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Z-元件特性与应用的扩展 三
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广告招租，e-mail:yesize@hotmail.com 4．力敏Z-元件的机械结构与施力方式 力敏Z-元件芯片体积很小，施加外力载荷时，必须通过某种弹性体作为依托。当力载荷作用于弹性体时，使芯片内部产生内应力，此内应力可改变力敏Z-元件的工作状态（从低阻态到高阻态，或者从高阻态到低阻态），从而使输出端产生开关量输出或脉冲频率输出。作为弹性体可以采用条形或园形膜片，材质可以是磷铜、合金钢或其它弹性材料。无论采用哪种弹性体，力敏Z-元件的受力方式目前理论上可归结为两种基本结构：即悬臂式结构和简支式结构，其示意图如图10所示。为便于研究力敏Z-元件受力后的应力应变特征，结构放大示意如图11所示。 如前所述，Z-元件在外加电场作用下，在N区可产生“导电管道”，该导电管道在外部激励作用下，可产生“管道调变效应[2]，由图11可知，对力敏Z-元件来说，其P区很薄，N区相对较厚，焊接层的厚度可忽略不计，因而，在力载荷作用下的管道调变效应必将发生在N区。当力载荷作为一种外部激励作用于弹性体时，使弹性体产生一定的挠度，在半导体晶格内部产生内应力，导电管道受到力调变作用，使N区电阻发生变化，改变了力敏Z-元件的伏安特性，使阈值点P产生偏移，阈值电压Vth将发生变化。 实验表明，由于封装结构和受力方式的不同，可产生如图12和图13所示两种方式的应力应变。若静态工作点Q设置在M3区，施加的力载荷使N区产生“压”应力，N区晶格被压缩，导电管道变“细”，正偏使用时电阻值将增加，因伏安特性的改变使阈值点P右移，Vth增加。当力载荷F增加到某一特定阈值Fth时，阈值点P向右移至负载线的右侧，力敏Z-元件将从低阻M3区跳变到高阻M1区，如图12所示。 同理，若静态工作点Q设置在M1区，施加的力载荷使N区产生“拉”应力，N区晶格被拉伸，导电管道变“粗”，正偏使用时电阻值将减小，因伏安特性的变化使阈值点P左移，Vth减小。当力载荷F增加到某一特定阈值Fth时，阈值点P左移至负载线上，力敏Z-元件将从高阻M1区跳变到低阻M3区，如图13所示。 上述分析可知，力敏Z-元件在不同封装结构和不同受力方式下，可产生工作状态的转换，可按设计需要输出不同的跳变信号，可用作力敏开关、力报警器或力控制器。在实际应用中，可通过电源电压E或负载电阻RL来设定力载荷的阈值Fth ，但由于跳变阈值与力敏Z-元件的制造工艺、芯片尺寸、封装结构、弹性体材质与厚度、受力点的位置等诸多因素有关，许多问题尚需进一步研究与探讨。 力敏Z-元件具有M2区的负阻特性，并具有两个稳定的工作状态是脉冲频率输出的基础。借助辅助电容器C，按图7(b)所示电路，通过RC的充放电作用，可实现力敏Z-元件工作状态的周而复始的转换，采用图12﹙a﹚、﹙b﹚或图13﹙a﹚、﹙b﹚的结构和受力方式，都可输出脉冲频率信号，输出频率与力载荷成比例，其输出波形如图9(a) 或图9(b)所示，分析从略。 作为设计实例，力敏Z-元件样件1#与样件2#，经加载与卸载实验，其脉冲频率输出的测试结果如下，供分析研究参考： 力敏Z-元件特征参数: Vth=10V, Ith=1mA, Vf=4.5V (测试条件: T=25℃, RL=5kW) 芯片尺寸：2′5′0.3mm，采用简支式结构，两支点距离为10mm；中间受力，应力应变方式为N区受压应力；条状P铜弹性体，厚度为0.2mm；试验环境温度为25.4℃。测试数据如表2所示。 表2 输出频率与力载荷关系测试数据 序号 力载荷F(g) 加载输出频率(kHz) 卸载输出频率(kHz) &nbs p; 样件1# 样件2# 样件1# 样件2# 1 0 1.476 1.480 1.475 1.474 2 50 1.482 1.486 1.484 1.480 3 100 1.491 1.489 1.491 1.483 4 150 1.493 1.494 1.490 1.487 5 200 1.505 1.502 1.503 1.490 6 250 1.511 1.509 1.511 1.492 7 300 1.515 1.516 1.511 1.502 8 350 1.520 1.516 1.518 1.510 9 400 1 .527 1.527 1.526 1.526 10 450 1.529 1.533 1.529 1.535 11 500 1.538 1.538 1.544 1.538 12 550 1.540 1.547 4.543 1.541 13 600 1.544 1.546 1.544 1.546 按表2，样件2#﹙加载﹚所测数据，经计算机绘图可得回归线如图14所示。