Z-元件特性的擴(kuò)展

1、Z-元件特性的擴(kuò)展一、Z-半導(dǎo)體敏感元件Z-半導(dǎo)體敏感元件簡(jiǎn)稱Z-元件性能奇特，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單而且規(guī)范，使用組態(tài)靈活，應(yīng)用開發(fā)潛力大。它包括Z-元件在內(nèi)僅用兩個(gè)或3個(gè)元器件，就可構(gòu)成電路最簡(jiǎn)單的三端傳感器，實(shí)現(xiàn)多種用途。特別是其中的三端數(shù)字傳感器，已引起許多用戶的關(guān)注。Z-元件現(xiàn)有溫、光、磁，以及正在開發(fā)中的力敏四個(gè)品種，都能以不同的電路組態(tài)，分別輸出開關(guān)、模擬或脈沖頻率信號(hào)，相應(yīng)構(gòu)成不同品種的三端傳感器。其中，僅以溫敏Z-元件為例，就可以組合出12種電路結(jié)構(gòu)，輸出12種波形，實(shí)現(xiàn)6種基本應(yīng)用3。再考慮到其它光、磁或力敏Z-元件幾個(gè)品種，其可供開發(fā)的擴(kuò)展空間將十分可觀。為了拓寬Z-元件的應(yīng)用領(lǐng)域

2、，很有從深度上和廣度上進(jìn)一步研究的價(jià)值。本文在前述溫、光、磁敏Z-元件的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)工藝和應(yīng)用開發(fā)實(shí)踐，在半導(dǎo)體工作機(jī)理上和電路應(yīng)用組態(tài)上進(jìn)行了深入的擴(kuò)展研究，形成了一些新型的敏感元件。作為其中的部分實(shí)例，本文重點(diǎn)介紹了摻金g-硅新型熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉(zhuǎn)換器，供用戶分析研究與應(yīng)用開發(fā)參考。這些新型敏感元件都具有體積小、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、使用方便等特點(diǎn)。二、摻金g-硅新型熱敏電阻1概述用g-硅單晶制造半導(dǎo)體器件是不多見的，特別是用原本制造Z-元件這樣的高阻g-硅單晶來(lái)制造Z-元件以外的半導(dǎo)體器件，目前尚未見到報(bào)導(dǎo)。Z-元件的特殊性能，主要是由摻金高阻g-硅區(qū)也就是n-i

3、 區(qū)的特性所決定的，對(duì)摻金高阻g-硅的性能進(jìn)行深入地研究希望引起半導(dǎo)體器件工作者的高度重視。本部分從對(duì)摻金g-硅的特性深入研究入手，開發(fā)出一種新型的熱敏元件，即摻金g-硅熱敏電阻。介紹了該新型熱敏電阻的工作原理、技術(shù)特性和應(yīng)用特點(diǎn)。2摻金g-硅熱敏電阻的工作機(jī)理“摻金g-硅熱敏電阻”簡(jiǎn)稱摻金硅熱敏電阻，它是在深入研究Z-元件微觀工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，按新的結(jié)構(gòu)和新的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)制造的，在溫度檢測(cè)與控制領(lǐng)域提供了一種新型的溫敏元件。為了熟悉并正確使用這種新型溫敏元件，必須首先了解它的工作機(jī)理。Z-元件是其N 區(qū)被重?fù)诫s補(bǔ)償?shù)母男訮N 結(jié)，即在高阻硅材料上形成的PN 結(jié)，又經(jīng)過重金屬補(bǔ)償，因而它具有特

