第一篇：植物莖稈力學特性研究論文

摘要：從壓縮、剪切、彎曲等不同力學試驗類型入手，對目前農作物莖稈力學性能研究進程進行探究，在今后研究中，應注重試驗方法的探究，不斷加大對農作物莖稈力學性能研究力度，建立植物莖稈力學模型，注重實現莖稈力學特性測定的標準化。

關鍵詞：農作物；莖稈；力學實驗

隨著科技的發展，農作物機械化生產已經成為一種趨勢，通過力學實驗獲取農作物莖稈的力學參數，為農業機械設備的研制提供理論支撐。李玉道等[1]通過對不同含水率、不同時期內棉花莖稈剪切強度與剪切功的變化規律探進行探究，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行探究，得知沖擊斷裂能在莖稈下部達到最大值，為后期苧麻莖稈分離機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度與刀片切割速度以及切割角度存在密切關系，凹刃和凸刃的峰值切割力和切割強度都比平刃小。為后期荔枝采摘機器人切割機構的優化設計提供了理論依據。薛忠等[4]通過對木薯莖稈力學性能進行探究，獲取了木薯莖桿軸向以及徑向力學性能的變化規律，為后期設計木薯收獲機械提供理論支撐；X.Mou等[5]采用WDE-500N精密型電子萬能試驗機對甘蔗葉鞘力學性能進行探究。獲取葉鞘最大縱向抗拉強度、最大橫向抗拉強度和最大剪切強度等力學參數，并給出了甘蔗葉鞘破壞準則，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械，剝葉效果良好。

1力學實驗的研究進展

1.1壓縮實驗

壓縮實驗對于農作物機械化收割過程中降低作物破損率和研究農作物的抗倒伏性能具有重要意義。目前，在對植物莖稈進行壓縮性能探究時，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度明顯高于橫紋抗壓強度。陳燕等[9]通過對荔枝整果壓縮性能進行試驗探究，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化程度、直徑、含水率不同，導致力學性能存在差異。王偉等[10]通過對不同部位木薯莖稈進行壓縮試驗得知：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性能無顯著影響；何曉麗等[11]研究發現，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]研究發現，百合屬莖稈上部單位壓縮能量和壓縮強度最小，莖稈底部最大。通過對莖稈軸向和徑向，順紋和橫紋進行壓縮試驗，可為后期莖稈采摘裝置的設計，本構關系建立以及動力學仿真提供依據。而通過對莖稈不同部位力學性能的研究，對于莖稈整體力學性能的探究將起到積極的促進作用。

1.2剪切試驗

農作物的機械化采摘一般通過莖稈的剪切實現。剪切實驗的建立對于農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、含水率和微觀結構等多種因素的影響[14]。李玉道等[1]通過對棉花秸稈剪切實驗發現，含水率是引起棉花秸稈剪切強度變化的重要因素。薛忠等[6]對木薯莖稈不同部位、不同方向的力學性能進行探究，指出木薯莖稈同一部位軸向剪切強度值明顯低于徑向剪切強度值；木薯莖稈同一方向下部剪切強度值高于中部與上部；王軍等[15]在豌豆莖稈力學性能探究中得知莖稈抗剪強度較強的部位為莖稈中部。吳良軍等[16]通過對龍眼樹枝進行切割實驗，得出在切割力最小時，切割速度、切割間隙、動刀刃角的具體數值。李小城等[17]通過對不同品種小麥莖稈進行剪切試驗，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行研究，發現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進行調節，通過單因素和組合設計試驗，探尋了最優的切割組合。趙春花等[20]通過對不同品種豆禾牧草進行砍切、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。為后期牧草收獲機械的設計提供了理論支撐。在對植物莖稈剪切性能的分析量化層面，雙面剪切優于單面剪切，但是通過對植物莖稈進行單面剪切力學試驗，可以根據莖稈實際的受力情況，對現有的切割形式、刀具形式進行優化。

