摘要：本文重点介绍光敏Z-元件、磁敏Z-元件的特性、典型应用电路、设计方法和应用示例，供广大用户利用光、磁敏Z-元件进行应用开发时。

关健词：Z-元件、光敏Z-元件、磁敏Z-元件、传感器

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,

一、 前言

光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中[3]重要品种之一。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件也具有应用电路极其简单、体积小、输出幅值大、灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强等特点。能提供模拟、开关和脉冲频率三种输出信号供用户选择。用它开发出的三端数字传感器，不需要前置放大器、A/D或V/F变换器，就能与机直接通讯。该元件的技术参数符合QJ/HN002-1998的有关规定。

磁敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中[3]第三个重要品种。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件体积小，应用电路极其简单，在磁场的作用下，能输出模拟信号、开关信号和脉冲频率信号，而且输出信号的幅值大、灵敏度高、抗干扰能力强。

光敏、磁敏Z-元件及其三端数字传感器，通过光、磁的作用，可实现对物理参数的测量、控制与报警。

二、 光敏Z-元件及其技术参数

图1 电路符号与伏安特性

1． 光敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法

光敏Z-元件是一种经过重掺杂而形成的特种PN结，是一种正、反向伏安特性不对称的两端有源元件。

表1、光敏Z-元件的分档代号与技术参数

图1（a）为结构示意图，图1（b）为电路符号。元件引脚有标记的或尺寸较长的为“+”极。

该元件的命名方法分国内与国际两种：

国内命名法：

响应波长代号 ：

1—0.4~1.2mm

2—0.2~1.2mm。

2． 光敏Z-元件的伏安特性曲线

图1（d）为光敏Z-元件的的伏安特性曲线。在{dy}象限，OP段M1区为高阻区（几十千欧~几百千欧）。pf段M2区为负阻区，fm段M3区为低阻区（几十千欧~几百千欧）。其中Vth叫阈值电压，表示在T(℃)时Z-元件两端电压的{zd0}值。Ith叫阈值电流，是Z-元件与Vth对应的电流。Vf叫导通电压，是M3区电压的最小值。If叫导通电流，是对应Vf的电流，也是M3区电流的最小值。在第三象限为反向特性，反向电流IR是在无光照时反向电压VR为25V时测量的，其值（微安级）很小。

3． 光敏Z-元件的分档代号与技术参数

光敏Z-元件的分档代号与技术参数见表1。其分档代号按Vth值的大小排列。型号分二种，按其响应波长分。目前产品波长代号皆为1。

三、 光敏Z-元件的光敏特性

1． 无光照时光敏Z-元件正、反向伏安特性的测量

1． M1→M3转换，输出负阶跃开关信号电路［3］，［4］

负阶跃开关信号输出电路示于图4（a），工作过程的图解示于图4（b）。在无光照时，OP1为光敏Z-元件M1区特性，阈值点为P1（Vth1，Ith1），E为电源电压，以负载电阻值RL和电源电压E确定的直线（E，E/RL）交电压轴为E，交电流轴为E/RL。Q1为无光照时的工作点其坐标为Q1（VZ1，IZ1），输出电压VO1＝VZ1＝E-IZ1RL 。我们选择合适的电路参数，使在照度为E2时，阈值点P1移至P2，并刚好在直线（E，E/RL）上，这时Q2与P2重合。光敏Z-元件开始进入了负阻M2区，Q2点在几微秒之内即达到了f点［5］，其坐标为f（Vf，If）。此时输出电压为VO2＝VOL＝Vf，输出端输出一个负阶跃开关信号。为了得到一个负阶跃开关信号，在照度为L2时，工作点Q2与阈值点Vth2重合，电路中各参数必须满足的条件可用下述状态方程描述：

E＝Vth2＋Ith2RL （1）

其中，负载电阻值RL一般为1~2kW，选择原则是，当在照度L2时，Z-元件工作在M3区，工作点Q2的电压为VZ2＝Vf，电流为IZ2＝If，电压与电流之积为VfIf＝P，并且P≤PM≤50mW。即在功耗不大于50mW的情况下，选择较小的RL，这个开关信号的振幅为DVO：

DVO＝Vth2-Vf （2）

公式（1）告诉我们为了要得到负阶跃开关信号，E、Vth2、Ith2三者之间的关系。这时还要考虑以下几个问题：

（1）从图3（a）知道照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO将下降，以至会发生因振幅过小满足不了要求的情况；另一方面，过大的照度也是不的。也就是说，照度选择要适当。

（2）在应用的范围内，在无光照不输出负阶跃开关信号的情况下，工作点Q1选择应尽量偏右，这样有利于减小监控或报警照度。

（3）供电的直流电源应是一个小功率可调电源。在照度L2监控或报警时，其值应与（1）式值相等。

2． 反向应用输出模拟电压信号

Z-元件反向电流极小，呈现一个高电阻(1~6MW)，这个电阻具有负的光照系数，并在较高电压(30~40V)下，不发生击穿现象。图5 为反向应用电路及工作状态解析图。可以看出在无光照时，L1=0，工作点为Q1（VZ1，IZ1），输出电压为VO1，则：

VO1=E-VZ1=E-IZ1RL

当光照为L2时，伏安特性上移，工作点由Q1移至Q2（VZ2，IZ2），输出电压为VO2，则：

VO2=E-VZ2=E-IZ2RL

反向光电压灵敏度用SR(mV/100lx)表示：

3．M1→M3，M3→M1相互转换，输出脉冲频率信号

该电路仅需三个元件，用一个小电容器与Z-元件并联，再串联一负载电阻RL，即可构成光频转换器，如图6所示，达到了用光敏Z-元件实现光控脉冲频率的目的。与温敏Z-元件脉冲频率电路相同，在无光照时，电源通过RL对电容器充电，当VC<Vth时，Z-元件工作在M1区，当VC≥Vth时，Z-元件迅速由M1区经M2区工作在M3区。M3区是低阻区，电容器迅速通过Z-元件放电，当放电至VC≤Vf时，Z-元件脱离M3区回到M1的高阻区，电源通过RL重新对电容器充电，如此周而复始重复上述过程，由输出端输出后沿触发的脉冲频率信号。信号频率用f表示：

t≈RL C

从式(4)可以看出，光照越强，Vth越小，而Vf基本不变，因而频率上升的越高。在弱光和强光下，Vth灵敏度较低，所以频率灵敏度也较低，在300~1000lx有较高频率灵敏度。RL值选择范围是8.2kW~20kW，C选择范围是0.01mF~0.22mF，E应为(1.5 ~1.8) Vth。数值小的电容器振荡频率较高，也有较高的频率灵敏度，电源电压的范围较窄；数值较大的电容器振荡频率较低，频率灵敏度也较低，但电源电压范围宽。

五、 光敏Z-元件特性与应用电路

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{zd0}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

磁敏Z-元件的命名方法有两种：

国内命名法

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{zd0}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。

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。

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。

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{jd1}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

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。

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。

[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，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