4、殊的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和特殊的伏安特性。圖1為Z-元件的正向伏安特性曲線，圖2為Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1可知，Z-元件具有一條“L ”型伏安特性1，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)。其中，高阻的M1區(qū)對(duì)溫度具有較高的靈敏度，自然成為研制摻金g-硅熱敏電阻的主要著眼點(diǎn)。從圖2可知，Z-元件的結(jié)構(gòu)依次是：金屬電極層P+歐姆接觸區(qū)P 型擴(kuò)散區(qū)P-N 結(jié)結(jié)面低摻雜高補(bǔ)償N 區(qū)，即n-.i 區(qū)n+歐姆接觸區(qū)金層電極層?？梢奪-元件是一種改性PN 結(jié)，它具有由p+-p-n-.i-n+構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)，其中核心部位是N 型高阻硅區(qū)n-.i ，特稱為摻金g-硅區(qū)。摻金g-硅區(qū)的建立為

5、摻金g-硅熱敏電阻奠定了物理基礎(chǔ)。Z-元件在正偏下的導(dǎo)電機(jī)理是基于一種“管道擊穿”和“管道雪崩擊穿”的模型2。Z-元件是一種PN 結(jié)，對(duì)圖2所示的Z-元件結(jié)構(gòu)可按P-N 結(jié)經(jīng)典理論加以分析，因而在p-n-.i 兩區(qū)中也應(yīng)存在一個(gè)自建電場(chǎng)區(qū)。該電場(chǎng)區(qū)因在P 區(qū)很薄，自建電場(chǎng)區(qū)主要體現(xiàn)在n-.i 區(qū)，且?guī)缀跽紦?jù)了全部n-.i 型區(qū)，這樣寬的電場(chǎng)區(qū)其場(chǎng)強(qiáng)是很弱的，使得Z-元件呈現(xiàn)了高阻特性。如果給Z-元件施加正向偏壓，這時(shí)因正向偏壓的電場(chǎng)方向同Z-元件內(nèi)部自建電場(chǎng)方向是相反的，很小的正向偏壓便抵消了自建電場(chǎng)。這時(shí)按經(jīng)典的PN 結(jié)理論分析，本應(yīng)進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)，但由于Z-元件又是一種改性的PN 結(jié)，其

6、n-.i 型區(qū)是經(jīng)重金屬摻雜的高補(bǔ)償區(qū)，由于載流子被重金屬陷阱所束縛，其電阻值在兆歐量級(jí)，其正向電流很小，表現(xiàn)在“L ”曲線是線性電阻區(qū)即“M1”區(qū)。這時(shí)，如果存在溫度場(chǎng)，由于熱激發(fā)的作用使重金屬陷阱中釋放的載流子不斷增加，并參與導(dǎo)電，必然具有較高的溫度靈敏度。在M1區(qū)尚末形成導(dǎo)電管道，如果施加的正向偏壓過大，將產(chǎn)生“管道擊穿”，甚至“管道雪崩擊穿”，將破壞了摻金g-硅新型熱敏電阻的熱阻特性，這是該熱敏電阻的特殊問題。在這一理論模型的指導(dǎo)下，不難想到，如果將Z-元件的n-.i 區(qū)單獨(dú)制造出來(lái)，肯定是一個(gè)高靈敏度的熱敏電阻（由于半導(dǎo)體伴生著光效應(yīng)，當(dāng)然也是一個(gè)光敏感電阻），由此可構(gòu)造出摻金g-硅

7、新型熱敏電阻的基本結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于摻金g-硅新型熱敏電阻不存在PN 結(jié)，其中n-.i 層就是摻金g-硅，它并不是Z-元件的n-.i 區(qū)。測(cè)試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的電特性就是一個(gè)熱敏電阻。該熱敏電阻具有NTC 特性，它與現(xiàn)行NTC 熱敏電阻相比，具有較高的溫度靈敏度。3摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝流程如圖4工藝框圖所示?？梢钥闯觯撋a(chǎn)工藝過程與Z-元件生產(chǎn)工藝的最大區(qū)別，就是不做P 區(qū)擴(kuò)散，所以它不是改性PN 結(jié)，又與現(xiàn)行NTC 熱敏電阻的生產(chǎn)工藝完全不同，這種摻金g-硅新型熱敏電阻使用的特殊材料和特殊工藝決定了它的性能與現(xiàn)行NTC 熱敏感電阻相比具有很大區(qū)別，其