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，結果較為準確，但是存在兩個加載點，裝夾復雜。

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行探究，指出在收割機械研制的進程中，應以湘雜芒2號第1莖稈部位的最大應力平均值作為設計參數。楊望[7]通過對木薯塊根、莖稈進行彎曲試驗，測定了抗彎強度、彈性模量等力學特性參數；李小城等[22]通過對不同部位小麥莖稈彎曲性能進行探究，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系。劉兆朋[23]等通過對苧麻莖稈進行三點彎曲力試驗，獲取了莖稈剪切模量數值。

1.3.2四點彎曲試驗Obataya等[24]通過對楠竹彎曲性能進行探究，獲得楠竹柔韌性是由于內層木質部能允許較大壓縮變形與外層竹纖維能承受拉應力的共同作用。胡婷等[25-26]通過四點彎曲試驗，獲得小麥莖稈彎曲強度等力學參數。羅燕等[27]通過對小麥莖稈力學性能進行探究，指出外徑、壁厚、機械組織厚、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]在玉米莖稈力學試驗中指出，在對不同樣本縱向彈性模量的差異進行分析時，通常采用四點彎曲實驗。

2結論

（1）目前在對莖稈的力學性能進行研究時，主要仍以工程材料中的力學參數為主，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）在對莖稈力學性能進行探究時，試驗方法、試樣處理方式等還缺乏有效的參考依據，對實驗數據的準確性造成不利影響。因此后期應注重試驗方法的研究，逐漸實現莖稈力學測定的分類標準化。

（3）目前，莖稈力學實驗的測定仍以基本力學參數測定為主，需進一步對莖稈材料的結構特征進行深入研究,更好的滿足建立莖稈材料力學模型以及仿真量化計算的需要，以便于后期運用仿真技術減少農作物收獲機械研發周期。

第二篇：植物的莖 教案

植物的莖

侯鎮中心小學

劉英慧 【教學目標】

1、讓學生經歷“問題——猜想——設計實驗——驗證實驗——獲得結論——表達與交流”的過程，自行探究莖的作用；學會解剖莖的方法。

2、尊重證據，體驗到合作與交流可以更好的完成認知。

3、知道植物的莖有運輸水分和養料的作用。【教學重點】

掌握并了解莖的作用 【教學難點】

解剖并觀察植物的莖，知道里面有一根“導管”。【課前準備】

1、學生準備：桃樹枝條，小刀，紅墨水，放大鏡，廣口瓶

2、教師準備：在紅墨水中浸過的枝條

3、學生實驗：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，當葉脈微紅時，從瓶里取出，用清水沖洗，留作課堂觀察。

【教學過程】

一、導入新課

檢查學生課前的準備活動狀況，進行恰當的評價。

二、開展探究活動（1）提出問題：根吸收的水分是怎樣到達植物的葉和花的？

你是怎樣認為的？（學生猜想，并進行匯報）

（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。

大家認為應該怎樣來做這個實驗呢？

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

（3）下面請大家進行實驗，仔細觀察，認真記錄。

哪個小組來匯報一下你們觀察到的現象？

（學生匯報）

引導學生討論：

1、橫切枝條后，你觀察到了什么現象？（讓學生回答）

橫切后，能夠發現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，先讓學生匯報看到的是什么？

教師可以告訴學生，植物體內的這種管子叫做“導管”。莖內的這種“導管”與根部、葉部的“導管”是相通的。小結：植物的莖內有“導管”，它起著運輸水分的作用。（4）大家能夠根據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，一幅是環割前，一幅是環割后，你看到了什么現象？（讓同學回答）

為什么出現這種現象呢？

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

四、拓展活動

調查了解，對植物實施環割有哪些益處？

板書設計：

植物的根：固定植物、吸收水分、吸收養分 植物的莖（莖內有導管）植物的葉

導管：輸送水分 根 莖 葉

篩管：輸送養料 葉 莖 根

體會與反思

《科學課程標準》中明確指出：科學探究是科學學習的中心環節，科學探究是科學課程的內容，也是一種重要的學習方式。因此我在設計本課時主要體現這一理念，具體體現在：由學生提出問題──科學猜測──設計實驗方案──實驗探究──得出結論──推廣應用。

