溫敏Z-元件在氣象領(lǐng)域應(yīng)用于溫度檢測(cè)的分析
本文介紹了溫敏Z－元件的參數(shù)性能、特點(diǎn)以及使用方法。為適應(yīng)氣象行業(yè)的特殊要求，對(duì)一種微型高精度電池供電的低功耗測(cè)溫裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。
??? 關(guān)鍵詞：Z－元件; 溫度傳感器; 氣象測(cè)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(cè)量，高空氣溫測(cè)量和地表及地下溫度測(cè)量等。氣象測(cè)溫是一個(gè)特殊的領(lǐng)域，對(duì)測(cè)量精度要求高，因此，測(cè)溫元件應(yīng)具有較高的靈敏度，對(duì)氣象環(huán)境中的高速流體的測(cè)量有較高的可靠性和適應(yīng)性，而且體積小巧、重量輕，用電池供電時(shí)功耗較低。因此，測(cè)溫元件的選型和對(duì)測(cè)試方法的研究十分重要。
??? 目前可供選擇的測(cè)溫元件有熱敏電阻、半導(dǎo)體測(cè)溫PN結(jié)和新興起的半導(dǎo)體IC測(cè)溫傳感器。其中，半導(dǎo)體IC溫度傳感器僅適合安裝在印制版上，與被測(cè)對(duì)象接觸時(shí)會(huì)引進(jìn)附加誤差，測(cè)量精度不高，一般為±2%～3%；熱敏電阻成本低，體積小，經(jīng)嚴(yán)密的輔助設(shè)計(jì)與調(diào)校也能達(dá)到一定精度要求，但由于其非線性與功耗大的缺點(diǎn)，一般不適合在高精度和低功耗場(chǎng)合應(yīng)用;測(cè)溫PN結(jié)的線性度和靈敏度都優(yōu)于普通PN結(jié)，也能做到較低的功耗，但其測(cè)溫靈敏度仍較低（一般-4mV/℃），很難達(dá)到較高的的分辨率和測(cè)溫精度。??
??? 基于測(cè)溫的特殊要求和對(duì)現(xiàn)有的測(cè)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(guò)分析它的測(cè)溫原理、使用條件和工作特點(diǎn)，探索了它在氣象測(cè)溫領(lǐng)域中應(yīng)用的可能性。
二、伏安特性和基本應(yīng)用電路
??? 1、伏安特性
??? 溫敏Z-元件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Z－元件）是一種N區(qū)被重?fù)诫s補(bǔ)償?shù)奶厥釶N結(jié)，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(guò)現(xiàn)今任何一種敏感元件。Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和普通的PN結(jié)無(wú)區(qū)別，如圖1（a）所示。按研制單位－哈爾濱技術(shù)進(jìn)出口公司所制訂的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，（因?yàn)槭切滦?a target="_blank">產(chǎn)品，尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）電路符號(hào)如圖1（b）所示，圖中“+”號(hào)表示PN結(jié)P區(qū)，即在正偏使用時(shí)接電源正極。圖1（c）為正向伏安特性，該特性可分成三個(gè)工作區(qū)： M1高阻區(qū)，M2負(fù)阻區(qū)，M3低阻區(qū)，描述這個(gè)特性有四個(gè)特征參數(shù)：Vth為閾值電壓，表示Z-元件結(jié)壓降的最大值，用戶(hù)可在3V～100V之間選擇；Ith為閾值電流，為對(duì)應(yīng) Vth的電流，通常在0.01mA～0.20mA之間；Vf為導(dǎo)通電壓，為表示Z-元件從M1區(qū)跳變到M3區(qū)后所對(duì)應(yīng)的結(jié)電壓；If為導(dǎo)通電流，為對(duì)應(yīng)Vf的電流。M1區(qū)動(dòng)態(tài)電阻很大，M3區(qū)動(dòng)態(tài)電阻很?。ń诹悖琙-元件的工作狀態(tài)從M1區(qū)到M3區(qū)的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短（微秒級(jí)），與其它具有“S”型特性的半導(dǎo)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(chēng)之為“L”型特性。Z-元件具有兩個(gè)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(shè)定，若靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在M1區(qū)，Z-元件處于穩(wěn)定的高阻狀態(tài)，其作為開(kāi)關(guān)元件在電路中相當(dāng)于“阻斷”；若靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在M3區(qū)，Z-元件將處于穩(wěn)定的低阻狀態(tài)，其作為開(kāi)關(guān)元件在電路中相當(dāng)于“導(dǎo)通”。在正向伏安特性上，P點(diǎn)是一個(gè)特別值得關(guān)注的點(diǎn)，稱(chēng)為閥值點(diǎn)，其坐標(biāo)為：P（Vth，Ith）。P點(diǎn)對(duì)溫度變化十分敏感，當(dāng)溫度升高，Vth減小時(shí)，其靈敏度要比伏安特性曲線上其它諸點(diǎn)要高許多。利用這一性質(zhì)，可用Z-元件直接進(jìn)行溫度檢測(cè)，或用它構(gòu)成溫控開(kāi)半，進(jìn)行溫度報(bào)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?。s幾微安到十幾微安）。在常用反向電壓范圍內(nèi)，例如VR<36V時(shí)，反向特性線性度良好，而且工作溫度越低，線性度越好；當(dāng)電源電壓不變時(shí)，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(yīng)用具有低功耗等特點(diǎn)，利用這一特點(diǎn)可開(kāi)發(fā)低功耗溫度傳感器，或其它低功耗電子產(chǎn)品。
??? 2、基本應(yīng)用電路
???
