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参考。
关健词：Z-元件、光敏Z-元件、磁敏Z-元件、传感器
一、 前言
光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中重要品种之一。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，就能与计算机直接通讯。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
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。
元件引脚有标记的或尺寸较长的为“+”极。
2． 光敏Z-元件的伏安特性曲线
（d）为光敏Z-元件的的伏安特性曲线。在第一象限，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-元件两端电压的最大值。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
用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在无光照的情况下，测量电路测量其正、反向伏安特性，测量电路与方法与温敏Z-元件相同。
2． 光敏Z-元件正向光敏特性
把Z-元件接在正向特性测量电路上，Z-元件放置在可变照度的光场中。测量时照度由小到大，每次递增100lx，用数字照度计校准，然后测量Z-元件的正向特性，记录不同照度时的Vth、Ith、Vf 。光敏Z-元件的阈值点P（Vth,Ith）随着照度的增加，一直向左偏上方向移动，
光敏Z-元件的正向特性还具有光生伏特现象，Z-元件的“正”极即光生伏特的“+”极。目前，光生伏特饱和电动势为200mV左右，短路电流随光照增强而增大。当照度为100lx～5000 lx时短路电流为几微安至几十微安。
3． 光敏Z-元件反向光敏特性
把Z-元件连接在反向特性测量电路中，并把Z-元件置于可变光场中。改变光场照度，用数字照度计校准，测量其反向特性，即反向电压VR与反向电流IR的关系。可以看出其反向电阻随照度增加而减小，反向电流随光照增强而变大。
四、 光敏Z-元件的应用电路
光敏Z-元件有与温敏Z-元件相似的正、反向伏安特性，温敏Z-元件的应用电路，在理论上都适用于光敏Z-元件。考虑到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的温漂，因此在光开关电路中，应当有抗温度干扰的余量，在模拟应用电路中，应采用具有抗温漂自动补偿电路。
1． M1→M3转换，输出负阶跃开关信号电路
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，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）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，过大的照度也是不经济的。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）式计算值相等。
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 （3）
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 （4）
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。
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总结 光敏Z-元件的伏安特性与温敏Z-元件的伏安特性是极为相近的，前者的光特性与后者的温度特性也非常相似。
Z-元件的特性及应用电路可以概括为：一个特殊的点，即阈值点P（Vth，Ith），该点的电压灵敏度为负，电流灵敏度为正。有二个稳定的工作区，即高阻M1区，和低阻M3区。在VZ<Vth时，工作在高阻M1区，在VZ≥Vth时，迅速越过负阻M2区，工作在低阻M3区，当VZ≤Vf时，又恢复到高阻M1区。有三个基本应用电路，即开关电路，反向模拟电路和脉冲频率电路。有四个主要参数：即Vth、Ith、 Vf、IR。
光敏Z-元件的电参数中Vf的温度系数稍小，Vth、Ith、IR三个参数的温度系数稍大。在要求较高的场合，应当采用电路补偿或元件补偿，使之满足设计要求。
六、 光敏Z-元件应用示例
1．有温度补偿的光开关电路
该电路使用两个光敏Z-元件，并做反向应用，要求两个Z-元件的反向电流相等，且反向温度灵敏度温漂DTR相近。其中V2避光、V1用于光照。无光照的伏安特性为V1（0lx，T1℃）和V2（0lx，T1℃）有温度变化的伏安特性为V1（0lx，T2℃）和V2（0LX，T2℃），V2受光照的伏安特性为V2（Llx，T2℃）。VR为电位器R两端电压，VR1 （VR2）为T1℃（T2℃）时R两端电压，输出电压VO取自R的二分之一阻值点。在缓慢变温的场合，VO始终等于电源电压的二分之一。只有在V2受光照后，其反向电阻变小，IR增大，但是V1、R1、V2串联电路中流过三个元件中的电流相等，电位器R中点电位上升，输出电压VO2升高。达到设定照度后，D1输出由低电平变成高电平，V3导通，继电器吸合触点用于控制其它电路。
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。“+”表示正向使用时接电源“+”端，M表示对磁场敏感。
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，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。
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。
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）
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，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），
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，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。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。
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
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，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。
磁敏Z-元件的应用可以把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总结
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，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。
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。
十一、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。