一、提出研究的問題是科學探究的良好開端

愛因斯坦說過：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要”。學生在前幾課的學習中已經知道了植物分為根、莖、葉、花、果實、種子六部分內容，并且了知道了根具有吸收水分、養分的作用，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葉子的？從而確定探究的主題。

二、合理的猜測是科學探究的原動力

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

三、自行設計實驗方案是科學探究的保障

其實更廣泛的實驗設計應是讓學生自己尋找實驗器材，設計實驗，但由于課堂時間的有限，這節課只能讓學生在老師提供的實驗材料中選擇材料進行試驗設計，這樣就有了方向性，也起到的培養探究能力的作用。我提供給學生的實驗器材有：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，直接讓學生研究，課堂上讓學生親自將1號插在水中，看看結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號進行對比試驗，學生更清晰的觀察到導管的存在。在教學中大部分學生想到了實驗方案，但不能標準的敘述，老師需要做一下說明。

四、探究發現是學習的重要目的

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

橫切

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

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

第三篇：《植物的莖》教學反思

《植物的莖》教學反思

《植物的莖》教學反思1

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

1、開始上課的過程中，復習的時間過長。在本課的教學中，我用了比較長的時間進行復習了光合作用。雖然學生可能對光合作用有了進一步的掌握，但是比較嚴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。我發現本周以來，學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，只是泛泛的進行了教育，而沒有指明到具體某個人。現在我想需要在秩序上進行進一步的整理。建立正常的獎懲制度。針對個人的錯誤，嚴肅的進行批評和教育。

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

《植物的莖》教學反思2

《植物的莖》這節課有個典型的實驗：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，在課堂上讓學生切開植物的莖，發現莖內液體是紅色，從而推想莖的作用。之前的教學我采用過這種方法，但發現了缺點：

1、課前教師做的實驗學生不得而見，他們沒有經歷、目睹過這個過程，即使切開后發現了莖內有紅色的液體，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，找到更合適的教學方法，在能保證教學效果的前提下，我也能偷點懶呢。下面是我設計這節課時的幾點想法。

一、一株實體植物

我帶了一株灰菜，一株很大的灰菜，最粗的莖直徑有1厘米多。一上課就出示它進行復習：根和葉各有什么作用？然后讓學生猜測在葉和根中間的莖可能有什么作用？學生看到一株完整的實體植物，無論是復習還是進行猜測，都很顯性化、直觀化，很容易讓學生打開話匣子、敞開思路。科學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。讓學生實實在在的看到一個和所學知識有直接關聯的物體，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分的，內部的通路是什么樣子的，對于學生來講，是個“暗箱”，難以看到。但學生已經猜想到莖的'主要作用可能就是輸送、運輸養分和水分，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

孔子說：不憤不啟，不誹不發。在學生對植物的莖內部的通路進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，讓學生細致觀察顯微鏡下植物莖內部的構造。學生的猜想得到了證實，水到渠成。學生的成就感油然而生，我們的教學目的也得到了落實。可謂雙贏！

四、人文教育的探索和嘗試

科學課中怎樣進行人文教育，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，通過這幾課的學習，學生對根、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識。它們各司其職、各負其責，又相互配合、團結合作，構成了完美的植物體。我們要從生命的高度去賞識它、贊美它、學習它。所以，我主要設計：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》教學反思3

我們在科學教學過程中，經常遇到這樣的類型，學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。雖然學生有了一些經驗，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行，是激不起學習的興趣的，自然也不會有好的效果。那怎樣才能激起學生學習的興趣呢？就要有意識地創設一個超過學生現有知識能力的情境，讓學生產生學習的欲望。

