В. Зотов

    В [1] даны краткие сведения о разработке нового направления в построении сенсоров различных физических величин, объединённых общим названием Z-сенсоры. Одним из представителей этого направления сенсорики являются Z-термисторы — температурно чувствительные сенсоры с пороговыми функциями, информация о которых опубликована в [2]. Эта публикация вызвала многочисленные вопросы потенциальных пользователей Z-термисторов. Ответы на многие из них содержит публикуемая ниже статья.

    Отличительными особенностями Z-термисторов являются:

• возможность использования для непрерывного измерения температуры во всём диапазоне их функционирования (-40…+100°C) и для контроля заданной температуры путём настройки Z-термистора подачей соответствующего этой температуре напряжения питания;
• простейшая схема включения;
• большая амплитуда выходного сигнала;
• высокая чувствительность;
• высокая помехозащищённость;
• малое потребление энергии.

    Z-термисторы могут работать без усилителей и специальных формирователей выходного сигнала и непо-средственно подключаться к компьютерам, уменьшая тем самым затраты на интерфейс. По чувствительности Z-сенсоры превосходят все известные в настоящее время температурные сенсоры, построенные на других физических принципах. Они широко используются в различных системах сигнализации, измерения и регулирования температуры.

    Z-термисторы могут работать в трёх режимах: с амплитудным и частотно-импульсным выходными сигналами, а также в пороговом режиме со скачкообразным выходным сигналом.

    Z-термисторы представляют собой p-n-структуру, защищённую от атмосферного воздействия тонким слоем кремний-органической смолы или пластмассовым корпусом, имеют два внешних вывода, из которых длинный — электрод p-области (рис. 1).

Рис. 1

    Вольт-амперные характеристики (ВАХ) и основные параметры Z-термисторов представлены на рис. 2.

Рис. 2

    На рис. 2а изображена положительная ветвь ВАХ Z-термисторов, а на рис. 2b — отрицательная. Положительная ветвь ВАХ своей верхней частью напоминает букву L, поэтому ВАХ Z-сенсоров назвали L-образной в отличие от S- и N-образных. ВАХ имеет три рабочие области: высокого внутреннего сопротивления М1 — участок прямой ОА; неустойчивости М2 — участок АВ; низкого внутреннего сопротивления М3 — участок ВС.

    На рис. 2 показаны также: Uth и Ith — пороговые напряжение и ток, соответственно, то есть величины напряжения и тока Z-термистора, при которых происходит его переход из состояния с большим внутренним сопротивлением М1 в состояние с малым внутренним сопротивлением М3 при данной температуре; в таблице даны значения основных параметров Z-термисторов при температуре +20°C; Uf и If — величины напряжения и тока после перехода Z-термистора из состояния М1 в М3; IR — обратный ток Z-термистора; Iм — ток через Z-термистор, при котором рассеиваемая мощность не превышает максимально допустимую.

    Помимо перечисленных важными параметрами приборов являются: t — время перехода из состояния М1 в М3; Sт — чувствительность Z-термистора; SR — чувствительность при обратном включении.

Рис. 3

    На рис. 3а-г представлены типовые схемы включения Z-термисторов. Они могут быть использованы для непрерывного измерения температуры в аналоговом режиме работы при использовании участка М1 ВАХ (рис. 3а,б) или обратного включения (рис. 3в), а также во время-импульсном режиме работы на переходном участке М2 ВАХ.

Рис. 4

    На рис. 4 показаны изменения ВАХ при изменении температуры для прямого (рис. 4а) и обратного (рис. 4б) включений.

    Подключение ёмкости С параллельно Z-термистору (рис. 3г) создаёт генератор пилообразных импульсов, работающий в непрерывном режиме с частотой их следования импульсов, зависящей от температуры. При изменении температуры частота следования импульсов меняется от нескольких сот Гц до нескольких кГц, при этом амплитуда импульсов также зависит от температуры и изменяется обратно пропорционально её увеличению в пределах от 80…90 до 10…15% от величины питающего напряжения. Пороговый режим работы реализуется схемами (рис. 3а,б) путём установки напряжения питания Е, соответствующего контролируемому значению температуры.

    Основные параметры Z-термисторов, выполненных в пластмассовом корпусе, приведены в табл. 1.

Таблица 1.

• Диапазон рабочих температур -20...+100°С
• Диапазон изменения питающего напряжения 60...0,5 В
• Маркировка Z-термисторов TZ - (3; 5; 9; 12; 18; 24; 100)

    Габаритные размеры (в мм) Z-термисторов в пластмассовом корпусе показаны на рис. 5 и приведены в табл. 2.

Рис. 5

Таблица 2

Литература

1. V.D. Zotov et al. Semiconductor Structures, Methods for Controlling Their Conductivity and Sensing Elements Based on These Semiconductor Structures. Patent of USA, #5.742.092, April, 1996.
2. Полупроводниковые многофункциональные сенсоры (Z-сенсоры). Датчики и системы. — 1999. — № 1.
3. Z-термисторы — новый класс температурных сенсоров // Chip news. — 1999. — № 1.

Тел.: 334 9170, 954 4760
E-mail: vz151v@ipu.rssi.ru