8、性能各有優(yōu)缺點(diǎn)。4摻金g-硅熱敏電阻與NTC 熱敏電阻的性能對(duì)比從上述結(jié)構(gòu)模型和工藝過程分析可知，摻金g-硅層是由金擴(kuò)入而形成的高補(bǔ)償?shù)腘 型半導(dǎo)體，不存在PN 結(jié)的結(jié)區(qū)。它的導(dǎo)電機(jī)理就是在外電場(chǎng)作用下未被重金屬補(bǔ)償?shù)氖Ｓ嗟氖┲麟娮訁⑴c導(dǎo)電以及在外部熱作用下使金陷阱中的電子又被激活而參與導(dǎo)電，而呈現(xiàn)的電阻特性。由于原材料是高阻g-硅，原本施主濃度就很低，又被陷阱捕獲一些，剩余電子也就很少很少。參與導(dǎo)電的電子主要是陷阱中被熱激活的電子占絕對(duì)份額。也就是說，摻金g-硅熱敏電阻在一定的溫度下的電阻值，是決定于工藝流程中金擴(kuò)的濃度。研制實(shí)踐中也證明了這一理論分析。不同的金擴(kuò)濃度可以得到幾千歐姆到幾兆歐

9、姆的電阻值。金擴(kuò)散成為產(chǎn)品質(zhì)量與性能控制的關(guān)健工序。我們認(rèn)為，由于摻金g-硅熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理與現(xiàn)行的NTC 熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理完全不同，所以特性差別很大，也存在各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。摻金g-硅熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低，易于大批量生產(chǎn)，阻值范圍寬（從幾千歐姆到幾兆歐姆），靈敏度高，特別是低于室溫的低溫區(qū)段比NTC 熱敏電阻要高近一個(gè)量級(jí)。其缺點(diǎn)是：一批產(chǎn)品中電阻值的一致性較差、線性度不如NTC ，使用電壓有閾值限制，超過閾值時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻。摻金g-硅新型熱敏電阻與NTC 熱敏電阻的電阻溫度靈敏度特性對(duì)比如圖5所示。在不同溫度下，溫度靈敏度的實(shí)測(cè)值對(duì)比如表1所示。摻金g-硅熱敏電阻是一種

10、新型溫敏元件。本文雖作了較詳細(xì)的工作機(jī)理分析，但現(xiàn)在工藝尚未完全成熟，愿與用戶合作，共同探討，通過工藝改進(jìn)與提高，使這一新型元件早日成熟，推向市場(chǎng)，為用戶服務(wù)。表1 不同溫度下溫度靈敏度實(shí)測(cè)值對(duì)比(k/°C°C0#1#2#3#4#5#6#注6.312.429.828.932.125.735.036.110.79.521.020.522.817.824.925.614.974.50.70.50.50.50.430.60.686.00.30.20.20.20.20.30.3注：表1中0#樣件為NTC 熱敏電阻，1#-6#樣件為摻金g-硅熱敏電阻。三、力敏Z-元件1概述 “力”參

11、數(shù)的檢測(cè)與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。力敏元件及其相應(yīng)的力傳感器可直接測(cè)力，通過力也可間接檢測(cè)許多其它物理參數(shù)，如重量，壓力、氣壓、差壓、流量、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、扭矩、振動(dòng)等，在機(jī)械制造、機(jī)器人、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、工程地質(zhì)、機(jī)電一體化產(chǎn)品以及其它國(guó)民經(jīng)濟(jì)裝備領(lǐng)域中，具有廣泛的用途。在力參數(shù)的檢測(cè)與控制領(lǐng)域中，現(xiàn)行的各種力敏元件或力傳感器，包括電阻應(yīng)變片、擴(kuò)散硅應(yīng)變片、擴(kuò)散硅力傳感器等，嚴(yán)格說，應(yīng)稱為模擬力傳感器。它只能輸出模擬信號(hào)，輸出幅值小，靈敏度低是它的嚴(yán)重不足。這三種力敏元件或力傳感器，為了與數(shù)字計(jì)算機(jī)相適應(yīng)，用戶不得不采取附加的數(shù)字化方法（即加