一、課前復習階段，通過思考總結，迅速完善了目前學生認知經驗。

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

二、學習新經驗階段，通過創設研究情境，讓學生的研究目的明確。

學生明確了本節課的研究內容，如何研究？對于莖的內部構造進行大膽猜想，在進行實驗觀察，豐富學生經驗。

三、拓展經驗，加深了理解，實現了對分析方法的再次利用。

在學生通過環割現象分析出莖的表皮有運輸養料的作用。其實也是應用探究運輸水分的已有經驗，解決新問題，獲得新經驗。

從本節課授課過程看，學生始終有研究的愿望，探究的興趣濃厚，課堂討論相當熱烈。教師要實現對課堂的準確掌控，教師有效引導起著至關重要的作用。當然在課堂中呈現的學生已有經驗不足，教師應該在課前多做些交流，鞏固已有經驗。另外，課堂上學生對于實驗結論的得出存在困難，也反映出課堂問題設計的不夠合理，總之，本節課還需要再用心雕琢。

《植物的莖》教學反思4

本課是針對四年級學生而設計的一節拓展課程。而四年級學生，一年多的學習，他們已經具有一定的觀察能力和科學探究能力，對周圍的世界充滿好奇心。他們的'認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容的支持。

在設計本課教學過程時，為了充分了解學生的前概念，我們做了一次前概念的調查，發現學生對莖的認識并沒有那么深入。學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，認識容易混淆。

因此本課首先以圖片和類比圖片幫助學生認識四大類的莖，然后結合技術工程，通過課程整合設計，設計植物障礙賽來檢驗學生是否已經掌握了莖生長方式上的特點，最后以文獻閱讀的方法來認識莖的本質和變態莖的存在及特點。讓學生在生活中可以辨認莖，認識莖熱特點，了解莖外形與環境的關系等。從而激發學生探究的興趣，熱愛科學。

第四篇：《植物的莖》教學設計

《植物的莖》教學設計

教學目標：

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行比較細致的觀察；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，養成認真細致、尊重證據的科學態度；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料的作用。教學重點、難點：

1、莖有運輸水分和養料的作用。

2、會用簡單的工具對植物的莖進行比較細致的觀察。活動準備：

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，觀察現象，做好觀察記錄。

2、準備生長旺盛的盆栽植物、放大鏡、刀片等。教學過程：

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？今天我們來學習12課、植物的莖。師隨機板書

帶領學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植物的葉、花、果實?葉制造的養料怎樣到達植物體的其它部分供它們生長? 學生討論，匯報結果。教師小結：根據以上討論我們知道莖可能具有運輸作用；莖的內部可能有兩種管子，一種管子將根吸收的水分運送到植物體內的各個部分。另一種管子將葉制造養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，會發生什么現象呢? 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，你觀察到有什么現象發生?為會么葉子變紅? 討論：以上現象說明了什么?（莖有運輸水分的作用）把浸泡過的莖、橫切、縱切、觀察。

小結：以上實驗說明莖確實有運輸水分的作用。在莖的內部確實有運輸水分的管子。

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

組織學生進行交流，可以先在小組內交流，然后組織全班交流。自由活動：

葉制造的養料是通過什么運輸到植物體各個部分的?運輸養料的細管子在什么部位? 教師出示資料卡，引導學生認識篩管，使學生知道莖里還有一條運輸養料的管子，它在導管的外面。

教師小結并板書：在植物體內，莖擔負運輸作用。在莖內有兩種管子。一種管子運輸根吸收的水分，另一種管子運輸的葉制造的養料。

四、實踐應用

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?（因為植物的營養是通過樹皮自上而下運輸的，如果破壞了樹皮，葉子制造的養料向下運輸的通道就被切斷了，養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-元件具有進一步的開發潛力，擴充其特性和應用可形成一些新型電子器件。本文在溫、光、磁敏Z-元件的基礎上，依據對Z-元件工作機理的深入探討，開發出一些新型的半導體敏感元件，如摻金γ-硅熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉換器。本文著重介紹了這些新型敏感元件的電路結構與工作原理。這些新型敏感元件都具有生產工藝簡單、體積小、成本低等特點。

關鍵詞：熱敏電阻，摻金γ-硅熱敏電阻，Z-元件，力敏Z-元件，V/F轉換器

一、前言

Z-半導體敏感元件﹙簡稱Z-元件﹚性能奇特，應用電路簡單而且規范，使用組態靈活，應用開發潛力大。它包括Z-元件在內僅用兩個﹙或3個﹚元器件，就可構成電路最簡單的三端傳感器，實現多種用途。特別是其中的三端數字傳感器，已引起許多用戶的關注。

