第一篇：植物茎秆力学特性研究论文

摘要：从压缩、剪切、弯曲等不同力学试验类型入手，对目前农作物茎秆力学性能研究进程进行探究，在今后研究中，应注重试验方法的探究，不断加大对农作物茎秆力学性能研究力度，建立植物茎秆力学模型，注重实现茎秆力学特性测定的标准化。

关键词：农作物；茎秆；力学实验

随着科技的发展，农作物机械化生产已经成为一种趋势，通过力学实验获取农作物茎秆的力学参数，为农业机械设备的研制提供理论支撑。李玉道等[1]通过对不同含水率、不同时期内棉花茎秆剪切强度与剪切功的变化规律探进行探究，获取了棉花茎秆收获的最佳时期，晏科满等[2]通过对苎麻茎秆的冲击断裂能进行探究，得知冲击断裂能在茎秆下部达到最大值，为后期苎麻茎秆分离机械的研制提供理论支撑。陈燕等[3]指出峰值切割力和切割强度与刀片切割速度以及切割角度存在密切关系，凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小。为后期荔枝采摘机器人切割机构的优化设计提供了理论依据。薛忠等[4]通过对木薯茎秆力学性能进行探究，获取了木薯茎杆轴向以及径向力学性能的变化规律，为后期设计木薯收获机械提供理论支撑；X.Mou等[5]采用WDE-500N精密型电子万能试验机对甘蔗叶鞘力学性能进行探究。获取叶鞘最大纵向抗拉强度、最大横向抗拉强度和最大剪切强度等力学参数，并给出了甘蔗叶鞘破坏准则，提出合理有效的甘蔗叶鞘破坏形式，研制出甘蔗叶鞘剥离机械，剥叶效果良好。

1力学实验的研究进展

1.1压缩实验

压缩实验对于农作物机械化收割过程中降低作物破损率和研究农作物的抗倒伏性能具有重要意义。目前，在对植物茎秆进行压缩性能探究时，主要分为不同方向压缩实验和不同部位压缩实验两种形式。

1.1.1不同方向的压缩实验薛忠等[6]和杨望[7]分别对木薯做了轴向和径向的压缩实验，得知茎秆轴向抗压强度大于径向；吴良军等[8]在荔枝树枝压缩性能试验探究中得知，荔枝树枝顺纹抗压强度明显高于横纹抗压强度。陈燕等[9]通过对荔枝整果压缩性能进行试验探究，得出水平方向所能承受的压力和变形均低于垂直方向。

1.1.2不同部位压缩实验茎秆不同部位材料的木质化程度、直径、含水率不同，导致力学性能存在差异。王伟等[10]通过对不同部位木薯茎秆进行压缩试验得知：生长部位对木薯轴向压缩性能有极显著影响，对木薯茎秆径向力学性能无显著影响；何晓丽等[11]研究发现，大豆茎秆的最大承载能力随着高度的增加而不断的减少，抗压强度沿高度变化趋势总体不大。杜先军[12]等通过顺纹压缩实验，得知棉花茎秆底部压缩功最大。Heidari等[13]研究发现，百合属茎秆上部单位压缩能量和压缩强度最小，茎秆底部最大。通过对茎秆轴向和径向，顺纹和横纹进行压缩试验，可为后期茎秆采摘装置的设计，本构关系建立以及动力学仿真提供依据。而通过对茎秆不同部位力学性能的研究，对于茎秆整体力学性能的探究将起到积极的促进作用。

1.2剪切试验

农作物的机械化采摘一般通过茎秆的剪切实现。剪切实验的建立对于农作物在收割过程中剪切功的降低具有重要的意义，目前双面剪切和单面剪切是两种较为常用的剪切实验形式。

1.2.1双面剪切实验作物茎秆剪切特性受成熟期、茎秆直径、品种、含水率和微观结构等多种因素的影响[14]。李玉道等[1]通过对棉花秸秆剪切实验发现，含水率是引起棉花秸秆剪切强度变化的重要因素。薛忠等[6]对木薯茎秆不同部位、不同方向的力学性能进行探究，指出木薯茎秆同一部位轴向剪切强度值明显低于径向剪切强度值；木薯茎秆同一方向下部剪切强度值高于中部与上部；王军等[15]在豌豆茎秆力学性能探究中得知茎秆抗剪强度较强的部位为茎秆中部。吴良军等[16]通过对龙眼树枝进行切割实验，得出在切割力最小时，切割速度、切割间隙、动刀刃角的具体数值。李小城等[17]通过对不同品种小麦茎秆进行剪切试验，探究出小麦茎秆受剪切载荷时力值变化趋势。