12、以放大和A/D轉(zhuǎn)換）才能與數(shù)字計(jì)算機(jī)相連接，使用極其不便，也增加了系統(tǒng)的成本。Z-元件能以極其簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)直接輸出數(shù)字信號(hào)，非常適合研制新型數(shù)字傳感器1，其中也包括力數(shù)字傳感器。這種力數(shù)字傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)（包括開關(guān)信號(hào)和脈沖頻率信號(hào)），不需A/D轉(zhuǎn)換，就可與計(jì)算機(jī)直接通訊，為傳感器進(jìn)一步智能化和網(wǎng)絡(luò)化提供了方便。我們?cè)谏钊胙芯縕-元件工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，初步研制成功力敏Z-元件，但目前尚不成熟，歡迎試用與合作開發(fā)這一新器件，實(shí)現(xiàn)力檢測(cè)與控制領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。2力敏Z-元件的伏安特性如前所述，力敏Z-元件也是一種其N 區(qū)被重?fù)诫s補(bǔ)償?shù)母男訮N 結(jié)。力敏Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖6(a所示。按本企

13、業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電路符號(hào)如圖6(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6(c為正向“L ”型伏安特性，與其它Z-元件一樣該特性也分成三個(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，Ith 為閾值電流，Vf 為導(dǎo)通電壓， If 為導(dǎo)通電流。M1區(qū)動(dòng)態(tài)電阻很大，M3區(qū)動(dòng)態(tài)電阻很?。ń诹悖?，從M1區(qū)到M3區(qū)的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短（微秒級(jí)）， 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)”， 光耦繼電器工作的初始狀態(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)，作為開關(guān)元件在電路中相當(dāng)于“阻斷”。若靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)

14、定在M3區(qū)，Z-元件將處于穩(wěn)定的低阻狀態(tài)，作為開關(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)，特稱為閥值點(diǎn)，其坐標(biāo)為：P(Vth，Ith 。P 點(diǎn)對(duì)外部力作用十分敏感，其靈敏度要比伏安特性上其它諸點(diǎn)要高許多。利用這一性質(zhì)，可通過力作用，促成工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換或周而復(fù)始地轉(zhuǎn)換，就可分別輸出開關(guān)信號(hào)或脈沖頻率信號(hào)。3力敏Z-元件的電路結(jié)構(gòu)力敏Z-元件的應(yīng)用電路十分簡(jiǎn)單，利用其“L ”型伏安特性，在力載荷的作用下，很容易獲得開關(guān)量輸出或脈沖頻率輸出。力敏Z-元件的基本應(yīng)用電路如圖7所示。其中，圖7(a為開關(guān)量輸出，圖7( b為脈沖頻率輸出。其輸出波形分別如圖8和圖9所

15、示。在圖7所示的應(yīng)用電路中，電路的結(jié)構(gòu)特征是：力敏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，并取出輸出信號(hào)。Z-元件應(yīng)用開發(fā)的基本工作原理就在于通過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)電管道的力調(diào)變效應(yīng)，使工作電流發(fā)生變化，從而改變Z-元件與負(fù)載電阻RL 之間的壓降分配，獲得不同波形的輸出信號(hào)。（1）力敏Z-元件的開關(guān)量輸出在圖7(a所示的電路中，通過E 和RL 設(shè)定工作點(diǎn)Q ，如圖6c 所示。若工作點(diǎn)選擇在M1區(qū)時(shí)，力敏Z-元件處于小電流的高阻工作狀態(tài)，輸出電壓為低電平。由于力敏Z-元件的閾值電壓Vth 對(duì)力載荷F 具有很高的靈敏度，當(dāng)力載荷F 增加時(shí)，閾值點(diǎn)P 向左推移，耦合器使Vth 減小，

