摘要：本文重點(diǎn)介紹光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特性、典型應(yīng)用電路、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用示例，供廣大用戶(hù)利用光、磁敏Z-元件進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)時(shí)參考。 關(guān)健詞：Z-元件、光敏Z-元件、磁敏Z-元件、傳感器 一、 前言 光敏Z-元件是Z-半導(dǎo)體敏感元件產(chǎn)品系列中重要品種之一。它具有與溫敏Z-元件相似的伏安特性，該元件也具有應(yīng)用電路極其簡(jiǎn)單、體積小、輸出幅值大、靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。能提供模擬、開(kāi)關(guān)和脈沖頻率三種輸出信號(hào)供用戶(hù)選擇。用它開(kāi)發(fā)出的三端數(shù)字傳感器，不需要前置放大器、A/D或V/F變換器，就能與計(jì)算機(jī)直接通訊。該元件的技術(shù)參數(shù)符合QJ/HN002-1998的有關(guān)規(guī)定。 磁敏Z-元件是Z-半導(dǎo)體敏感元件產(chǎn)品系列中第三個(gè)重要品種。它具有與溫敏Z-元件相似的伏安特性，該元件體積小，應(yīng)用電路極其簡(jiǎn)單，在磁場(chǎng)的作用下，能輸出模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖頻率信號(hào)，而且輸出信號(hào)的幅值大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。 光敏、磁敏Z-元件及其三端數(shù)字傳感器，通過(guò)光、磁的作用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理參數(shù)的測(cè)量、控制與報(bào)警。 二、 光敏Z-元件及其技術(shù)參數(shù) 1． 光敏Z-元件的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)及命名方法 光敏Z-元件是一種經(jīng)過(guò)重?fù)诫s而形成的特種PN結(jié)，是一種正、反向伏安特性不對(duì)稱(chēng)的兩端有源元件。 元件引腳有標(biāo)記的或尺寸較長(zhǎng)的為“+”極。 2． 光敏Z-元件的伏安特性曲線(xiàn) （d）為光敏Z-元件的的伏安特性曲線(xiàn)。在第一象限，OP段M1區(qū)為高阻區(qū)（幾十千歐～幾百千歐）。pf段M2區(qū)為負(fù)阻區(qū)，fm段M3區(qū)為低阻區(qū)（幾十千歐～幾百千歐）。其中Vth叫閾值電壓，表示在T（℃）時(shí)Z-元件兩端電壓的最大值。Ith叫閾值電流，是Z-元件與Vth對(duì)應(yīng)的電流。Vf叫導(dǎo)通電壓，是M3區(qū)電壓的最小值。If叫導(dǎo)通電流，是對(duì)應(yīng)Vf的電流，也是M3區(qū)電流的最小值。在第三象限為反向特性，反向電流IR是在無(wú)光照時(shí)反向電壓VR為25V時(shí)測(cè)量的，其值（微安級(jí)）很小。 3． 光敏Z-元件的分檔代號(hào)與技術(shù)參數(shù) 光敏Z-元件的分檔代號(hào)與技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。其分檔代號(hào)按Vth值的大小排列。型號(hào)分二種，按其響應(yīng)波長(zhǎng)分。目前產(chǎn)品波長(zhǎng)代號(hào)皆為1。 三、 光敏Z-元件的光敏特性 1． 無(wú)光照時(shí)光敏Z-元件正、反向伏安特性的測(cè)量 用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在無(wú)光照的情況下，測(cè)量電路測(cè)量其正、反向伏安特性，測(cè)量電路與方法與溫敏Z-元件相同。 2． 光敏Z-元件正向光敏特性 把Z-元件接在正向特性測(cè)量電路上，Z-元件放置在可變照度的光場(chǎng)中。測(cè)量時(shí)照度由小到大，每次遞增100lx，用數(shù)字照度計(jì)校準(zhǔn)，然后測(cè)量Z-元件的正向特性，記錄不同照度時(shí)的Vth、Ith、Vf 。光敏Z-元件的閾值點(diǎn)P（Vth,Ith）隨著照度的增加，一直向左偏上方向移動(dòng)， 光敏Z-元件的正向特性還具有光生伏特現(xiàn)象，Z-元件的“正”極即光生伏特的“+”極。目前，光生伏特飽和電動(dòng)勢(shì)為200mV左右，短路電流隨光照增強(qiáng)而增大。當(dāng)照度為100lx～5000 lx時(shí)短路電流為幾微安至幾十微安。 3． 光敏Z-元件反向光敏特性 把Z-元件連接在反向特性測(cè)量電路中，并把Z-元件置于可變光場(chǎng)中。改變光場(chǎng)照度，用數(shù)字照度計(jì)校準(zhǔn)，測(cè)量其反向特性，即反向電壓VR與反向電流IR的關(guān)系?？梢钥闯銎浞聪螂娮桦S照度增加而減小，反向電流隨光照增強(qiáng)而變大。 四、 光敏Z-元件的應(yīng)用電路 光敏Z-元件有與溫敏Z-元件相似的正、反向伏安特性，溫敏Z-元件的應(yīng)用電路，在理論上都適用于光敏Z-元件?？紤]到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的溫漂，因此在光開(kāi)關(guān)電路中，應(yīng)當(dāng)有抗溫度干擾的余量，在模擬應(yīng)用電路中，應(yīng)采用具有抗溫漂自動(dòng)補(bǔ)償電路。 