Z-半導體敏感元件原理與應用 二

Z-半導體敏感元件原理與應用 二

2．光電計數器 

表2、光敏Z-元件應用電路與輸出信號波形阻態圖 

   

  



圖8是光電計數器電路。D1是緩沖級D2-1、D2-2是信號反相級，供計數級選擇。R1、V1、V2、R2、R3構成了溫度補償電橋，其中，V2避光，V1受光，且V1、V2應選擇反向靈敏度溫漂DTR相近的Z-元件。R2用來調整在最大溫漂狀態下，無光照時D1保持輸出為低電平。在被計數的物品遮擋一次光照時，D1輸出一個負脈沖，D2-1、D2-2輸出的計數脈沖可供選擇。當工作溫度變化時，因D1兩個輸入端等電位同步變化，不致產生誤動作。 

光敏Z-元件還有更多的場合能夠應用，這里不一一例舉。 

七、 磁敏Z-元件及其技術參數 

1．磁敏Z-元件的結構、電路符號及命名方法 

磁敏Z-元件是一種經過特殊摻雜而制得的改性PN結。圖9(a)是結構示意，圖9(b)是電路符號，“+”表示正向使用時接電源“+”端，M表示對磁場敏感。 

表3、磁敏Z-元件分檔代號與技術參數 

名稱 
 符號 
 閾值電壓分檔代號 
 單位 
 測試條件(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 
 Bth 
 1 
 <300 
 mT 
 RL:5~150kW 
 
2 
 >300 
 
閾值電流 
 Ith 
 <1 
 £2 
 £3 
 >3 
 mA 
 RL:5kW 
 
磁場范圍 
 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，應當在無磁場的情況下進行測量，圖9(c)是伏安特性測量電路，正向伏安特性的測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，記為M1，pf段為負阻區，記為M2，fm為低阻區，記為M3區。特性中的Vth叫做閾值電壓，表示在25℃時兩端電壓的最大值。Ith叫做閾值電流，是Z-元件電壓為Vth時的電流。Vf叫做導通電壓，是M3區電壓的最小值。If叫做導通電流，是對應Vf的電流，是低阻區電流最小值。反向特性無磁敏。 

3．磁敏Z-元件的分檔代號與技術參數 

磁敏Z-元件的技術參數列于表3，磁敏Z-元件的分檔代號有兩個，一個是Vth，共分四檔；另一個是閾值磁場，共分兩檔。磁敏Z-元件的技術參數符合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)所示電路進行測量，與溫敏Z-元件正向伏安特性測量電路與方法相同。［6］ 

磁敏Z-元件在磁場中，其伏安特性曲線形狀發生了變化，因而，技術參數也發生了變化。磁場由弱到強的變化過程，技術參數的變化范圍如表3所示。 


1．閾值磁場：Bth(mT ) 

磁敏Z-元件置于磁場中，如圖10所示。電路中產生了自激振蕩，輸出信號VO的波形類似于溫敏Z-元件的下降沿觸發的脈沖頻率信號。使Z-元件剛剛起振的磁場，定義為閾值磁場，用Bth表示。 

2．磁場范圍：B(mT) 

磁場范圍，表示維持Z-元件正常振蕩的磁場，其值為(1~1.5)Bth。 

3．頻率范圍：f(Hz) 

Z-元件在磁場中正常的信號頻率范圍。 

4．頻率靈敏度：SF(Hz/mT)  
 


磁敏Z-元件在磁場中產生振蕩后，頻率的變化量Df(Hz)與磁場變化量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-元件在磁場中，Vf向右平移增大，磁場越強，Vf增加的越多，見圖11。電壓靈敏度ST等于導通電壓Vf的增量DVf與磁場變化增量DB之比。 

 (mV/mT) (6) 

磁敏Z-元件在實驗中，除上述參數用來表述在磁場中變化外，還有一種在磁場中的特性沒有相應的參數可以表示。例如，在磁場中，Vf階躍式的增大，同時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、轉速表等。 



九、 磁敏Z-元件的應用電路 

磁敏Z-元件是一個非線性元件［1］，典型應用電路為Z-元件與一個負載電阻RL串聯的電路。RL的一個作用是限制工作電流，另一個作用是可以從RL與Z-元件連接點處取出輸出信號，如圖12(a)所示。Z-元件允許并聯一個電容器，輸出脈沖頻率信號。 

1． 工作在M3區輸出階躍信號 

磁敏Z-元件工作在哪一個區，與電源電壓E的大小有關。在溫敏Z-元件工作中，由M1區向M3區轉換的過程中，電源電壓E，負載電阻RL與Z-元件的參數Vth 、Ith，必須滿足的條件-狀態方程為： 

E= Vth +IthRL (7) 

該方程仍然適用于磁敏Z-元件。 

圖12是輸出階躍信號的電路圖，工作狀態解析圖和信號波形圖。為了保證Z-元件工作在M3區，P(Vth，Ith)點必須設定在負載線(E，E/RL)的左側，并應考慮溫度的影響，在應用的溫度范圍內，能可靠地工作在M3區。 

從解析圖中已知道，無磁場時工作點為Q1(Vf，IZ1)，輸出為VO=VOL=Vf。加入300mT磁場，P1(Vth1，Ith1)移至P2(Vth2，Ith2)，P2點在直線(E，E/RL)的左側，Q2(VZ2，IZ2)點在OP2上，這時的輸出為：VO=VOH=E- IZ2RL  
 