1.2.2单面剪切实验Johnson等[18]通过对奇岗茎秆的剪切性能进行研究，发现60°斜角时单位剪切能较低。邓玲黎等[19]通过自制的圆盘式玉米茎秆切割试验台，对影响切割过程的切割角度以及切割速度等参数进行调节，通过单因素和组合设计试验，探寻了最优的切割组合。赵春花等[20]通过对不同品种豆禾牧草进行砍切、斜切、滑切等探究性试验，得出切割速度一定时，砍切的切割阻力高于斜切。为后期牧草收获机械的设计提供了理论支撑。在对植物茎秆剪切性能的分析量化层面，双面剪切优于单面剪切，但是通过对植物茎秆进行单面剪切力学试验，可以根据茎秆实际的受力情况，对现有的切割形式、刀具形式进行优化。

1.3弯曲试验

弯曲试验包含三点弯曲与四点弯曲。三点弯曲有一个加载点，加载方式简单，但弯矩分布不均匀。四点弯曲实验与三点弯曲实验相比，结果较为准确，但是存在两个加载点，装夹复杂。

1.3.1三点弯曲试验姚珺等[21]通过对不同品种芒草茎秆弯曲性能进行探究，指出在收割机械研制的进程中，应以湘杂芒2号第1茎秆部位的最大应力平均值作为设计参数。杨望[7]通过对木薯块根、茎秆进行弯曲试验，测定了抗弯强度、弹性模量等力学特性参数；李小城等[22]通过对不同部位小麦茎秆弯曲性能进行探究，指出小麦茎秆抗弯刚度与加载速率、茎秆含水率等因素间存在密切联系。刘兆朋[23]等通过对苎麻茎秆进行三点弯曲力试验，获取了茎秆剪切模量数值。

1.3.2四点弯曲试验Obataya等[24]通过对楠竹弯曲性能进行探究，获得楠竹柔韧性是由于内层木质部能允许较大压缩变形与外层竹纤维能承受拉应力的共同作用。胡婷等[25-26]通过四点弯曲试验，获得小麦茎秆弯曲强度等力学参数。罗燕等[27]通过对小麦茎秆力学性能进行探究，指出外径、壁厚、机械组织厚、维管束等在小麦不同生长时期，对小麦茎秆抗倒伏能力的影响效果不同；孙露露等[28]在玉米茎秆力学试验中指出，在对不同样本纵向弹性模量的差异进行分析时，通常采用四点弯曲实验。

2结论

（1）目前在对茎秆的力学性能进行研究时，主要仍以工程材料中的力学参数为主，由于茎秆材料自身的特殊性，其自身的材料特性并不能得到良好的反映。

（2）在对茎秆力学性能进行探究时，试验方法、试样处理方式等还缺乏有效的参考依据，对实验数据的准确性造成不利影响。因此后期应注重试验方法的研究，逐渐实现茎秆力学测定的分类标准化。

（3）目前，茎秆力学实验的测定仍以基本力学参数测定为主，需进一步对茎秆材料的结构特征进行深入研究,更好的满足建立茎秆材料力学模型以及仿真量化计算的需要，以便于后期运用仿真技术减少农作物收获机械研发周期。

