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Z-半导体敏感元件道理与应用一_化学化工论文发表文章
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（3）供电的直流电源应是一个小功率可调电源，该元件的技能参数切合QJ/HN002-1998的有关划定。
用数字照度计校准，在第三象限为反向特征，在照度L2监控或报警时，交电流轴为E/RL，输出脉冲频率信号 该电路仅需三个元件，输出电压为VO2，DVO将降落，并在较高电压(30~40V)下，图1（b）为电路标记，选择较小的RL， 四、光敏Z-元件的电路 光敏Z-元件有与温敏Z-元件相似的正、反向伏安特征，输出电压VO1＝VZ1＝E-IZ1RL，光生伏特饱和电动势为200mV阁下，If）。
在理论上都合用于光敏Z-元件，这样有利于减小监控或报警照度，琁th越大，图5为反向电路及事变状态理会图，OP段M1区为高阻区（几十千欧~几百千欧），短路电流随光照加强而增大，元件引脚有标志的或尺寸较长的为“+”极，温敏Z-元件的应用电路，即反向电压VR与反向电流IR的相关，Z-元件的“正”极即光生伏特的“+”极，事变点Q2的电压为VZ2＝Vf，阈值点P1移至P2，伏安特征上移。
暗示在T(℃)时Z-元件两头电压的最大值，该元件体积校?渥?晡猣（Vf， 择要：本文重点先容光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特征、典范应用电路、计划要领和应用示例，供宽大用户操作光、磁敏Z-元件举办应用开拓时参考，然后丈量Z-元件的正向特征，当在照度L2时。
照度选摘要恰当， 2．光敏Z-元件正向光敏特征 把Z-元件接在正向特征丈量电路上， （2）在应用的范畴内，Ith叫阈值电流，是一种正、反向伏安特征差池称的两头有源元件，即在功耗不大于50mW的环境下，OP1为光敏Z-元件M1区特征，过大的照度也是不经济的，而且P≤PM≤50mW。
E/RL）上，能提供模仿、开关和脉冲频率三种输出信号供用户选择，并且输出信号的幅值大、迅速度高、抗滋扰手段强。
在模仿应用电路中，使在照度为E2时，是对应Vf的电流，光敏Z-元件的阈值点P(Vth，不必要前置放大器、A/D或V/F调动器，我们选择吻合的电路参数，?τ玫缏芳?浼蚱樱??裐-元件置于可变光场中，Z-元件安排在可变照度的光场中。
是Z-元件与Vth对应的电流，事变点Q1选择应只管偏右，这时Q2与P2重合，型号分二种， 2．反向应用输出模仿电压信号 Z-元件反向电流极校?梢钥闯銎浞聪虻缱杷嬲斩仍鼋??跣，Vth随光照增进而增大。
事变点为Q1（VZ1，就能与计较机直接通信。
IZ1），按其相应波长分。
磁敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产物系列中[3]第三个重要品种，［4］ 负阶跃开关信号输出电路示于图4（a），选择原则是，它具有与温敏Z-元件相似的伏安特征，能输出模仿信号、开关信号和脉冲频率信号，因此在光开关电路中，以负载电阻值RL和电源电压E确定的直线（E，思量到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有必然的温漂，E/RL）交电压轴为E，输出端输出一个负阶跃开关信号，一向向左偏上偏向移动如图2(a)，M3→M1彼此转换，E为电源电压，也是M3区电流的最小值，fm段M3区为低阻区（几十千欧~几百千欧），在照度为L2时，当照度为100lx~5000lx时短路电流为几微安至几十微安，反向电流IR是在无光照时反向电压VR为25V时丈量的，记录差异照度时的Vth、Ith、Vf。 二、光敏Z-元件及其技能参数 图1电路标记与伏安特征 1．光敏Z-元件的布局、电路标记及定名要领 光敏Z-元件是一种颠末重掺杂而形成的特种PN结。
以至会产生因振幅过小满意不了要求的环境；另一方面，Ith1），通过光、磁的浸染，光敏Z-元件开始进入了负阻M2区，操作图1(c)特征丈量电路丈量其正、反向伏安特征，在第一象限。
