Z-半导体敏感元件原理与应用 二

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2．光电计数器

表2、光敏z-元件应用电路与输出信号波形阻态图

图8是光电计数器电路。D1是缓冲级D2-1、D2-2是信号反相级，供计数级选择。R1、V1、V2、R2、R3构成了温度补偿电桥，其中，V2避光，V1受光，且V1、V2应选择反向灵敏度温漂DTR相近的Z-元件。R2用来调整在最大温漂状态下，无光照时D1保持输出为低电平。在被计数的物品遮挡一次光照时，D1输出一个负脉冲，D2-1、D2-2输出的计数脉冲可供选择。当工作温度变化时，因D1两个输入端等电位同步变化，不致产生误动作。

光敏Z-元件还有更多的场合能够应用，这里不一一例举。

七、 磁敏Z-元件及其技术参数

1．磁敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法

磁敏Z-元件是一种经过特殊掺杂而制得的改性PN结。图9(a)是结构示意，图9(b)是电路符号，“+”表示正向使用时接电源“+”端，M表示对磁场敏感。

表3、磁敏Z-元件分档代号与技术参数

名称

符号

阈值电压分档代号

单位

测试条件(T=20°C)

10

20

30

31

阈值电压

Vth

<10

10-20

20-30

>30

V

RL:5~150kW

阈值磁场

Bth

1

<300

mT

RL:5~150kW

2

>300

阈值电流

Ith

<1

£2

£3

>3

mA

RL:5kW

磁场范围

B

1

(1~1.5)Bth

mT

RL:5~150kW

2

频率范围

f

1~100

kHz

RL:5kW

输出幅值

VP.P

³Vth/6

V

RL:5~150kW

频率灵敏度

SF

>20

Hz/mT

RL:5~150kW

电压灵敏度

ST

<-300

mV/100mT

E>Vth+RL.Ith

磁敏Z-元件的命名方法有两种：

国内命名法

国际命名法

2．磁敏Z-元件的伏安特性曲线

磁敏Z-元件的伏安特性，应当在无磁场的情况下进行测量，图9(c)是伏安特性测量电路，正向伏安特性的测量电路与方法与温敏Z-元件的相同[6]。

图9(d)的伏安特性中OP段为高阻区，记为M1，pf段为负阻区，记为M2，fm为低阻区，记为M3区。特性中的Vth叫做阈值电压，表示在25℃时两端电压的最大值。Ith叫做阈值电流，是Z-元件电压为Vth时的电流。Vf叫做导通电压，是M3区电压的最小值。If叫做导通电流，是对应Vf的电流，是低阻区电流最小值。反向特性无磁敏。

3．磁敏Z-元件的分档代号与技术参数

磁敏Z-元件的技术参数列于表3，磁敏Z-元件的分档代号有两个，一个是Vth，共分四档；另一个是阈值磁场，共分两档。磁敏Z-元件的技术参数符合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，可用图9(c)所示电路进行测量，与温敏Z-元件正向伏安特性测量电路与方法相同。［6］

磁敏Z-元件在磁场中，其伏安特性曲线形状发生了变化，因而，技术参数也发生了变化。磁场由弱到强的变化过程，技术参数的变化范围如表3所示。

1．阈值磁场：Bth(mT )

磁敏Z-元件置于磁场中，如图10所示。电路中产生了自激振荡，输出信号VO的波形类似于温敏Z-元件的下降沿触发的脉冲频率信号。使Z-元件刚刚起振的磁场，定义为阈值磁场，用Bth表示。

2．磁场范围：B(mT)

磁场范围，表示维持Z-元件正常振荡的磁场，其值为(1~1.5)Bth。

3．频率范围：f(Hz)

Z-元件在磁场中正常的信号频率范围。

4．频率灵敏度：SF(Hz/mT)

磁敏Z-元件在磁场中产生振荡后，频率的变化量Df(Hz)与磁场变化量DB(mT)之比为频率灵敏度SF(Hz/mT)：

(5)

5．电压灵敏度ST(mV/mT)

磁敏Z-元件在磁场中，Vf向右平移增大，磁场越强，Vf增加的越多，见图11。电压灵敏度ST等于导通电压Vf的增量DVf与磁场变化增量DB之比。

(mV/mT) (6)

磁敏Z-元件在实验中，除上述参数用来表述在磁场中变化外，还有一种在磁场中的特性没有相应的参数可以表示。例如，在磁场中，Vf阶跃式的增大，同时Vth也增大，幅度变化为：

Vf：(1~3) Vf，Vth： Vth+(0~1V)，

参见图11。这一特性非常适合制作磁控开关、转速表等。

九、 磁敏Z-元件的应用电路

磁敏Z-元件是一个非线性元件［1］，典型应用电路为Z-元件与一个负载电阻RL串联的电路。RL的一个作用是限制工作电流，另一个作用是可以从RL与Z-元件连接点处取出输出信号，如图12(a)所示。Z-元件允许并联一个电容器，输出脉冲频率信号。

1． 工作在M3区输出阶跃信号

磁敏Z-元件工作在哪一个区，与电源电压E的大小有关。在温敏Z-元件工作中，由M1区向M3区转换的过程中，电源电压E，负载电阻RL与Z-元件的参数Vth 、Ith，必须满足的条件-状态方程为：

E= Vth +IthRL (7)

