專利名稱：一種采用z－元件的半導體三端傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型發(fā)明屬于傳感技術領域，尤其涉及具有三端結構數(shù)字量輸出性能的傳感器。
目前國內外檢測與控制系統(tǒng)均采用敏感元件或傳感器、再附加若干輔助電路而構成。由于常規(guī)敏感元件或傳統(tǒng)傳感器多為模擬量輸出，其輸出幅值小，抗干擾能力差，必須附加放大、模／數(shù)轉換輔助電路才能與數(shù)字儀表或計算機相連接，致使硬件系統(tǒng)復雜，研制成本增加，可靠性降低，為二次儀表生產帶來了困難，限制了檢測與控制系統(tǒng)在更廣闊的領域中應用。
本實用新型的目的是提供一種最簡單的電路結構，該電路結構屬于一種具有三端結構的新型傳感器。利用該電路，選用不同的Z-元件可測量多種物理參數(shù)；選定不同的工作狀態(tài)，設定不同的工作點，可分別取得模擬量輸出、開關量輸出以及頻率脈沖輸出，再經(jīng)計數(shù)變換還可取得代碼輸出，可廣泛應用于保安監(jiān)控、信號檢測、工業(yè)自動化系統(tǒng)以及家用電子裝置等。
本實用新型的工作原理是基于Z-元件是一種其N區(qū)被重摻雜補償?shù)奶胤NPN結，它具有特殊的伏安特性。圖1(a)為Z-元件半導體結構，圖1(b)為電路符號，圖1(c)、(d)、(e)分別為三種基本應用電路結構。其中圖1(c)、(e)為Z-元件正向應用，圖1(d)為反向應用，在圖1(c)所示電路結構中，E為直流電源，Z-元件通過負載電阻R按正向偏置連接在直流電路中，負載電阻R用于限制工作電流，并取出輸出電壓信號Vo。不同的Z-元件對不同的外部作用具有敏感特性，這種外部作用可以分別是熱、磁、光等物理參數(shù)。根據(jù)外部作用不同，可制造成溫敏Z-元件、磁敏Z-元件和光敏Z-元件。若在外部作用下，工作電流產生均勻變化，在負載電阻上可得到模擬量輸出；若在外部作用下，工作電流產生突變，在負載電阻上則得到開關量輸出；若在外部作用下，工作電流產生振蕩，在負載電阻上則得到頻率脈沖輸出。
本實用新型的優(yōu)點是1、測量物理參數(shù)廣泛。選用溫敏或磁敏或光敏等Z-元件，可分別對溫度、磁場強度、光強度等參數(shù)進行監(jiān)控和檢測；2、電路結構簡單而規(guī)范，為用戶二次儀表的研制開發(fā)帶來方便；3、既可模擬量輸出也可數(shù)字量輸出。特別是不需放大和模／數(shù)轉換就可與計算機直接連接，簡化硬件電路，可降低成本；4、體積小、工作電壓低、工作電流小、輸出幅度大、動態(tài)響應快、抗干擾能力強，可進行非接觸測量，特別適合研制微型、便攜式和本質安全型儀器儀表和機電一體化產品。


圖1、為Z-元件基本應用電路結構圖。
圖2(a)、為Z-元件的正向伏安特性；圖2(b)為Z-元件的反向伏安特性。
本實用新型的實施例如下實施例1利用溫敏Z-元件制造一種點式感溫火災探測器。溫敏Z-元件的正向伏安特性呈“L”特性，如圖2(a)所示。該伏安特性具有三個工作區(qū)M1高阻區(qū)，M2負阻區(qū)，M3低阻區(qū)。Vth為閾值電壓、Ith為閾值電流、Vf為導通電壓、If為導通電流。當工作電壓E＜Vth時，工作在M1區(qū)；當E≥Vth時，快速經(jīng)過M2區(qū)進入M3區(qū)。該伏安特性隨溫度升高而向左推移，不同環(huán)境溫度下，閾值電壓Vth不同，調整電源電壓E可按國家有關消防電子產品標準規(guī)范設定不同的報警溫度。工作點選定在M1區(qū)，Z-元件處于小電流工作狀態(tài)，輸出電壓為低電平；當環(huán)境溫度升高時，伏安特性向左推移，Vth減小，當達到E≥Vth時，Z-元件快速跳變到M3區(qū)，處于大電流工作狀態(tài)，輸出電壓為高電平，利用輸出電壓Vo的這種跳變可驅動聲、光報警裝置，達到監(jiān)控溫度、預報火災的目的。