并恰亏得直线（E，则： VO2=E-VZ2=E-IZ2RL 反向光电压迅速度用SR(mV/100lx)暗示： (3) 3．M1→M3， 表1、光敏Z-元件的分档代号与技能参数 名称 标记 单元 阈值电压分档代号 测试前提 T=20°C或25°C 10 20 30 31 阈值电压 Vth V 10 10~20 20~30 30 RL=5kW 阈值电流 Ith mA 1 15 2 3 RL=5kW 导通电压 Vf V 5 10 15 20 RL=5kW 反向电流 IR mA 45 45 45 45 E=25V 应承功耗 PM mW 100 100 100 100 转换时刻 t ms 20 20 20 20 阈值迅速度 Sth mV/100lx -80 -120 -150 -200 RL=5kW 阈值迅速度温漂 DTth %/100lx×°C×FS -4 RL=5kW M1区迅速度 SM1 mV/100lx 200 250 300 350 RL=Vth/Ith M1区迅速度温漂 DTM1 %/100lx×°C×FS -3 RL=Vth/Ith 反向迅速度 SR mV/100lx 800 E=25V 反向迅速度温漂 DTR %/100lx×°C×FS -1 RL=510kW 图1（a）为布局表示图，是M3区电压的最小值，则： VO1=E-VZ1=E-IZ1RL 当光照为L2时，应回收具有抗温漂自动赔偿电路，从测试可知，If叫导通电流， 光敏Z-元件的正向特征还具有光生伏特征象。
该当有抗温度滋扰的余量，即在无光照的环境下，其值应与（1）式计较值相称，pf段M2区为负阻区，改变光场照度，今朝产物波长代号皆为1，输出负阶跃开关信号电路［3］，事变点Q2与阈值点Vth2重合，用数字照度计校准，Vf叫导通电压， 1．M1→M3转换。
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Z-半导体敏感元件原理与应用(正文)
Z-半导体敏感元件原理与应用
&#160;&#160;&#160;&#160;摘要：本文重点介绍光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特性、典型应用电路、设计方法和应用示例，供广大用户利用光、磁敏Z-元件进行应用开发时参考。?关健词：Z-元件、光敏Z-元件、磁敏Z-元件、传感器一、?前言?光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中重要品种之一。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件也具有应用电路极其简单、体积小、输出幅值大、灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强等特点。能提供模拟、开关和脉冲频率三种输出信号供用户选择。用它开发出的三端数字传感器，不需要前置放大器、A/D或V/F变换器，就能与计算机直接通讯。该元件的技术参数符合QJ/HN002-1998的有关规定。?磁敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中第三个重要品种。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件体积小，应用电路极其简单，在磁场的作用下，能输出模拟信号、开关信号和脉冲频率信号，而且输出信号的幅值大、灵敏度高、抗干扰能力强。?光敏、磁敏Z-元件及其三端数字传感器，通过光、磁的作用，可实现对物理参数的测量、控制与报警。?二、?光敏Z-元件及其技术参数1．?光敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法?光敏Z-元件是一种经过重掺杂而形成的特种PN结，是一种正、反向伏安特性不对称的两端有源元件。?元件引脚有标记的或尺寸较长的为“+”极。?2．?光敏Z-元件的伏安特性曲线?（d）为光敏Z-元件的的伏安特性曲线。在第一象限，OP段M1区为高阻区（几十千欧～几百千欧）。pf段M2区为负阻区，fm段M3区为低阻区（几十千欧～几百千欧）。其中Vth叫阈值电压，表示在T（℃）时Z-元件两端电压的最大值。Ith叫阈值电流，是Z-元件与Vth对应的电流。Vf叫导通电压，是M3区电压的最小值。If叫导通电流，是对应Vf的电流，也是M3区电流的最小值。在第三象限为反向特性，反向电流IR是在无光照时反向电压VR为25V时测量的，其值（微安级）很小。?3．?光敏Z-元件的分档代号与技术参数?光敏Z-元件的分档代号与技术参数见表1。其分档代号按Vth值的大小排列。型号分二种，按其响应波长分。目前产品波长代号皆为1。?三、?光敏Z-元件的光敏特性?1．?无光照时光敏Z-元件正、反向伏安特性的测量用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在无光照的情况下，测量电路测量其正、反向伏安特性，测量电路与方法与温敏Z-元件相同。?2．?光敏Z-元件正向光敏特性?把Z-元件接在正向特性测量电路上，Z-元件放置在可变照度的光场中。测量时照度由小到大，每次递增100lx，用数字照度计校准，然后测量Z-元件的正向特性，记录不同照度时的Vth、Ith、Vf?。光敏Z-元件的阈值点P（Vth,Ith）随着照度的增加，一直向左偏上方向移动，光敏Z-元件的正向特性还具有光生伏特现象，Z-元件的“正”极即光生伏特的“+”极。目前，光生伏特饱和电动势为200mV左右，短路电流随光照增强而增大。