温敏Z-元件在气象领域应用于温度检测的分析
本文介绍了温敏Z－元件的参数性能、特点以及使用方法。为适应气象行业的特殊要求，对一种微型高精度电池供电的低功耗测温装置进行了设计和开发。
关键词：Z－元件; 温度传感器; 气象测温
一、前言
温度是气象中重要的物理参数之一，其重要性在所有物理参数中占据首位。如地面环境温度测量，高空气温测量和地表及地下温度测量等。气象测温是一个特殊的领域，对测量精度要求高，因此，测温元件应具有较高的灵敏度，对气象环境中的高速流体的测量有较高的可靠性和适应性，而且体积小巧、重量轻，用电池供电时功耗较低。因此，测温元件的选型和对测试方法的研究十分重要。
目前可供选择的测温元件有热敏电阻、半导体测温PN结和新兴起的半导体IC测温传感器。其中，半导体IC温度传感器仅适合安装在印制版上，与被测对象接触时会引进附加误差，测量精度不高，一般为±2%～3%；热敏电阻成本低，体积小，经严密的辅助设计与调校也能达到一定精度要求，但由于其非线性与功耗大的缺点，一般不适合在高精度和低功耗场合应用;测温PN结的线性度和灵敏度都优于普通PN结，也能做到较低的功耗，但其测温灵敏度仍较低（一般-4mV/℃），很难达到较高的的分辨率和测温精度。
基于测温的特殊要求和对现有的测温方法的综合分析，本文拟采用一种新型温敏元件，即温敏Z－元件，通过分析它的测温原理、使用条件和工作特点，探索了它在气象测温领域中应用的可能性。
二、伏安特性和基本应用电路
1、伏安特性
温敏Z-元件（以下简称Z－元件）是一种N区被重掺杂补偿的特殊PN结，是一种两端敏感元件。它具有较高的输出灵敏度，其灵敏度超过现今任何一种敏感元件。Z-元件的半导体结构和普通的PN结无区别，如图1（a）所示。按研制单位－哈尔滨技术进出口公司所制订的企业标准，（因为是新型产品，尚无国家标准）电路符号如图1（b）所示，图中“+”号表示PN结P区，即在正偏使用时接电源正极。图1（c）为正向伏安特性，该特性可分成三个工作区： M1高阻区，M2负阻区，M3低阻区，描述这个特性有四个特征参数：Vth为阈值电压，表示Z-元件结压降的最大值，用户可在3V～100V之间选择；Ith为阈值电流，为对应 Vth的电流，通常在0.01mA～0.20mA之间；Vf为导通电压，为表示Z-元件从M1区跳变到M3区后所对应的结电压；If为导通电流，为对应Vf的电流。M1区动态电阻很大，M3区动态电阻很小（近于零），Z-元件的工作状态从M1区到M3区的转换时间很短（微秒级），与其它具有“S”型特性的半导体器件相比，Z-元件的该特性十分优异，为在形态上加以区别，称之为“L”型特性。Z-元件具有两个稳定的工作状态：“高阻态”和“低阻态”，工作的初始状态可按需要设定，若静态工作点设定在M1区，Z-元件处于稳定的高阻状态，其作为开关元件在电路中相当于“阻断”；若静态工作点设定在M3区，Z-元件将处于稳定的低阻状态，其作为开关元件在电路中相当于“导通”。在正向伏安特性上，P点是一个特别值得关注的点，称为阀值点，其坐标为：P（Vth，Ith）。P点对温度变化十分敏感，当温度升高，Vth减小时，其灵敏度要比伏安特性曲线上其它诸点要高许多。利用这一性质，可用Z-元件直接进行温度检测，或用它构成温控开半，进行温度报警或温度控制。
Z-元件的反向伏安特性如图1（d）所示。反向击穿电压很高（约200V～300V），反向电流很小（约几微安到十几微安）。在常用反向电压范围内，例如VR<36V时，反向特性线性度良好，而且工作温度越低，线性度越好；当电源电压不变时，随温度升高，反向电流增加，其具有正温度系数。Z-元件的反向应用具有低功耗等特点，利用这一特点可开发低功耗温度传感器，或其它低功耗电子产品。
