温敏Z-元件在气候范畴运用于温度检测的分析
本文介绍了温敏Z－元件的参数功能、特色以及运用办法。为习惯气候职业的特别要求，对一种微型高精度电池供电的低功耗测温设备进行了规划和开发。
关键词：Z－元件; 温度传感器; 气候测温
一、前语
温度是气候中重要的物理参数之一，其重要性在所有物理参数中占有首位。如地上环境温度丈量，高空气温丈量和地表及地下温度丈量等。气候测温是一个特别的范畴，对丈量精度要求高，因而，测温元件应具有较高的活络度，对气候环境中的高速流体的丈量有较高的牢靠性和习惯性，而且体积细巧、重量轻，用电池供电时功耗较低。因而，测温元件的选型和对测验办法的研讨非常重要。
现在可供挑选的测温元件有热敏电阻、半导体测温PN结和新鼓起的半导体IC测温传感器。其间，半导体IC温度传感器仅合适安装在印制版上，与被测目标触摸时会引入附加差错，丈量精度不高，一般为±2%～3%；热敏电阻成本低，体积小，经紧密的辅助规划与调校也能到达必定精度要求，但因为其非线性与功耗大的缺陷，一般不合适在高精度和低功耗场合运用;测温PN结的线性度和活络度都优于一般PN结，也能做到较低的功耗，但其测温活络度仍较低（一般-4mV/℃），很难到达较高的的分辨率和测温精度。
根据测温的特别要求和对现有的测温办法的归纳分析，本文拟选用一种新式温敏元件，即温敏Z－元件，经过分析它的测温原理、运用条件和作业特色，探究了它在气候测温范畴中运用的可能性。
二、伏安特性和根本运用电路
1、伏安特性
温敏Z-元件（以下简称Z－元件）是一种N区被重掺杂补偿的特别PN结，是一种两头活络元件。它具有较高的输出活络度，其活络度超越如今任何一种活络元件。Z-元件的半导体结构和一般的PN结无差异，如图1（a）所示。按研发单位－哈尔滨技能进出口公司所制定的企业规范，（因为是新式产品，尚无国家规范）电路符号如图1（b）所示，图中“+”号标明PN结P区，即在正偏运用时接电源正极。图1（c）为正向伏安特性，该特性可分红三个作业区： M1高阻区，M2负阻区，M3低阻区，描绘这个特性有四个特征参数：Vth为阈值电压，标明Z-元件结压降的最大值，用户可在3V～100V之间挑选；Ith为阈值电流，为对应 Vth的电流，通常在0.01mA～0.20mA之间；Vf为导通电压，为标明Z-元件从M1区跳变到M3区后所对应的结电压；If为导通电流，为对应Vf的电流。M1区动态电阻很大，M3区动态电阻很小（近于零），Z-元件的作业状况从M1区到M3区的转化时刻很短（微秒级），与其它具有“S”型特性的半导体器材比较，Z-元件的该特性非常优异，为在形状上加以差异，称之为“L”型特性。Z-元件具有两个安稳的作业状况：“高阻态”和“低阻态”，作业的初始状况可按需求设定，若静态作业点设定在M1区，Z-元件处于安稳的高阻状况，其作为开关元件在电路中相当于“阻断”；若静态作业点设定在M3区，Z-元件将处于安稳的低阻状况，其作为开关元件在电路中相当于“导通”。在正向伏安特性上，P点是一个特别值得重视的点，称为阀值点，其坐标为：P（Vth，Ith）。P点对温度改动非常活络，当温度升高，Vth减小时，其活络度要比伏安特性曲线上其它诸点要高许多。运用这一性质，可用Z-元件直接进行温度检测，或用它构成温控开半，进行温度报警或温度操控。
Z-元件的反向伏安特性如图1（d）所示。反向击穿电压很高（约200V～300V），反向电流很小（约几微安到十几微安）。在常用反向电压范围内，例如VR<36V时，反向特性线性度杰出，而且作业温度越低，线性度越好；当电源电压不变时，随温度升高，反向电流添加，其具有正温度系数。Z-元件的反向运用具有低功耗等特色，运用这一特色可开发低功耗温度传感器，或其它低功耗电子产品。