由于封装结构尚未定型测试数据有一定误差，但初步实验表明，在这种施力方式下，输出频率f与力载荷成正比，在一定施力范围内近似呈线性关系，且回差较小。随力载荷量程加大，非线性度要增加。回归处理后，力的平均频率灵敏度SF为： Hz/g 约每10g 改变1Hz。力灵敏度和回差是力敏Z-元件的重要技术指标。需要指出的是：灵敏度和回差与力敏Z-元件的特征参数、形状与尺寸、弹性体材质与厚度、封装结构以及受力方式等诸多因素有关。许多问题也需进一步研究与探讨。需按用户需求进行结构定型与标准化生产。 四、新型V/F转换器 1．概述 目前正在研制或在线使用的各种传统传感器，因只能输出模拟电压或模拟电流信号，应称为模拟传感器。模拟传感器是模拟仪表或模拟信讯时代的产物，主要缺点是输出幅值小，灵敏度低，不能与数字计算机直接通讯。人类进入数字信息化时代后，以数字技术支撑的数字计算机已十分普及，现代数字计算机要求处理数字信号，而模拟传感器因受材料、器件的限制，仍只能输出低幅值的模拟信号，不能与计算机直接通讯，已成为制约信息产业发展的瓶颈问题。为了使模拟传感器能与计算机实现通讯，目前是采取把输出信号进行放大再加以A/D转换，即把现行的模拟传感器加以数字化的方法来与数字计算机相适应。虽然在信息采集与处理过程中电路复杂，硬件成本增加，但由于目前能直接输出数字信号的数字传感器为数不多，这种模拟传感器数字化的方法仍发挥着巨大的作用。 本部分利用Z-元件构成一种新型的V/F转换器，它能把模拟传感器输出的电压信号变成能被数字计算机识别的频率信号，提供了一种模拟传感器数字化的新方法。该方法与采用A/D转换器方案相比，具有电路简单、成本低、体积小、输出幅值大、灵敏度高、输出线性度好、能与计算机直接通讯等一系列优点，可做为模拟传感器与计算机之间的重要接口，在信息产业中具有广泛的应用前景。 2．电路组 成与工作原理 Z-元件是一种新型的半导体开关元件，当其两端电压达到一定阈值(即阈值电压Vth)时，可从高阻状态跳变到低阻状态；而当其两端电压小于一定阈值(即导通电压Vf)时，又可从低阻状态跳变到高阻状态。利用这一特性可方便地开发V/F转换器。 由Z-元件构成的V/F转换器如图15(a)所示，图15(b)为其中Z-元件的电路符号。在图15(a)所示电路中以电压E为输入，由于RL、C和Z-元件之间的充、放电作用，使电路始终处于自激振荡状态，其振荡频率f与输入电压E成正比，波形为锯齿波，其输出幅值可以很大，由选定的Z-元件参数而定。实现了模拟信号(电压E)到数字信号(频率f)的转换，可用于数字系统的触发。由于输出幅值大，它不需放大就可实现与计算机的直接通讯。 3．V/F转换器的传输特性 当基准温度TS=20℃时，输入电压E与输出频率f之间的传输特性如图16所示。由图16可知该传输特性具有良好的线性关系，其中Emin~Emax(相应于MN区间)是工作电压的极限范围，AB区间为可靠的工作量程范围，它决定于模拟传感器的输出和V/F转换电路的参数设计。 由于Z-元件是半导体开关元件，构成V/F转换器时，对温度也具有一定的灵敏度，即温度漂移。该温度漂移具有正温度系数，一般小于10Hz∕°C，当环境温度变化较大时，将引起检测误差。 如果该误差在允许范围内，可不做温度补偿。如果要求检测精度较高，特别是在高精度计量使用时，应考虑温度补偿技术。 由温漂引起的相对误差与输出频率范围(即量程)有关。若输出频率较高，相对误差较小，若输出频率较低，则相对误差较大。如果假定环境温度有±10℃的变化，引起输出频率变化的绝对误差为Df=100Hz，按全量程输出频率的平均值为f=2000Hz设计，这时由温漂引起的相对误差d=±0.5%/℃，可满足一般计量精度要求。为进一步提高计量精度，必须采取温度补偿技术[4]。
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