第一篇：植物莖稈力學(xué)特性研究論文

摘要：從壓縮、剪切、彎曲等不同力學(xué)試驗類型入手，對目前農(nóng)作物莖稈力學(xué)性能研究進(jìn)程進(jìn)行探究，在今后研究中，應(yīng)注重試驗方法的探究，不斷加大對農(nóng)作物莖稈力學(xué)性能研究力度，建立植物莖稈力學(xué)模型，注重實現(xiàn)莖稈力學(xué)特性測定的標(biāo)準(zhǔn)化。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物；莖稈；力學(xué)實驗

隨著科技的發(fā)展，農(nóng)作物機(jī)械化生產(chǎn)已經(jīng)成為一種趨勢，通過力學(xué)實驗獲取農(nóng)作物莖稈的力學(xué)參數(shù)，為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的研制提供理論支撐。李玉道等[1]通過對不同含水率、不同時期內(nèi)棉花莖稈剪切強(qiáng)度與剪切功的變化規(guī)律探進(jìn)行探究，獲取了棉花莖稈收獲的最佳時期，晏科滿等[2]通過對苧麻莖稈的沖擊斷裂能進(jìn)行探究，得知沖擊斷裂能在莖稈下部達(dá)到最大值，為后期苧麻莖稈分離機(jī)械的研制提供理論支撐。陳燕等[3]指出峰值切割力和切割強(qiáng)度與刀片切割速度以及切割角度存在密切關(guān)系，凹刃和凸刃的峰值切割力和切割強(qiáng)度都比平刃小。為后期荔枝采摘機(jī)器人切割機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。薛忠等[4]通過對木薯莖稈力學(xué)性能進(jìn)行探究，獲取了木薯莖桿軸向以及徑向力學(xué)性能的變化規(guī)律，為后期設(shè)計木薯收獲機(jī)械提供理論支撐；X.Mou等[5]采用WDE-500N精密型電子萬能試驗機(jī)對甘蔗葉鞘力學(xué)性能進(jìn)行探究。獲取葉鞘最大縱向抗拉強(qiáng)度、最大橫向抗拉強(qiáng)度和最大剪切強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，并給出了甘蔗葉鞘破壞準(zhǔn)則，提出合理有效的甘蔗葉鞘破壞形式，研制出甘蔗葉鞘剝離機(jī)械，剝?nèi)~效果良好。

1力學(xué)實驗的研究進(jìn)展

1.1壓縮實驗

壓縮實驗對于農(nóng)作物機(jī)械化收割過程中降低作物破損率和研究農(nóng)作物的抗倒伏性能具有重要意義。目前，在對植物莖稈進(jìn)行壓縮性能探究時，主要分為不同方向壓縮實驗和不同部位壓縮實驗兩種形式。

1.1.1不同方向的壓縮實驗薛忠等[6]和楊望[7]分別對木薯做了軸向和徑向的壓縮實驗，得知莖稈軸向抗壓強(qiáng)度大于徑向；吳良軍等[8]在荔枝樹枝壓縮性能試驗探究中得知，荔枝樹枝順紋抗壓強(qiáng)度明顯高于橫紋抗壓強(qiáng)度。陳燕等[9]通過對荔枝整果壓縮性能進(jìn)行試驗探究，得出水平方向所能承受的壓力和變形均低于垂直方向。

1.1.2不同部位壓縮實驗莖稈不同部位材料的木質(zhì)化程度、直徑、含水率不同，導(dǎo)致力學(xué)性能存在差異。王偉等[10]通過對不同部位木薯莖稈進(jìn)行壓縮試驗得知：生長部位對木薯軸向壓縮性能有極顯著影響，對木薯莖稈徑向力學(xué)性能無顯著影響；何曉麗等[11]研究發(fā)現(xiàn)，大豆莖稈的最大承載能力隨著高度的增加而不斷的減少，抗壓強(qiáng)度沿高度變化趨勢總體不大。杜先軍[12]等通過順紋壓縮實驗，得知棉花莖稈底部壓縮功最大。Heidari等[13]研究發(fā)現(xiàn)，百合屬莖稈上部單位壓縮能量和壓縮強(qiáng)度最小，莖稈底部最大。通過對莖稈軸向和徑向，順紋和橫紋進(jìn)行壓縮試驗，可為后期莖稈采摘裝置的設(shè)計，本構(gòu)關(guān)系建立以及動力學(xué)仿真提供依據(jù)。而通過對莖稈不同部位力學(xué)性能的研究，對于莖稈整體力學(xué)性能的探究將起到積極的促進(jìn)作用。

1.2剪切試驗

農(nóng)作物的機(jī)械化采摘一般通過莖稈的剪切實現(xiàn)。剪切實驗的建立對于農(nóng)作物在收割過程中剪切功的降低具有重要的意義，目前雙面剪切和單面剪切是兩種較為常用的剪切實驗形式。

1.2.1雙面剪切實驗作物莖稈剪切特性受成熟期、莖稈直徑、品種、含水率和微觀結(jié)構(gòu)等多種因素的影響[14]。李玉道等[1]通過對棉花秸稈剪切實驗發(fā)現(xiàn)，含水率是引起棉花秸稈剪切強(qiáng)度變化的重要因素。薛忠等[6]對木薯莖稈不同部位、不同方向的力學(xué)性能進(jìn)行探究，指出木薯莖稈同一部位軸向剪切強(qiáng)度值明顯低于徑向剪切強(qiáng)度值；木薯莖稈同一方向下部剪切強(qiáng)度值高于中部與上部；王軍等[15]在豌豆莖稈力學(xué)性能探究中得知莖稈抗剪強(qiáng)度較強(qiáng)的部位為莖稈中部。吳良軍等[16]通過對龍眼樹枝進(jìn)行切割實驗，得出在切割力最小時，切割速度、切割間隙、動刀刃角的具體數(shù)值。李小城等[17]通過對不同品種小麥莖稈進(jìn)行剪切試驗，探究出小麥莖稈受剪切載荷時力值變化趨勢。

