溫敏Z-元件在氣象領域應用于溫度檢測的分析
本文介紹了溫敏Z－元件的參數(shù)性能、特點以及使用方法。為適應氣象行業(yè)的特殊要求，對一種微型高精度電池供電的低功耗測溫裝置進行了設計和開發(fā)。
??? 關鍵詞：Z－元件; 溫度傳感器; 氣象測溫??
一、前言
??????? 溫度是氣象中重要的物理參數(shù)之一，其重要性在所有物理參數(shù)中占據(jù)首位。如地面環(huán)境溫度測量，高空氣溫測量和地表及地下溫度測量等。氣象測溫是一個特殊的領域，對測量精度要求高，因此，測溫元件應具有較高的靈敏度，對氣象環(huán)境中的高速流體的測量有較高的可靠性和適應性，而且體積小巧、重量輕，用電池供電時功耗較低。因此，測溫元件的選型和對測試方法的研究十分重要。
??? 目前可供選擇的測溫元件有熱敏電阻、半導體測溫PN結和新興起的半導體IC測溫傳感器。其中，半導體IC溫度傳感器僅適合安裝在印制版上，與被測對象接觸時會引進附加誤差，測量精度不高，一般為±2%～3%；熱敏電阻成本低，體積小，經嚴密的輔助設計與調校也能達到一定精度要求，但由于其非線性與功耗大的缺點，一般不適合在高精度和低功耗場合應用;測溫PN結的線性度和靈敏度都優(yōu)于普通PN結，也能做到較低的功耗，但其測溫靈敏度仍較低（一般-4mV/℃），很難達到較高的的分辨率和測溫精度。??
??? 基于測溫的特殊要求和對現(xiàn)有的測溫方法的綜合分析，本文擬采用一種新型溫敏元件，即溫敏Z－元件，通過分析它的測溫原理、使用條件和工作特點，探索了它在氣象測溫領域中應用的可能性。
二、伏安特性和基本應用電路
??? 1、伏安特性
??? 溫敏Z-元件（以下簡稱Z－元件）是一種N區(qū)被重摻雜補償?shù)奶厥釶N結，是一種兩端敏感元件。它具有較高的輸出靈敏度，其靈敏度超過現(xiàn)今任何一種敏感元件。Z-元件的半導體結構和普通的PN結無區(qū)別，如圖1（a）所示。按研制單位－哈爾濱技術進出口公司所制訂的企業(yè)標準，（因為是新型產品，尚無國家標準）電路符號如圖1（b）所示，圖中“+”號表示PN結P區(qū)，即在正偏使用時接電源正極。圖1（c）為正向伏安特性，該特性可分成三個工作區(qū)： M1高阻區(qū)，M2負阻區(qū)，M3低阻區(qū)，描述這個特性有四個特征參數(shù)：Vth為閾值電壓，表示Z-元件結壓降的最大值，用戶可在3V～100V之間選擇；Ith為閾值電流，為對應 Vth的電流，通常在0.01mA～0.20mA之間；Vf為導通電壓，為表示Z-元件從M1區(qū)跳變到M3區(qū)后所對應的結電壓；If為導通電流，為對應Vf的電流。M1區(qū)動態(tài)電阻很大，M3區(qū)動態(tài)電阻很小（近于零），Z-元件的工作狀態(tài)從M1區(qū)到M3區(qū)的轉換時間很短（微秒級），與其它具有“S”型特性的半導體器件相比，Z-元件的該特性十分優(yōu)異，為在形態(tài)上加以區(qū)別，稱之為“L”型特性。Z-元件具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：“高阻態(tài)”和“低阻態(tài)”，工作的初始狀態(tài)可按需要設定，若靜態(tài)工作點設定在M1區(qū)，Z-元件處于穩(wěn)定的高阻狀態(tài)，其作為開關元件在電路中相當于“阻斷”；若靜態(tài)工作點設定在M3區(qū)，Z-元件將處于穩(wěn)定的低阻狀態(tài)，其作為開關元件在電路中相當于“導通”。在正向伏安特性上，P點是一個特別值得關注的點，稱為閥值點，其坐標為：P（Vth，Ith）。P點對溫度變化十分敏感，當溫度升高，Vth減小時，其靈敏度要比伏安特性曲線上其它諸點要高許多。利用這一性質，可用Z-元件直接進行溫度檢測，或用它構成溫控開半，進行溫度報警或溫度控制。
??? Z-元件的反向伏安特性如圖1（d）所示。反向擊穿電壓很高（約200V～300V），反向電流很小（約幾微安到十幾微安）。在常用反向電壓范圍內，例如VR<36V時，反向特性線性度良好，而且工作溫度越低，線性度越好；當電源電壓不變時，隨溫度升高，反向電流增加，其具有正溫度系數(shù)。Z-元件的反向應用具有低功耗等特點，利用這一特點可開發(fā)低功耗溫度傳感器，或其它低功耗電子產品。
??? 2、基本應用電路
???
