“半导体传感器基础”课程教学改革实践
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[摘 要] “半导体传感器基础”是电子科学与技术专业的一门专业方向课，在专业课程体系中处于承上启下的地位。从课堂讲授、软件仿真、实验教学、课程设计与毕业设计等多个角度，对“半导体传感器基础”课程的教学改革实践进行分析和探索，以期提高学生的实践、科研及创新能力。
[关键词] 半导体传感器;教学改革;实验教学
[基金项目] 2018年度辽宁大学本科教学改革立项重点项目“与行业产业技术需求对接背景下的微电子专业主干课教学改革研究与实 践”（JG2018ZD06）
[作者简介] 吕 品（1973—），女，辽宁沈阳人，工学博士，辽宁大学物理学院副教授，主要从事敏感材料及半导体传感器检测系统的研 究;邱 巍（1978—），女，辽宁沈阳人，工学博士，辽宁大学物理学院副教授，主要从事光纤激光器的研究;刘兴辉（1972—）， 男，辽宁辽阳人，工学博士，辽宁大学物理学院教授（通信作者），主要从事微纳米半导体技术及集成电路设计方法研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）34-0150-02 [收稿日期] 2020-03-06
传感器技术是现代信息技术领域的三大支柱之一，也是一门涉及物理、化学、材料、器件、电子、生物工程等多门类交叉学科[1，2]。半导体传感器是利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器，具有类似于人眼、耳、舌、鼻、皮肤等多种感觉功能。具有体积小、响应快、灵敏度高、便于实现集成化，多功能化和智能化等特点。现实世界半导体传感器无处不在[3，4]。
“半导体传感器基础”是电子科学与技术专业的专业方向课，总学时45学时。该课程介绍了各类半导体传感器，其中包括半导体光敏传感器：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二极管和光电三极管;半导体热敏传感器：半导陶瓷热敏电阻、温敏二极管、温敏晶体管、IC温度传感器;半导体磁敏传感器：霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管;半导体压敏传感器：压阻式压力传感器、集成压力传感器;半导体气敏传感器：表面电阻控制型、体电阻控制型、集成薄厚膜及复合型、二极管和MOS气敏传感器等。对各类传感器的基本概念、工作原理、基本特性及典型工艺进行阐述，重点分析各类半导体传感器的测量电路、外围电路及应用电路。
一、课程教学过程中存在的问题
自2011年下半年起辽宁大学对本科三年级学生开设“半导体传感器基础”课程，回顾多年的教学过程，存在的问题主要有以下几点：（1）该课程所涉及的半导体传感器种类多达十多种，每种半导体传感器的工作原理及特点各不相同，教学内容繁多、知识点分散，在有限的学时里学生真正的掌握和会应用半导体传感器的相关知识有一定的难度。（2）半导体传感器虽然无处不在，应用面极广，重要性也不言而喻。但学生对其缺少感官认识，很多同学甚至没见过传感器，感觉传感器“高深莫测”。因此缺乏学习的主动性和积极性。（3）该课程的特点是实践性很强，且知识更新快，书本上的很多半导体传感器应用示例存在与实际应用背景不同步的情况。这与半导体传感器相关的教材少有关。市面上关于传感器原理及应用的教材非常多，但专门针对半导体传感器的教材却凤毛麟角。
在专业转型—应用型人才培养模式的大背景下，基于“半导体传感器基础”教学过程中存在的问题，对该课程教学实施了多方面的改革实践。
二、教学改革实践
改革实践主要从课堂讲授、软件仿真、实验教学、课程设计与毕业设计等4个方面进行。课时分配首先做了调整，增加了软件仿真。总学时45学时，其中30课时为课堂讲授，15学时为软件仿真。同时开设了与该课程密切相关的20学时的综合性实驗教学。
（一）课堂讲授