Z-元件現有溫、光、磁，以及正在開發中的力敏四個品種，都能以不同的電路組態，分別輸出開關、模擬或脈沖頻率信號，相應構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種電路結構，輸出12種波形，實現6種基本應用[3]。再考慮到其它光、磁或力敏Z-元件幾個品種，其可供開發的擴展空間將十分可觀。為了拓寬Z-元件的應用領域，很有從深度上和廣度上進一步研究的價值。

本文在前述溫、光、磁敏Z-元件的基礎上，結合生產工藝和應用開發實踐，在半導體工作機理上和電路應用組態上進行了深入的擴展研究，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轉換器，供用戶分析研究與應用開發參考。這些新型敏感元件都具有體積小、生產工藝簡單、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-元件以外的半導體器件，目前尚未見到報導。Z-元件的特殊性能，主要是由摻金高阻g-硅區﹙也就是n-i區﹚的特性所決定的，對摻金高阻g-硅的性能進行深入地研究希望引起半導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、技術特性和應用特點。

2．摻金g-硅熱敏電阻的工作機理

“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-元件微觀工作機理的基礎上，按新的結構和新的生產工藝設計制造的，在溫度檢測與控制領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理。Z-元件是其N區被重摻雜補償的改性pN結，即在高阻硅材料上形成的pN結，又經過重金屬補償，因而它具有特殊的半導體結構和特殊的伏安特性。圖1為Z-元件的正向伏安特性曲線，圖2為Z-元件的半導體結構示意圖。

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：M1高阻區，M2負阻區，M3低阻區。其中，高阻的M1區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-元件的結構依次是：金屬電極層—p+歐姆接觸區—p型擴散區—p-N結結面—低摻雜高補償N區，即n-.i區—n+歐姆接觸區—金層電極層。可見Z-元件是一種改性pN結，它具有由p+-p-n-.i-n+構成的四層結構，其中核心部位是N型高阻硅區n-.i，特稱為摻金g-硅區。摻金g-硅區的建立為摻金g-硅熱敏電阻奠定了物理基礎。

Z-元件在正偏下的導電機理是基于一種“管道擊穿”和“管道雪崩擊穿”的模型[2]。Z-元件是一種pN結，對圖2所示的Z-元件結構可按p-N結經典理論加以分析，因而在p-n-.i兩區中也應存在一個自建電場區。該電場區因在p區很薄，自建電場區主要體現在n-.i區，且幾乎占據了全部n-.i型區，這樣寬的電場區其場強是很弱的，使得Z-元件呈現了高阻特性。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。這時按經典的pN結理論分析，本應進入正向導通狀態，但由于Z-元件又是一種改性的pN結，其n-.i型區是經重金屬摻雜的高補償區，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，表現在“L”曲線是線性電阻區即“M1”區。這時，如果存在溫度場，由于熱激發的作用使重金屬陷阱中釋放的載流子不斷增加，并參與導電，必然具有較高的溫度靈敏度。在M1區尚末形成導電管道，如果施加的正向偏壓過大，將產生“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下，不難想到，如果將Z-元件的n-.i區單獨制造出來，肯定是一個高靈敏度的熱敏電阻（由于半導體伴生著光效應，當然也是一個光敏感電阻），由此可構造出摻金g-硅新型熱敏電阻的基本結構，如圖3所示。由于摻金g-硅新型熱敏電阻不存在pN結，其中n-.i層就是摻金g-硅，它并不是Z-元件的n-.i區。測試結果表明，該結構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-硅熱敏電阻的生產工藝

摻金g-硅熱敏電阻的生產工藝流程如圖4工藝框圖所示。可以看出，該生產工藝過程與Z-元件生產工藝的最大區別，就是不做p區擴散，所以它不是改性pN結，又與現行NTC熱敏電阻的生產工藝完全不同，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行NTC熱敏感電阻相比具有很大區別，其性能各有優缺點。