??? 基于Z－元件的伏安特性，由Z-元件構成的開關電路或檢測電路十分簡單，如圖2所示，其中負載電阻RL用于限制工作電流，并輸出信號。
??? 圖2（a）所示的電路通過E和RL設定靜態(tài)工作點Q，若工作點選擇在M1區(qū)時，Z-元件處于小電流工作狀態(tài)，輸出電壓為低電平。以溫敏Z-元件為例，當溫度升高時，Vth對溫度具有很高的靈敏度，伏安特性曲線向左上方移動，使Vth減小，當Z-元件上的電壓VZ≥Vth時，Z-元件將從M1區(qū)跳變到M3區(qū)，處于大電流工作狀態(tài)，輸出電壓為高電平，在RL上可得到開關量輸出。此時，Vo的跳變幅值可達到電源電壓E的40%～50%。
??? 由Z－元件構成的模擬量輸出電路如圖2（b）所示。這里，Z-元件是通過負載電阻RL按反向連接的，稱為反向應用。反向應用時，圖1（d）所示的反向伏安特性是一條由坐標原點出發(fā)的斜率很小的近似直線，這表明Z-元件反向使用時具有很高的內阻。當溫度上升時，其反向電流增加；當溫度降低時，反向電流減小，這樣在負載電阻RL上就可得到模擬量輸出。同時還可看出溫敏Z-元件反向應用具有較高的線性度和溫度靈敏度。
??? 上述分析與實驗表明Z－元件有下述優(yōu)點：
??? （1）由敏感元件構成的傳感器僅需一個電阻，這種“三端傳感器”或“1線（1-wire）輸出傳感器”，在國內外眾多傳感器中結構最簡單。
??? （2）尺寸小、重量輕、外型為直徑1.2mm的球形體，在整機結構中所占空間很小。
??? （3）溫度靈敏靈高，約為10mV/℃～100mV/℃，高于現(xiàn)今任何一種溫敏元件，有助于提高分辨率和測溫精度。
??? （4）用高性能導熱絕緣樹脂包封，熱容小、傳熱時間常數(shù)小、動態(tài)誤差小，測溫精度可達到±0.1℃。
??? （5）可在低電壓（小于3V）下工作，實現(xiàn)了低功耗（正向測溫時1mA～2mA，反向測溫時1.5μA～10μA），特別適合研制使用電池供電微型電子產品。
??? （6）應用電路極其簡單，由于焊點少，固有可靠性高，應用產品研制成本低。
三、應用開發(fā)原理
??? 從Z-元件基本應用電路可知，該電路十分簡單，包含Z-元件在內，僅用兩個（或三個）電子元器件，采用不同的組合方式和不同的控制方式，就能輸出多種不同的信號，實現(xiàn)多種用途。
???
??? 在圖2所示的電路結構中，Z-元件與負載電阻相串聯(lián)，負載電阻RL用于限制工作電流，并輸出信號。Z-元件應用開發(fā)的基本原理就在于用外部激勵來控制Z-元件的工作狀態(tài)，通過工作電流的變化，改變Z-元件與負載電阻RL的壓降分配，輸出不同波形的信號。例如，若在恒定電壓下用溫度作為外部激勵，由于Z-元件伏安特性隨溫度改變而改變，只要滿足狀態(tài)轉換條件，就可實現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的一次性轉換或周期性轉換。如果滿足狀態(tài)轉換條件，實現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的一次性轉換，負載電阻RL上可輸出開關信號；如果能周期性的滿足狀態(tài)轉換條件，實現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的周期性轉換，負載電阻RL上就可輸出脈沖頻率信號；如果在溫度作用下，Z-元件的工作狀態(tài)能產生連續(xù)變化，則負載電阻RL上可輸出模擬信號。
??? 溫敏Z-元件配合不同的電路組合可分別輸出模擬信號、開關信號、或脈沖頻率信號。其工作本質是實現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的轉換，因此，為實現(xiàn)某種特定應用必須了解它的狀態(tài)轉換條件。
??? 在圖1（c）中，由電源和負載電阻RL可決定一條直流負載線，該負載線即為Z-元件工作狀態(tài)的軌跡。負載線與伏安特性的交點即為靜態(tài)工作點Q，若靜態(tài)工作點Q設定在M1區(qū)或M3區(qū)，其工作狀態(tài)是穩(wěn)定的，輸出模擬或開關信號。
??? Z-元件是一種電壓控制器件，其狀態(tài)轉換條件自然是一個電壓表達式。實際上，只要實現(xiàn)靜態(tài)工作點Q與閾值點P的“相匯”，就可實現(xiàn)工作狀態(tài)的轉換。狀態(tài)轉換條件的電壓表達式為