??? 基于Z－元件的伏安特性，由Z-元件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路或檢測(cè)電路十分簡(jiǎn)單，如圖2所示，其中負(fù)載電阻RL用于限制工作電流，并輸出信號(hào)。
??? 圖2（a）所示的電路通過(guò)E和RL設(shè)定靜態(tài)工作點(diǎn)Q，若工作點(diǎn)選擇在M1區(qū)時(shí)，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(dāng)溫度升高時(shí)，Vth對(duì)溫度具有很高的靈敏度，伏安特性曲線向左上方移動(dòng)，使Vth減小，當(dāng)Z-元件上的電壓VZ≥Vth時(shí)，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(kāi)關(guān)量輸出。此時(shí)，Vo的跳變幅值可達(dá)到電源電壓E的40%～50%。
??? 由Z－元件構(gòu)成的模擬量輸出電路如圖2（b）所示。這里，Z-元件是通過(guò)負(fù)載電阻RL按反向連接的，稱(chēng)為反向應(yīng)用。反向應(yīng)用時(shí)，圖1（d）所示的反向伏安特性是一條由坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)的斜率很小的近似直線，這表明Z-元件反向使用時(shí)具有很高的內(nèi)阻。當(dāng)溫度上升時(shí)，其反向電流增加；當(dāng)溫度降低時(shí)，反向電流減小，這樣在負(fù)載電阻RL上就可得到模擬量輸出。同時(shí)還可看出溫敏Z-元件反向應(yīng)用具有較高的線性度和溫度靈敏度。
??? 上述分析與實(shí)驗(yàn)表明Z－元件有下述優(yōu)點(diǎn)：
??? （1）由敏感元件構(gòu)成的傳感器僅需一個(gè)電阻，這種“三端傳感器”或“1線（1-wire）輸出傳感器”，在國(guó)內(nèi)外眾多傳感器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。
??? （2）尺寸小、重量輕、外型為直徑1.2mm的球形體，在整機(jī)結(jié)構(gòu)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(cè)溫精度。
??? （4）用高性能導(dǎo)熱絕緣樹(shù)脂包封，熱容小、傳熱時(shí)間常數(shù)小、動(dòng)態(tài)誤差小，測(cè)溫精度可達(dá)到±0.1℃。
??? （5）可在低電壓（小于3V）下工作，實(shí)現(xiàn)了低功耗（正向測(cè)溫時(shí)1mA～2mA，反向測(cè)溫時(shí)1.5μA～10μA），特別適合研制使用電池供電微型電子產(chǎn)品。
??? （6）應(yīng)用電路極其簡(jiǎn)單，由于焊點(diǎn)少，固有可靠性高，應(yīng)用產(chǎn)品研制成本低。
三、應(yīng)用開(kāi)發(fā)原理
??? 從Z-元件基本應(yīng)用電路可知，該電路十分簡(jiǎn)單，包含Z-元件在內(nèi)，僅用兩個(gè)（或三個(gè)）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(hào)，實(shí)現(xiàn)多種用途。
???