4．摻金g-硅熱敏電阻與NTC熱敏電阻的性能對比

從上述結構模型和工藝過程分析可知，摻金g-硅層是由金擴入而形成的高補償的N型半導體，不存在pN結的結區。它的導電機理就是在外電場作用下未被重金屬補償的剩余的施主電子參與導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電，而呈現的電阻特性。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的濃度。研制實踐中也證明了這一理論分析。不同的金擴濃度可以得到幾千歐姆到幾兆歐姆的電阻值。金擴散成為產品質量與性能控制的關健工序。

我們認為，由于摻金g-硅熱敏電阻的導電機理與現行的NTC熱敏電阻的導電機理完全不同，所以特性差別很大，也存在各自不同的優缺點。摻金g-硅熱敏電阻的優點是：生產工藝簡單，成本低，易于大批量生產，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段比NTC熱敏電阻要高近一個量級。其缺點是：一批產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，超過閾值時會出現負阻。

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。本文雖作了較詳細的工作機理分析，但現在工藝尚未完全成熟，愿與用戶合作，共同探討，通過工藝改進與提高，使這一新型元件早日成熟，推向市場，為用戶服務。

三、力敏Z-元件

1．概述 “力”參數的檢測與控制在國民經濟中占有重要地位。力敏元件及其相應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，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，在機械制造、機器人、工業控制、農業氣象、醫療衛生、工程地質、機電一體化產品以及其它國民經濟裝備領域中，具有廣泛的用途。

在力參數的檢測與控制領域中，現行的各種力敏元件或力傳感器，包括電阻應變片、擴散硅應變片、擴散硅力傳感器等，嚴格說，應稱為模擬力傳感器。它只能輸出模擬信號，輸出幅值小，靈敏度低是它的嚴重不足。這三種力敏元件或力傳感器，為了與數字計算機相適應，用戶不得不采取附加的數字化方法（即加以放大和A/D轉換）才能與數字計算機相連接，使用極其不便，也增加了系統的成本。

Z-元件能以極其簡單的電路結構直接輸出數字信號，非常適合研制新型數字傳感器[1]，其中也包括力數字傳感器。這種力數字傳感器輸出的數字信號（包括開關信號和脈沖頻率信號），不需A/D轉換，就可與計算機直接通訊，為傳感器進一步智能化和網絡化提供了方便。

我們在深入研究Z-元件工作機理的基礎上，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這一新器件，實現力檢測與控制領域的技術創新。

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區被重摻雜補償的改性pN結。力敏Z-元件的半導體結構如圖6(a)所示。按本企業標準電路符號如圖6(b)所示，圖中“+”號表示pN結p區，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：M1高阻區，M2負阻區，M3低阻區。描述這個特性有四個特征參數：Vth為閾值電壓，Ith為閾值電流，Vf為導通電壓，If為導通電流。

M1區動態電阻很大，M3區動態電阻很小（近于零），從M1區到M3區的轉換時間很短（微秒級），Z-元件具有兩個穩定的工作狀態：“高阻態”和“低阻態”，工作的初始狀態可按需要設定。若靜態工作點設定在M1區，Z-元件處于穩定的高阻狀態，作為開關元件在電路中相當于“阻斷”。若靜態工作點設定在M3區，Z-元件將處于穩定的低阻狀態，作為開關元件在電路中相當于“導通”。在正向伏安特性上p點是一個特別值得關注的點，特稱為閥值點，其坐標為：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，可通過力作用，促成工作狀態的一次性轉換或周而復始地轉換，就可分別輸出開關信號或脈沖頻率信號。

3．力敏Z-元件的電路結構

力敏Z-元件的應用電路十分簡單，利用其“L”型伏安特性，在力載荷的作用下，很容易獲得開關量輸出或脈沖頻率輸出。力敏Z-元件的基本應用電路如圖7所示。其中，圖7(a)為開關量輸出，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所示的應用電路中，電路的結構特征是：力敏Z-元件與負載電阻相串聯，負載電阻RL用于限制工作電流，并取出輸出信號。Z-元件應用開發的基本工作原理就在于通過半導體結構內部導電管道的力調變效應，使工作電流發生變化，從而改變Z-元件與負載電阻RL之間的壓降分配，獲得不同波形的輸出信號。