基于该课程实践性和应用性强的特点，在课程准备和讲授的过程中融入有实际应用背景的案例，如自动节能路灯、煤气泄漏报警、烟雾检测报警、有毒有害气体报警、银行的自动门、汽车自动避障、对于醉酒驾驶的检测以及智能手机的GPS定位、屏幕亮度自动调节、指纹解锁、智能家居等。从身边随处可见的应用传感器的场景入手，如手机、银行、个人家庭、生产线等，启发学生对半导体传感器的感官印象，提高对该门课程的学习兴趣。同时注重该课程与其他课程的关联性，如“半导体物理”“模拟电子技术”“数字电子技术”“微电子工艺”等，使学生明白各课程间的相关性，有助于学生对本课程理论知识的理解，并提高知识的综合运用能力和解决问题的能力。
（二）软件仿真
利用Multisim软件[5]，对课堂教学中讲授的各类半导体传感器典型的应用示例及日常生活中的实际应用电路进行功能仿真验证，以便让学生对各类半导体传感器工作原理有更深刻的掌握。同时应用Multisim软件不用搭建电路，可随时调节各器件参数，既省时高效，又节约成本。下图是邮政信函过戳装置电路，即有信函到来时给信函盖戳的仿真图。在仿真图中开关S1取代了原电路图中的光敏晶体管，当S1打开时代表有信函到来把光线挡住，光电三极管的电流为很小的暗电流，此时三极管Q1截止，三极管Q2导通，继电器K1吸合使常开触点闭合，发光二极管发光，即代表原电路图中的过戳机构动作，使信函过戳。而当S1关闭时代表没有信函到来把光线挡住，光源的光线照在光电三极管上，光电流增大，使三极管Q1导通饱和，三极管Q2截止，继电器K1释放，发光二极管不发光，即代表原电路图中的过戳机构不动作。从而可以验证邮政信函过戳装置电路的功能。
（三）实验教学
与课堂讲授相配套，开设了“半导体气体传感器的制作”和“半导体气体传感器最佳工作温度点的确定及酒精灵敏度测试”等20个学时的综合性实验。分组后的学生经半导体敏感材料的制备、热处理、浆料配制、陶瓷管清洗干燥、敏感材料的涂覆，设置引线、干燥、烧结、管座组装焊接、测试、老化等一系列实际操作制成半导体陶瓷气体传感器。并利用昆明贵研金峰科技有限公司研发的JF02F气敏传感器测试系统对所制的半导体陶瓷气体传感器进行酒精灵敏度测试，确定其最佳工作温度点，同时计算其酒精灵敏度。整个实验过程，教师全程进行指导，对学生遇到的疑难问题和实验各环节的规范操作进行必要的技术指导，实验结束后学生进行讨论总结，并每人提交一份实验报告。经一系列的综合性实验后，学生对半导体传感器的理论知识有了更深刻的认识和理解，掌握了半导体传感器的制作和灵敏度测试的完整流程，增强了学生的动手实践和科研能力。
（四）课程设计与毕业设计
在课堂讲授、软件仿真及实验教学基础上，密切联系工业生产及日常生活。
在学生课程设计和毕业设计阶段，依据现实需求，布置学生设计与现实生产生活密切相关的传感器应用电路，学生经历中外文文献的查阅、电路设计方案的选择、电路的设计、元器件的选择、Multisim软件仿真、电路调试、焊接至成品等一系列的训练，进一步提高了分析问题解决问题的能力、科研能力和创新能力。
三、结语
在专业转型—应用人才培养模式的大背景下，本文从“半导体传感器基础”课程教学过程中存在的问题出发，结合课堂讲授、Multisim软件仿真、实验教学、课程设计与毕业设计等几个环节，对该课程的教学实践改革进行了阐述，以提高学生的实践、科研及创新的能力。
参考文献
[1]彭慧玲，刘林生，黎海生.《传感器原理与检测技术》课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2019（51）.
[2]梁秀璟.中国传感器市场：前景诱人，竞争激烈[J].自动化博览，2013（6）.
[3]李新，魏广芬，吕品.半导体传感器原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2018：1.
[4]牛德芳.半导体传感器原理与其应用[M].大连：大连理工大学出版社，1993：2.
[5]赵全利，李会萍.Multisim电路设计与仿真[M].北京：机械工业出版社，2016：28.
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