2、基本应用电路
基于Z－元件的伏安特性，由Z-元件构成的开关电路或检测电路十分简单，如图2所示，其中负载电阻RL用于限制工作电流，并输出信号。
图2（a）所示的电路通过E和RL设定静态工作点Q，若工作点选择在M1区时，Z-元件处于小电流工作状态，输出电压为低电平。以温敏Z-元件为例，当温度升高时，Vth对温度具有很高的灵敏度，伏安特性曲线向左上方移动，使Vth减小，当Z-元件上的电压VZ≥Vth时，Z-元件将从M1区跳变到M3区，处于大电流工作状态，输出电压为高电平，在RL上可得到开关量输出。此时，Vo的跳变幅值可达到电源电压E的40%～50%。
由Z－元件构成的模拟量输出电路如图2（b）所示。这里，Z-元件是通过负载电阻RL按反向连接的，称为反向应用。反向应用时，图1（d）所示的反向伏安特性是一条由坐标原点出发的斜率很小的近似直线，这表明Z-元件反向使用时具有很高的内阻。当温度上升时，其反向电流增加；当温度降低时，反向电流减小，这样在负载电阻RL上就可得到模拟量输出。同时还可看出温敏Z-元件反向应用具有较高的线性度和温度灵敏度。
上述分析与实验表明Z－元件有下述优点：
（1）由敏感元件构成的传感器仅需一个电阻，这种“三端传感器”或“1线（1-wire）输出传感器”，在国内外众多传感器中结构最简单。
（2）尺寸小、重量轻、外型为直径1.2mm的球形体，在整机结构中所占空间很小。
（3）温度灵敏灵高，约为10mV/℃～100mV/℃，高于现今任何一种温敏元件，有助于提高分辨率和测温精度。
（4）用高性能导热绝缘树脂包封，热容小、传热时间常数小、动态误差小，测温精度可达到±0.1℃。
（5）可在低电压（小于3V）下工作，实现了低功耗（正向测温时1mA～2mA，反向测温时1.5µA～10µA），特别适合研制使用电池供电微型电子产品。
（6）应用电路极其简单，由于焊点少，固有可靠性高，应用产品研制成本低。
三、应用开发原理
从Z-元件基本应用电路可知，该电路十分简单，包含Z-元件在内，仅用两个（或三个）电子元器件，采用不同的组合方式和不同的控制方式，就能输出多种不同的信号，实现多种用途。
在图2所示的电路结构中，Z-元件与负载电阻相串联，负载电阻RL用于限制工作电流，并输出信号。Z-元件应用开发的基本原理就在于用外部激励来控制Z-元件的工作状态，通过工作电流的变化，改变Z-元件与负载电阻RL的压降分配，输出不同波形的信号。例如，若在恒定电压下用温度作为外部激励，由于Z-元件伏安特性随温度改变而改变，只要满足状态转换条件，就可实现Z-元件工作状态的一次性转换或周期性转换。如果满足状态转换条件，实现Z-元件工作状态的一次性转换，负载电阻RL上可输出开关信号；如果能周期性的满足状态转换条件，实现Z-元件工作状态的周期性转换，负载电阻RL上就可输出脉冲频率信号；如果在温度作用下，Z-元件的工作状态能产生连续变化，则负载电阻RL上可输出模拟信号。
温敏Z-元件配合不同的电路组合可分别输出模拟信号、开关信号、或脉冲频率信号。其工作本质是实现Z-元件工作状态的转换，因此，为实现某种特定应用必须了解它的状态转换条件。
在图1（c）中，由电源和负载电阻RL可决定一条直流负载线，该负载线即为Z-元件工作状态的轨迹。负载线与伏安特性的交点即为静态工作点Q，若静态工作点Q设定在M1区或M3区，其工作状态是稳定的，输出模拟或开关信号。
Z-元件是一种电压控制器件，其状态转换条件自然是一个电压表达式。实际上，只要实现静态工作点Q与阈值点P的“相汇”，就可实现工作状态的转换。状态转换条件的电压表达式为
