“半導體傳感器基礎”課程教學改革實踐

呂品 邱巍 劉興輝

[摘 要] “半導體傳感器基礎”是電子科學與技術(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、實驗教學、課程設計與畢業(yè)設計等多個角度，對“半導體傳感器基礎”課程的教學改革實踐進行分析和探索，以期提高學生的實踐、科研及創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 半導體傳感器;教學改革;實驗教學

[基金項目] 2018年度遼寧大學本科教學改革立項重點項目“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)主干課教學改革研究與實? ? ? 踐”（JG2018ZD06）

[作者簡介] 呂 品（1973—），女，遼寧沈陽人，工學博士，遼寧大學物理學院副教授，主要從事敏感材料及半導體傳感器檢測系統(tǒng)的研? ? ? 究;邱 ?。?978—），女，遼寧沈陽人，工學博士，遼寧大學物理學院副教授，主要從事光纖激光器的研究;劉興輝（1972—），? ? ? 男，遼寧遼陽人，工學博士，遼寧大學物理學院教授（通信作者），主要從事微納米半導體技術(shù)及集成電路設計方法研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] 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)領域的三大支柱之一，也是一門涉及物理、化學、材料、器件、電子、生物工程等多門類交叉學科[1，2]。半導體傳感器是利用半導體材料的各種物理、化學和生物學特性制成的傳感器，具有類似于人眼、耳、舌、鼻、皮膚等多種感覺功能。具有體積小、響應快、靈敏度高、便于實現(xiàn)集成化，多功能化和智能化等特點?，F(xiàn)實世界半導體傳感器無處不在[3，4]。

“半導體傳感器基礎”是電子科學與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)方向課，總學時45學時。該課程介紹了各類半導體傳感器，其中包括半導體光敏傳感器：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;半導體熱敏傳感器：半導陶瓷熱敏電阻、溫敏二極管、溫敏晶體管、IC溫度傳感器;半導體磁敏傳感器：霍爾元件、霍爾集成電路、磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管;半導體壓敏傳感器：壓阻式壓力傳感器、集成壓力傳感器;半導體氣敏傳感器：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行闡述，重點分析各類半導體傳感器的測量電路、外圍電路及應用電路。

一、課程教學過程中存在的問題

自2011年下半年起遼寧大學對本科三年級學生開設“半導體傳感器基礎”課程，回顧多年的教學過程，存在的問題主要有以下幾點：（1）該課程所涉及的半導體傳感器種類多達十多種，每種半導體傳感器的工作原理及特點各不相同，教學內(nèi)容繁多、知識點分散，在有限的學時里學生真正的掌握和會應用半導體傳感器的相關(guān)知識有一定的難度。（2）半導體傳感器雖然無處不在，應用面極廣，重要性也不言而喻。但學生對其缺少感官認識，很多同學甚至沒見過傳感器，感覺傳感器“高深莫測”。因此缺乏學習的主動性和積極性。（3）該課程的特點是實踐性很強，且知識更新快，書本上的很多半導體傳感器應用示例存在與實際應用背景不同步的情況。這與半導體傳感器相關(guān)的教材少有關(guān)。市面上關(guān)于傳感器原理及應用的教材非常多，但專門針對半導體傳感器的教材卻鳳毛麟角。

在專業(yè)轉(zhuǎn)型—應用型人才培養(yǎng)模式的大背景下，基于“半導體傳感器基礎”教學過程中存在的問題，對該課程教學實施了多方面的改革實踐。

二、教學改革實踐

改革實踐主要從課堂講授、軟件仿真、實驗教學、課程設計與畢業(yè)設計等4個方面進行。課時分配首先做了調(diào)整，增加了軟件仿真。總學時45學時，其中30課時為課堂講授，15學時為軟件仿真。同時開設了與該課程密切相關(guān)的20學時的綜合性實驗教學。

（一）課堂講授

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

（二）軟件仿真

利用Multisim軟件[5]，對課堂教學中講授的各類半導體傳感器典型的應用示例及日常生活中的實際應用電路進行功能仿真驗證，以便讓學生對各類半導體傳感器工作原理有更深刻的掌握。同時應用Multisim軟件不用搭建電路，可隨時調(diào)節(jié)各器件參數(shù)，既省時高效，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S1打開時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，此時三極管Q1截止，三極管Q2導通，繼電器K1吸合使常開觸點閉合，發(fā)光二極管發(fā)光，即代表原電路圖中的過戳機構(gòu)動作，使信函過戳。而當S1關(guān)閉時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構(gòu)不動作。從而可以驗證郵政信函過戳裝置電路的功能。

（三）實驗教學

與課堂講授相配套，開設了“半導體氣體傳感器的制作”和“半導體氣體傳感器最佳工作溫度點的確定及酒精靈敏度測試”等20個學時的綜合性實驗。分組后的學生經(jīng)半導體敏感材料的制備、熱處理、漿料配制、陶瓷管清洗干燥、敏感材料的涂覆，設置引線、干燥、燒結(jié)、管座組裝焊接、測試、老化等一系列實際操作制成半導體陶瓷氣體傳感器。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)對所制的半導體陶瓷氣體傳感器進行酒精靈敏度測試，確定其最佳工作溫度點，同時計算其酒精靈敏度。整個實驗過程，教師全程進行指導，對學生遇到的疑難問題和實驗各環(huán)節(jié)的規(guī)范操作進行必要的技術(shù)指導，實驗結(jié)束后學生進行討論總結(jié)，并每人提交一份實驗報告。經(jīng)一系列的綜合性實驗后，學生對半導體傳感器的理論知識有了更深刻的認識和理解，掌握了半導體傳感器的制作和靈敏度測試的完整流程，增強了學生的動手實踐和科研能力。

（四）課程設計與畢業(yè)設計

在課堂講授、軟件仿真及實驗教學基礎上，密切聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)及日常生活。

在學生課程設計和畢業(yè)設計階段，依據(jù)現(xiàn)實需求，布置學生設計與現(xiàn)實生產(chǎn)生活密切相關(guān)的傳感器應用電路，學生經(jīng)歷中外文文獻的查閱、電路設計方案的選擇、電路的設計、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練，進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—應用人才培養(yǎng)模式的大背景下，本文從“半導體傳感器基礎”課程教學過程中存在的問題出發(fā)，結(jié)合課堂講授、Multisim軟件仿真、實驗教學、課程設計與畢業(yè)設計等幾個環(huán)節(jié)，對該課程的教學實踐改革進行了闡述，以提高學生的實踐、科研及創(chuàng)新的能力。

參考文獻

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

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

[3]李新，魏廣芬，呂品.半導體傳感器原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2018：1.

[4]牛德芳.半導體傳感器原理與其應用[M].大連：大連理工大學出版社，1993：2.

[5]趙全利，李會萍.Multisim電路設計與仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016：28.