1.2.2單面剪切實驗Johnson等[18]通過對奇崗莖稈的剪切性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)60°斜角時單位剪切能較低。鄧玲黎等[19]通過自制的圓盤式玉米莖稈切割試驗臺，對影響切割過程的切割角度以及切割速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過單因素和組合設(shè)計試驗，探尋了最優(yōu)的切割組合。趙春花等[20]通過對不同品種豆禾牧草進(jìn)行砍切、斜切、滑切等探究性試驗，得出切割速度一定時，砍切的切割阻力高于斜切。為后期牧草收獲機(jī)械的設(shè)計提供了理論支撐。在對植物莖稈剪切性能的分析量化層面，雙面剪切優(yōu)于單面剪切，但是通過對植物莖稈進(jìn)行單面剪切力學(xué)試驗，可以根據(jù)莖稈實際的受力情況，對現(xiàn)有的切割形式、刀具形式進(jìn)行優(yōu)化。

1.3彎曲試驗

彎曲試驗包含三點彎曲與四點彎曲。三點彎曲有一個加載點，加載方式簡單，但彎矩分布不均勻。四點彎曲實驗與三點彎曲實驗相比，結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是存在兩個加載點，裝夾復(fù)雜。

1.3.1三點彎曲試驗姚珺等[21]通過對不同品種芒草莖稈彎曲性能進(jìn)行探究，指出在收割機(jī)械研制的進(jìn)程中，應(yīng)以湘雜芒2號第1莖稈部位的最大應(yīng)力平均值作為設(shè)計參數(shù)。楊望[7]通過對木薯塊根、莖稈進(jìn)行彎曲試驗，測定了抗彎強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)特性參數(shù)；李小城等[22]通過對不同部位小麥莖稈彎曲性能進(jìn)行探究，指出小麥莖稈抗彎剛度與加載速率、莖稈含水率等因素間存在密切聯(lián)系。劉兆朋[23]等通過對苧麻莖稈進(jìn)行三點彎曲力試驗，獲取了莖稈剪切模量數(shù)值。

1.3.2四點彎曲試驗Obataya等[24]通過對楠竹彎曲性能進(jìn)行探究，獲得楠竹柔韌性是由于內(nèi)層木質(zhì)部能允許較大壓縮變形與外層竹纖維能承受拉應(yīng)力的共同作用。胡婷等[25-26]通過四點彎曲試驗，獲得小麥莖稈彎曲強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。羅燕等[27]通過對小麥莖稈力學(xué)性能進(jìn)行探究，指出外徑、壁厚、機(jī)械組織厚、維管束等在小麥不同生長時期，對小麥莖稈抗倒伏能力的影響效果不同；孫露露等[28]在玉米莖稈力學(xué)試驗中指出，在對不同樣本縱向彈性模量的差異進(jìn)行分析時，通常采用四點彎曲實驗。

2結(jié)論

（1）目前在對莖稈的力學(xué)性能進(jìn)行研究時，主要仍以工程材料中的力學(xué)參數(shù)為主，由于莖稈材料自身的特殊性，其自身的材料特性并不能得到良好的反映。

（2）在對莖稈力學(xué)性能進(jìn)行探究時，試驗方法、試樣處理方式等還缺乏有效的參考依據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成不利影響。因此后期應(yīng)注重試驗方法的研究，逐漸實現(xiàn)莖稈力學(xué)測定的分類標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）目前，莖稈力學(xué)實驗的測定仍以基本力學(xué)參數(shù)測定為主，需進(jìn)一步對莖稈材料的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入研究,更好的滿足建立莖稈材料力學(xué)模型以及仿真量化計算的需要，以便于后期運用仿真技術(shù)減少農(nóng)作物收獲機(jī)械研發(fā)周期。

第二篇：植物的莖 教案

植物的莖

侯鎮(zhèn)中心小學(xué)

劉英慧 【教學(xué)目標(biāo)】

1、讓學(xué)生經(jīng)歷“問題——猜想——設(shè)計實驗——驗證實驗——獲得結(jié)論——表達(dá)與交流”的過程，自行探究莖的作用；學(xué)會解剖莖的方法。

2、尊重證據(jù)，體驗到合作與交流可以更好的完成認(rèn)知。

3、知道植物的莖有運輸水分和養(yǎng)料的作用。【教學(xué)重點】

掌握并了解莖的作用 【教學(xué)難點】

解剖并觀察植物的莖，知道里面有一根“導(dǎo)管”。【課前準(zhǔn)備】

1、學(xué)生準(zhǔn)備：桃樹枝條，小刀，紅墨水，放大鏡，廣口瓶

2、教師準(zhǔn)備：在紅墨水中浸過的枝條

3、學(xué)生實驗：把一段桃樹枝條，迅速放入滴過紅墨水的水里，并在陽光下照射3-4小時，當(dāng)葉脈微紅時，從瓶里取出，用清水沖洗，留作課堂觀察。

【教學(xué)過程】

一、導(dǎo)入新課

檢查學(xué)生課前的準(zhǔn)備活動狀況，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑u價。