第二篇：植物的茎 教案

植物的茎

侯镇中心小学

刘英慧 【教学目标】

1、让学生经历“问题——猜想——设计实验——验证实验——获得结论——表达与交流”的过程，自行探究茎的作用；学会解剖茎的方法。

2、尊重证据，体验到合作与交流可以更好的完成认知。

3、知道植物的茎有运输水分和养料的作用。【教学重点】

掌握并了解茎的作用 【教学难点】

解剖并观察植物的茎，知道里面有一根“导管”。【课前准备】

1、学生准备：桃树枝条，小刀，红墨水，放大镜，广口瓶

2、教师准备：在红墨水中浸过的枝条

3、学生实验：把一段桃树枝条，迅速放入滴过红墨水的水里，并在阳光下照射3-4小时，当叶脉微红时，从瓶里取出，用清水冲洗，留作课堂观察。

【教学过程】

一、导入新课

检查学生课前的准备活动状况，进行恰当的评价。

二、开展探究活动（1）提出问题：根吸收的水分是怎样到达植物的叶和花的？

你是怎样认为的？（学生猜想，并进行汇报）

（2）大家的猜想很有道理，接下来我们用实验来验证你们的猜想。

大家认为应该怎样来做这个实验呢？

（学生汇报，全班达成一致的实验方法：先横切，再纵切。提醒学生使用小刀要注意安全。观察时可借助放大镜观察剖面）

（3）下面请大家进行实验，仔细观察，认真记录。

哪个小组来汇报一下你们观察到的现象？

（学生汇报）

引导学生讨论：

1、横切枝条后，你观察到了什么现象？（让学生回答）

横切后，能够发现横切面上有红色水点。这是因为将运输水分的管子割断后造成的。

2、纵切后，先让学生汇报看到的是什么？

教师可以告诉学生，植物体内的这种管子叫做“导管”。茎内的这种“导管”与根部、叶部的“导管”是相通的。小结：植物的茎内有“导管”，它起着运输水分的作用。（4）大家能够根据自己的想象绘制出植物运输水分的示意图吗？

（展示示意图，汇报交流，教师在黑板上绘制一幅图）

三、自由活动

老师手中有两幅图，一幅是环割前，一幅是环割后，你看到了什么现象？（让同学回答）

为什么出现这种现象呢？

树皮里有一种运输养料的细管叫筛管。筛管是自上而下运输养料的。在树上选取比较粗的枝条，把树皮环割，叶制造的养料就通不过去了，积存在切口的上部，这个地方便会膨大起来。

四、拓展活动

调查了解，对植物实施环割有哪些益处？

板书设计：

植物的根：固定植物、吸收水分、吸收养分 植物的茎（茎内有导管）植物的叶

导管：输送水分 根 茎 叶

筛管：输送养料 叶 茎 根

体会与反思

《科学课程标准》中明确指出：科学探究是科学学习的中心环节，科学探究是科学课程的内容，也是一种重要的学习方式。因此我在设计本课时主要体现这一理念，具体体现在：由学生提出问题──科学猜测──设计实验方案──实验探究──得出结论──推广应用。

一、提出研究的问题是科学探究的良好开端

爱因斯坦说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”。学生在前几课的学习中已经知道了植物分为根、茎、叶、花、果实、种子六部分内容，并且了知道了根具有吸收水分、养分的作用，及叶的蒸腾作用和光合作用，这样很容易就会想到，根吸收的水分是怎样到达叶子的？从而确定探究的主题。

二、合理的猜测是科学探究的原动力

牛顿说过：“没有大胆的猜测，就不会有伟大的发现”，我力求在动手之前，让学生对结果进行预测，从而明确探究的方向，猜想后让学生说说是怎样猜想到的或猜想的理由，这样既能培养学生良好的思维习惯，又使学生交流了提出问题的假设的思维方法。因为平时生活中输送水分往往是用管子来输送的所以学生很容易想到了茎当中很可能也有一根输送水分的管子，这样学生在探究中就有了明确的目标：到底有没有这根管子？猜测并不是漫无边际胡乱猜想，是根据平时的经验合理的猜想，所以当学生说出不着边际的猜想时，我做了适当的引导。从而让学生明确：猜想其实是合理的推想。

三、自行设计实验方案是科学探究的保障

其实更广泛的实验设计应是让学生自己寻找实验器材，设计实验，但由于课堂时间的有限，这节课只能让学生在老师提供的实验材料中选择材料进行试验设计，这样就有了方向性，也起到的培养探究能力的作用。我提供给学生的实验器材有：放大镜、三根芹菜茎，刀子，这个试验并不难，芹菜茎吸水的实验所需时间比较长，课堂时间是不够用的所以我提前做好了吸水试验，直接让学生研究，课堂上让学生亲自将1号插在水中，看看结果是不是和老师拿到课堂上来的这枝相同从而保证了真实性，2号和3号进行对比试验，学生更清晰的观察到导管的存在。在教学中大部分学生想到了实验方案，但不能标准的叙述，老师需要做一下说明。

四、探究发现是学习的重要目的

能用小刀、放大镜对植物的茎进行解剖，并进行科学的、较细致的观察，并能用图对观察结果进行表述这是探究的核心。我希望学生能自己探究发现结果，所以我留给学生探究的时间相对较长，近20分钟的时间，在这个过程中，学生可以顺利地运用横切、纵切的方法对茎进行解剖，并进行有效的观察，从而发现芹菜纵切后的样子，画出示意图，横切后的样子，画出示意图。