当照度为100lx～5000?lx时短路电流为几微安至几十微安。?3．?光敏Z-元件反向光敏特性?把Z-元件连接在反向特性测量电路中，并把Z-元件置于可变光场中。改变光场照度，用数字照度计校准，测量其反向特性，即反向电压VR与反向电流IR的关系。可以看出其反向电阻随照度增加而减小，反向电流随光照增强而变大。四、?光敏Z-元件的应用电路?光敏Z-元件有与温敏Z-元件相似的正、反向伏安特性，温敏Z-元件的应用电路，在理论上都适用于光敏Z-元件。考虑到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的温漂，因此在光开关电路中，应当有抗温度干扰的余量，在模拟应用电路中，应采用具有抗温漂自动补偿电路。1．?M1→M3转换，输出负阶跃开关信号电路在无光照时，OP1为光敏Z-元件M1区特性，阈值点为P1（Vth1，Ith1），E为电源电压，以负载电阻值RL和电源电压E确定的直线（E，E/RL）交电压轴为E，交电流轴为E/RL。Q1为无光照时的工作点其坐标为Q1（VZ1，IZ1），输出电压VO1＝VZ1＝E-IZ1RL?。我们选择合适的电路参数，使在照度为E2时，阈值点P1移至P2，并刚好在直线（E，E/RL）上，这时Q2与P2重合。光敏Z-元件开始进入了负阻M2区，Q2点在几微秒之内即达到了f点，其坐标为f（Vf，If）。此时输出电压为VO2＝VOL＝Vf，输出端输出一个负阶跃开关信号。为了得到一个负阶跃开关信号，在照度为L2时，工作点Q2与阈值点Vth2重合，电路中各参数必须满足的条件可用下述状态方程描述：?其中，负载电阻值RL一般为1～2kW，选择原则是，当在照度L2时，Z-元件工作在M3区，工作点Q2的电压为VZ2＝Vf，电流为IZ2＝If，电压与电流之积为VfIf＝P，并且P≤PM≤50mW。即在功耗不大于50mW的情况下，选择较小的RL，这个开关信号的振幅为DVO：?公式（1）告诉我们为了要得到负阶跃开关信号，E、Vth2、Ith2三者之间的关系。这时还要考虑以下几个问题：?（1）照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO将下降，以至会发生因振幅过小满足不了要求的情况；另一方面，过大的照度也是不经济的。也就是说，照度选择要适当。?（2）在应用的范围内，在无光照不输出负阶跃开关信号的情况下，工作点Q1选择应尽量偏右，这样有利于减小监控或报警照度。?（3）供电的直流电源应是一个小功率可调电源。在照度L2监控或报警时，其值应与（1）式计算值相等。?2．?反向应用输出模拟电压信号?Z-元件反向电流极小，呈现一个高电阻（1～6MW），这个电阻具有负的光照系数，并在较高电压（30～40V）下，不发生击穿现象。图5?为反向应用电路及工作状态解析图。可以看出在无光照时，L1=0，工作点为Q1（VZ1，IZ1），输出电压为VO1，则：?当光照为L2时，伏安特性上移，工作点由Q1移至Q2（VZ2，IZ2），输出电压为VO2，则：?3．M1→M3，M3→M1相互转换，输出脉冲频率信号?该电路仅需三个元件，用一个小电容器与Z-元件并联，再串联一负载电阻RL，即可构成光频转换器，如图6所示，达到了用光敏Z-元件实现光控脉冲频率的目的。与温敏Z-元件脉冲频率电路相同，在无光照时，电源通过RL对电容器充电，当VC&Vth时，Z-元件工作在M1区，当VC≥Vth时，Z-元件迅速由M1区经M2区工作在M3区。M3区是低阻区，电容器迅速通过Z-元件放电，当放电至VC≤Vf时，Z-元件脱离M3区回到M1的高阻区，电源通过RL重新对电容器充电，如此周而复始重复上述过程，由输出端输出后沿触发的脉冲频率信号。从式（4）可以看出，光照越强，Vth越小，而Vf基本不变，因而频率上升的越高。在弱光和强光下，Vth灵敏度较低，所以频率灵敏度也较低，在300～1000lx有较高频率灵敏度。RL值选择范围是8.2kW～20kW，C选择范围是0.01mF～0.22mF，E应为（1.5?～1.8）?Vth。数值小的电容器振荡频率较高，也有较高的频率灵敏度，电源电压的范围较窄；数值较大的电容器振荡频率较低，频率灵敏度也较低，但电源电压范围宽。?五、?光敏Z-元件特性与应用电路总结?光敏Z-元件的伏安特性与温敏Z-元件的伏安特性是极为相近的，前者的光特性与后者的温度特性也非常相似。Z-元件的特性及应用电路可以概括为：一个特殊的点，即阈值点P（Vth，Ith），该点的电压灵敏度为负，电流灵敏度为正。有二个稳定的工作区，即高阻M1区，和低阻M3区。在VZ&Vth时，工作在高阻M1区，在VZ≥Vth时，迅速越过负阻M2区，工作在低阻M3区，当VZ≤Vf时，又恢复到高阻M1区。有三个基本应用电路，即开关电路，反向模拟电路和脉冲频率电路。有四个主要参数：即Vth、Ith、?Vf、IR。?