大小有關(guān)。在溫敏Z-元件工作中，由M1區(qū)向M3區(qū)轉(zhuǎn)換的過程中，電源電壓E，負(fù)載電阻RL與Z-元件的參數(shù)Vth 、Ith，必須滿足的條件-狀態(tài)方程為：
E= Vth +IthRL (7)
該方程仍然適用于磁敏Z-元件。
圖12是輸出階躍信號(hào)的電路圖，工作狀態(tài)解析圖和信號(hào)波形圖。為了保證Z-元件工作在M3區(qū)，P(Vth，Ith)點(diǎn)必須設(shè)定在負(fù)載線(E，E/RL)的左側(cè)，并應(yīng)考慮溫度的影響，在應(yīng)用的溫度范圍內(nèi)，能可靠地工作在M3區(qū)。
從解析圖中已知道，無磁場(chǎng)時(shí)工作點(diǎn)為Q1(Vf，IZ1)，輸出為VO=VOL=Vf。加入300mT磁場(chǎng)，P1(Vth1，Ith1)移至P2(Vth2，Ith2)，P2點(diǎn)在直線(E，E/RL)的左側(cè)，Q2(VZ2，IZ2)點(diǎn)在OP2上，這時(shí)的輸出為：VO=VOH=E- IZ2RL
當(dāng)磁場(chǎng)為B=0時(shí)，VO又恢復(fù)為低電平，即VO=VOL=Vf。
2． 并聯(lián)電容器M1→M3，M3→M1互相轉(zhuǎn)換輸出脈沖頻率信號(hào)
圖13是磁敏Z-元件輸出脈沖頻率信號(hào)電路。Z-元件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的自激振蕩，其脈沖頻率信號(hào)往往不夠穩(wěn)定［1］、［2］，因而采用Z-元件并聯(lián)電容器的方法，改善振蕩的穩(wěn)定性和電源電壓的適應(yīng)性。這個(gè)脈沖頻率信號(hào)是下降沿觸發(fā)的，其頻率受磁場(chǎng)的調(diào)制，信號(hào)頻率與磁場(chǎng)的關(guān)系參見圖13(c)。
磁敏Z-元件的應(yīng)用電路圖12(a)，可以把Z-元件與RL互換位置，其輸出信號(hào)是關(guān)于電源電壓E的互補(bǔ)信號(hào)，參看表4-3，其信號(hào)變化幅度的絕對(duì)值|DVO|相等，前者輸出信號(hào)是由低電平上升為高電平，后者輸出信號(hào)是由高電平下降為低電平。
十、 磁敏Z-元件特性與應(yīng)用電路總結(jié)
(a)電路 (b)信號(hào)波形
圖14 流量傳感器
(a)電路 (b)信號(hào)波形
圖15 報(bào)警傳感器
磁敏Z-元件正向特性對(duì)磁場(chǎng)敏感，反向無磁敏特性。它的閾值點(diǎn)P(Vth，Ith)中，Vth為正磁系數(shù)，Ith有較小的負(fù)磁系數(shù)。磁敏Z-元件也有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，即VZ≥Vth時(shí)工作在低阻M3區(qū)，當(dāng)VZ十一、磁敏Z-元件應(yīng)用示例
1． 流量脈沖傳感器
該流量傳感器電路示于圖14，這是一個(gè)RL與磁敏Z-元件串聯(lián)的電路。Z-元件工作在M3區(qū)，電源電壓E應(yīng)大于（Vth +IthRL），使之在允許的工作溫度范圍內(nèi)，能可靠地工作在M3區(qū)。
由N、S磁極構(gòu)成的平行磁場(chǎng)固定在轉(zhuǎn)盤上，當(dāng)流體沖擊轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只在磁極罩在磁敏Z-元件上的一瞬間，輸出端輸出一個(gè)高電平VOH，磁極離去時(shí)，輸出為低電平VOL。轉(zhuǎn)盤上的磁
極對(duì)數(shù)根據(jù)實(shí)際需要選擇，兩個(gè)高電平的間隔時(shí)間tx是流量的函數(shù)，經(jīng)過標(biāo)定以后，可編成查表程序用低功耗單片機(jī)進(jìn)行顯示，并需要輸出相應(yīng)信號(hào)。
圖14電路還可以用來制做接觸式電子轉(zhuǎn)速表。轉(zhuǎn)速表的接觸式錐軸與磁極固定在一起，當(dāng)磁極被錐軸代動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁敏Z-元件在磁極作用下，輸出與圖14相同的信號(hào)，進(jìn)行計(jì)數(shù)、顯示。當(dāng)N=1、S=1時(shí)，磁極對(duì)數(shù)為P=1，計(jì)數(shù)器的閘門信號(hào)為t，直接計(jì)數(shù)，顯示的即是轉(zhuǎn)速n[r/s]
t=1/p(s)
2． 報(bào)警傳感器
該報(bào)警傳感器采用圖15電路, 待機(jī)(安全狀態(tài))電平為高電平VOH=E-IZ2RL。