??? 在圖2所示的電路結(jié)構(gòu)中，Z-元件與負(fù)載電阻相串聯(lián)，負(fù)載電阻RL用于限制工作電流，并輸出信號(hào)。Z-元件應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基本原理就在于用外部激勵(lì)來(lái)控制Z-元件的工作狀態(tài)，通過(guò)工作電流的變化，改變Z-元件與負(fù)載電阻RL的壓降分配，輸出不同波形的信號(hào)。例如，若在恒定電壓下用溫度作為外部激勵(lì)，由于Z-元件伏安特性隨溫度改變而改變，只要滿(mǎn)足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，就可實(shí)現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換或周期性轉(zhuǎn)換。如果滿(mǎn)足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換，負(fù)載電阻RL上可輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)；如果能周期性的滿(mǎn)足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的周期性轉(zhuǎn)換，負(fù)載電阻RL上就可輸出脈沖頻率信號(hào)；如果在溫度作用下，Z-元件的工作狀態(tài)能產(chǎn)生連續(xù)變化，則負(fù)載電阻RL上可輸出模擬信號(hào)。
??? 溫敏Z-元件配合不同的電路組合可分別輸出模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)、或脈沖頻率信號(hào)。其工作本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此，為實(shí)現(xiàn)某種特定應(yīng)用必須了解它的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。
??? 在圖1（c）中，由電源和負(fù)載電阻RL可決定一條直流負(fù)載線，該負(fù)載線即為Z-元件工作狀態(tài)的軌跡。負(fù)載線與伏安特性的交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q，若靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)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(kāi)關(guān)信號(hào)。
??? Z-元件是一種電壓控制器件，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件自然是一個(gè)電壓表達(dá)式。實(shí)際上，只要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)Q與閾值點(diǎn)P的“相匯”，就可實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的電壓表達(dá)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(duì)溫敏Z-元件來(lái)說(shuō)，若采用圖2（a）所示電路，靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)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(shí)，即當(dāng)溫敏Z-元件兩端承受的電壓VZ≥Vth時(shí)，其工作狀態(tài)會(huì)立即從M1區(qū)可靠地跳變到M3區(qū)，即從高阻態(tài)進(jìn)入低阻態(tài)，其壓降箝位于Vf，輸出為高電平，反之，當(dāng)VZ≤Vf時(shí)，這種箝位條件被破壞，Z-元件工作狀態(tài)又會(huì)立即從M3區(qū)返回到M1區(qū)，即從低阻態(tài)進(jìn)入高阻態(tài)，輸出恢復(fù)低電平。
??? 由此可知，為實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警或溫度控制，必須滿(mǎn)足該狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件；而實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)，則不能滿(mǎn)足該狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。
??? 為了研制一種適于氣象應(yīng)用的電池供電微型測(cè)溫裝置，在上述Z－元件工作狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上，有兩種實(shí)施方案可行；
??? （1）正向組態(tài)應(yīng)用
??? 在正向組態(tài)應(yīng)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(mǎn)足VZ≤Vth條件，使Z-元件的工作點(diǎn)設(shè)在高阻M1區(qū)，輸出電壓Vo與溫度成正比；若把Z-元件與負(fù)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(cè)。
??? （2）反向組態(tài)應(yīng)用
??? 在反向組態(tài)應(yīng)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(fù)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(cè)，并且具有低功耗特點(diǎn)。
??? 因氣象環(huán)境應(yīng)用特點(diǎn)，要求測(cè)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(jìn)行設(shè)計(jì)。
四、氣象測(cè)溫傳感器具體電路設(shè)計(jì)
?
??? 設(shè)計(jì)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(lǐng)域中各種形式的溫度測(cè)量，包括自動(dòng)觀測(cè)站測(cè)溫、高空大氣測(cè)溫以及地表、地下測(cè)溫等等。
??? 基于這種要求，必須采用Z－元件反向偏置組態(tài)應(yīng)用，電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，用戶(hù)使用很方便，也便于結(jié)構(gòu)與性能擴(kuò)充。
??? 在圖2（b）電路中，只包括Z-元件和負(fù)載電阻RL，在所有溫度傳感器中，其電路結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的，這有助于封裝成微型測(cè)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(hào)由負(fù)載電阻RL上取出，故
??? Vo=IRRL=E-Vz?????????????????????????? （3）
??? 說(shuō)明輸出電壓Vo既與反向電流有關(guān)，也與所選用的負(fù)載電阻RL有關(guān)。
??? 當(dāng)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(shí)輸出電壓Vo僅與負(fù)載電阻RL有關(guān)。
??? Z-元件反向電流極小，呈現(xiàn)一個(gè)高阻態(tài)（1-6MΩ），且反向電阻R具有負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度增加時(shí)，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(dāng)E=3V時(shí)，Z-元件的IR≤5μA，或采用容量為300mAh的3V電池供電，經(jīng)計(jì)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(shè)T1時(shí)的輸出電壓為Vo1，T2時(shí)的輸出電壓為Vo2，則反向平均靈敏度可用下式計(jì)算：
???
???????????????（4）
??? 式中，Vo2-T2時(shí)輸出電壓；
??? Vo1－T1時(shí)輸出電壓。
??? 由圖3中可知，當(dāng)E=3V時(shí)，RL取值不同，負(fù)載線斜率不同，為取得最大的溫度靈敏度，負(fù)載電阻RL須是最佳取值。當(dāng)RL取最佳值時(shí)，該系統(tǒng)的溫度靈敏度可大于100mV/℃。
??? 五、結(jié)語(yǔ)
??? 本文在詳細(xì)剖析溫敏Z元件性能、特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討了它在氣象領(lǐng)域用于溫度檢測(cè)的可能性。我們已利用Z-元件的反向應(yīng)用組態(tài)，設(shè)計(jì)了一種高精度電池供電的微型低功耗溫度傳感器。實(shí)驗(yàn)表明，這種新型溫度傳感器適應(yīng)氣象行業(yè)特殊技術(shù)要求，在氣象領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。