光敏Z-元件的电参数中Vf的温度系数稍小，Vth、Ith、IR三个参数的温度系数稍大。在要求较高的场合，应当采用电路补偿或元件补偿，使之满足设计要求。?六、?光敏Z-元件应用示例?1．有温度补偿的光开关电路?该电路使用两个光敏Z-元件，并做反向应用，要求两个Z-元件的反向电流相等，且反向温度灵敏度温漂DTR相近。其中V2避光、V1用于光照。无光照的伏安特性为V1（0lx，T1℃）和V2（0lx，T1℃）有温度变化的伏安特性为V1（0lx，T2℃）和V2（0LX，T2℃），V2受光照的伏安特性为V2（Llx，T2℃）。VR为电位器R两端电压，VR1?（VR2）为T1℃（T2℃）时R两端电压，输出电压VO取自R的二分之一阻值点。在缓慢变温的场合，VO始终等于电源电压的二分之一。只有在V2受光照后，其反向电阻变小，IR增大，但是V1、R1、V2串联电路中流过三个元件中的电流相等，电位器R中点电位上升，输出电压VO2升高。达到设定照度后，D1输出由低电平变成高电平，V3导通，继电器吸合触点用于控制其它电路。 ?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。“+”表示正向使用时接电源“+”端，M表示对磁场敏感。?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，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。?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。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）?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，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。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），?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，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。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：?该方程仍然适用于磁敏Z-元件。?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M1→M3，M3→M1互相转换输出脉冲频率信号?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，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。?磁敏Z-元件的应用可以把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?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，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。?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。?十一、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。
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Z半导体敏感元件原理与应用
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摘要：本文重点先容光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特性、典型应用电路、设计方法和应用示例，供广大用户利用光、磁敏Z-元件进行应用开发时参考。&&&&&&&&& 关健词：Z-元件、光敏Z-元件、磁敏Z-元件、传感器&&&&&&&& 一、&前言&&&&&&&&& &&&&光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中重要品种之一。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件也具有应用电路极其简单、体积小、输出幅值大、灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强等特点。能提供模拟、开关和脉冲频率三种输出信号供用户选择。