1． M1→M3轉(zhuǎn)換，輸出負(fù)階躍開(kāi)關(guān)信號(hào)電路 在無(wú)光照時(shí)，OP1為光敏Z-元件M1區(qū)特性，閾值點(diǎn)為P1（Vth1，Ith1），E為電源電壓，以負(fù)載電阻值RL和電源電壓E確定的直線(xiàn)（E，E/RL）交電壓軸為E，交電流軸為E/RL。Q1為無(wú)光照時(shí)的工作點(diǎn)其坐標(biāo)為Q1（VZ1，IZ1），輸出電壓VO1＝VZ1＝E-IZ1RL 。我們選擇合適的電路參數(shù)，使在照度為E2時(shí)，閾值點(diǎn)P1移至P2，并剛好在直線(xiàn)（E，E/RL）上，這時(shí)Q2與P2重合。光敏Z-元件開(kāi)始進(jìn)入了負(fù)阻M2區(qū)，Q2點(diǎn)在幾微秒之內(nèi)即達(dá)到了f點(diǎn)，其坐標(biāo)為f（Vf，If）。此時(shí)輸出電壓為VO2＝VOL＝Vf，輸出端輸出一個(gè)負(fù)階躍開(kāi)關(guān)信號(hào)。為了得到一個(gè)負(fù)階躍開(kāi)關(guān)信號(hào)，在照度為L(zhǎng)2時(shí)，工作點(diǎn)Q2與閾值點(diǎn)Vth2重合，電路中各參數(shù)必須滿(mǎn)足的條件可用下述狀態(tài)方程描述： E＝Vth2＋I(xiàn)th2RL （1） 其中，負(fù)載電阻值RL一般為1～2kW，選擇原則是，當(dāng)在照度L2時(shí)，Z-元件工作在M3區(qū)，工作點(diǎn)Q2的電壓為VZ2＝Vf，電流為IZ2＝If，電壓與電流之積為VfIf＝P，并且P≤PM≤50mW。即在功耗不大于50mW的情況下，選擇較小的RL，這個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)的振幅為DVO： DVO＝Vth2-Vf （2） 公式（1）告訴我們?yōu)榱艘玫截?fù)階躍開(kāi)關(guān)信號(hào)，E、Vth2、Ith2三者之間的關(guān)系。這時(shí)還要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題： （1）照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO將下降，以至?xí)l(fā)生因振幅過(guò)小滿(mǎn)足不了要求的情況；另一方面，過(guò)大的照度也是不經(jīng)濟(jì)的。也就是說(shuō)，照度選擇要適當(dāng)。 （2）在應(yīng)用的范圍內(nèi)，在無(wú)光照不輸出負(fù)階躍開(kāi)關(guān)信號(hào)的情況下，工作點(diǎn)Q1選擇應(yīng)盡量偏右，這樣有利于減小監(jiān)控或報(bào)警照度。 （3）供電的直流電源應(yīng)是一個(gè)小功率可調(diào)電源。在照度L2監(jiān)控或報(bào)警時(shí)，其值應(yīng)與（1）式計(jì)算值相等。 2． 反向應(yīng)用輸出模擬電壓信號(hào) Z-元件反向電流極小，呈現(xiàn)一個(gè)高電阻（1～6MW），這個(gè)電阻具有負(fù)的光照系數(shù)，并在較高電壓（30～40V）下，不發(fā)生擊穿現(xiàn)象。圖5 為反向應(yīng)用電路及工作狀態(tài)解析圖?？梢钥闯鲈跓o(wú)光照時(shí)，L1=0，工作點(diǎn)為Q1（VZ1，IZ1），輸出電壓為VO1，則： VO1=E-VZ1=E-IZ1RL （3） 當(dāng)光照為L(zhǎng)2時(shí)，伏安特性上移，工作點(diǎn)由Q1移至Q2（VZ2，IZ2），輸出電壓為VO2，則： VO2=E-VZ2=E-IZ2RL （4） 3．M1→M3，M3→M1相互轉(zhuǎn)換，輸出脈沖頻率信號(hào) 該電路僅需三個(gè)元件，用一個(gè)小電容器與Z-元件并聯(lián)，再串聯(lián)一負(fù)載電阻RL，即可構(gòu)成光頻轉(zhuǎn)換器，如圖6所示，達(dá)到了用光敏Z-元件實(shí)現(xiàn)光控脈沖頻率的目的。與溫敏Z-元件脈沖頻率電路相同，在無(wú)光照時(shí)，電源通過(guò)RL對(duì)電容器充電，當(dāng)VC五、 光敏Z-元件特性與應(yīng)用電路總結(jié) 光敏Z-元件的伏安特性與溫敏Z-元件的伏安特性是極為相近的，前者的光特性與后者的溫度特性也非常相似。 Z-元件的特性及應(yīng)用電路可以概括為：一個(gè)特殊的點(diǎn)，即閾值點(diǎn)P（Vth，Ith），該點(diǎn)的電壓靈敏度為負(fù)，電流靈敏度為正。有二個(gè)穩(wěn)定的工作區(qū)，即高阻M1區(qū)，和低阻M3區(qū)。在VZ六、 光敏Z-元件應(yīng)用示例 1．有溫度補(bǔ)償?shù)墓忾_(kāi)關(guān)電路 該電路使用兩個(gè)光敏Z-元件，并做反向應(yīng)用，要求兩個(gè)Z-元件的反向電流相等，且反向溫度靈敏度溫漂DTR相近。其中V2避光、V1用于光照。無(wú)光照的伏安特性為V1（0lx，T1℃）和V2（0lx，T1℃）有溫度變化的伏安特性為V1（0lx，T2℃）和V2（0LX，T2℃），V2受光照的伏安特性為V2（Llx，T2℃）。VR為電位器R兩端電壓，VR1 （VR2）為T(mén)1℃（T2℃）時(shí)R兩端電壓，輸出電壓VO取自R的二分之一阻值點(diǎn)。在緩慢變溫的場(chǎng)合，VO始終等于電源電壓的二分之一。只有在V2受光照后，其反向電阻變小，IR增大，但是V1、R1、V2串聯(lián)電路中流過(guò)三個(gè)元件中的電流相等，電位器R中點(diǎn)電位上升，輸出電壓VO2升高。達(dá)到設(shè)定照度后，D1輸出由低電平變成高電平，V3導(dǎo)通，繼電器吸合觸點(diǎn)用于控制其它電路。 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(guò)特殊摻雜而制得的改性PN結(jié)?！?”表示正向使用時(shí)接電源“+”端，M表示對(duì)磁場(chǎng)敏感。

