Z半导体敏感元件原理与应用二.doc

Z-半导体敏感元件原理与应用二 [论文资料库为您搜集整理]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=Vf2． 并联电容器M1→M3，M3→M1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 。