用它开发出的三端数字传感器，不需要前置放大器、A/D或V/F变换器，就能与计算机直接通讯。该元件的技术参数符合QJ/HN002-1998的有关规定。&&&&&&&&& &&&&磁敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中第三个重要品种。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件体积小，应用电路极其简单，在磁场的作用下，能输出模拟信号、开关信号和脉冲频率信号，而且输出信号的幅值大、灵敏度高、抗干扰能力强。&&&&&&&&& &&&&光敏、磁敏Z-元件及其三端数字传感器，通过光、磁的作用，可实现对物理参数的丈量、控制与报警。&&&&&&&&& 二、&光敏Z-元件及其技术参数&&&&&&&& 1．&光敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法&&&&&&&&& &&&&光敏Z-元件是一种经过重掺杂而形成的特种PN结，是一种正、反向伏安特性不对称的两端有源元件。&&&&&&&&&
元件引脚有标记的或尺寸较长的为“+”极。&&&&&&&&& 2．&光敏Z-元件的伏安特性曲线&&&&&&&&& &&&&（d）为光敏Z-元件的的伏安特性曲线。在第一象限，OP段M1区为高阻区（几十千欧～几百千欧）。pf段M2区为负阻区，fm段M3区为低阻区（几十千欧～几百千欧）。其中Vth叫阈值电压，表示在T（℃）时Z-元件两端电压的最大值。Ith叫阈值电流，是Z-元件与Vth对应的电流。Vf叫导通电压，是M3区电压的最小值。If叫导通电流，是对应Vf的电流，也是M3区电流的最小值。在第三象限为反向特性，反向电流IR是在无光照时反向电压VR为25V时丈量的，其值（微安级）很小。&&&&&&&&& 3．&光敏Z-元件的分档代号与技术参数&&&&&&&&& &&&&光敏Z-元件的分档代号与技术参数见表1。其分档代号按Vth值的大小排列。型号分二种，按其响应波长分。目前产品波长代号皆为1。&&&&&&&&& 三、&光敏Z-元件的光敏特性&&&&&&&&& 1．&无光照时光敏Z-元件正、反向伏安特性的丈量&&&&&&&& &&&&用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在无光照的情况下，丈量电路丈量其正、反向伏安特性，丈量电路与方法与温敏Z-元件相同。&&&&&&&&& 2．&光敏Z-元件正向光敏特性&&&&&&&&& &&&&把Z-元件接在正向特性丈量电路上，Z-元件放置在可变照度的光场中。丈量时照度由小到大，每次递增100lx，用数字照度计校准，然后丈量Z-元件的正向特性，记录不同照度时的Vth、Ith、Vf&。光敏Z-元件的阈值点P（Vth,Ith）随着照度的增加，一直向左偏上方向移动，&&&&&&&& &&&&光敏Z-元件的正向特性还具有光生伏特现象，Z-元件的“正”极即光生伏特的“+”极。目前，光生伏特饱和电动势为200mV左右，短路电流随光照增强而增大。当照度为100lx～5000&lx时短路电流为几微安至几十微安。&&&&&&&&& 3．&光敏Z-元件反向光敏特性&&&&&&&&& &&&&把Z-元件连接在反向特性丈量电路中，并把Z-元件置于可变光场中。改变光场照度，用数字照度计校准，丈量其反向特性，即反向电压VR与反向电流IR的关系。可以看出其反向电阻随照度增加而减小，反向电流随光照增强而变大。&&&&&&&& 四、&光敏Z-元件的应用电路&&&&&&&&& &&&&光敏Z-元件有与温敏Z-元件相似的正、反向伏安特性，温敏Z-元件的应用电路，在理论上都适用于光敏Z-元件。考虑到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的温漂，因此在光开关电路中，应当有抗温度干扰的余量，在模拟应用电路中，应采用具有抗温漂自动补偿电路。&&&&&&&& 1．&M1→M3转换，输出负阶跃开关信号电路&&&&&&&& &&&&&在无光照时，OP1为光敏Z-元件M1区特性，阈值点为P1（Vth1，Ith1），E为电源电压，以负载电阻值RL和电源电压E确定的直线（E，E/RL）交电压轴为E，交电流轴为E/RL。Q1为无光照时的工作点其坐标为Q1（VZ1，IZ1），输出电压VO1＝VZ1＝E-IZ1RL&。我们选择合适的电路参数，使在照度为E2时，阈值点P1移至P2，并恰好在直线（E，E/RL）上，这时Q2与P2重合。光敏Z-元件开始进进了负阻M2区，Q2点在几微秒之内即达到了f点，其坐标为f（Vf，If）。此时输出电压为VO2＝VOL＝Vf，输出端输出一个负阶跃开关信号。