16、當(dāng)力載荷F 增加到某一閾值Fth 時(shí)，力敏Z-元件上的電壓VZ 恰好滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件1，即VZ=Vth，力敏Z-元件將從M1區(qū)跳變到M3區(qū)，處于大電流的低阻工作狀態(tài)，光耦輸出電壓為高電平。在RL 上可得到從低電平到高電平的上跳變開關(guān)量輸出，如圖8(a所示。如果在圖7(a所示電路中，把力敏Z-元件與負(fù)載電阻RL 互換位置，則可得到由高電平到低電平的下跳變開關(guān)量輸出，如圖8(b所示。無(wú)論是上跳變或下跳變開關(guān)量輸出，VO 的跳變幅值均可達(dá)到電源電壓E 的4050%。開關(guān)量輸出的力敏Z-元件可用作力敏開關(guān)、力報(bào)警器或力控制器。（2）力敏Z-元件的脈沖頻率輸出由于力敏Z-元件的伏安特性隨外部激勵(lì)改變而改

17、變，只要滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，就可實(shí)現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。如果滿足狀態(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 上可輸出開關(guān)信號(hào)；同理，如果滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，設(shè)法實(shí)現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的周期性轉(zhuǎn)換，則負(fù)載電阻RL 上就可輸出脈沖頻率信號(hào)。脈沖頻率輸出電路如圖7(b所示。在圖7(b電路中，力敏 Z-元件與電容器C 并聯(lián)。由于力敏Z-元件具有負(fù)阻效應(yīng)，且有兩個(gè)工作狀態(tài)，當(dāng)并聯(lián)以電容后，通過RC 充放電作用，構(gòu)成RC 振蕩回路，因此在輸出端可得到與力載荷成比例變化的脈沖頻率信號(hào)輸出。其輸出波形如圖9(a所示。輸出頻率的大小與E 、RL 、C 取值有關(guān)，也與力敏Z-元件的閾值電壓

18、Vth 值有關(guān)。當(dāng)E 、RL 、C 參數(shù)確定后，輸出頻率僅與Vth 有關(guān)，而Vth 對(duì)力作用很敏感，可得到較高的力靈敏度。初步測(cè)試結(jié)果表明：電容器C 選擇范圍在0.011.0mF，負(fù)載電阻在520kW，較為合適。同理，若把力敏Z-元件（連同輔助電容器C ）與負(fù)載電阻RL 互換位置，其輸出頻率仍與力載荷成比例，波形雖為鋸齒波，但與圖9a 完全不同，如圖9(b所示。4力敏Z-元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)與施力方式力敏Z-元件芯片體積很小，施加外力載荷時(shí)，必須通過某種彈性體作為依托。當(dāng)力載荷作用于彈性體時(shí)，使芯片內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，此內(nèi)應(yīng)力可改變力敏Z-元件的工作狀態(tài)（從低阻態(tài)到高阻態(tài)，或者從高阻態(tài)到低阻態(tài)），線性光

19、耦從而使輸出端產(chǎn)生開關(guān)量輸出或脈沖頻率輸出。作為彈性體可以采用條形或園形膜片，材質(zhì)可以是磷銅、合金鋼或其它彈性材料。無(wú)論采用哪種彈性體，力敏Z-元件的受力方式目前理論上可歸結(jié)為兩種基本結(jié)構(gòu)：即懸臂式結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖10所示。為便于研究力敏Z-元件受力后的應(yīng)力應(yīng)變特征，結(jié)構(gòu)放大示意如圖11所示。如前所述，Z-元件在外加電場(chǎng)作用下，在N 區(qū)可產(chǎn)生“導(dǎo)電管道”，該導(dǎo)電管道在外部激勵(lì)作用下，可產(chǎn)生“管道調(diào)變效應(yīng)2，由圖11可知，對(duì)力敏Z-元件來(lái)說，其P 區(qū)很薄，N 區(qū)相對(duì)較厚，焊接層的厚度可忽略不計(jì)，因而，在力載荷作用下的管道調(diào)變效應(yīng)必將發(fā)生在N 區(qū)。當(dāng)力載荷作為一種外部激勵(lì)作用于彈性體