（1）力敏Z-元件的開關量輸出

在圖7(a)所示的電路中，通過E和RL設定工作點Q，如圖6﹙c﹚所示。若工作點選擇在M1區時，力敏Z-元件處于小電流的高阻工作狀態，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，當力載荷F增加時，閾值點p向左推移，使Vth減小，當力載荷F增加到某一閾值Fth時，力敏Z-元件上的電壓VZ恰好滿足狀態轉換條件[1]，即VZ=Vth，力敏Z-元件將從M1區跳變到M3區，處于大電流的低阻工作狀態，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量輸出，如圖8(b)所示。無論是上跳變或下跳變開關量輸出，VO的跳變幅值均可達到電源電壓E的40~50%。

開關量輸出的力敏Z-元件可用作力敏開關、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，只要滿足狀態轉換條件，就可實現力敏Z-元件工作狀態的轉換。如果滿足狀態轉換條件，實現Z-元件工作狀態的一次性轉換，負載電阻RL上可輸出開關信號；同理，如果滿足狀態轉換條件，設法實現力敏Z-元件工作狀態的周期性轉換，則負載電阻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。由于力敏Z-元件具有負阻效應，且有兩個工作狀態，當并聯以電容后，通過RC充放電作用，構成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，也與力敏Z-元件的閾值電壓Vth值有關。當E、RL、C參數確定后，輸出頻率僅與Vth有關，而Vth對力作用很敏感，可得到較高的力靈敏度。初步測試結果表明：電容器C選擇范圍在0.01~1.0mF，負載電阻在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-元件的機械結構與施力方式

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。當力載荷作用于彈性體時，使芯片內部產生內應力，此內應力可改變力敏Z-元件的工作狀態（從低阻態到高阻態，或者從高阻態到低阻態），從而使輸出端產生開關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為兩種基本結構：即懸臂式結構和簡支式結構，其示意圖如圖10所示。為便于研究力敏Z-元件受力后的應力應變特征，結構放大示意如圖11所示。

如前所述，Z-元件在外加電場作用下，在N區可產生“導電管道”，該導電管道在外部激勵作用下，可產生“管道調變效應[2]，由圖11可知，對力敏Z-元件來說，其p區很薄，N區相對較厚，焊接層的厚度可忽略不計，因而，在力載荷作用下的管道調變效應必將發生在N區。當力載荷作為一種外部激勵作用于彈性體時，使彈性體產生一定的撓度，在半導體晶格內部產生內應力，導電管道受到力調變作用，使N區電阻發生變化，改變了力敏Z-元件的伏安特性，使閾值點p產生偏移，閾值電壓Vth將發生變化。

實驗表明，由于封裝結構和受力方式的不同，可產生如圖12和圖13所示兩種方式的應力應變。若靜態工作點Q設置在M3區，施加的力載荷使N區產生“壓”應力，N區晶格被壓縮，導電管道變“細”，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。當力載荷F增加到某一特定閾值Fth時，閾值點p向右移至負載線的右側，力敏Z-元件將從低阻M3區跳變到高阻M1區，如圖12所示。

同理，若靜態工作點Q設置在M1區，施加的力載荷使N區產生“拉”應力，N區晶格被拉伸，導電管道變“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。當力載荷F增加到某一特定閾值Fth時，閾值點p左移至負載線上，力敏Z-元件將從高阻M1區跳變到低阻M3區，如圖13所示。

上述分析可知，力敏Z-元件在不同封裝結構和不同受力方式下，可產生工作狀態的轉換，可按設計需要輸出不同的跳變信號，可用作力敏開關、力報警器或力控制器。在實際應用中，可通過電源電壓E或負載電阻RL來設定力載荷的閾值Fth，但由于跳變閾值與力敏Z-元件的制造工藝、芯片尺寸、封裝結構、彈性體材質與厚度、受力點的位置等諸多因素有關，許多問題尚需進一步研究與探討。