2、根本运用电路
根据Z－元件的伏安特性，由Z-元件构成的开关电路或检测电路非常简略，如图2所示，其间负载电阻RL用于约束作业电流，并输出信号。
图2（a）所示的电路经过E和RL设定静态作业点Q，若作业点挑选在M1区时，Z-元件处于小电流作业状况，输出电压为低电平。以温敏Z-元件为例，当温度升高时，Vth对温度具有很高的活络度，伏安特性曲线向左上方移动，使Vth减小，当Z-元件上的电压VZ≥Vth时，Z-元件将从M1区跳变到M3区，处于大电流作业状况，输出电压为高电平，在RL上可得到开关量输出。此刻，Vo的跳变幅值可到达电源电压E的40%～50%。
由Z－元件构成的模仿量输出电路如图2（b）所示。这儿，Z-元件是经过负载电阻RL按反向衔接的，称为反向运用。反向运用时，图1（d）所示的反向伏安特性是一条由坐标原点动身的斜率很小的近似直线，这标明Z-元件反向运用时具有很高的内阻。当温度上升时，其反向电流添加；当温度下降时，反向电流减小，这样在负载电阻RL上就可得到模仿量输出。一起还可看出温敏Z-元件反向运用具有较高的线性度和温度活络度。
上述分析与试验标明Z－元件有下述长处：
（1）由活络元件构成的传感器仅需一个电阻，这种“三端传感器”或“1线（1-wire）输出传感器”，在国内外很多传感器中结构最简略。
（2）尺度小、重量轻、外型为直径1.2mm的球形体，在整机结构中所占空间很小。
（3）温度活络灵高，约为10mV/℃～100mV/℃，高于如今任何一种温敏元件，有助于进步分辨率和测温精度。
（4）用高功能导热绝缘树脂包封，热容小、传热时刻常数小、动态差错小，测温精度可到达±0.1℃。
（5）可在低电压（小于3V）下作业，完成了低功耗（正向测温时1mA～2mA，反向测温时1.5µA～10µA），特别合适研发运用电池供电微型电子产品。
（6）运用电路极端简略，因为焊点少，固有牢靠性高，运用产品研发成本低。
三、运用开发原理
从Z-元件根本运用电路可知，该电路非常简略，包含Z-元件在内，仅用两个（或三个）电子元器材，选用不同的组合方法和不同的操控方法，就能输出多种不同的信号，完成多种用处。
在图2所示的电路结构中，Z-元件与负载电阻相串联，负载电阻RL用于约束作业电流，并输出信号。Z-元件运用开发的根本原理就在于用外部鼓励来操控Z-元件的作业状况，经过作业电流的改动，改动Z-元件与负载电阻RL的压降分配，输出不同波形的信号。例如，若在安稳电压下用温度作为外部鼓励，因为Z-元件伏安特性随温度改动而改动，只需满意状况转化条件，就可完成Z-元件作业状况的一次性转化或周期性转化。假如满意状况转化条件，完成Z-元件作业状况的一次性转化，负载电阻RL上可输出开关信号；假如能周期性的满意状况转化条件，完成Z-元件作业状况的周期性转化，负载电阻RL上就可输出脉冲频率信号；假如在温度效果下，Z-元件的作业状况能发生接连改动，则负载电阻RL上可输出模仿信号。
温敏Z-元件合作不同的电路组合可分别输出模仿信号、开关信号、或脉冲频率信号。其作业实质是完成Z-元件作业状况的转化，因而，为完成某种特定运用有必要了解它的状况转化条件。
在图1（c）中，由电源和负载电阻RL可决定一条直流负载线，该负载线即为Z-元件作业状况的轨道。负载线与伏安特性的交点即为静态作业点Q，若静态作业点Q设定在M1区或M3区，其作业状况是安稳的，输出模仿或开关信号。
Z-元件是一种电压操控器材，其状况转化条件自然是一个电压表达式。实际上，只需完成静态作业点Q与阈值点P的“相汇”，就可完成作业状况的转化。状况转化条件的电压表达式为