20、時(shí)，使彈性體產(chǎn)生一定的撓度，在半導(dǎo)體晶格內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)電管道受到力調(diào)變作用，使N 區(qū)電阻發(fā)生變化，改變了力敏Z-元件的伏安特性，使閾值點(diǎn)P 產(chǎn)生偏移，閾值電壓Vth 將發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明，由于封裝結(jié)構(gòu)和受力方式的不同，可產(chǎn)生如圖12和圖13所示兩種方式的應(yīng)力應(yīng)變。若靜態(tài)工作點(diǎn)Q 設(shè)置在M3區(qū)，施加的力載荷使N 區(qū)產(chǎn)生“壓”應(yīng)力，N 區(qū)晶格被壓縮，導(dǎo)電管道變“細(xì)”，正偏使用時(shí)電阻值將增加，因伏安特性的改變使閾值點(diǎn)P 右移，Vth 增加。當(dāng)力載荷F 增加到某一特定閾值Fth 時(shí)，閾值點(diǎn)P 向右移至負(fù)載線的右側(cè)，力敏Z-元件將從低阻M3區(qū)跳變到高阻M1區(qū)，如圖12所示。同理，若靜態(tài)工作點(diǎn)Q 設(shè)置

21、在M1區(qū)，施加的力載荷使N 區(qū)產(chǎn)生“拉”應(yīng)力，N 區(qū)晶格被拉伸，導(dǎo)電管道變“粗”，正偏使用時(shí)電阻值將減小，因伏安特性的變化使閾值點(diǎn)P 左移，Vth 減小。當(dāng)力載荷F 增加到某一特定閾值Fth 時(shí)，閾值點(diǎn)P 左移至負(fù)載線上，力敏Z-元件將從高阻M1區(qū)跳變到低阻M3區(qū)，如圖13所示。上述分析可知，力敏Z-元件在不同封裝結(jié)構(gòu)和不同受力方式下，可產(chǎn)生工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可按設(shè)計(jì)需要輸出不同的跳變信號(hào)，可用作力敏開關(guān)、力報(bào)警器或力控制器。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過電源電壓E 或負(fù)載電阻RL 來(lái)設(shè)定力載荷的閾值Fth ，但由于跳變閾值與力敏Z-元件的制造工藝、芯片尺寸、封裝結(jié)構(gòu)、彈性體材質(zhì)與厚度、受力點(diǎn)的位置等諸多

22、因素有關(guān)，許多問題尚需進(jìn)一步研究與探討。力敏Z-元件具有M2區(qū)的負(fù)阻特性，并具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)是脈沖頻率輸出的基礎(chǔ)。借助輔助電容器C ，按圖7(b所示電路，通過RC 的充放電作用，可實(shí)現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的周而復(fù)始的轉(zhuǎn)換，采用圖12a 、b 或圖13a 、b 的結(jié)構(gòu)和受力方式，都可輸出脈沖頻率信號(hào)，輸出頻率與力載荷成比例，其輸出波形如圖9(a 或圖9(b所示，分析從略。作為設(shè)計(jì)實(shí)例，力敏Z-元件樣件1#與樣件2#，經(jīng)加載與卸載實(shí)驗(yàn)，其脈沖頻率輸出的測(cè)試結(jié)果如下，供分析研究參考： 力敏Z-元件特征參數(shù): Vth=10V, Ith=1mA, Vf=4.5V (測(cè)試條件: T=25, RL=5

23、kW芯片尺寸：250.3mm ，采用簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)，兩支點(diǎn)距離為10mm ；中間受力，應(yīng)力應(yīng)變方式為N 區(qū)受壓應(yīng)力；條狀P 銅彈性體，厚度為0.2mm ；試驗(yàn)環(huán)境溫度為25.4。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。表2 輸出頻率與力載荷關(guān)系測(cè)試數(shù)據(jù)序號(hào)力載荷F(g加載輸出頻率(kHz卸載輸出頻率(kHz樣件1#樣件2#樣件1#樣件2#11.4761.4801.4751.4742501.4821.4861.4841.48031001.4911.4891.4911.48341501.4931.4941.4901.48752001.5051.5021.5031.49062501.5111.5091.5111.49273

