“半導(dǎo)體傳感器基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革實(shí)踐

呂品 邱巍 劉興輝

[摘 要] “半導(dǎo)體傳感器基礎(chǔ)”是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)方向課，在專業(yè)課程體系中處于承上啟下的地位。從課堂講授、軟件仿真、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)角度，對“半導(dǎo)體傳感器基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革實(shí)踐進(jìn)行分析和探索，以期提高學(xué)生的實(shí)踐、科研及創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 半導(dǎo)體傳感器;教學(xué)改革;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2018年度遼寧大學(xué)本科教學(xué)改革立項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目“與行業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)需求對接背景下的微電子專業(yè)主干課教學(xué)改革研究與實(shí)? ? ? 踐”（JG2018ZD06）

[作者簡介] 呂 品（1973—），女，遼寧沈陽人，工學(xué)博士，遼寧大學(xué)物理學(xué)院副教授，主要從事敏感材料及半導(dǎo)體傳感器檢測系統(tǒng)的研? ? ? 究;邱 巍（1978—），女，遼寧沈陽人，工學(xué)博士，遼寧大學(xué)物理學(xué)院副教授，主要從事光纖激光器的研究;劉興輝（1972—），? ? ? 男，遼寧遼陽人，工學(xué)博士，遼寧大學(xué)物理學(xué)院教授（通信作者），主要從事微納米半導(dǎo)體技術(shù)及集成電路設(shè)計(jì)方法研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）34-0150-02 ? ?[收稿日期] 2020-03-06

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域的三大支柱之一，也是一門涉及物理、化學(xué)、材料、器件、電子、生物工程等多門類交叉學(xué)科[1，2]。半導(dǎo)體傳感器是利用半導(dǎo)體材料的各種物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制成的傳感器，具有類似于人眼、耳、舌、鼻、皮膚等多種感覺功能。具有體積小、響應(yīng)快、靈敏度高、便于實(shí)現(xiàn)集成化，多功能化和智能化等特點(diǎn)。現(xiàn)實(shí)世界半導(dǎo)體傳感器無處不在[3，4]。

“半導(dǎo)體傳感器基礎(chǔ)”是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)方向課，總學(xué)時(shí)45學(xué)時(shí)。該課程介紹了各類半導(dǎo)體傳感器，其中包括半導(dǎo)體光敏傳感器：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電池、光電二極管和光電三極管;半導(dǎo)體熱敏傳感器：半導(dǎo)陶瓷熱敏電阻、溫敏二極管、溫敏晶體管、IC溫度傳感器;半導(dǎo)體磁敏傳感器：霍爾元件、霍爾集成電路、磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管;半導(dǎo)體壓敏傳感器：壓阻式壓力傳感器、集成壓力傳感器;半導(dǎo)體氣敏傳感器：表面電阻控制型、體電阻控制型、集成薄厚膜及復(fù)合型、二極管和MOS氣敏傳感器等。對各類傳感器的基本概念、工作原理、基本特性及典型工藝進(jìn)行闡述，重點(diǎn)分析各類半導(dǎo)體傳感器的測量電路、外圍電路及應(yīng)用電路。

一、課程教學(xué)過程中存在的問題

自2011年下半年起遼寧大學(xué)對本科三年級學(xué)生開設(shè)“半導(dǎo)體傳感器基礎(chǔ)”課程，回顧多年的教學(xué)過程，存在的問題主要有以下幾點(diǎn)：（1）該課程所涉及的半導(dǎo)體傳感器種類多達(dá)十多種，每種半導(dǎo)體傳感器的工作原理及特點(diǎn)各不相同，教學(xué)內(nèi)容繁多、知識點(diǎn)分散，在有限的學(xué)時(shí)里學(xué)生真正的掌握和會(huì)應(yīng)用半導(dǎo)體傳感器的相關(guān)知識有一定的難度。（2）半導(dǎo)體傳感器雖然無處不在，應(yīng)用面極廣，重要性也不言而喻。但學(xué)生對其缺少感官認(rèn)識，很多同學(xué)甚至沒見過傳感器，感覺傳感器“高深莫測”。因此缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。（3）該課程的特點(diǎn)是實(shí)踐性很強(qiáng)，且知識更新快，書本上的很多半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用示例存在與實(shí)際應(yīng)用背景不同步的情況。這與半導(dǎo)體傳感器相關(guān)的教材少有關(guān)。市面上關(guān)于傳感器原理及應(yīng)用的教材非常多，但專門針對半導(dǎo)體傳感器的教材卻鳳毛麟角。

在專業(yè)轉(zhuǎn)型—應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的大背景下，基于“半導(dǎo)體傳感器基礎(chǔ)”教學(xué)過程中存在的問題，對該課程教學(xué)實(shí)施了多方面的改革實(shí)踐。

二、教學(xué)改革實(shí)踐

改革實(shí)踐主要從課堂講授、軟件仿真、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)等4個(gè)方面進(jìn)行。課時(shí)分配首先做了調(diào)整，增加了軟件仿真。總學(xué)時(shí)45學(xué)時(shí)，其中30課時(shí)為課堂講授，15學(xué)時(shí)為軟件仿真。同時(shí)開設(shè)了與該課程密切相關(guān)的20學(xué)時(shí)的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（一）課堂講授