二、開展探究活動（1）提出問題：根吸收的水分是怎樣到達(dá)植物的葉和花的？

你是怎樣認(rèn)為的？（學(xué)生猜想，并進(jìn)行匯報）

（2）大家的猜想很有道理，接下來我們用實驗來驗證你們的猜想。

大家認(rèn)為應(yīng)該怎樣來做這個實驗?zāi)兀?/p>

（學(xué)生匯報，全班達(dá)成一致的實驗方法：先橫切，再縱切。提醒學(xué)生使用小刀要注意安全。觀察時可借助放大鏡觀察剖面）

（3）下面請大家進(jìn)行實驗，仔細(xì)觀察，認(rèn)真記錄。

哪個小組來匯報一下你們觀察到的現(xiàn)象？

（學(xué)生匯報）

引導(dǎo)學(xué)生討論：

1、橫切枝條后，你觀察到了什么現(xiàn)象？（讓學(xué)生回答）

橫切后，能夠發(fā)現(xiàn)橫切面上有紅色水點。這是因為將運輸水分的管子割斷后造成的。

2、縱切后，先讓學(xué)生匯報看到的是什么？

教師可以告訴學(xué)生，植物體內(nèi)的這種管子叫做“導(dǎo)管”。莖內(nèi)的這種“導(dǎo)管”與根部、葉部的“導(dǎo)管”是相通的。小結(jié)：植物的莖內(nèi)有“導(dǎo)管”，它起著運輸水分的作用。（4）大家能夠根據(jù)自己的想象繪制出植物運輸水分的示意圖嗎？

（展示示意圖，匯報交流，教師在黑板上繪制一幅圖）

三、自由活動

老師手中有兩幅圖，一幅是環(huán)割前，一幅是環(huán)割后，你看到了什么現(xiàn)象？（讓同學(xué)回答）

為什么出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？

樹皮里有一種運輸養(yǎng)料的細(xì)管叫篩管。篩管是自上而下運輸養(yǎng)料的。在樹上選取比較粗的枝條，把樹皮環(huán)割，葉制造的養(yǎng)料就通不過去了，積存在切口的上部，這個地方便會膨大起來。

四、拓展活動

調(diào)查了解，對植物實施環(huán)割有哪些益處？

板書設(shè)計：

植物的根：固定植物、吸收水分、吸收養(yǎng)分 植物的莖（莖內(nèi)有導(dǎo)管）植物的葉

導(dǎo)管：輸送水分 根 莖 葉

篩管：輸送養(yǎng)料 葉 莖 根

體會與反思

《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出：科學(xué)探究是科學(xué)學(xué)習(xí)的中心環(huán)節(jié)，科學(xué)探究是科學(xué)課程的內(nèi)容，也是一種重要的學(xué)習(xí)方式。因此我在設(shè)計本課時主要體現(xiàn)這一理念，具體體現(xiàn)在：由學(xué)生提出問題──科學(xué)猜測──設(shè)計實驗方案──實驗探究──得出結(jié)論──推廣應(yīng)用。

一、提出研究的問題是科學(xué)探究的良好開端

愛因斯坦說過：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要”。學(xué)生在前幾課的學(xué)習(xí)中已經(jīng)知道了植物分為根、莖、葉、花、果實、種子六部分內(nèi)容，并且了知道了根具有吸收水分、養(yǎng)分的作用，及葉的蒸騰作用和光合作用，這樣很容易就會想到，根吸收的水分是怎樣到達(dá)葉子的？從而確定探究的主題。

二、合理的猜測是科學(xué)探究的原動力

牛頓說過：“沒有大膽的猜測，就不會有偉大的發(fā)現(xiàn)”，我力求在動手之前，讓學(xué)生對結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，從而明確探究的方向，猜想后讓學(xué)生說說是怎樣猜想到的或猜想的理由，這樣既能培養(yǎng)學(xué)生良好的思維習(xí)慣，又使學(xué)生交流了提出問題的假設(shè)的思維方法。因為平時生活中輸送水分往往是用管子來輸送的所以學(xué)生很容易想到了莖當(dāng)中很可能也有一根輸送水分的管子，這樣學(xué)生在探究中就有了明確的目標(biāo)：到底有沒有這根管子？猜測并不是漫無邊際胡亂猜想，是根據(jù)平時的經(jīng)驗合理的猜想，所以當(dāng)學(xué)生說出不著邊際的猜想時，我做了適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)。從而讓學(xué)生明確：猜想其實是合理的推想。

三、自行設(shè)計實驗方案是科學(xué)探究的保障

其實更廣泛的實驗設(shè)計應(yīng)是讓學(xué)生自己尋找實驗器材，設(shè)計實驗，但由于課堂時間的有限，這節(jié)課只能讓學(xué)生在老師提供的實驗材料中選擇材料進(jìn)行試驗設(shè)計，這樣就有了方向性，也起到的培養(yǎng)探究能力的作用。我提供給學(xué)生的實驗器材有：放大鏡、三根芹菜莖，刀子，這個試驗并不難，芹菜莖吸水的實驗所需時間比較長，課堂時間是不夠用的所以我提前做好了吸水試驗，直接讓學(xué)生研究，課堂上讓學(xué)生親自將1號插在水中，看看結(jié)果是不是和老師拿到課堂上來的這枝相同從而保證了真實性，2號和3號進(jìn)行對比試驗，學(xué)生更清晰的觀察到導(dǎo)管的存在。在教學(xué)中大部分學(xué)生想到了實驗方案，但不能標(biāo)準(zhǔn)的敘述，老師需要做一下說明。