VZ≥Vth，VZ≤Vf （1）
式中，VZ—Z-元件接受的正向电压；
Vth—Z-元件的阈值电压。
对温敏Z-元件来说，若选用图2（a）所示电路，静态作业点Q设定在高阻M1区，输出为低电平。在温度升高（Vth下降）或电压E增高（VZ增大）时，即当温敏Z-元件两头接受的电压VZ≥Vth时，其作业状况会立即从M1区牢靠地跳变到M3区，即从高阻态进入低阻态，其压降箝坐落Vf，输出为高电平，反之，当VZ≤Vf时，这种箝位条件被损坏，Z-元件作业状况又会立即从M3区返回到M1区，即从低阻态进入高阻态，输出康复低电平。
由此可知，为完成温度报警或温度操控，有必要满意该状况转化条件；而完成温度检测，则不能满意该状况转化条件。
为了研发一种适于气候运用的电池供电微型测温设备，在上述Z－元件作业状况分析的基础上，有两种实施方案可行；
（1）正向组态运用
在正向组态运用中，Z－元件在电路中处于正向偏置，如图2（a）所示。该电路在作业中有必要满意VZ≤Vth条件，使Z-元件的作业点设在高阻M1区，输出电压Vo与温度成正比；若把Z-元件与负载电阻RL交换方位，则输出电压Vo将与温度成反比。该电路可用于温度检测。
（2）反向组态运用
在反向组态运用中，Z-元件在电路中处于反向偏置，如图2（b）所示。该电路的输出电压Vo与温度成正比；若把Z-元件与负载电阻RL交换方位，其输出电压Vo将与温度成反比。该电路也可用于温度检测，而且具有低功耗特色。
因气候环境运用特色，要求测验体系电池供电、微型简便、低功耗、高牢靠、故选用反向组态进行规划。
四、气候测温传感器具体电路规划
规划一种温度传感器，要求用3V电池供电，体积小、重量轻、低功耗、牢靠性高，可 以用于气候范畴中各种形式的温度丈量，包含主动观测站测温、高空大气测温以及地表、地下测温等等。
根据这种要求，有必要选用Z－元件反向偏置组态运用，电路结构如图2（b）所示。这是一种三端
（电源E，地、输出Vo，）传感器或1线（1-wire）输出结构，用户运用很便利，也便于结构与功能扩大。
在图2（b）电路中，只包含Z-元件和负载电阻RL，在所有温度传感器中，其电路结构是最简略的，这有助于封装成微型测温设备。该电路电压方程为：
E=VZ+IRRL （2）
式中，E—电源电压。
输出信号由负载电阻RL上取出，故
Vo=IRRL=E-Vz （3）
阐明输出电压Vo既与反向电流有关，也与所选用的负载电阻RL有关。
当Z-元件选定后，在运用E=3V电池的情况下，反向电流 IR是必定的，此刻输出电压Vo仅与负载电阻RL有关。
Z-元件反向电流极小，出现一个高阻态（1-6MΩ），且反向电阻R具有负温度系数，当环境温度添加时，该电阻减小，使得串联电路的分压比改动，输出电压发生改动。
当E=3V时，Z-元件的IR≤5µA，或选用容量为300mAh的3V电池供电，经核算可接连作业5年以上。在图3中，T1（℃）为开始温度，T2（℃）为终端温度。
设T1时的输出电压为Vo1，T2时的输出电压为Vo2，则反向均匀活络度可用下式核算：
（4）
式中，Vo2-T2时输出电压；
Vo1－T1时输出电压。
由图3中可知，当E=3V时，RL取值不同，负载线斜率不同，为获得最大的温度活络度，负载电阻RL须是最佳取值。当RL取最佳值时，该体系的温度活络度可大于100mV/℃。
五、结语
本文在具体分析温敏Z元件功能、特色的基础上，探讨了它在气候范畴用于温度检测的可能性。咱们已运用Z-元件的反向运用组态，规划了一种高精度电池供电的微型低功耗温度传感器。试验标明，这种新式温度传感器习惯气候职业特别技能要求，在气候范畴中具有广泛的运用远景。
