摘要：本文重點介紹光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特性、典型應用電路、設計方法和應用示例，供廣大用戶利用光、磁敏Z-元件進行應用開發時參考。 關健詞：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-半導體敏感元件產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，該元件也具有應用電路極其簡單、體積小、輸出幅值大、靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強等特點。能提供模擬、開關和脈沖頻率三種輸出信號供用戶選擇。用它開發出的三端數字傳感器，不需要前置放大器、A/D或V/F變換器，就能與計算機直接通訊。該元件的技術參數符合QJ/HN002-1998的有關規定。 磁敏Z-元件是Z-半導體敏感元件產品系列中第三個重要品種。它具有與溫敏Z-元件相似的伏安特性，該元件體積小，應用電路極其簡單，在磁場的作用下，能輸出模擬信號、開關信號和脈沖頻率信號，而且輸出信號的幅值大、靈敏度高、抗干擾能力強。 光敏、磁敏Z-元件及其三端數字傳感器，通過光、磁的作用，可實現對物理參數的測量、控制與報警。 二、 光敏Z-元件及其技術參數 1． 光敏Z-元件的結構、電路符號及命名方法 光敏Z-元件是一種經過重摻雜而形成的特種PN結，是一種正、反向伏安特性不對稱的兩端有源元件。 元件引腳有標記的或尺寸較長的為“+”極。 2． 光敏Z-元件的伏安特性曲線 （d）為光敏Z-元件的的伏安特性曲線。在第一象限，OP段M1區為高阻區（幾十千歐～幾百千歐）。pf段M2區為負阻區，fm段M3區為低阻區（幾十千歐～幾百千歐）。其中Vth叫閾值電壓，表示在T（℃）時Z-元件兩端電壓的最大值。Ith叫閾值電流，是Z-元件與Vth對應的電流。Vf叫導通電壓，是M3區電壓的最小值。If叫導通電流，是對應Vf的電流，也是M3區電流的最小值。在第三象限為反向特性，反向電流IR是在無光照時反向電壓VR為25V時測量的，其值（微安級）很小。 3． 光敏Z-元件的分檔代號與技術參數 光敏Z-元件的分檔代號與技術參數見表1。其分檔代號按Vth值的大小排列。型號分二種，按其響應波長分。目前產品波長代號皆為1。 三、 光敏Z-元件的光敏特性 1． 無光照時光敏Z-元件正、反向伏安特性的測量 用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在無光照的情況下，測量電路測量其正、反向伏安特性，測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量電路上，Z-元件放置在可變照度的光場中。測量時照度由小到大，每次遞增100lx，用數字照度計校準，然后測量Z-元件的正向特性，記錄不同照度時的Vth、Ith、Vf 。光敏Z-元件的閾值點P（Vth,Ith）隨著照度的增加，一直向左偏上方向移動， 光敏Z-元件的正向特性還具有光生伏特現象，Z-元件的“正”極即光生伏特的“+”極。目前，光生伏特飽和電動勢為200mV左右，短路電流隨光照增強而增大。當照度為100lx～5000 lx時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量電路中，并把Z-元件置于可變光場中。改變光場照度，用數字照度計校準，測量其反向特性，即反向電壓VR與反向電流IR的關系。可以看出其反向電阻隨照度增加而減小，反向電流隨光照增強而變大。 四、 光敏Z-元件的應用電路 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-元件的應用電路，在理論上都適用于光敏Z-元件。考慮到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的溫漂，因此在光開關電路中，應當有抗溫度干擾的余量，在模擬應用電路中，應采用具有抗溫漂自動補償電路。 1． M1→M3轉換，輸出負階躍開關信號電路 在無光照時，OP1為光敏Z-元件M1區特性，閾值點為P1（Vth1，Ith1），E為電源電壓，以負載電阻值RL和電源電壓E確定的直線（E，E/RL）交電壓軸為E，交電流軸為E/RL。Q1為無光照時的工作點其坐標為Q1（VZ1，IZ1），輸出電壓VO1＝VZ1＝E-IZ1RL 。我們選擇合適的電路參數，使在照度為E2時，閾值點P1移至P2，并剛好在直線（E，E/RL）上，這時Q2與P2重合。光敏Z-元件開始進入了負阻M2區，Q2點在幾微秒之內即達到了f點，其坐標為f（Vf，If）。此時輸出電壓為VO2＝VOL＝Vf，輸出端輸出一個負階躍開關信號。為了得到一個負階躍開關信號，在照度為L2時，工作點Q2與閾值點Vth2重合，電路中各參數必須滿足的條件可用下述狀態方程描述： E＝Vth2＋Ith2RL （1） 其中，負載電阻值RL一般為1～2kW，選擇原則是，當在照度L2時，Z-元件工作在M3區，工作點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，這個開關信號的振幅為DVO： DVO＝Vth2-Vf （2） 公式（1）告訴我們為了要得到負階躍開關信號，E、Vth2、Ith2三者之間的關系。這時還要考慮以下幾個問題： （1）照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO將下降，以至會發生因振幅過小滿足不了要求的情況；另一方面，過大的照度也是不經濟的。也就是說，照度選擇要適當。 （2）在應用的范圍內，在無光照不輸出負階躍開關信號的情況下，工作點Q1選擇應盡量偏右，這樣有利于減小監控或報警照度。 （3）供電的直流電源應是一個小功率可調電源。在照度L2監控或報警時，其值應與（1）式計算值相等。 2． 反向應用輸出模擬電壓信號 Z-元件反向電流極小，呈現一個高電阻（1～6MW），這個電阻具有負的光照系數，并在較高電壓（30～40V）下，不發生擊穿現象。圖5 為反向應用電路及工作狀態解析圖。可以看出在無光照時，L1=0，工作點為Q1（VZ1，IZ1），輸出電壓為VO1，則： VO1=E-VZ1=E-IZ1RL （3） 當光照為L2時，伏安特性上移，工作點由Q1移至Q2（VZ2，IZ2），輸出電壓為VO2，則： VO2=E-VZ2=E-IZ2RL （4） 3．M1→M3，M3→M1相互轉換，輸出脈沖頻率信號 該電路僅需三個元件，用一個小電容器與Z-元件并聯，再串聯一負載電阻RL，即可構成光頻轉換器，如圖6所示，達到了用光敏Z-元件實現光控脈沖頻率的目的。與溫敏Z-元件脈沖頻率電路相同，在無光照時，電源通過RL對電容器充電，當VC五、 光敏Z-元件特性與應用電路總結 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-元件的特性及應用電路可以概括為：一個特殊的點，即閾值點P（Vth，Ith），該點的電壓靈敏度為負，電流靈敏度為正。有二個穩定的工作區，即高阻M1區，和低阻M3區。在VZ六、 光敏Z-元件應用示例 1．有溫度補償的光開關電路 該電路使用兩個光敏Z-元件，并做反向應用，要求兩個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T1℃（T2℃）時R兩端電壓，輸出電壓VO取自R的二分之一阻值點。在緩慢變溫的場合，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串聯電路中流過三個元件中的電流相等，電位器R中點電位上升，輸出電壓VO2升高。達到設定照度后，D1輸出由低電平變成高電平，V3導通，繼電器吸合觸點用于控制其它電路。 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。“+”表示正向使用時接電源“+”端，M表示對磁場敏感。

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，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。 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。 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） 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，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。 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）， 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，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。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。 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 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，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。 磁敏Z-元件的應用可以把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 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，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。 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。 十一、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。