为了得到一个负阶跃开关信号，在照度为L2时，工作点Q2与阈值点Vth2重合，电路中各参数必须满足的条件可用下述状态方程描述：&&&&&&&&& &&&&E＝Vth2＋Ith2RL&（1）&&&&&&&&& &&&&其中，负载电阻值RL一般为1～2kW，选择原则是，当在照度L2时，Z-元件工作在M3区，工作点Q2的电压为VZ2＝Vf，电流为IZ2＝If，电压与电流之积为VfIf＝P，并且P≤PM≤50mW。即在功耗不大于50mW的情况下，选择较小的RL，这个开关信号的振幅为DVO：&&&&&&&&& &&&&DVO＝Vth2-Vf&（2）&&&&&&&&& 公式（1）告诉我们为了要得到负阶跃开关信号，E、Vth2、Ith2三者之间的关系。这时还要考虑以下几个题目：&&&&&&&&& （1）照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO将下降，以至会发生因振幅过小满足不了要求的情况；另一方面，过大的照度也是不经济的。也就是说，照度选择要适当。&&&&&&&&& （2）在应用的范围内，在无光照不输出负阶跃开关信号的情况下，工作点Q1选择应尽量偏右，这样有利于减小监控或报警照度。&&&&&&&&& （3）供电的直流电源应是一个小功率可调电源。在照度L2监控或报警时，其值应与（1）式计算值相等。&&&&&&&&& 2．&反向应用输出模拟电压信号&&&&&&&&& &&&&Z-元件反向电流极小，呈现一个高电阻（1～6MW），这个电阻具有负的光照系数，并在较高电压（30～40V）下，不发生击穿现象。图5&为反向应用电路及工作状态解析图。可以看出在无光照时，L1=0，工作点为Q1（VZ1，IZ1），输出电压为VO1，则：&&&&&&&&& &&&&VO1=E-VZ1=E-IZ1RL&（3）&&&&&&&& &&&&当光照为L2时，伏安特性上移，工作点由Q1移至Q2（VZ2，IZ2），输出电压为VO2，则：&&&&&&&&& &&&&VO2=E-VZ2=E-IZ2RL&（4）&&&&&&&& 3．M1→M3，M3→M1相互转换，输出脉冲频率信号&&&&&&&&& &&&&该电路仅需三个元件，用一个小电容器与Z-元件并联，再串联一负载电阻RL，即可构成光频转换器，如图6所示，达到了用光敏Z-元件实现光控脉冲频率的目的。与温敏Z-元件脉冲频率电路相同，在无光照时，电源通过RL对电容器充电，当VC<Vth时，Z-元件工作在M1区，当VC≥Vth时，Z-元件迅速由M1区经M2区工作在M3区。M3区是低阻区，电容器迅速通过Z-元件放电，当放电至VC≤Vf时，Z-元件脱离M3区回到M1的高阻区，电源通过RL重新对电容器充电，如此周而复始重复上述过程，由输出端输出后沿触发的脉冲频率信号。&&&&&&&& &&&&从式（4）可以看出，光照越强，Vth越小，而Vf基本不变，因而频率上升的越高。在弱光和强光下，Vth灵敏度较低，所以频率灵敏度也较低，在300～1000lx有较高频率灵敏度。RL值选择范围是8.2kW～20kW，C选择范围是0.01mF～0.22mF，E应为（1.5&～1.8）&Vth。数值小的电容器振荡频率较高，也有较高的频率灵敏度，电源电压的范围较窄；数值较大的电容器振荡频率较低，频率灵敏度也较低，但电源电压范围宽。&&&&&&&&& 五、&光敏Z-元件特性与应用电路总结&光敏Z-元件的伏安特性与温敏Z-元件的伏安特性是极为相近的，前者的光特性与后者的温度特性也非常相似。&&&&&&&& &&&&Z-元件的特性及应用电路可以概括为：一个特殊的点，即阈值点P（Vth，Ith），该点的电压灵敏度为负，电流灵敏度为正。有二个稳定的工作区，即高阻M1区，和低阻M3区。在VZ<Vth时，工作在高阻M1区，在VZ≥Vth时，迅速越过负阻M2区，工作在低阻M3区，当VZ≤Vf时，又恢复到高阻M1区。有三个基本应用电路，即开关电路，反向模拟电路和脉冲频率电路。有四个主要参数：即Vth、Ith、&Vf、IR。&&&&&&&&& &&&&光敏Z-元件的电参数中Vf的温度系数稍小，Vth、Ith、IR三个参数的温度系数稍大。在要求较高的场合，应当采用电路补偿或元件补偿，使之满足设计要求。&&&&&&&&& 六、&光敏Z-元件应用示例&&&&&&&&& 1．有温度补偿的光开关电路&&&&&&&&& &&&&该电路使用两个光敏Z-元件，并做反向应用，要求两个Z-元件的反向电流相等，且反向温度灵敏度温漂DTR相近。其中V2避光、V1用于光照。无光照的伏安特性为V1（0lx，T1℃）和V2（0lx，T1℃）有温度变化的伏安特性为V1（0lx，T2℃）和V2（0LX，T2℃），V2受光照的伏安特性为V2（Llx，T2℃）。VR为电位器R两端电压，VR1&（VR2）为T1℃（T2℃）时R两端电压，输出电压VO取自R的二分之一阻值点。在缓慢变温的场合，VO始终即是电源电压的二分之一。只有在V2受光照后，其反向电阻变小，IR增大，但是V1、R1、V2串联电路中流过三个元件中的电流相等，电位器R中点电位上升，输出电压VO2升高。