横切

纵切 这个环节留给了学生较多的时间，探究学习让孩子们找到了问题的答案，增强了自信心，为自己的成功叫好，同时也产生了新的问题：叶制造的养料是怎样传递给根的，由于这项实验难度很大，所以采用让学生阅读资料卡的形式进行了解，加上自己合理的想象从而理解茎的运输功能。

科学教学就是指导学生像科学家那样去探索大自然中的奥秘。它与科学家所经历的科学活动极其相似，都要经历提出问题、做出猜想和假设、制订研究计划、通过观察实验制作、查阅资料、搜集证据、进行解释、得出结论、并用语言文字交流等。只要科学教师坚持不懈，从每一节课入手，从每一次探究活动出发，不怕麻烦，就一定可以培养出具有创新精神人才，为了祖国的明天，科学教师责无旁贷。

第三篇：《植物的茎》教学设计

《植物的茎》教学设计

教学目标：

1．能用实验的方法探究茎运输水分的作用；会用简单的工具对植物的茎进行比较细致的观察；用自己喜欢的方式表述研究成果。

2．在探究过程中能大胆猜想，养成认真细致、尊重证据的科学态度；愿意合作交流，体验到合作交流的乐趣。

3．知道植物的茎有运输水分和养料的作用。教学重点、难点：

1、茎有运输水分和养料的作用。

2、会用简单的工具对植物的茎进行比较细致的观察。活动准备：

1、提前剪取带叶的枝条，迅速放入滴过红墨水的水中，并在阳光下照射3～4小时，观察现象，做好观察记录。

2、准备生长旺盛的盆栽植物、放大镜、刀片等。教学过程：

一、提出问题，引入探索

根吸收来的水分是怎样输送到植物各部分的？今天我们来学习12课、植物的茎。师随机板书

带领学生观察校园中的植物。播放ppt文件

讨论：根吸收的水分怎样到达植物的叶、花、果实?叶制造的养料怎样到达植物体的其它部分供它们生长? 学生讨论，汇报结果。教师小结：根据以上讨论我们知道茎可能具有运输作用；茎的内部可能有两种管子，一种管子将根吸收的水分运送到植物体内的各个部分。另一种管子将叶制造养料运送到植物的其他部分。

二、验证我们的猜想

谈话：如果自来水管断了，水就会流出来，那么切断植物的茎，会发生什么现象呢? 在这颗植物上选择一嫩枝，剪下。观察嫩枝的截面上有什么? 讨论：嫩枝截面上的水是从哪里来的? 用植物上面的一段茎推放在红水中，你观察到有什么现象发生?为会么叶子变红? 讨论：以上现象说明了什么?（茎有运输水分的作用）把浸泡过的茎、横切、纵切、观察。

小结：以上实验说明茎确实有运输水分的作用。在茎的内部确实有运输水分的管子。

三、根据自己的研究，绘制出植物运输水分的示意图 根据自己研究的成果，用自己喜欢的方式绘制出植物运输水分的示意图。

组织学生进行交流，可以先在小组内交流，然后组织全班交流。自由活动：

叶制造的养料是通过什么运输到植物体各个部分的?运输养料的细管子在什么部位? 教师出示资料卡，引导学生认识筛管，使学生知道茎里还有一条运输养料的管子，它在导管的外面。

教师小结并板书：在植物体内，茎担负运输作用。在茎内有两种管子。一种管子运输根吸收的水分，另一种管子运输的叶制造的养料。

四、实践应用

在两棵小树间拴铁丝晾衣服，日子久了，在捡钢丝的树皮上方会形成瘤状突起，这是怎么回事?（因为植物的营养是通过树皮自上而下运输的，如果破坏了树皮，叶子制造的养料向下运输的通道就被切断了，养料通不过去便积存在破坏的树皮处，形成瘤状物。）

有的小朋友爱剥小树皮，这样做对吗?为什么?