力敏Z-元件具有M2區的負阻特性，并具有兩個穩定的工作狀態是脈沖頻率輸出的基礎。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，可實現力敏Z-元件工作狀態的周而復始的轉換，采用圖12﹙a﹚、﹙b﹚或圖13﹙a﹚、﹙b﹚的結構和受力方式，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。

作為設計實例，力敏Z-元件樣件1#與樣件2#，經加載與卸載實驗，其脈沖頻率輸出的測試結果如下，供分析研究參考： 力敏Z-元件特征參數: Vth=10V, Ith=1mA, Vf=4.5V(測試條件: T=25℃, RL=5kW)

芯片尺寸：2′5′0.3mm，采用簡支式結構，兩支點距離為10mm；中間受力，應力應變方式為N區受壓應力；條狀p銅彈性體，厚度為0.2mm；試驗環境溫度為25.4℃。測試數據如表2所示。，樣件2#﹙加載﹚所測數據，經計算機繪圖可得回歸線如圖14所示。由于封裝結構尚未定型測試數據有一定誤差，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，在一定施力范圍內近似呈線性關系，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-元件的重要技術指標。需要指出的是：靈敏度和回差與力敏Z-元件的特征參數、形狀與尺寸、彈性體材質與厚度、封裝結構以及受力方式等諸多因素有關。許多問題也需進一步研究與探討。需按用戶需求進行結構定型與標準化生產。

四、新型V/F轉換器

1．概述

目前正在研制或在線使用的各種傳統傳感器，因只能輸出模擬電壓或模擬電流信號，應稱為模擬傳感器。模擬傳感器是模擬儀表或模擬信訊時代的產物，主要缺點是輸出幅值小，靈敏度低，不能與數字計算機直接通訊。人類進入數字信息化時代后，以數字技術支撐的數字計算機已十分普及，現代數字計算機要求處理數字信號，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，不能與計算機直接通訊，已成為制約信息產業發展的瓶頸問題。為了使模擬傳感器能與計算機實現通訊，目前是采取把輸出信號進行放大再加以A/D轉換，即把現行的模擬傳感器加以數字化的方法來與數字計算機相適應。雖然在信息采集與處理過程中電路復雜，硬件成本增加，但由于目前能直接輸出數字信號的數字傳感器為數不多，這種模擬傳感器數字化的方法仍發揮著巨大的作用。

本部分利用Z-元件構成一種新型的V/F轉換器，它能把模擬傳感器輸出的電壓信號變成能被數字計算機識別的頻率信號，提供了一種模擬傳感器數字化的新方法。該方法與采用A/D轉換器方案相比，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、能與計算機直接通訊等一系列優點，可做為模擬傳感器與計算機之間的重要接口，在信息產業中具有廣泛的應用前景。

2．電路組成與工作原理

Z-元件是一種新型的半導體開關元件，當其兩端電壓達到一定閾值(即閾值電壓Vth)時，可從高阻狀態跳變到低阻狀態；而當其兩端電壓小于一定閾值(即導通電壓Vf)時，又可從低阻狀態跳變到高阻狀態。利用這一特性可方便地開發V/F轉換器。

由Z-元件構成的V/F轉換器如圖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，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-元件參數而定。實現了模擬信號(電壓E)到數字信號(頻率f)的轉換，可用于數字系統的觸發。由于輸出幅值大，它不需放大就可實現與計算機的直接通訊。

3．V/F轉換器的傳輸特性

當基準溫度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系，其中Emin~Emax(相應于MN區間)是工作電壓的極限范圍，AB區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轉換電路的參數設計。

由于Z-元件是半導體開關元件，構成V/F轉換器時，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，一般小于10Hz∕°C，當環境溫度變化較大時，將引起檢測誤差。

如果該誤差在允許范圍內，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，應考慮溫度補償技術。

由溫漂引起的相對誤差與輸出頻率范圍(即量程)有關。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。為進一步提高計量精度，必須采取溫度補償技術[4]。

參考文獻：

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

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

[4].傅云鵬等，Z-半導體敏感元件原理與應用-(5)Z-元件的溫度補償技術，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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