四、探究發(fā)現(xiàn)是學(xué)習(xí)的重要目的

能用小刀、放大鏡對植物的莖進(jìn)行解剖，并進(jìn)行科學(xué)的、較細(xì)致的觀察，并能用圖對觀察結(jié)果進(jìn)行表述這是探究的核心。我希望學(xué)生能自己探究發(fā)現(xiàn)結(jié)果，所以我留給學(xué)生探究的時間相對較長，近20分鐘的時間，在這個過程中，學(xué)生可以順利地運用橫切、縱切的方法對莖進(jìn)行解剖，并進(jìn)行有效的觀察，從而發(fā)現(xiàn)芹菜縱切后的樣子，畫出示意圖，橫切后的樣子，畫出示意圖。

橫切

縱切 這個環(huán)節(jié)留給了學(xué)生較多的時間，探究學(xué)習(xí)讓孩子們找到了問題的答案，增強(qiáng)了自信心，為自己的成功叫好，同時也產(chǎn)生了新的問題：葉制造的養(yǎng)料是怎樣傳遞給根的，由于這項實驗難度很大，所以采用讓學(xué)生閱讀資料卡的形式進(jìn)行了解，加上自己合理的想象從而理解莖的運輸功能。

科學(xué)教學(xué)就是指導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣去探索大自然中的奧秘。它與科學(xué)家所經(jīng)歷的科學(xué)活動極其相似，都要經(jīng)歷提出問題、做出猜想和假設(shè)、制訂研究計劃、通過觀察實驗制作、查閱資料、搜集證據(jù)、進(jìn)行解釋、得出結(jié)論、并用語言文字交流等。只要科學(xué)教師堅持不懈，從每一節(jié)課入手，從每一次探究活動出發(fā)，不怕麻煩，就一定可以培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神人才，為了祖國的明天，科學(xué)教師責(zé)無旁貸。

第三篇：《植物的莖》教學(xué)反思

《植物的莖》教學(xué)反思

《植物的莖》教學(xué)反思1

今天在二班講本課。雖然以前已經(jīng)講了多次。但是一次又一次的不同的情況出現(xiàn)。在進(jìn)行完本課的教學(xué)，我想我需要在以下的幾個方面進(jìn)行改進(jìn)。

1、開始上課的過程中，復(fù)習(xí)的時間過長。在本課的教學(xué)中，我用了比較長的時間進(jìn)行復(fù)習(xí)了光合作用。雖然學(xué)生可能對光合作用有了進(jìn)一步的掌握，但是比較嚴(yán)重的擠壓這次上課的時間。畢竟40分鐘的時間，還是比較的有限的`。

2、整理上課秩序的時間較長。我發(fā)現(xiàn)本周以來，學(xué)生的上課的秩序不如以前，上課的做小動作的，不聽課的較多。而我在上課過程中，只是泛泛的進(jìn)行了教育，而沒有指明到具體某個人?，F(xiàn)在我想需要在秩序上進(jìn)行進(jìn)一步的整理。建立正常的獎懲制度。針對個人的錯誤，嚴(yán)肅的進(jìn)行批評和教育。

3、實驗觀察的時間較短，而且學(xué)生還沒有進(jìn)行記錄。我想在下面的教學(xué)中，將實驗觀察時間，縮短，同時組織學(xué)生進(jìn)行觀察記錄。養(yǎng)成良好的記錄時間。還有就是沒有更好的進(jìn)行分工。我想這節(jié)課學(xué)生如果進(jìn)行更好的分工，是否會更好呢。都觀察進(jìn)行記錄，似乎效果更好的。

《植物的莖》教學(xué)反思2

《植物的莖》這節(jié)課有個典型的實驗：課前將一株植物浸在滴有紅色墨水的瓶子中，放在陽光下幾個小時，在課堂上讓學(xué)生切開植物的莖，發(fā)現(xiàn)莖內(nèi)液體是紅色，從而推想莖的作用。之前的教學(xué)我采用過這種方法，但發(fā)現(xiàn)了缺點：

1、課前教師做的實驗學(xué)生不得而見，他們沒有經(jīng)歷、目睹過這個過程，即使切開后發(fā)現(xiàn)了莖內(nèi)有紅色的液體，他們也不會有太大的驚喜。

2、由于要在課前做這個實驗，時間上對教師的要求很高，一定得提前半天，還得在陽光下曬一段時間，所以不好操作。

3、由于本級部有6個班，上完一輪課要2到3天，如果要做6次實驗時間上很難完成，如果一次實驗多用一些植物，后來的班級觀察效果也不理想。

所以我想能否另辟蹊徑，找到更合適的教學(xué)方法，在能保證教學(xué)效果的前提下，我也能偷點懶呢。下面是我設(shè)計這節(jié)課時的幾點想法。

一、一株實體植物

我?guī)Я艘恢昊也?，一株很大的灰菜，最粗的莖直徑有1厘米多。一上課就出示它進(jìn)行復(fù)習(xí)：根和葉各有什么作用？然后讓學(xué)生猜測在葉和根中間的莖可能有什么作用？學(xué)生看到一株完整的實體植物，無論是復(fù)習(xí)還是進(jìn)行猜測，都很顯性化、直觀化，很容易讓學(xué)生打開話匣子、敞開思路?？茖W(xué)老師一定不能怕麻煩，能帶實體的不要帶模擬的，沒有實體的也要有模擬的。讓學(xué)生實實在在的看到一個和所學(xué)知識有直接關(guān)聯(lián)的物體，非常重要。