2．磁敏Z-元件的伏安特性曲線(xiàn) 磁敏Z-元件的伏安特性，應(yīng)當(dāng)在無(wú)磁場(chǎng)的情況下進(jìn)行測(cè)量，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。 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(wú)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。 磁敏Z-元件在磁場(chǎng)中，其伏安特性曲線(xiàn)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(guò)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(lèi)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） 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，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。 磁敏Z-元件在實(shí)驗(yàn)中，除上述參數(shù)用來(lái)表述在磁場(chǎng)中變化外，還有一種在磁場(chǎng)中的特性沒(méi)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）， 這一特性非常適合制作磁控開(kāi)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(xiàn)性元件，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)。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(guò)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(mǎn)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。 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(xiàn)（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(wú)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(xiàn)（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) 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，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。 磁敏Z-元件的應(yīng)用可以把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) 磁敏Z-元件正向特性對(duì)磁場(chǎng)敏感，反向無(wú)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，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(pán)上，當(dāng)流體沖擊轉(zhuǎn)盤(pán)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(pán)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(guò)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)。 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(mén)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(mén)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(kāi)，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(jiǎn)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。 十一、磁敏Z-元件研究中存在的問(wèn)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(wèn)題需要進(jìn)一步探討： 1．磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)與Z-元件管芯平面的法線(xiàn)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(wú)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(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)新的攻關(guān)課題，歡迎業(yè)內(nèi)同仁和專(zhuān)家共同努力，開(kāi)創(chuàng)Z-元件研究的新紀(jì)元。