薄膜傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐

趙曉輝

科技創(chuàng)新人才逐漸成為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的第一推動(dòng)力,培養(yǎng)創(chuàng)新型人才也成為當(dāng)前教育改革的主要任務(wù)。利用開(kāi)放的教學(xué)體系以及先進(jìn)的教學(xué)平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué),是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要手段,可以更好地培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力,在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中起著關(guān)鍵的作用[1]。

隨著電子器件向小型化、集成化、低功耗發(fā)展,微型電子元器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子電力、通信、交通、國(guó)防、清潔能源等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域,其市場(chǎng)需求也呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此,以電子薄膜制備技術(shù)為主的微電子器件制備引起了如機(jī)械、能源、化工、計(jì)算機(jī)、通信、光電子、物理電子等多個(gè)學(xué)科學(xué)生的濃厚興趣。針對(duì)學(xué)生學(xué)科背景的差異,在設(shè)計(jì)電子薄膜實(shí)驗(yàn)方案過(guò)程中力求工作原理簡(jiǎn)單直觀(guān)、器件制備成功率較高、器件性能可靠性好并易于測(cè)試和表征。該項(xiàng)研究在薄膜傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過(guò)改進(jìn)課程設(shè)計(jì),并根據(jù)學(xué)生的選擇申請(qǐng)變更或補(bǔ)充,使學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)選擇[2],提高學(xué)生對(duì)課程的興趣,強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能,為建立創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系奠定基礎(chǔ)。本文從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、數(shù)據(jù)測(cè)試與分析及考核評(píng)價(jià)方式等方面詳細(xì)闡述了該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生理解薄膜溫度傳感器的工作原理,熟悉電子薄膜制備的基本設(shè)備,了解真空的獲得和測(cè)量技術(shù),掌握蒸發(fā)和濺射鍍膜技術(shù),熟悉薄膜傳感器的圖形化工藝,掌握薄膜溫度傳感器性能表征及可靠性分析的方法,了解薄膜制備技術(shù)和圖形化工藝對(duì)器件性能的影響因素。

薄膜溫度傳感器測(cè)溫原理可以表述如下：當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體組成閉合回路,導(dǎo)體兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會(huì)有電流通過(guò),此時(shí)兩端之間會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì),這就是塞貝克效應(yīng)。薄膜溫度傳感器正是利用賽貝克效應(yīng),制備兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體,兩種導(dǎo)體的結(jié)點(diǎn)置于溫度較高的熱端,溫度較低的冷端處于某個(gè)恒定的溫度下,通過(guò)儀表測(cè)量冷端產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì),并根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系得到熱端的溫度值。其工作原理如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)的溫度傳感器熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系已經(jīng)明確并制成熱電偶分度表以供查詢(xún)轉(zhuǎn)換。在該實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生將采用不同的薄膜制備方法,分別采用不同的絕緣襯底(如硅片、石英、玻片、聚酰亞胺等),制備兩種不同的導(dǎo)體材料(如銅、銀、鋁、鎳、氧化銦錫(ITO)等),并通過(guò)硬質(zhì)掩膜完成器件的圖形化,形成薄膜溫度傳感器。傳感器冷端溫度設(shè)定為室溫,通過(guò)測(cè)量不同熱端溫度條件下傳感器所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),確定熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系。

課程設(shè)計(jì)充分考慮了不同學(xué)科學(xué)生背景知識(shí)的差異性,在前期的實(shí)驗(yàn)原理介紹中增加了常識(shí)性?xún)?nèi)容介紹,擴(kuò)大學(xué)科覆蓋面,打破學(xué)系之間、專(zhuān)業(yè)之間、課程之間的界限,實(shí)現(xiàn)彼此協(xié)調(diào)融合,相互合作,共享資源[3]。同時(shí),采用多媒體動(dòng)畫(huà)等形象化教學(xué)方式[4-5]向?qū)W生展示真空泵的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和工作原理,真空計(jì)的結(jié)構(gòu)等,加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解。

圖1 薄膜溫度傳感器工作原理

2 薄膜溫度傳感器的制備

傳感器的制備過(guò)程主要分為以下兩個(gè)部分。

1)采用磁控濺射發(fā)制備導(dǎo)體薄膜A。學(xué)生分組后熟悉真空鍍膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及熟悉操作步驟,安裝靶材,將導(dǎo)體A的掩膜板固定于基片上,放置在靶材正上方,開(kāi)啟真空系統(tǒng)并對(duì)真空進(jìn)行測(cè)量。對(duì)基片加熱和預(yù)濺射后,開(kāi)啟濺射電壓,濺射制備導(dǎo)體薄膜A。在制備過(guò)程中觀(guān)察輝光放電的產(chǎn)生和現(xiàn)象,并記錄真空度的變化。制備完成后,關(guān)閉真空系統(tǒng),取樣并測(cè)量導(dǎo)體薄膜A的電阻。通過(guò)實(shí)驗(yàn)時(shí)同步的濺射原理介紹,引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察靶材和基片擺放位置,使學(xué)生對(duì)濺射的機(jī)理和基本過(guò)程有了直觀(guān)的理解。在固定硬質(zhì)掩膜形成圖形化過(guò)程中講解相關(guān)的半導(dǎo)體器件圖形化工藝,使學(xué)生對(duì)相關(guān)行業(yè)的具體工作獲得感性認(rèn)識(shí)。