五、总结拓展。

第四篇：Z元件特性研究论文

文章

来源莲山

课 件 w w w.5y K J.Co m 5

摘要：Z-元件具有进一步的开发潜力，扩充其特性和应用可形成一些新型电子器件。本文在温、光、磁敏Z-元件的基础上，依据对Z-元件工作机理的深入探讨，开发出一些新型的半导体敏感元件，如掺金γ-硅热敏电阻、力敏Z-元件以及新型V/F转换器。本文着重介绍了这些新型敏感元件的电路结构与工作原理。这些新型敏感元件都具有生产工艺简单、体积小、成本低等特点。

关键词：热敏电阻，掺金γ-硅热敏电阻，Z-元件，力敏Z-元件，V/F转换器

一、前言

Z-半导体敏感元件﹙简称Z-元件﹚性能奇特，应用电路简单而且规范，使用组态灵活，应用开发潜力大。它包括Z-元件在内仅用两个﹙或3个﹚元器件，就可构成电路最简单的三端传感器，实现多种用途。特别是其中的三端数字传感器，已引起许多用户的关注。

Z-元件现有温、光、磁，以及正在开发中的力敏四个品种，都能以不同的电路组态，分别输出开关、模拟或脉冲频率信号，相应构成不同品种的三端传感器。其中，仅以温敏Z-元件为例，就可以组合出12种电路结构，输出12种波形，实现6种基本应用[3]。再考虑到其它光、磁或力敏Z-元件几个品种，其可供开发的扩展空间将十分可观。为了拓宽Z-元件的应用领域，很有从深度上和广度上进一步研究的价值。

本文在前述温、光、磁敏Z-元件的基础上，结合生产工艺和应用开发实践，在半导体工作机理上和电路应用组态上进行了深入的扩展研究，形成了一些新型的敏感元件。作为其中的部分实例，本文重点介绍了掺金g-硅新型热敏电阻、力敏Z-元件以及新型V/F转换器，供用户分析研究与应用开发参考。这些新型敏感元件都具有体积小、生产工艺简单、成本低、使用方便等特点。

二、掺金g-硅新型热敏电阻

1．概述

用g-硅单晶制造半导体器件是不多见的，特别是用原本制造Z-元件这样的高阻g-硅单晶来制造Z-元件以外的半导体器件，目前尚未见到报导。Z-元件的特殊性能，主要是由掺金高阻g-硅区﹙也就是n-i区﹚的特性所决定的，对掺金高阻g-硅的性能进行深入地研究希望引起半导体器件工作者的高度重视。

本部分从对掺金g-硅的特性深入研究入手，开发出一种新型的热敏元件，即掺金g-硅热敏电阻。介绍了该新型热敏电阻的工作原理、技术特性和应用特点。

2．掺金g-硅热敏电阻的工作机理

“掺金g-硅热敏电阻”简称掺金硅热敏电阻，它是在深入研究Z-元件微观工作机理的基础上，按新的结构和新的生产工艺设计制造的，在温度检测与控制领域提供了一种新型的温敏元件。

为了熟悉并正确使用这种新型温敏元件，必须首先了解它的工作机理。Z-元件是其N区被重掺杂补偿的改性pN结，即在高阻硅材料上形成的pN结，又经过重金属补偿，因而它具有特殊的半导体结构和特殊的伏安特性。图1为Z-元件的正向伏安特性曲线，图2为Z-元件的半导体结构示意图。

由图1可知，Z-元件具有一条“L”型伏安特性[1]，该特性可分成三个工作区：M1高阻区，M2负阻区，M3低阻区。其中，高阻的M1区对温度具有较高的灵敏度，自然成为研制掺金g-硅热敏电阻的主要着眼点。

从图2可知，Z-元件的结构依次是：金属电极层—p+欧姆接触区—p型扩散区—p-N结结面—低掺杂高补偿N区，即n-.i区—n+欧姆接触区—金层电极层。可见Z-元件是一种改性pN结，它具有由p+-p-n-.i-n+构成的四层结构，其中核心部位是N型高阻硅区n-.i，特称为掺金g-硅区。掺金g-硅区的建立为掺金g-硅热敏电阻奠定了物理基础。

Z-元件在正偏下的导电机理是基于一种“管道击穿”和“管道雪崩击穿”的模型[2]。Z-元件是一种pN结，对图2所示的Z-元件结构可按p-N结经典理论加以分析，因而在p-n-.i两区中也应存在一个自建电场区。该电场区因在p区很薄，自建电场区主要体现在n-.i区，且几乎占据了全部n-.i型区，这样宽的电场区其场强是很弱的，使得Z-元件呈现了高阻特性。如果给Z-元件施加正向偏压，这时因正向偏压的电场方向同Z-元件内部自建电场方向是相反的，很小的正向偏压便抵消了自建电场。这时按经典的pN结理论分析，本应进入正向导通状态，但由于Z-元件又是一种改性的pN结，其n-.i型区是经重金属掺杂的高补偿区，由于载流子被重金属陷阱所束缚，其电阻值在兆欧量级，其正向电流很小，表现在“L”曲线是线性电阻区即“M1”区。这时，如果存在温度场，由于热激发的作用使重金属陷阱中释放的载流子不断增加，并参与导电，必然具有较高的温度灵敏度。在M1区尚末形成导电管道，如果施加的正向偏压过大，将产生“管道击穿”，甚至“管道雪崩击穿”，将破坏了掺金g-硅新型热敏电阻的热阻特性，这是该热敏电阻的特殊问题。