當磁場為B=0時，VO又恢復為低電平，即VO=VOL=Vf。

2． 并聯電容器M1→M3，M3→M1互相轉換輸出脈沖頻率信號 

圖13是磁敏Z-元件輸出脈沖頻率信號電路。Z-元件在磁場中產生的自激振蕩，其脈沖頻率信號往往不夠穩定［1］、［2］，因而采用Z-元件并聯電容器的方法，改善振蕩的穩定性和電源電壓的適應性。這個脈沖頻率信號是下降沿觸發的，其頻率受磁場的調制，信號頻率與磁場的關系參見圖13(c)。 

磁敏Z-元件的應用電路圖12(a)，可以把Z-元件與RL互換位置，其輸出信號是關于電源電壓E的互補信號，參看表4-3，其信號變化幅度的絕對值|DVO|相等，前者輸出信號是由低電平上升為高電平，后者輸出信號是由高電平下降為低電平。 

十、 磁敏Z-元件特性與應用電路總結 


(a)電路                       (b)信號波形 
圖14 流量傳感器


(a)電路                       (b)信號波形 

圖15 報警傳感器
 磁敏Z-元件正向特性對磁場敏感，反向無磁敏特性。它的閾值點P(Vth，Ith)中，Vth為正磁系數，Ith有較小的負磁系數。磁敏Z-元件也有兩個穩定的工作狀態，即VZ≥Vth時工作在低阻M3區，當VZ十一、磁敏Z-元件應用示例

1． 流量脈沖傳感器 

該流量傳感器電路示于圖14，這是一個RL與磁敏Z-元件串聯的電路。Z-元件工作在M3區，電源電壓E應大于（Vth +IthRL），使之在允許的工作溫度范圍內，能可靠地工作在M3區。

由N、S磁極構成的平行磁場固定在轉盤上，當流體沖擊轉盤轉動時，只在磁極罩在磁敏Z-元件上的一瞬間，輸出端輸出一個高電平VOH，磁極離去時，輸出為低電平VOL。轉盤上的磁
 

極對數根據實際需要選擇，兩個高電平的間隔時間tx是流量的函數，經過標定以后，可編成查表程序用低功耗單片機進行顯示，并需要輸出相應信號。 


圖14電路還可以用來制做接觸式電子轉速表。轉速表的接觸式錐軸與磁極固定在一起，當磁極被錐軸代動一起旋轉時，磁敏Z-元件在磁極作用下，輸出與圖14相同的信號，進行計數、顯示。當N=1、S=1時，磁極對數為P=1，計數器的閘門信號為t，直接計數，顯示的即是轉速n[r/s] 

t=1/p(s) 

2． 報警傳感器 

該報警傳感器采用圖15電路, 待機(安全狀態)電平為高電平VOH=E-IZ2RL。 

被保護的物品(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，輸出信號為VOH表示正常待機，即安全狀態。當被保護的物品被非法移位，致使磁極與Z-元件分開，輸出信號由VOH變為VOL時，即發生了警情。用VOL信號去觸發報警裝置，發出聲光報警信號或自動觸發并送出特種遠傳報警尋求幫助，這些在技術上，都是非常容易實現的。磁敏Z-元件能以簡單的電路實現諸多應用，應用示例很多，這里不再贅述。 

十二、磁敏Z-元件研究中存在的問題 

我們對磁敏Z-元件工作機理和特性的探討做了大量工作，仍然有不少問題需要進一步探討： 

1．磁場的磁力線與Z-元件管芯平面的法線垂直時靈敏度最高，但是，磁場改變了方向后和改變方向前兩者靈敏度不等的現象，尚未找到答案。 

2．磁場由弱到強的變化，Vf的增加有跳躍式的變化，這種Z-元件在用于連續測量時就受到了限制。 


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-元件是一項高投資、高風險、高技術的新的攻關課題。

Z-元件是一個全新的元件。無論是溫敏、光敏、磁敏還是力敏，進一步提高其靈敏度改善其一致性和穩定性，對于我們來說都是一項新的攻關課題，歡迎業內同仁和專家共同努力，開創Z-元件研究的新紀元。


參考文獻 

[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-元件技術特性評述和應用展望，電子產品世界 1996年7期 

[4] 傅云鵬，趙振雁，王哲寧，Z-半導體敏感元件原理與應用-(1)，傳器世界2001年2期 

[5] 周長恩等，Z-半導體敏感元件原理與應用-(2)，傳器世界2001年4期 

[6] 王建林，Z-半導體敏感元件原理與應用-(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公司高級工程師，

地址：哈爾濱市南崗區美順街38號（150090），電話：2333284

【Z-半導體敏感元件原理與應用 二】相關文章：

Z-半導體敏感元件原理與應用一08-06

Z-元件特性與應用的擴展08-06

電解原理及其應用08-17

原電池原理及其應用08-17

分類加法計數原理與分步乘法計數原理的應用08-20

《創建圖形元件》08-16

鍵盤事件的掛鉤監控原理及其應用08-19

高二政治原理08-13

鐵電存儲器原理及應用比較08-06