2)采用電阻式蒸發(fā)制備導(dǎo)體薄膜B。將導(dǎo)體B的掩膜板固定于基片上,調(diào)整位置使其與已經(jīng)制備的導(dǎo)體薄膜A形成清晰的結(jié)點(diǎn)。結(jié)合溫度傳感器的工作原理,使學(xué)生進(jìn)一步明確制備工藝對(duì)器件性能可能造成的影響,從而更加明確在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。將樣品和蒸發(fā)鍍料放入電阻式蒸發(fā)系統(tǒng),開(kāi)啟真空系統(tǒng)并對(duì)真空進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄真空度隨時(shí)間的變化,并通過(guò)講授使學(xué)生初步掌握機(jī)械泵和擴(kuò)散泵的工作原理?；訜岷?逐漸增加加熱電流對(duì)鍍料進(jìn)行加熱蒸發(fā),制備導(dǎo)體薄膜B。制備完成后,關(guān)閉真空系統(tǒng),取樣并測(cè)量導(dǎo)體薄膜B的電阻及整個(gè)器件的電阻。在介紹蒸發(fā)鍍膜時(shí),將鎢蒸發(fā)舟及蒸發(fā)鍍料等實(shí)驗(yàn)材料分發(fā)給學(xué)生傳遞并觀(guān)察,并打開(kāi)真空腔體,帶領(lǐng)學(xué)生觀(guān)察鍍料和基片擺放位置,通過(guò)講解電阻加熱使鍍料熔融蒸發(fā),使學(xué)生對(duì)蒸發(fā)鍍膜的基本過(guò)程形成了客觀(guān)具體的印象。這種結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行解釋,使得原本枯燥的課堂教學(xué)變得生動(dòng)有趣,增加了學(xué)生的興趣。

傳感器制備完成后,利用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察傳感器表面形貌和結(jié)構(gòu),使學(xué)生對(duì)電子薄膜的致密度、微觀(guān)缺陷、厚度分布及均勻性獲得直觀(guān)的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)導(dǎo)體薄膜A和B的形貌進(jìn)行對(duì)比,獲得了解蒸發(fā)和濺射兩種薄膜制備方法的特點(diǎn)和差異。通過(guò)對(duì)比可以加深學(xué)生對(duì)薄膜制備過(guò)程和制備原理的理解,實(shí)現(xiàn)將書(shū)本上的理論知識(shí)與具體實(shí)踐緊密結(jié)合。

3 數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

采用熱烘槍在產(chǎn)生局部100～280℃的不同溫度,對(duì)所制備的薄膜溫度傳感器中導(dǎo)體薄膜A與薄膜B的結(jié)點(diǎn)處 (即熱端)進(jìn)行加熱。同時(shí)采用數(shù)字電表的探針?lè)謩e與導(dǎo)體薄膜A與薄膜B的另一端 (即冷端)相連,對(duì)產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)通過(guò)室內(nèi)溫度計(jì)讀取室溫以計(jì)算熱端和冷端的溫差?？疾鞂?duì)傳感器熱電動(dòng)勢(shì)隨溫度的變化情況,并通過(guò)查閱相關(guān)資料獲得材料的賽貝克系數(shù),計(jì)算不同溫度下傳感器所應(yīng)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)。兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析傳感器性能偏離理想狀況的程度,并結(jié)合薄膜制備過(guò)程及圖形化過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)分析傳感器制備技術(shù)對(duì)其性能的影響。搭建的測(cè)試平臺(tái)如圖2所示。

圖2 薄膜溫度傳感器熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)試系統(tǒng)