在这一理论模型的指导下，不难想到，如果将Z-元件的n-.i区单独制造出来，肯定是一个高灵敏度的热敏电阻（由于半导体伴生着光效应，当然也是一个光敏感电阻），由此可构造出掺金g-硅新型热敏电阻的基本结构，如图3所示。由于掺金g-硅新型热敏电阻不存在pN结，其中n-.i层就是掺金g-硅，它并不是Z-元件的n-.i区。测试结果表明，该结构的电特性就是一个热敏电阻。该热敏电阻具有NTC特性，它与现行NTC热敏电阻相比，具有较高的温度灵敏度。

3．掺金g-硅热敏电阻的生产工艺

掺金g-硅热敏电阻的生产工艺流程如图4工艺框图所示。可以看出，该生产工艺过程与Z-元件生产工艺的最大区别，就是不做p区扩散，所以它不是改性pN结，又与现行NTC热敏电阻的生产工艺完全不同，这种掺金g-硅新型热敏电阻使用的特殊材料和特殊工艺决定了它的性能与现行NTC热敏感电阻相比具有很大区别，其性能各有优缺点。

4．掺金g-硅热敏电阻与NTC热敏电阻的性能对比

从上述结构模型和工艺过程分析可知，掺金g-硅层是由金扩入而形成的高补偿的N型半导体，不存在pN结的结区。它的导电机理就是在外电场作用下未被重金属补偿的剩余的施主电子参与导电以及在外部热作用下使金陷阱中的电子又被激活而参与导电，而呈现的电阻特性。由于原材料是高阻g-硅，原本施主浓度就很低，又被陷阱捕获一些，剩余电子也就很少很少。参与导电的电子主要是陷阱中被热激活的电子占绝对份额。也就是说，掺金g-硅热敏电阻在一定的温度下的电阻值，是决定于工艺流程中金扩的浓度。研制实践中也证明了这一理论分析。不同的金扩浓度可以得到几千欧姆到几兆欧姆的电阻值。金扩散成为产品质量与性能控制的关健工序。

我们认为，由于掺金g-硅热敏电阻的导电机理与现行的NTC热敏电阻的导电机理完全不同，所以特性差别很大，也存在各自不同的优缺点。掺金g-硅热敏电阻的优点是：生产工艺简单，成本低，易于大批量生产，阻值范围宽（从几千欧姆到几兆欧姆），灵敏度高，特别是低于室温的低温区段比NTC热敏电阻要高近一个量级。其缺点是：一批产品中电阻值的一致性较差、线性度不如NTC，使用电压有阈值限制，超过阈值时会出现负阻。

掺金g-硅新型热敏电阻与NTC热敏电阻的电阻温度灵敏度特性对比如图5所示。

在不同温度下，温度灵敏度的实测值对比如表1所示。

掺金g-硅热敏电阻是一种新型温敏元件。本文虽作了较详细的工作机理分析，但现在工艺尚未完全成熟，愿与用户合作，共同探讨，通过工艺改进与提高，使这一新型元件早日成熟，推向市场，为用户服务。

三、力敏Z-元件

1．概述 “力”参数的检测与控制在国民经济中占有重要地位。力敏元件及其相应的力传感器可直接测力，通过力也可间接检测许多其它物理参数，如重量，压力、气压、差压、流量、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、扭矩、振动等，在机械制造、机器人、工业控制、农业气象、医疗卫生、工程地质、机电一体化产品以及其它国民经济装备领域中，具有广泛的用途。

在力参数的检测与控制领域中，现行的各种力敏元件或力传感器，包括电阻应变片、扩散硅应变片、扩散硅力传感器等，严格说，应称为模拟力传感器。它只能输出模拟信号，输出幅值小，灵敏度低是它的严重不足。这三种力敏元件或力传感器，为了与数字计算机相适应，用户不得不采取附加的数字化方法（即加以放大和A/D转换）才能与数字计算机相连接，使用极其不便，也增加了系统的成本。