實施例2利用Z-元件反向應用制成一種高靈敏度模擬輸出三端溫度傳感器，如圖1(d)所示。其溫敏Z-元件通過負載電阻R按反向偏置連接在直流電路中，溫敏Z-元件反向應用時具有較高的線性度和溫度靈敏度，如圖2(b)所示。當溫度較低時，工作電流輸出小，輸出電壓Vo較低；當溫度增高時，工作電流逐步增加，輸出電壓Vo與溫度成比例增加，可用于溫度檢測。
實施例3利用溫敏Z-元件并聯(lián)以電容制成一種頻率輸出的三端數(shù)字溫度傳感器，如圖1(e)所示。當Z-元件工作在M1區(qū)時，其阻值很高，電源E通過電阻R向電容C充電，隨充電的進行，電容上電壓Vc逐步增加，當增加到Vc≥Vth時，Z-元件工作點迅速進入M3區(qū)，這時Z-元件電阻很小，電容C通過Z-元件放電，放電后Z-元件工作點又迅速返回M1區(qū)，再次充電，如此反復進行，輸出端得到三角波頻率脈沖信號，隨溫度變化而變化，這樣就構成一種新型低成本三端數(shù)字溫度傳感器。利用光敏Z-元件，同樣可以得到一種新型低成本三端數(shù)字光敏傳感器。
權利要求1.一種采用Z-元件的半導體三端傳感器，其電路結構由Z-元件和負載電阻R所構成，以及由Z-元件和負載電阻R再并聯(lián)電容C所構成，其特征是該電路由直流電源E供電，Z-元件按正向偏置或反向偏置工作，選擇不同的Z-元件并設定不同的工作點可分別輸出模擬信號、開關信號或頻率脈沖信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳感器，其特征是選用溫敏Z-元件，該電路可對溫度進行監(jiān)控和檢測。
3.根據(jù)權利要求1所述的傳感器，其特征是選用磁敏Z-元件，該電路可對磁場進行監(jiān)控和檢測。
4.根據(jù)權利要求1所述的傳感器，其特征是選用光敏Z-元件，該電路可對可見光、紅外線、紫外線強度進行監(jiān)控和檢測。
5.根據(jù)權利要求1所述的傳感器，對頻率脈沖輸出傳感器，并聯(lián)電容C可并于Z-元件也可并于電阻上，頻率脈沖輸出可從Z-元件上取出，也可從電阻R上取出。
專利摘要一種結構簡單的低成本數(shù)字量輸出傳感器,屬于具有三端結構的傳感技術領域。它克服了傳統(tǒng)傳感器只能輸出低幅值模擬信號、應用電路復雜等不足,為新一代數(shù)字量輸出傳感器的研制創(chuàng)造了條件。本發(fā)明基于Z－元件特殊的伏安特性,具有輸出幅值大、電路結構簡單而規(guī)范、抗干擾能力強、可靠性高、成本低、研制開發(fā)方便等優(yōu)點,可廣泛應用于保安監(jiān)控、信號檢測、工業(yè)自動化系統(tǒng)以及家用電子裝置等。
文檔編號G01N35/00GK2430689SQ9821268
公開日2001年5月16日 申請日期1998年4月30日 優(yōu)先權日1998年4月30日
發(fā)明者孫英達, 付云鵬, 張靖環(huán) 申請人:哈爾濱技術進出口公司