二、類比推理和知識遷移

植物的莖是怎樣輸送水分和養(yǎng)分的，內(nèi)部的通路是什么樣子的，對于學(xué)生來講，是個“暗箱”，難以看到。但學(xué)生已經(jīng)猜想到莖的'主要作用可能就是輸送、運輸養(yǎng)分和水分，這和我們生活中熟知的馬路的作用非常相似。我們可以用類比的方法，讓學(xué)生先觀察馬路有什么特點，有什么功能，再遷移到植物的莖上，推想里面輸送養(yǎng)料和水分的通路是什么樣子的。從課堂上的實際效果來看，還是令人滿意的。

三、顯微鏡的適時出現(xiàn)

孔子說：不憤不啟，不誹不發(fā)。在學(xué)生對植物的莖內(nèi)部的通路進(jìn)行了大膽的推想以后，他們非常期待證實自己的想法是合理的。此時，適時地出示顯微鏡，讓學(xué)生細(xì)致觀察顯微鏡下植物莖內(nèi)部的構(gòu)造。學(xué)生的猜想得到了證實，水到渠成。學(xué)生的成就感油然而生，我們的教學(xué)目的也得到了落實?？芍^雙贏！

四、人文教育的探索和嘗試

科學(xué)課中怎樣進(jìn)行人文教育，既要適時又要適度，我一直在摸索中。本課是《植物的生活》這一單元的最后一課，通過這幾課的學(xué)習(xí)，學(xué)生對根、莖、葉這三個植物主要器官的作用有了一個整體的全面的認(rèn)識。它們各司其職、各負(fù)其責(zé)，又相互配合、團(tuán)結(jié)合作，構(gòu)成了完美的植物體。我們要從生命的高度去賞識它、贊美它、學(xué)習(xí)它。所以，我主要設(shè)計：如果你把它看做一個人的話，你想對他說什么？你想怎么贊美他？由于火候正好，孩子們說的真是那么回事。

俗話說：孩子看著自己的好。古詩云：身在此山中，云深不知處。對于自己的課，難免也會這樣。還請大家提出自己的意見和建議，非常歡迎！非常感謝！

《植物的莖》教學(xué)反思3

我們在科學(xué)教學(xué)過程中，經(jīng)常遇到這樣的類型，學(xué)生對其有一定的了解，但了解又是不具體，甚至是錯誤的，本課就是這樣的一個典型。雖然學(xué)生有了一些經(jīng)驗，但卻不夠深入。對于這樣的課型，如果按照教材按部就班的進(jìn)行，是激不起學(xué)習(xí)的興趣的，自然也不會有好的效果。那怎樣才能激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣呢？就要有意識地創(chuàng)設(shè)一個超過學(xué)生現(xiàn)有知識能力的情境，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的欲望。

一、課前復(fù)習(xí)階段，通過思考總結(jié)，迅速完善了目前學(xué)生認(rèn)知經(jīng)驗。

通過對原有知識的簡單總結(jié)，提出了新的問題：水分和養(yǎng)料是如何到達(dá)需要的部位的？學(xué)生只要了解了植物身體的結(jié)構(gòu)，就會很自然想到植物的莖。從而確認(rèn)了植物莖的運輸作用，為本節(jié)課的`研究確定了方向。在這個過程中，教師的引導(dǎo)必不可少。

二、學(xué)習(xí)新經(jīng)驗階段，通過創(chuàng)設(shè)研究情境，讓學(xué)生的研究目的明確。

學(xué)生明確了本節(jié)課的研究內(nèi)容，如何研究？對于莖的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行大膽猜想，在進(jìn)行實驗觀察，豐富學(xué)生經(jīng)驗。

三、拓展經(jīng)驗，加深了理解，實現(xiàn)了對分析方法的再次利用。

在學(xué)生通過環(huán)割現(xiàn)象分析出莖的表皮有運輸養(yǎng)料的作用。其實也是應(yīng)用探究運輸水分的已有經(jīng)驗，解決新問題，獲得新經(jīng)驗。

從本節(jié)課授課過程看，學(xué)生始終有研究的愿望，探究的興趣濃厚，課堂討論相當(dāng)熱烈。教師要實現(xiàn)對課堂的準(zhǔn)確掌控，教師有效引導(dǎo)起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)然在課堂中呈現(xiàn)的學(xué)生已有經(jīng)驗不足，教師應(yīng)該在課前多做些交流，鞏固已有經(jīng)驗。另外，課堂上學(xué)生對于實驗結(jié)論的得出存在困難，也反映出課堂問題設(shè)計的不夠合理，總之，本節(jié)課還需要再用心雕琢。

《植物的莖》教學(xué)反思4

本課是針對四年級學(xué)生而設(shè)計的一節(jié)拓展課程。而四年級學(xué)生，一年多的學(xué)習(xí)，他們已經(jīng)具有一定的觀察能力和科學(xué)探究能力，對周圍的世界充滿好奇心。他們的'認(rèn)知水平由具體運算階段向形式運算階段過度，他們的思維活動需要具體內(nèi)容的支持。

在設(shè)計本課教學(xué)過程時，為了充分了解學(xué)生的前概念，我們做了一次前概念的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對莖的認(rèn)識并沒有那么深入。學(xué)生了解植物的生長不同，植物莖的外形特征有所不同，但是不清楚具體的分類。特別是對纏繞莖和攀援莖，認(rèn)識容易混淆。

