Z-半导体敏感元件原理与应用 二_电子信息和通信论文
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。
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
(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
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.
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
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
傅云鹏，赵振雁，王哲宁，z-半导体敏感元件原理与应用-(1)，传器世界今年2期
周长恩等，z-半导体敏感元件原理与应用-(2)，传器世界今年4期
王建林，z-半导体敏感元件原理与应用-(3)，传器世界今年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
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。
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
(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
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.
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
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
傅云鹏，赵振雁，王哲宁，z-半导体敏感元件原理与应用-(1)，传器世界今年2期
周长恩等，z-半导体敏感元件原理与应用-(2)，传器世界今年4期
王建林，z-半导体敏感元件原理与应用-(3)，传器世界今年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