一种采用Z-元件的半导体三端传感器制造技术

一种结构简单的低成本数字量输出传感器，属于具有三端结构的传感技术领域。它克服了传统传感器只能输出低幅值模拟信号、应用电路复杂等不足，为新一代数字量输出传感器的研制创造了条件。本发明专利技术基于Ｚ－元件特殊的伏安特性，具有输出幅值大、电路结构简单而规范、抗干扰能力强、可靠性高、成本低、研制开发方便等优点，可广泛应用于保安监控、信号检测、工业自动化系统以及家用电子装置等。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术专利技术属于传感
，尤其涉及具有三端结构数字量输出性能的传感器。目前国内外检测与控制系统均采用敏感元件或传感器、再附加若干辅助电路而构成。由于常规敏感元件或传统传感器多为模拟量输出，其输出幅值小，抗干扰能力差，必须附加放大、模／数转换辅助电路才能与数字仪表或计算机相连接，致使硬件系统复杂，研制成本增加，可靠性降低，为二次仪表生产带来了困难，限制了检测与控制系统在更广阔的领域中应用。本技术的目的是提供一种最简单的电路结构，该电路结构属于一种具有三端结构的新型传感器。利用该电路，选用不同的Z-元件可测量多种物理参数；选定不同的工作状态，设定不同的工作点，可分别取得模拟量输出、开关量输出以及频率脉冲输出，再经计数变换还可取得代码输出，可广泛应用于保安监控、信号检测、工业自动化系统以及家用电子装置等。本技术的工作原理是基于Z-元件是一种其N区被重掺杂补偿的特种PN结，它具有特殊的伏安特性。图1(a)为Z-元件半导体结构，图1(b)为电路符号，图1(c)、(d)、(e)分别为三种基本应用电路结构。其中图1(c)、(e)为Z-元件正向应用，图1(d)为反向应用，在图1(c)所示电路结构中，E为直流电源，Z-元件通过负载电阻R按正向偏置连接在直流电路中，负载电阻R用于限制工作电流，并取出输出电压信号Vo。不同的Z-元件对不同的外部作用具有敏感特性，这种外部作用可以分别是热、磁、光等物理参数。根据外部作用不同，可制造成温敏Z-元件、磁敏Z-元件和光敏Z-元件。若在外部作用下，工作电流产生均匀变化，在负载电阻上可得到模拟量输出；若在外部作用下，工作电流产生突变，在负载电阻上则得到开关量输出；若在外部作用下，工作电流产生振荡，在负载电阻上则得到频率脉冲输出。本技术的优点是1、测量物理参数广泛。选用温敏或磁敏或光敏等Z-元件，可分别对温度、磁场强度、光强度等参数进行监控和检测；2、电路结构简单而规范，为用户二次仪表的研制开发带来方便；3、既可模拟量输出也可数字量输出。特别是不需放大和模／数转换就可与计算机直接连接，简化硬件电路，可降低成本；4、体积小、工作电压低、工作电流小、输出幅度大、动态响应快、抗干扰能力强，可进行非接触测量，特别适合研制微型、便携式和本质安全型仪器仪表和机电一体化产品。 附图说明图1、为Z-元件基本应用电路结构图。图2(a)、为Z-元件的正向伏安特性；图2(b)为Z-元件的反向伏安特性。本技术的实施例如下实施例1利用温敏Z-元件制造一种点式感温火灾探测器。温敏Z-元件的正向伏安特性呈“L”特性，如图2(a)所示。该伏安特性具有三个工作区M1高阻区，M2负阻区，M3低阻区。Vth为阈值电压、Ith为阈值电流、Vf为导通电压、If为导通电流。当工作电压E＜Vth时，工作在M1区；当E≥Vth时，快速经过M2区进入M3区。该伏安特性随温度升高而向左推移，不同环境温度下，阈值电压Vth不同，调整电源电压E可按国家有关消防电子产品标准规范设定不同的报警温度。工作点选定在M1区，Z-元件处于小电流工作状态，输出电压为低电平；当环境温度升高时，伏安特性向左推移，Vth减小，当达到E≥Vth时，Z-元件快速跳变到M3区，处于大电流工作状态，输出电压为高电平，利用输出电压Vo的这种跳变可驱动声、光报警装置，达到监控温度、预报火灾的目的。实施例2利用Z-元件反向应用制成一种高灵敏度模拟输出三端温度传感器，如图1(d)所示。其温敏Z-元件通过负载电阻R按反向偏置连接在直流电路中，温敏Z-元件反向应用时具有较高的线性度和温度灵敏度，如图2(b)所示。当温度较低时，工作电流输出小，输出电压Vo较低；当温度增高时，工作电流逐步增加，输出电压Vo与温度成比例增加，可用于温度检测。实施例3利用温敏Z-元件并联以电容制成一种频率输出的三端数字温度传感器，如图1(e)所示。当Z-元件工作在M1区时，其阻值很高，电源E通过电阻R向电容C充电，随充电的进行，电容上电压Vc逐步增加，当增加到Vc≥Vth时，Z-元件工作点迅速进入M3区，这时Z-元件电阻很小，电容C通过Z-元件放电，放电后Z-元件工作点又迅速返回M1区，再次充电，如此反复进行，输出端得到三角波频率脉冲信号，随温度变化而变化，这样就构成一种新型低成本三端数字温度传感器。利用光敏Z-元件，同样可以得到一种新型低成本三端数字光敏传感器。权利要求1.一种采用Z-元件的半导体三端传感器，其电路结构由Z-元件和负载电阻R所构成，以及由Z-元件和负载电阻R再并联电容C所构成，其特征是该电路由直流电源E供电，Z-元件按正向偏置或反向偏置工作，选择不同的Z-元件并设定不同的工作点可分别输出模拟信号、开关信号或频率脉冲信号。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征是选用温敏Z-元件，该电路可对温度进行监控和检测。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征是选用磁敏Z-元件，该电路可对磁场进行监控和检测。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征是选用光敏Z-元件，该电路可对可见光、红外线、紫外线强度进行监控和检测。5.根据权利要求1所述的传感器，对频率脉冲输出传感器，并联电容C可并于Z-元件也可并于电阻上，频率脉冲输出可从Z-元件上取出，也可从电阻R上取出。专利摘要一种结构简单的低成本数字量输出传感器,属于具有三端结构的传感
它克服了传统传感器只能输出低幅值模拟信号、应用电路复杂等不足,为新一代数字量输出传感器的研制创造了条件。本专利技术基于Z－元件特殊的伏安特性,具有输出幅值大、电路结构简单而规范、抗干扰能力强、可靠性高、成本低、研制开发方便等优点,可广泛应用于保安监控、信号检测、工业自动化系统以及家用电子装置等。文档编号G01N35/00GK2430689SQ9821268公开日2001年5月16日 申请日期1998年4月30日 优先权日1998年4月30日专利技术者孙英达, 付云鹏, 张靖环 申请人:哈尔滨技术进出口公司本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用Ｚ－元件的半导体三端传感器，其电路结构由Ｚ－元件和负载电阻Ｒ所构成，以及由Ｚ－元件和负载电阻Ｒ再并联电容Ｃ所构成，其特征是：该电路由直流电源Ｅ供电，Ｚ－元件按正向偏置或反向偏置工作，选择不同的Ｚ－元件并设定不同的工作点可分别输出模拟信号、开关信号或频率脉冲信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙英达，付云鹏，张靖环，
申请(专利权)人：哈尔滨技术进出口公司，
类型：实用新型
国别省市：93[中国|哈尔滨]