该方程仍然适用于磁敏Z-元件。

图12是输出阶跃信号的电路图，工作状态解析图和信号波形图。为了保证Z-元件工作在M3区，P(Vth，Ith)点必须设定在负载线(E，E/RL)的左侧，并应考虑温度的影响，在应用的温度范围内，能可靠地工作在M3区。

从解析图中已知道，无磁场时工作点为Q1(Vf，IZ1)，输出为VO=VOL=Vf。加入300mT磁场，P1(Vth1，Ith1)移至P2(Vth2，Ith2)，P2点在直线(E，E/RL)的左侧，Q2(VZ2，IZ2)点在OP2上，这时的输出为：VO=VOH=E- IZ2RL

当磁场为B=0时，VO又恢复为低电平，即VO=VOL=Vf。

2． 并联电容器M1M3，M3M1互相转换输出脉冲频率信号

图13是磁敏Z-元件输出脉冲频率信号电路。Z-元件在磁场中产生的自激振荡，其脉冲频率信号往往不够稳定［1］、［2］，因而采用Z-元件并联电容器的方法，改善振荡的稳定性和电源电压的适应性。这个脉冲频率信号是下降沿触发的，其频率受磁场的调制，信号频率与磁场的关系参见图13(c)。

磁敏Z-元件的应用电路图12(a)，可以把Z-元件与RL互换位置，其输出信号是关于电源电压E的互补信号，参看表4-3，其信号变化幅度的绝对值|DVO|相等，前者输出信号是由低电平上升为高电平，后者输出信号是由高电平下降为低电平。

十、 磁敏Z-元件特性与应用电路总结

(a)电路 (b)信号波形

图14 流量传感器

(a)电路 (b)信号波形

图15 报警传感器

磁敏Z-元件正向特性对磁场敏感，反向无磁敏特性。它的阈值点P(Vth，Ith)中，Vth为正磁系数，Ith有较小的负磁系数。磁敏Z-元件也有两个稳定的工作状态，即VZ≥Vth时工作在低阻M3区，当VZ十一、磁敏Z-元件应用示例

1． 流量脉冲传感器

该流量传感器电路示于图14，这是一个RL与磁敏Z-元件串联的电路。Z-元件工作在M3区，电源电压E应大于（Vth +IthRL），使之在允许的工作温度范围内，能可靠地工作在M3区。

由N、S磁极构成的平行磁场固定在转盘上，当流体冲击转盘转动时，只在磁极罩在磁敏Z-元件上的一瞬间，输出端输出一个高电平VOH，磁极离去时，输出为低电平VOL。转盘上的磁

极对数根据实际需要选择，两个高电平的间隔时间tx是流量的函数，经过标定以后，可编成查表程序用低功耗单片机进行显示，并需要输出相应信号。

图14电路还可以用来制做接触式电子转速表。转速表的接触式锥轴与磁极固定在一起，当磁极被锥轴代动一起旋转时，磁敏Z-元件在磁极作用下，输出与图14相同的信号，进行计数、显示。当N=1、S=1时，磁极对数为P=1，计数器的闸门信号为t，直接计数，显示的即是转速n[r/s]

t=1/p(s)

2． 报警传感器

该报警传感器采用图15电路, 待机(安全状态)电平为高电平VOH=E-IZ2RL。

被保护的物品(贵重文物、家电、门窗等)与磁极巧妙地固定在一起，使之罩在磁敏Z-元件上，输出信号为VOH表示正常待机，即安全状态。当被保护的物品被非法移位，致使磁极与Z-元件分开，输出信号由VOH变为VOL时，即发生了警情。用VOL信号去触发报警装置，发出声光报警信号或自动触发并送出特种远传报警寻求帮助，这些在技术上，都是非常容易实现的。磁敏Z-元件能以简单的电路实现诸多应用，应用示例很多，这里不再赘述。

十二、磁敏Z-元件研究中存在的问题

我们对磁敏Z-元件工作机理和特性的探讨做了大量工作，仍然有不少问题需要进一步探讨：

1．磁场的磁力线与Z-元件管芯平面的法线垂直时灵敏度最高，但是，磁场改变了方向后和改变方向前两者灵敏度不等的现象，尚未找到答案。

2．磁场由弱到强的变化，Vf的增加有跳跃式的变化，这种Z-元件在用于连续测量时就受到了限制。

3．磁敏Z-元件Vth一般较大(>10V) ，Vth较小的(<10V)往往灵敏度又较低。研制小Vth高灵敏度低温漂的磁敏Z-元件是一项高投资、高风险、高技术的新的攻关课题。

Z-元件是一个全新的元件。无论是温敏、光敏、磁敏还是力敏，进一步提高其灵敏度改善其一致性和稳定性，对于我们来说都是一项新的攻关课题，欢迎业内同仁和专家共同努力，开创Z-元件研究的新纪元。

参考文献

[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] 傅云鹏，Z-元件技术特性评述和应用展望，电子产品世界 1996年7期

[4] 傅云鹏，赵振雁，王哲宁，Z-半导体敏感元件原理与应用-(1)，传器世界2001年2期

[5] 周长恩等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(2)，传器世界2001年4期

[6] 王建林，Z-半导体敏感元件原理与应用-(3)，传器世界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,

作者简介

王建林：哈尔滨诺威克传感技术公司高级工程师，

地址：哈尔滨市南岗区美顺街38号（150090），电话：2333284