24、001.5151.5161.5111.50283501.5201.5161.5181.510按表2，樣件2#加載所測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)繪圖可得回歸線如圖14所示。由于封裝結(jié)構(gòu)尚未定型測(cè)試數(shù)據(jù)有一定誤差，但初步實(shí)驗(yàn)表明，在這種施力方式下，輸出頻率f 與力載荷成正比，在一定施力范圍內(nèi)近似呈線性關(guān)系，且回差較小。隨力載荷量程加大，非線性度要增加?；貧w處理后，力的平均頻率靈敏度SF 為：Hz/g約每10g 改變1Hz 。力靈敏度和回差是力敏Z-元件的重要技術(shù)指標(biāo)。需要指出的是：靈敏度和回差與力敏Z-元件的特征參數(shù)、形狀與尺寸、彈性體材質(zhì)與厚度、封裝結(jié)構(gòu)以及受力方式等諸多因素有關(guān)。許多問題也需進(jìn)一步研究與探

25、討。需按用戶需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)定型與標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。四、新型V/F轉(zhuǎn)換器1概述目前正在研制或在線使用的各種傳統(tǒng)傳感器，因只能輸出模擬電壓或模擬電流信號(hào)，應(yīng)稱為模擬傳感器。模擬傳感器是模擬儀表或模擬信訊時(shí)代的產(chǎn)物，主要缺點(diǎn)是輸出幅值小，靈敏度低，不能與數(shù)字計(jì)算機(jī)直接通訊。人類進(jìn)入數(shù)字信息化時(shí)代后，以數(shù)字技術(shù)支撐的數(shù)字計(jì)算機(jī)已十分普及，現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)要求處理數(shù)字信號(hào)，而模擬傳感器因受材料、器件的限制，仍只能輸出低幅值的模擬信號(hào)，不能與計(jì)算機(jī)直接通訊，已成為制約信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。為了使模擬傳感器能與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，光耦目前是采取把輸出信號(hào)進(jìn)行放大再加以A/D轉(zhuǎn)換，即把現(xiàn)行的模擬傳感器加以數(shù)字化的方法來(lái)與

26、數(shù)字計(jì)算機(jī)相適應(yīng)。雖然在信息采集與處理過程中電路復(fù)雜，硬件成本增加，但由于目前能直接輸出數(shù)字信號(hào)的數(shù)字傳感器為數(shù)不多，這種模擬傳感器數(shù)字化的方法仍發(fā)揮著巨大的作用。本部分利用Z-元件構(gòu)成一種新型的V/F轉(zhuǎn)換器，它能把模擬傳感器輸出的電壓信號(hào)變成能被數(shù)字計(jì)算機(jī)識(shí)別的頻率信號(hào)，提供了一種模擬傳感器數(shù)字化的新方法。該方法與采用A/D轉(zhuǎn)換器方案相比，具有電路簡(jiǎn)單、成本低、體積小、輸出幅值大、靈敏度高、輸出線性度好、能與計(jì)算機(jī)直接通訊等一系列優(yōu)點(diǎn)，可做為模擬傳感器與計(jì)算機(jī)之間的重要接口，在信息產(chǎn)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。2電路組成與工作原理Z-元件是一種新型的半導(dǎo)體開關(guān)元件，當(dāng)其兩端電壓達(dá)到一定閾值(即閾值電壓Vth 時(shí)，可從高阻狀態(tài)跳變到低阻狀態(tài)；而當(dāng)其兩端電壓小于一定閾值(即導(dǎo)通電壓Vf 時(shí)，又可從低阻狀態(tài)跳變到高阻狀態(tài)。利用這一特性可方便地開發(fā)V/F轉(zhuǎn)換器。由Z-元件構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換器如圖1