因此本課首先以圖片和類比圖片幫助學(xué)生認(rèn)識四大類的莖，然后結(jié)合技術(shù)工程，通過課程整合設(shè)計，設(shè)計植物障礙賽來檢驗學(xué)生是否已經(jīng)掌握了莖生長方式上的特點，最后以文獻(xiàn)閱讀的方法來認(rèn)識莖的本質(zhì)和變態(tài)莖的存在及特點。讓學(xué)生在生活中可以辨認(rèn)莖，認(rèn)識莖熱特點，了解莖外形與環(huán)境的關(guān)系等。從而激發(fā)學(xué)生探究的興趣，熱愛科學(xué)。

第四篇：《植物的莖》教學(xué)設(shè)計

《植物的莖》教學(xué)設(shè)計

教學(xué)目標(biāo)：

1．能用實驗的方法探究莖運輸水分的作用；會用簡單的工具對植物的莖進(jìn)行比較細(xì)致的觀察；用自己喜歡的方式表述研究成果。

2．在探究過程中能大膽猜想，養(yǎng)成認(rèn)真細(xì)致、尊重證據(jù)的科學(xué)態(tài)度；愿意合作交流，體驗到合作交流的樂趣。

3．知道植物的莖有運輸水分和養(yǎng)料的作用。教學(xué)重點、難點：

1、莖有運輸水分和養(yǎng)料的作用。

2、會用簡單的工具對植物的莖進(jìn)行比較細(xì)致的觀察。活動準(zhǔn)備：

1、提前剪取帶葉的枝條，迅速放入滴過紅墨水的水中，并在陽光下照射3～4小時，觀察現(xiàn)象，做好觀察記錄。

2、準(zhǔn)備生長旺盛的盆栽植物、放大鏡、刀片等。教學(xué)過程：

一、提出問題，引入探索

根吸收來的水分是怎樣輸送到植物各部分的？今天我們來學(xué)習(xí)12課、植物的莖。師隨機(jī)板書

帶領(lǐng)學(xué)生觀察校園中的植物。播放ppt文件

討論：根吸收的水分怎樣到達(dá)植物的葉、花、果實?葉制造的養(yǎng)料怎樣到達(dá)植物體的其它部分供它們生長? 學(xué)生討論，匯報結(jié)果。教師小結(jié)：根據(jù)以上討論我們知道莖可能具有運輸作用；莖的內(nèi)部可能有兩種管子，一種管子將根吸收的水分運送到植物體內(nèi)的各個部分。另一種管子將葉制造養(yǎng)料運送到植物的其他部分。

二、驗證我們的猜想

談話：如果自來水管斷了，水就會流出來，那么切斷植物的莖，會發(fā)生什么現(xiàn)象呢? 在這顆植物上選擇一嫩枝，剪下。觀察嫩枝的截面上有什么? 討論：嫩枝截面上的水是從哪里來的? 用植物上面的一段莖推放在紅水中，你觀察到有什么現(xiàn)象發(fā)生?為會么葉子變紅? 討論：以上現(xiàn)象說明了什么?（莖有運輸水分的作用）把浸泡過的莖、橫切、縱切、觀察。

小結(jié)：以上實驗說明莖確實有運輸水分的作用。在莖的內(nèi)部確實有運輸水分的管子。

三、根據(jù)自己的研究，繪制出植物運輸水分的示意圖 根據(jù)自己研究的成果，用自己喜歡的方式繪制出植物運輸水分的示意圖。

組織學(xué)生進(jìn)行交流，可以先在小組內(nèi)交流，然后組織全班交流。自由活動：

葉制造的養(yǎng)料是通過什么運輸?shù)街参矬w各個部分的?運輸養(yǎng)料的細(xì)管子在什么部位? 教師出示資料卡，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識篩管，使學(xué)生知道莖里還有一條運輸養(yǎng)料的管子，它在導(dǎo)管的外面。

教師小結(jié)并板書：在植物體內(nèi)，莖擔(dān)負(fù)運輸作用。在莖內(nèi)有兩種管子。一種管子運輸根吸收的水分，另一種管子運輸?shù)娜~制造的養(yǎng)料。

四、實踐應(yīng)用

在兩棵小樹間拴鐵絲晾衣服，日子久了，在撿鋼絲的樹皮上方會形成瘤狀突起，這是怎么回事?（因為植物的營養(yǎng)是通過樹皮自上而下運輸?shù)模绻茐牧藰淦?，葉子制造的養(yǎng)料向下運輸?shù)耐ǖ谰捅磺袛嗔?，養(yǎng)料通不過去便積存在破壞的樹皮處，形成瘤狀物。）

有的小朋友愛剝小樹皮，這樣做對嗎?為什么?