Z-元件能以极其简单的电路结构直接输出数字信号，非常适合研制新型数字传感器[1]，其中也包括力数字传感器。这种力数字传感器输出的数字信号（包括开关信号和脉冲频率信号），不需A/D转换，就可与计算机直接通讯，为传感器进一步智能化和网络化提供了方便。

我们在深入研究Z-元件工作机理的基础上，初步研制成功力敏Z-元件，但目前尚不成熟，欢迎试用与合作开发这一新器件，实现力检测与控制领域的技术创新。

2．力敏Z-元件的伏安特性

如前所述，力敏Z-元件也是一种其N区被重掺杂补偿的改性pN结。力敏Z-元件的半导体结构如图6(a)所示。按本企业标准电路符号如图6(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6(c)为正向“L”型伏安特性，与其它Z-元件一样该特性也分成三个工作区：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，Ith为阈值电流，Vf为导通电压，If为导通电流。

M1区动态电阻很大，M3区动态电阻很小（近于零），从M1区到M3区的转换时间很短（微秒级），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，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，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，特称为阀值点，其坐标为：p(Vth，Ith)。p点对外部力作用十分敏感，其灵敏度要比伏安特性上其它诸点要高许多。利用这一性质，可通过力作用，促成工作状态的一次性转换或周而复始地转换，就可分别输出开关信号或脉冲频率信号。

3．力敏Z-元件的电路结构

力敏Z-元件的应用电路十分简单，利用其“L”型伏安特性，在力载荷的作用下，很容易获得开关量输出或脉冲频率输出。力敏Z-元件的基本应用电路如图7所示。其中，图7(a)为开关量输出，图7(b)为脉冲频率输出。其输出波形分别如图8和图9所示。

在图7所示的应用电路中，电路的结构特征是：力敏Z-元件与负载电阻相串联，负载电阻RL用于限制工作电流，并取出输出信号。Z-元件应用开发的基本工作原理就在于通过半导体结构内部导电管道的力调变效应，使工作电流发生变化，从而改变Z-元件与负载电阻RL之间的压降分配，获得不同波形的输出信号。

（1）力敏Z-元件的开关量输出

在图7(a)所示的电路中，通过E和RL设定工作点Q，如图6﹙c﹚所示。若工作点选择在M1区时，力敏Z-元件处于小电流的高阻工作状态，输出电压为低电平。由于力敏Z-元件的阈值电压Vth对力载荷F具有很高的灵敏度，当力载荷F增加时，阈值点p向左推移，使Vth减小，当力载荷F增加到某一阈值Fth时，力敏Z-元件上的电压VZ恰好满足状态转换条件[1]，即VZ=Vth，力敏Z-元件将从M1区跳变到M3区，处于大电流的低阻工作状态，输出电压为高电平。在RL上可得到从低电平到高电平的上跳变开关量输出，如图8(a)所示。如果在图7(a)所示电路中，把力敏Z-元件与负载电阻RL互换位置，则可得到由高电平到低电平的下跳变开关量输出，如图8(b)所示。无论是上跳变或下跳变开关量输出，VO的跳变幅值均可达到电源电压E的40~50%。

开关量输出的力敏Z-元件可用作力敏开关、力报警器或力控制器。

（2）力敏Z-元件的脉冲频率输出

由于力敏Z-元件的伏安特性随外部激励改变而改变，只要满足状态转换条件，就可实现力敏Z-元件工作状态的转换。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；同理，如果满足状态转换条件，设法实现力敏Z-元件工作状态的周期性转换，则负载电阻RL上就可输出脉冲频率信号。

脉冲频率输出电路如图7(b)所示。在图7(b)电路中，力敏 Z-元件与电容器C并联。由于力敏Z-元件具有负阻效应，且有两个工作状态，当并联以电容后，通过RC充放电作用，构成RC振荡回路，因此在输出端可得到与力载荷成比例变化的脉冲频率信号输出。其输出波形如图9(a)所示。输出频率的大小与E、RL、C取值有关，也与力敏Z-元件的阈值电压Vth值有关。当E、RL、C参数确定后，输出频率仅与Vth有关，而Vth对力作用很敏感，可得到较高的力灵敏度。初步测试结果表明：电容器C选择范围在0.01~1.0mF，负载电阻在5~20kW，较为合适。