基于該課程實(shí)踐性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在課程準(zhǔn)備和講授的過程中融入有實(shí)際應(yīng)用背景的案例，如自動(dòng)節(jié)能路燈、煤氣泄漏報(bào)警、煙霧檢測報(bào)警、有毒有害氣體報(bào)警、銀行的自動(dòng)門、汽車自動(dòng)避障、對于醉酒駕駛的檢測以及智能手機(jī)的GPS定位、屏幕亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)、指紋解鎖、智能家居等。從身邊隨處可見的應(yīng)用傳感器的場景入手，如手機(jī)、銀行、個(gè)人家庭、生產(chǎn)線等，啟發(fā)學(xué)生對半導(dǎo)體傳感器的感官印象，提高對該門課程的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)注重該課程與其他課程的關(guān)聯(lián)性，如“半導(dǎo)體物理”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“微電子工藝”等，使學(xué)生明白各課程間的相關(guān)性，有助于學(xué)生對本課程理論知識的理解，并提高知識的綜合運(yùn)用能力和解決問題的能力。

（二）軟件仿真

利用Multisim軟件[5]，對課堂教學(xué)中講授的各類半導(dǎo)體傳感器典型的應(yīng)用示例及日常生活中的實(shí)際應(yīng)用電路進(jìn)行功能仿真驗(yàn)證，以便讓學(xué)生對各類半導(dǎo)體傳感器工作原理有更深刻的掌握。同時(shí)應(yīng)用Multisim軟件不用搭建電路，可隨時(shí)調(diào)節(jié)各器件參數(shù)，既省時(shí)高效，又節(jié)約成本。下圖是郵政信函過戳裝置電路，即有信函到來時(shí)給信函蓋戳的仿真圖。在仿真圖中開關(guān)S1取代了原電路圖中的光敏晶體管，當(dāng)S1打開時(shí)代表有信函到來把光線擋住，光電三極管的電流為很小的暗電流，此時(shí)三極管Q1截止，三極管Q2導(dǎo)通，繼電器K1吸合使常開觸點(diǎn)閉合，發(fā)光二極管發(fā)光，即代表原電路圖中的過戳機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使信函過戳。而當(dāng)S1關(guān)閉時(shí)代表沒有信函到來把光線擋住，光源的光線照在光電三極管上，光電流增大，使三極管Q1導(dǎo)通飽和，三極管Q2截止，繼電器K1釋放，發(fā)光二極管不發(fā)光，即代表原電路圖中的過戳機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。從而可以驗(yàn)證郵政信函過戳裝置電路的功能。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)

與課堂講授相配套，開設(shè)了“半導(dǎo)體氣體傳感器的制作”和“半導(dǎo)體氣體傳感器最佳工作溫度點(diǎn)的確定及酒精靈敏度測試”等20個(gè)學(xué)時(shí)的綜合性實(shí)驗(yàn)。分組后的學(xué)生經(jīng)半導(dǎo)體敏感材料的制備、熱處理、漿料配制、陶瓷管清洗干燥、敏感材料的涂覆，設(shè)置引線、干燥、燒結(jié)、管座組裝焊接、測試、老化等一系列實(shí)際操作制成半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器。并利用昆明貴研金峰科技有限公司研發(fā)的JF02F氣敏傳感器測試系統(tǒng)對所制的半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器進(jìn)行酒精靈敏度測試，確定其最佳工作溫度點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算其酒精靈敏度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，教師全程進(jìn)行指導(dǎo)，對學(xué)生遇到的疑難問題和實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的規(guī)范操作進(jìn)行必要的技術(shù)指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生進(jìn)行討論總結(jié)，并每人提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。經(jīng)一系列的綜合性實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對半導(dǎo)體傳感器的理論知識有了更深刻的認(rèn)識和理解，掌握了半導(dǎo)體傳感器的制作和靈敏度測試的完整流程，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和科研能力。

（四）課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)

在課堂講授、軟件仿真及實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，密切聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)及日常生活。

在學(xué)生課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，依據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，布置學(xué)生設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活密切相關(guān)的傳感器應(yīng)用電路，學(xué)生經(jīng)歷中外文文獻(xiàn)的查閱、電路設(shè)計(jì)方案的選擇、電路的設(shè)計(jì)、元器件的選擇、Multisim軟件仿真、電路調(diào)試、焊接至成品等一系列的訓(xùn)練，進(jìn)一步提高了分析問題解決問題的能力、科研能力和創(chuàng)新能力。

三、結(jié)語

在專業(yè)轉(zhuǎn)型—應(yīng)用人才培養(yǎng)模式的大背景下，本文從“半導(dǎo)體傳感器基礎(chǔ)”課程教學(xué)過程中存在的問題出發(fā)，結(jié)合課堂講授、Multisim軟件仿真、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)等幾個(gè)環(huán)節(jié)，對該課程的教學(xué)實(shí)踐改革進(jìn)行了闡述，以提高學(xué)生的實(shí)踐、科研及創(chuàng)新的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]彭慧玲，劉林生，黎海生.《傳感器原理與檢測技術(shù)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2019（51）.

[2]梁秀璟.中國傳感器市場：前景誘人，競爭激烈[J].自動(dòng)化博覽，2013（6）.

[3]李新，魏廣芬，呂品.半導(dǎo)體傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018：1.

[4]牛德芳.半導(dǎo)體傳感器原理與其應(yīng)用[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，1993：2.

[5]趙全利，李會(huì)萍.Multisim電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：28.