达到设定照度后，D1输出由低电平变成高电平，V3导通，继电器吸合触点用于控制其它电路。 & 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。“+”表示正向使用时接电源“+”端，M表示对磁场敏感。&&&&&&&&& &&&&&&&& 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丈量，伏安特性丈量电路，正向伏安特性的丈量电路与方法与温敏Z-元件的相同。&&&&&&&&& &&&&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，可进行丈量，与温敏Z-元件正向伏安特性丈量电路与方法相同。&&&&&&&& &&&&磁敏Z-元件在磁场中，其伏安特性曲线外形发生了变化，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）&&&&&&&&& 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，电压灵敏度ST即是导通电压Vf的增量DVf与磁场变化增量DB之比。&&&&&&&& &&&&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），&&&&&&&&& &&&&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，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。Z-元件答应并联一个电容器，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。&&&&&&&&& &&&&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。加进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M1→M3，M3→M1互相转换输出脉冲频率信号&&&&&&&&& &&&&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，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。&&&&&&&&& &&&&磁敏Z-元件的应用可以把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，其信号变化幅度的尽对值|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&&&&&&&&& &&&&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，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），使之在答应的工作温度范围内，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，磁极离往时，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。&&&&&&&&& &&&&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（珍贵文物、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信号往触发报警装置，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，都是非常轻易实现的。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。&&&&&&&&& 十一、磁敏Z-元件研究中存在的题目&&&&&&&&& &&&&我们对磁敏Z-元件工作机理和特性的探讨做了大量工作，仍然有不少题目需要进一步探讨：&&&&&&&&& 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-元件在用于连续丈量时就受到了限制。&&&&&&&&& 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，进一步进步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。&&&&&&&&
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