五、總結(jié)拓展。

第五篇：Z元件特性研究論文

文章

來源蓮山

課 件 w w w.5y K J.Co m 5

摘要：Z-元件具有進(jìn)一步的開發(fā)潛力，擴(kuò)充其特性和應(yīng)用可形成一些新型電子器件。本文在溫、光、磁敏Z-元件的基礎(chǔ)上，依據(jù)對Z-元件工作機(jī)理的深入探討，開發(fā)出一些新型的半導(dǎo)體敏感元件，如摻金γ-硅熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉(zhuǎn)換器。本文著重介紹了這些新型敏感元件的電路結(jié)構(gòu)與工作原理。這些新型敏感元件都具有生產(chǎn)工藝簡單、體積小、成本低等特點。

關(guān)鍵詞：熱敏電阻，摻金γ-硅熱敏電阻，Z-元件，力敏Z-元件，V/F轉(zhuǎn)換器

一、前言

Z-半導(dǎo)體敏感元件﹙簡稱Z-元件﹚性能奇特，應(yīng)用電路簡單而且規(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﹙或3個﹚元器件，就可構(gòu)成電路最簡單的三端傳感器，實現(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，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，很有從深度上和廣度上進(jìn)一步研究的價值。

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。作為其中的部分實例，本文重點介紹了摻金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)工藝簡單、成本低、使用方便等特點。

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-硅單晶來制造Z-元件以外的半導(dǎo)體器件，目前尚未見到報導(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區(qū)﹚的特性所決定的，對摻金高阻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。

2．摻金g-硅熱敏電阻的工作機(jī)理

“摻金g-硅熱敏電阻”簡稱摻金硅熱敏電阻，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)計制造的，在溫度檢測與控制領(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補償?shù)母男詐N結(jié)，即在高阻硅材料上形成的pN結(jié)，又經(jīng)過重金屬補償，因而它具有特殊的半導(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。

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)存在一個自建電場區(qū)。該電場區(qū)因在p區(qū)很薄，自建電場區(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)，這樣寬的電場區(qū)其場強(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，這時因正向偏壓的電場方向同Z-元件內(nèi)部自建電場方向是相反的，很小的正向偏壓便抵消了自建電場。這時按經(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n-.i型區(qū)是經(jīng)重金屬摻雜的高補償區(qū)，由于載流子被重金屬陷阱所束縛，其電阻值在兆歐量級，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，如果存在溫度場，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)單獨制造出來，肯定是一個高靈敏度的熱敏電阻（由于半導(dǎo)體伴生著光效應(yīng)，當(dāng)然也是一個光敏感電阻），由此可構(gòu)造出摻金g-硅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)。測試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的電特性就是一個熱敏電阻。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。可以看出，該生產(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，其性能各有優(yōu)缺點。

4．摻金g-硅熱敏電阻與NTC熱敏電阻的性能對比

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)理就是在外電場作用下未被重金屬補償?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。摻金g-硅熱敏電阻的優(yōu)點是：生產(chǎn)工藝簡單，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量級。其缺點是：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，超過閾值時會出現(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比如圖5所示。

在不同溫度下，溫度靈敏度的實測值對比如表1所示。

摻金g-硅熱敏電阻是一種新型溫敏元件。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，為用戶服務(wù)。

三、力敏Z-元件

1．概述 “力”參數(shù)的檢測與控制在國民經(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力，通過力也可間接檢測許多其它物理參數(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，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（即加以放大和A/D轉(zhuǎn)換）才能與數(shù)字計算機(jī)相連接，使用極其不便，也增加了系統(tǒng)的成本。

Z-元件能以極其簡單的電路結(jié)構(gòu)直接輸出數(shù)字信號，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（包括開關(guān)信號和脈沖頻率信號），不需A/D轉(zhuǎn)換，就可與計算機(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。

我們在深入研究Z-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，實現(xiàn)力檢測與控制領(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補償?shù)母男詐N結(jié)。力敏Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。按本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電路符號如圖6(b)所示，圖中“+”號表示pN結(jié)p區(qū)，即在正偏使用時接電源正極。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工作區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負(fù)阻區(qū)，M3低阻區(qū)。描述這個特性有四個特征參數(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)動態(tài)電阻很大，M3區(qū)動態(tài)電阻很?。ń诹悖?，從M1區(qū)到M3區(qū)的轉(zhuǎn)換時間很短（微秒級），Z-元件具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：“高阻態(tài)”和“低阻態(tài)”，工作的初始狀態(tài)可按需要設(shè)定。若靜態(tài)工作點設(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)工作點設(shè)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點是一個特別值得關(guān)注的點，特稱為閥值點，其坐標(biāo)為：p(Vth，Ith)。p點對外部力作用十分敏感，其靈敏度要比伏安特性上其它諸點要高許多。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)信號或脈沖頻率信號。

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。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。

（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Q，如圖6﹙c﹚所示。若工作點選擇在M1區(qū)時，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對力載荷F具有很高的靈敏度，當(dāng)力載荷F增加時，閾值點p向左推移，使Vth減小，當(dāng)力載荷F增加到某一閾值Fth時，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)，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40~50%。

開關(guān)量輸出的力敏Z-元件可用作力敏開關(guān)、力報警器或力控制器。

（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改變而改變，只要滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，就可實現(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；同理，如果滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，設(shè)法實現(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。

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對力作用很敏感，可得到較高的力靈敏度。初步測試結(jié)果表明：電容器C選擇范圍在0.01~1.0mF，負(fù)載電阻在5~20kW，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9﹙a﹚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，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，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)），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)電管道在外部激勵作用下，可產(chǎn)生“管道調(diào)變效應(yīng)[2]，由圖11可知，對力敏Z-元件來說，其p區(qū)很薄，N區(qū)相對較厚，焊接層的厚度可忽略不計，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作用于彈性體時，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p產(chǎn)生偏移，閾值電壓Vth將發(fā)生變化。