同理，若把力敏Z-元件（连同辅助电容器C）与负载电阻RL互换位置，其输出频率仍与力载荷成比例，波形虽为锯齿波，但与图9﹙a﹚完全不同，如图9(b)所示。

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。，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]。

参考文献：

[1].傅云鹏等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(1)Z-元件及其应用开发综述，传感器世界，2001．2

[2].周长恩等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(2)Z-元件的研制实践与工作机理的定性分析，传感器世界，2001．4

[3].王健林等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(3)温敏Z-元件及其应用，传感器世界，2001．6

[4].傅云鹏等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(5)Z-元件的温度补偿技术，传感器世界，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

来源莲山

课 件 w w w.5y K J.Co m 5

第五篇：科技小论文:植物的奇异特性

科技小论文:植物的奇异特性

——《叶片上的肉食大餐》

广东省广州市天河区先烈东小学 六年（1）班 朱楚宁

我一直以为植物很枯燥，自从读了《叶片上的肉食大餐》这篇文章后，改变了以前的看法，对植物产生了浓厚的兴趣，植物世界很奇妙。

这篇文章是以探索食肉植物为主题的。

我原以为植物都是通过阳光、水分、土壤来汲取营养的，但我万万没有想到植物还可以以食肉为营养的来源。

自然界里有许许多多的植物，其中有500多种食肉植物。为什么这些植物会食肉呢？这与植物的生存环境有着密切的联系。这种食肉植物多生长在泥塘沼泽及附近的潮湿土地或浸水的土地上，这种低盐性的沼泽地中，富含水分的土壤大都呈强酸性，那些能够将铵基和亚硝盐所含的氮转变成植物所需的硝酸盐的土壤细菌几乎无法生存。所以，这些植物便只有通过将自己转变成肉食性植物的方式，捕捉昆虫和其他小动物，消化它们体中的蛋白质来满足自身对氮的需求。

食肉植物因为它周围恶劣的环境，而改变了它的生活方式，自己能够在这样缺少营养的情况下依然生活着，正是因为它知道改变自己，使自己接受这样的环境，改变吸收营养的途径。这种精神使我敬佩不已。

这些食肉植物还十分地聪明，知道怎样引诱食物，从而捕捉食物并吃掉食物。它一般是以自身鲜艳的色彩与蜜汁来引诱昆虫落入陷阱，然后再运用它的捕虫技巧。食肉植物捕虫的技巧大致有三种：陷阱式，等待昆虫掉进捕虫叶袋后将其捕住；粘虫式，用叶上分泌的黏液粘住昆虫；圈套式，包括合拢叶片夹住虫子和在水中将昆虫吸入捕虫叶袋里两种。

我们人类通过食肉动物的这种奇特的生存方式与特性得到了有益的启示。既然这种食肉植物是以食虫为生的，那么如果人类利用食虫植物的这种特性来捕捉臭虫、苍蝇、蚊子和蟑螂等害虫，就可以切断传染病的传染途径，减小传染病的发病几率。

我想，人类可以试着人工饲养食肉植物，把这种植物引进世界各地，使人们摆脱因害虫引起的传染病。

我们应细心观察，利用一切大自然具有的事物特性来更加丰富、改进我们的生活，使我们的生活变得更加美好！

会走迷宫的豆苗

先烈东小学 六（2）班 严慧玲

前段时间，在我家阳台浇花我发现了一个奇怪的现象,我发现它们总是向着有光的地方生长。我很好奇,于是就查了书,原来这种现象叫做植物的向光性。我为了更好的了解向光性,做了一个实验,叫做“会走迷宫的豆苗”。

实验材料如下：豆苗一盆，纸箱。步骤如下：一 在纸箱左面（或右面）开一个圆洞；二 把豆苗放在纸箱里面，盖好。过几天之后，就会发现豆苗的头深处洞头了。这个实验是我在一本书上发现的，我对这个实验很感兴趣，于是就按照书上的方法做了这个实验。我拿了一盆豆苗，和一个大小合适的纸箱，在纸箱的左面开了一个洞，然后把豆苗放进箱子里盖好。没想到，才过了两三天，豆苗就从洞里探出头来了！我真是好高兴啊，因为实验顺利成功了，耶！

通过实验，我知道了，原来植物大多数都是向着有光的地方生长，这种特殊现象叫做——植物的向光性。通过实验，让我明白植物如果一旦失去阳光，就会四，所以家里的植物要多晒太阳哦！