VZ≥Vth，VZ≤Vf （1）
式中，VZ—Z-元件承受的正向电压；
Vth—Z-元件的阈值电压。
对温敏Z-元件来说，若采用图2（a）所示电路，静态工作点Q设定在高阻M1区，输出为低电平。在温度升高（Vth降低）或电压E增高（VZ增大）时，即当温敏Z-元件两端承受的电压VZ≥Vth时，其工作状态会立即从M1区可靠地跳变到M3区，即从高阻态进入低阻态，其压降箝位于Vf，输出为高电平，反之，当VZ≤Vf时，这种箝位条件被破坏，Z-元件工作状态又会立即从M3区返回到M1区，即从低阻态进入高阻态，输出恢复低电平。
由此可知，为实现温度报警或温度控制，必须满足该状态转换条件；而实现温度检测，则不能满足该状态转换条件。
为了研制一种适于气象应用的电池供电微型测温装置，在上述Z－元件工作状态分析的基础上，有两种实施方案可行；
（1）正向组态应用
在正向组态应用中，Z－元件在电路中处于正向偏置，如图2（a）所示。该电路在工作中必须满足VZ≤Vth条件，使Z-元件的工作点设在高阻M1区，输出电压Vo与温度成正比；若把Z-元件与负载电阻RL互换位置，则输出电压Vo将与温度成反比。该电路可用于温度检测。
（2）反向组态应用
在反向组态应用中，Z-元件在电路中处于反向偏置，如图2（b）所示。该电路的输出电压Vo与温度成正比；若把Z-元件与负载电阻RL互换位置，其输出电压Vo将与温度成反比。该电路也可用于温度检测，并且具有低功耗特点。
因气象环境应用特点，要求测试系统电池供电、微型轻便、低功耗、高可靠、故采用反向组态进行设计。
四、气象测温传感器具体电路设计
设计一种温度传感器，要求用3V电池供电，体积小、重量轻、低功耗、可靠性高，可 以用于气象领域中各种形式的温度测量，包括自动观测站测温、高空大气测温以及地表、地下测温等等。
基于这种要求，必须采用Z－元件反向偏置组态应用，电路结构如图2（b）所示。这是一种三端
（电源E，地、输出Vo，）传感器或1线（1-wire）输出结构，用户使用很方便，也便于结构与性能扩充。
在图2（b）电路中，只包括Z-元件和负载电阻RL，在所有温度传感器中，其电路结构是最简单的，这有助于封装成微型测温装置。该电路电压方程为：
E=VZ+IRRL （2）
式中，E—电源电压。
输出信号由负载电阻RL上取出，故
Vo=IRRL=E-Vz （3）
说明输出电压Vo既与反向电流有关，也与所选用的负载电阻RL有关。
当Z-元件选定后，在使用E=3V电池的情况下，反向电流 IR是一定的，此时输出电压Vo仅与负载电阻RL有关。
Z-元件反向电流极小，呈现一个高阻态（1-6MΩ），且反向电阻R具有负温度系数，当环境温度增加时，该电阻减小，使得串联电路的分压比改变，输出电压发生变化。
当E=3V时，Z-元件的IR≤5µA，或采用容量为300mAh的3V电池供电，经计算可连续工作5年以上。在图3中，T1（℃）为起始温度，T2（℃）为终端温度。
设T1时的输出电压为Vo1，T2时的输出电压为Vo2，则反向平均灵敏度可用下式计算：
（4）
式中，Vo2-T2时输出电压；
Vo1－T1时输出电压。
由图3中可知，当E=3V时，RL取值不同，负载线斜率不同，为取得最大的温度灵敏度，负载电阻RL须是最佳取值。当RL取最佳值时，该系统的温度灵敏度可大于100mV/℃。
五、结语
本文在详细剖析温敏Z元件性能、特点的基础上，探讨了它在气象领域用于温度检测的可能性。我们已利用Z-元件的反向应用组态，设计了一种高精度电池供电的微型低功耗温度传感器。实验表明，这种新型温度传感器适应气象行业特殊技术要求，在气象领域中具有广泛的应用前景。