實驗表明，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)”，正偏使用時電阻值將增加，因伏安特性的改變使閾值點p右移，Vth增加。當(dāng)力載荷F增加到某一特定閾值Fth時，閾值點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Q設(shè)置在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”，正偏使用時電阻值將減小，因伏安特性的變化使閾值點p左移，Vth減小。當(dāng)力載荷F增加到某一特定閾值Fth時，閾值點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)計需要輸出不同的跳變信號，可用作力敏開關(guān)、力報警器或力控制器。在實際應(yīng)用中，可通過電源電壓E或負(fù)載電阻RL來設(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、受力點的位置等諸多因素有關(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12﹙a﹚、﹙b﹚或圖13﹙a﹚、﹙b﹚的結(jié)構(gòu)和受力方式，都可輸出脈沖頻率信號，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)計實例，力敏Z-元件樣件1#與樣件2#，經(jīng)加載與卸載實驗，其脈沖頻率輸出的測試結(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(測試條件: T=25℃, RL=5kW)

芯片尺寸：2′5′0.3mm，采用簡支式結(jié)構(gòu)，兩支點距離為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；試驗環(huán)境溫度為25.4℃。測試數(shù)據(jù)如表2所示。，樣件2#﹙加載﹚所測數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機(jī)繪圖可得回歸線如圖14所示。由于封裝結(jié)構(gòu)尚未定型測試數(shù)據(jù)有一定誤差，但初步實驗表明，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。回歸處理后，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，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代的產(chǎn)物，主要缺點是輸出幅值小，靈敏度低，不能與數(shù)字計算機(jī)直接通訊。人類進(jìn)入數(shù)字信息化時代后，以數(shù)字技術(shù)支撐的數(shù)字計算機(jī)已十分普及，現(xiàn)代數(shù)字計算機(jī)要求處理數(shù)字信號，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，不能與計算機(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算機(jī)實現(xiàn)通訊，目前是采取把輸出信號進(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)字化的方法來與數(shù)字計算機(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變成能被數(shù)字計算機(jī)識別的頻率信號，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、能與計算機(jī)直接通訊等一系列優(yōu)點，可做為模擬傳感器與計算機(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，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，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15(a)所示，圖15(b)為其中Z-元件的電路符號。在圖15(a)所示電路中以電壓E為輸入，由于RL、C和Z-元件之間的充、放電作用，使電路始終處于自激振蕩狀態(tài)，其振蕩頻率f與輸入電壓E成正比，波形為鋸齒波，其輸出幅值可以很大，由選定的Z-元件參數(shù)而定。實現(xiàn)了模擬信號(電壓E)到數(shù)字信號(頻率f)的轉(zhuǎn)換，可用于數(shù)字系統(tǒng)的觸發(fā)。由于輸出幅值大，它不需放大就可實現(xiàn)與計算機(jī)的直接通訊。

3．V/F轉(zhuǎn)換器的傳輸特性

當(dāng)基準(zhǔn)溫度TS=20℃時，輸入電壓E與輸出頻率f之間的傳輸特性如圖16所示。由圖16可知該傳輸特性具有良好的線性關(guān)系，其中Emin~Emax(相應(yīng)于MN區(qū)間)是工作電壓的極限范圍，AB區(qū)間為可靠的工作量程范圍，它決定于模擬傳感器的輸出和V/F轉(zhuǎn)換電路的參數(shù)設(shè)計。

由于Z-元件是半導(dǎo)體開關(guān)元件，構(gòu)成V/F轉(zhuǎn)換器時，對溫度也具有一定的靈敏度，即溫度漂移。該溫度漂移具有正溫度系數(shù)，一般小于10Hz∕°C，當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時，將引起檢測誤差。

如果該誤差在允許范圍內(nèi)，可不做溫度補償。如果要求檢測精度較高，特別是在高精度計量使用時，應(yīng)考慮溫度補償技術(shù)。

由溫漂引起的相對誤差與輸出頻率范圍(即量程)有關(guān)。若輸出頻率較高，相對誤差較小，若輸出頻率較低，則相對誤差較大。如果假定環(huán)境溫度有±10℃的變化，引起輸出頻率變化的絕對誤差為Df=100Hz，按全量程輸出頻率的平均值為f=2000Hz設(shè)計，這時由溫漂引起的相對誤差d=±0.5%/℃，可滿足一般計量精度要求。為進(jìn)一步提高計量精度，必須采取溫度補償技術(shù)[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1].傅云鵬等，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(1)Z-元件及其應(yīng)用開發(fā)綜述，傳感器世界，2001．2

[2].周長恩等，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(2)Z-元件的研制實踐與工作機(jī)理的定性分析，傳感器世界，2001．4

[3].王健林等，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(3)溫敏Z-元件及其應(yīng)用，傳感器世界，2001．6

[4].傅云鵬等，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(5)Z-元件的溫度補償技術(shù)，傳感器世界，2001．10

The Review of Z-element-(6)

Extension of Z-element’s Characteristics and Applications

Abstract：The Z-elements possess potential ability for further development.By researching the characteristics deeply, some new application can be developed.In this paper , some new type sensitive semiconductor are introduced such as impure gold g-Si thermistor, force-Z-sensor and V/F converter, which are developed by researching the work mechanism of Z-element deeply on the basis of Z-thermistor, photo-Z-element and magnito-Z-element.These elements possess many advantages such as simpler manufacturing technique, smaller volume and lower cost.In this paper, the characteristics, typical circuits and work principles of these new products are thoroughly introduced too.Keywords：Thermistor, Impure gold g-Si thermistor, Z-element, Force-Z-sensor, V/F converter..文章

來源蓮山

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