??? VZ≥Vth，VZ≤Vf????????????????????? （1）
??? 式中，VZ—Z-元件承受的正向電壓；
??? Vth—Z-元件的閾值電壓。
??? 對溫敏Z-元件來說，若采用圖2（a）所示電路，靜態(tài)工作點Q設定在高阻M1區(qū)，輸出為低電平。在溫度升高（Vth降低）或電壓E增高（VZ增大）時，即當溫敏Z-元件兩端承受的電壓VZ≥Vth時，其工作狀態(tài)會立即從M1區(qū)可靠地跳變到M3區(qū)，即從高阻態(tài)進入低阻態(tài)，其壓降箝位于Vf，輸出為高電平，反之，當VZ≤Vf時，這種箝位條件被破壞，Z-元件工作狀態(tài)又會立即從M3區(qū)返回到M1區(qū)，即從低阻態(tài)進入高阻態(tài)，輸出恢復低電平。
??? 由此可知，為實現(xiàn)溫度報警或溫度控制，必須滿足該狀態(tài)轉換條件；而實現(xiàn)溫度檢測，則不能滿足該狀態(tài)轉換條件。
??? 為了研制一種適于氣象應用的電池供電微型測溫裝置，在上述Z－元件工作狀態(tài)分析的基礎上，有兩種實施方案可行；
??? （1）正向組態(tài)應用
??? 在正向組態(tài)應用中，Z－元件在電路中處于正向偏置，如圖2（a）所示。該電路在工作中必須滿足VZ≤Vth條件，使Z-元件的工作點設在高阻M1區(qū)，輸出電壓Vo與溫度成正比；若把Z-元件與負載電阻RL互換位置，則輸出電壓Vo將與溫度成反比。該電路可用于溫度檢測。
??? （2）反向組態(tài)應用
??? 在反向組態(tài)應用中，Z-元件在電路中處于反向偏置，如圖2（b）所示。該電路的輸出電壓Vo與溫度成正比；若把Z-元件與負載電阻RL互換位置，其輸出電壓Vo將與溫度成反比。該電路也可用于溫度檢測，并且具有低功耗特點。
??? 因氣象環(huán)境應用特點，要求測試系統(tǒng)電池供電、微型輕便、低功耗、高可靠、故采用反向組態(tài)進行設計。
四、氣象測溫傳感器具體電路設計
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??? 設計一種溫度傳感器，要求用3V電池供電，體積小、重量輕、低功耗、可靠性高，可 以用于氣象領域中各種形式的溫度測量，包括自動觀測站測溫、高空大氣測溫以及地表、地下測溫等等。
??? 基于這種要求，必須采用Z－元件反向偏置組態(tài)應用，電路結構如圖2（b）所示。這是一種三端
??? （電源E，地、輸出Vo，）傳感器或1線（1-wire）輸出結構，用戶使用很方便，也便于結構與性能擴充。
??? 在圖2（b）電路中，只包括Z-元件和負載電阻RL，在所有溫度傳感器中，其電路結構是最簡單的，這有助于封裝成微型測溫裝置。該電路電壓方程為：
??? E=VZ+IRRL?????? （2）
??? 式中，E—電源電壓。
??? 輸出信號由負載電阻RL上取出，故
??? Vo=IRRL=E-Vz?????????????????????????? （3）
??? 說明輸出電壓Vo既與反向電流有關，也與所選用的負載電阻RL有關。
??? 當Z-元件選定后，在使用E=3V電池的情況下，反向電流 IR是一定的，此時輸出電壓Vo僅與負載電阻RL有關。
??? Z-元件反向電流極小，呈現(xiàn)一個高阻態(tài)（1-6MΩ），且反向電阻R具有負溫度系數(shù)，當環(huán)境溫度增加時，該電阻減小，使得串聯(lián)電路的分壓比改變，輸出電壓發(fā)生變化。
??? 當E=3V時，Z-元件的IR≤5μA，或采用容量為300mAh的3V電池供電，經計算可連續(xù)工作5年以上。在圖3中，T1（℃）為起始溫度，T2（℃）為終端溫度。
??? 設T1時的輸出電壓為Vo1，T2時的輸出電壓為Vo2，則反向平均靈敏度可用下式計算：
???
???????????????（4）
??? 式中，Vo2-T2時輸出電壓；
??? Vo1－T1時輸出電壓。
??? 由圖3中可知，當E=3V時，RL取值不同，負載線斜率不同，為取得最大的溫度靈敏度，負載電阻RL須是最佳取值。當RL取最佳值時，該系統(tǒng)的溫度靈敏度可大于100mV/℃。
??? 五、結語
??? 本文在詳細剖析溫敏Z元件性能、特點的基礎上，探討了它在氣象領域用于溫度檢測的可能性。我們已利用Z-元件的反向應用組態(tài)，設計了一種高精度電池供電的微型低功耗溫度傳感器。實驗表明，這種新型溫度傳感器適應氣象行業(yè)特殊技術要求，在氣象領域中具有廣泛的應用前景。