在以往的薄膜傳感器實(shí)驗(yàn)中,由于學(xué)生對(duì)設(shè)備操作的不熟悉,在實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)容易失誤等因素,導(dǎo)致制備的器件性能很不穩(wěn)定,甚至失效,器件性能測(cè)試分析環(huán)節(jié)無(wú)法有效地開(kāi)展,影響了學(xué)生的興趣和熱情。而薄膜溫度傳感器最大的特點(diǎn)是器件性能容差性較高,不同組的學(xué)生測(cè)量獲得了導(dǎo)體薄膜A和B的電阻,盡管每組的測(cè)量值都存在一定的差異 (一般電阻值在80～110Ω之間),但只要兩種導(dǎo)體薄膜在結(jié)點(diǎn)處形成有效連通,即使薄膜的均勻性和附著力較差,在后續(xù)的熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)量過(guò)程中,只要保證冷端的溫度在室溫附近,而熱端的溫度在采用熱烘槍進(jìn)行加熱一段時(shí)間后達(dá)到平衡,仍然能夠觀(guān)測(cè)到穩(wěn)定的熱電動(dòng)勢(shì)輸出。這樣的設(shè)計(jì)大大增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維,通過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)小組的方式鼓勵(lì)學(xué)生與老師、學(xué)生與學(xué)生之間互動(dòng),實(shí)現(xiàn) “教-學(xué)-做”一體化[6],使學(xué)生在領(lǐng)悟知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步創(chuàng)新。由于不同組之間所選擇的導(dǎo)體材料和襯底不同,最后所制備的薄膜傳感器的性能也會(huì)存在差異。通過(guò)對(duì)比性能并結(jié)合器件物理理論分析原因,可以更好地加深對(duì)溫度傳感器熱電動(dòng)勢(shì)形成的物理機(jī)制的理解。在此基礎(chǔ)上,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)生產(chǎn)中存在的技術(shù)需求,提出薄膜溫度傳感器可能應(yīng)用的領(lǐng)域及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和性能的改進(jìn)方案[7],以實(shí)際應(yīng)用為中心,在老師的引導(dǎo)下,學(xué)生通過(guò)獨(dú)立思考、討論、交流等形式,對(duì)器件設(shè)計(jì)進(jìn)行思考和創(chuàng)新[8-9]。這種問(wèn)題驅(qū)動(dòng)和案例教學(xué)相結(jié)合的方式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、分析和解決問(wèn)題的能力獨(dú)立思考能力和邏輯思維能力非常有效,并在實(shí)踐中取得了較好的教學(xué)效果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示?？梢钥闯?薄膜溫度傳感器的性能非常穩(wěn)定,電動(dòng)勢(shì)隨溫差的變化線(xiàn)性度很高。

圖3 薄膜溫度傳感器熱電動(dòng)勢(shì)隨溫差的變化

通過(guò)上述教學(xué)方式的改進(jìn),不僅增加了學(xué)生對(duì)課程的興趣,而且培養(yǎng)了學(xué)生利用知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新型思考的能力,使得學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力得到了較好的鍛煉和培養(yǎng)。

4 考核評(píng)價(jià)體系

為鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神,我們也對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的考核評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了相應(yīng)的改革。在實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(shū)中淡化實(shí)驗(yàn)步驟要求,鼓勵(lì)學(xué)生自行思考,大膽提問(wèn),勇于重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行探索實(shí)踐,緊密結(jié)合相關(guān)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)研發(fā)熱點(diǎn),設(shè)計(jì)巧妙但難度較大的實(shí)驗(yàn)方案給予更高的分?jǐn)?shù)加權(quán),在保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核時(shí),通過(guò)學(xué)生自評(píng),小組互評(píng),教師評(píng)價(jià),對(duì)實(shí)驗(yàn)完成效果及實(shí)施的過(guò)程進(jìn)行多維度的綜合評(píng)價(jià)[10-11]。在實(shí)驗(yàn)講述過(guò)程中,鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行技術(shù)改造和升級(jí),以及參與編寫(xiě)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大綱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)[12]。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的部分異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,列出解決異常問(wèn)題需要查閱的參考資料,讓學(xué)生通過(guò)查閱資料,觀(guān)看相關(guān)課件及相互交流來(lái)解決問(wèn)題[13]。通過(guò)這樣的方式,進(jìn)一步突出了學(xué)生的主體作用。教師在介紹基本方法和概念,監(jiān)督操作規(guī)范性之余,更多是積極鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性思考[14],提高了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的改革,使學(xué)生掌握了電子薄膜及元器件制備的主要方法,了解了薄膜器件性能的主要測(cè)試手段以及薄膜結(jié)構(gòu)與性能的聯(lián)系,從而使學(xué)生對(duì)整個(gè)電子薄膜的制備、測(cè)試分析和性能表征獲得了較為全面的認(rèn)識(shí)。同時(shí)通過(guò)與產(chǎn)業(yè)行業(yè)發(fā)展實(shí)際相結(jié)合,改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)與社會(huì)實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象,并且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力,提高學(xué)生適應(yīng)社會(huì)能力以及就業(yè)能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿(mǎn)足多學(xué)科學(xué)生對(duì)微電子薄膜器件制備技術(shù)的興趣,對(duì)薄膜制備技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)和教學(xué)方式進(jìn)行了創(chuàng)新,運(yùn)用多種薄膜制備技術(shù)及圖形化方法,鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新性設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)方案,制備薄膜溫度傳感器。并通過(guò)對(duì)溫度傳感器性能的測(cè)試表征加強(qiáng)對(duì)器件物理理論的理解。實(shí)踐表明實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好,吸引了不同學(xué)科背景學(xué)生的興趣和關(guān)注。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的態(tài)度也更加積極,綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ辛嗣黠@提高,創(chuàng)新思維更加活躍。

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