被保護(hù)的物品(貴重文物、家電、門窗等)與磁極巧妙地固定在一起，使之罩在磁敏Z-元件上，輸出信號(hào)為VOH表示正常待機(jī)，即安全狀態(tài)。當(dāng)被保護(hù)的物品被非法移位，致使磁極與Z-元件分開，輸出信號(hào)由VOH變?yōu)閂OL時(shí)，即發(fā)生了警情。用VOL信號(hào)去觸發(fā)報(bào)警裝置，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)或自動(dòng)觸發(fā)并送出特種遠(yuǎn)傳報(bào)警尋求幫助，這些在技術(shù)上，都是非常容易實(shí)現(xiàn)的。磁敏Z-元件能以簡單的電路實(shí)現(xiàn)諸多應(yīng)用，應(yīng)用示例很多，這里不再贅述。
十二、磁敏Z-元件研究中存在的問題
我們對(duì)磁敏Z-元件工作機(jī)理和特性的探討做了大量工作，仍然有不少問題需要進(jìn)一步探討：
1．磁場(chǎng)的磁力線與Z-元件管芯平面的法線垂直時(shí)靈敏度最高，但是，磁場(chǎng)改變了方向后和改變方向前兩者靈敏度不等的現(xiàn)象，尚未找到答案。
2．磁場(chǎng)由弱到強(qiáng)的變化，Vf的增加有跳躍式的變化，這種Z-元件在用于連續(xù)測(cè)量時(shí)就受到了限制。
3．磁敏Z-元件Vth一般
較大(>10V) ，Vth較小的(<10V)往往靈敏度又較低。研制小Vth高靈敏度低溫漂的磁敏Z-元件是一項(xiàng)高投資、高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)的新的攻關(guān)課題。
Z-元件是一個(gè)全新的元件。無論是溫敏、光敏、磁敏還是力敏，進(jìn)一步提高其靈敏度改善其一致性和穩(wěn)定性，對(duì)于我們來說都是一項(xiàng)新的攻關(guān)課題，歡迎業(yè)內(nèi)同仁和專家共同努力，開創(chuàng)Z-元件研究的新紀(jì)元。
參考文獻(xiàn)
[1] V.Zotov,V.Bodrov, Small displacement sensors based on magnetosensitive Z-elements, Third Symposium on Measurement and control in Robotics ISMCR’93/Session Cm.IV-7, AMMA, Via Vela17, Torino, Italy, 1993.
[2] V.Zotov,V.Bodrov, Novel semiconductor Sensitive elements based on the Z-effect intended for various robotic sensors and systems,2nd Symbosium on Measurement
and control in Robotics ISMCR’92/p.p 723-728
[3] 傅云鵬，Z-元件技術(shù)特性評(píng)述和應(yīng)用展望，電子產(chǎn)品世界 1996年7期
[4] 傅云鵬，趙振雁，王哲寧，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(1)，傳器世界2001年2期
[5] 周長恩等，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(2)，傳器世界2001年4期
[6] 王建林，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(3)，傳器世界2001年6期
The Review of Z-elements--—the Photosensitive Z-element ,
Magnetosensitive Z-element and their Application
Abstract: The photosensitive Z-element and magnetosensitive Z-element are introduced in this paper with their voltage and current characteristics, typical
circuits, designing methods and application examples. The paper is a reference when user
make use of the Z-element to design measuring system.
Keywords:Z-elements, Photo sensitive, Magnetosensitive,
作者簡介
王建林：哈爾濱諾威克傳感技術(shù)公司高級(jí)工程師，
地址：哈爾濱市南崗區(qū)美順街38號(hào)（150090），電話：2333284
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