薄膜传感器实验教学创新与实践

赵晓辉

科技创新人才逐渐成为经济增长的第一推动力,培养创新型人才也成为当前教育改革的主要任务。利用开放的教学体系以及先进的教学平台开展实验教学,是培养学生实践能力和创新意识的重要手段,可以更好地培养大学生的创新、创业实践能力,在创新人才培养中起着关键的作用[1]。

随着电子器件向小型化、集成化、低功耗发展,微型电子元器件已经广泛应用于电子电力、通信、交通、国防、清洁能源等多个行业领域,其市场需求也呈现出快速增长趋势。因此,以电子薄膜制备技术为主的微电子器件制备引起了如机械、能源、化工、计算机、通信、光电子、物理电子等多个学科学生的浓厚兴趣。针对学生学科背景的差异,在设计电子薄膜实验方案过程中力求工作原理简单直观、器件制备成功率较高、器件性能可靠性好并易于测试和表征。该项研究在薄膜传感器实验教学中通过改进课程设计,并根据学生的选择申请变更或补充,使学生的学习由被动接受变为主动选择[2],提高学生对课程的兴趣,强化学生创新精神和实践能,为建立创新型人才培养体系奠定基础。本文从实验原理、实验内容、数据测试与分析及考核评价方式等方面详细阐述了该实验项目的创新设计。

1 实验原理

实验的目的是让学生理解薄膜温度传感器的工作原理,熟悉电子薄膜制备的基本设备,了解真空的获得和测量技术,掌握蒸发和溅射镀膜技术,熟悉薄膜传感器的图形化工艺,掌握薄膜温度传感器性能表征及可靠性分析的方法,了解薄膜制备技术和图形化工艺对器件性能的影响因素。

薄膜温度传感器测温原理可以表述如下：当两种不同材料的导体组成闭合回路,导体两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间会产生热电动势,这就是塞贝克效应。薄膜温度传感器正是利用赛贝克效应,制备两种不同成分的均质导体,两种导体的结点置于温度较高的热端,温度较低的冷端处于某个恒定的温度下,通过仪表测量冷端产生的热电动势,并根据热电动势与温度的函数关系得到热端的温度值。其工作原理如图1所示。

标准的温度传感器热电动势与温度的函数关系已经明确并制成热电偶分度表以供查询转换。在该实验中,学生将采用不同的薄膜制备方法,分别采用不同的绝缘衬底(如硅片、石英、玻片、聚酰亚胺等),制备两种不同的导体材料(如铜、银、铝、镍、氧化铟锡(ITO)等),并通过硬质掩膜完成器件的图形化,形成薄膜温度传感器。传感器冷端温度设定为室温,通过测量不同热端温度条件下传感器所产生的电动势,确定热电动势与温度的函数关系。

课程设计充分考虑了不同学科学生背景知识的差异性,在前期的实验原理介绍中增加了常识性内容介绍,扩大学科覆盖面,打破学系之间、专业之间、课程之间的界限,实现彼此协调融合,相互合作,共享资源[3]。同时,采用多媒体动画等形象化教学方式[4-5]向学生展示真空泵的内在结构和工作原理,真空计的结构等,加深了学生对相关理论知识的理解。

图1 薄膜温度传感器工作原理

2 薄膜温度传感器的制备

传感器的制备过程主要分为以下两个部分。

1)采用磁控溅射发制备导体薄膜A。学生分组后熟悉真空镀膜系统结构及熟悉操作步骤,安装靶材,将导体A的掩膜板固定于基片上,放置在靶材正上方,开启真空系统并对真空进行测量。对基片加热和预溅射后,开启溅射电压,溅射制备导体薄膜A。在制备过程中观察辉光放电的产生和现象,并记录真空度的变化。制备完成后,关闭真空系统,取样并测量导体薄膜A的电阻。通过实验时同步的溅射原理介绍,引导学生观察靶材和基片摆放位置,使学生对溅射的机理和基本过程有了直观的理解。在固定硬质掩膜形成图形化过程中讲解相关的半导体器件图形化工艺,使学生对相关行业的具体工作获得感性认识。

2)采用电阻式蒸发制备导体薄膜B。将导体B的掩膜板固定于基片上,调整位置使其与已经制备的导体薄膜A形成清晰的结点。结合温度传感器的工作原理,使学生进一步明确制备工艺对器件性能可能造成的影响,从而更加明确在实验过程中需要注意的实验细节。将样品和蒸发镀料放入电阻式蒸发系统,开启真空系统并对真空进行测量。在实验过程中记录真空度随时间的变化,并通过讲授使学生初步掌握机械泵和扩散泵的工作原理。基片加热后,逐渐增加加热电流对镀料进行加热蒸发,制备导体薄膜B。制备完成后,关闭真空系统,取样并测量导体薄膜B的电阻及整个器件的电阻。在介绍蒸发镀膜时,将钨蒸发舟及蒸发镀料等实验材料分发给学生传递并观察,并打开真空腔体,带领学生观察镀料和基片摆放位置,通过讲解电阻加热使镀料熔融蒸发,使学生对蒸发镀膜的基本过程形成了客观具体的印象。这种结合具体实验场景对物理现象进行解释,使得原本枯燥的课堂教学变得生动有趣,增加了学生的兴趣。

传感器制备完成后,利用光学显微镜观察传感器表面形貌和结构,使学生对电子薄膜的致密度、微观缺陷、厚度分布及均匀性获得直观的认识。通过对导体薄膜A和B的形貌进行对比,获得了解蒸发和溅射两种薄膜制备方法的特点和差异。通过对比可以加深学生对薄膜制备过程和制备原理的理解,实现将书本上的理论知识与具体实践紧密结合。

3 数据测试与分析

采用热烘枪在产生局部100～280℃的不同温度,对所制备的薄膜温度传感器中导体薄膜A与薄膜B的结点处 (即热端)进行加热。同时采用数字电表的探针分别与导体薄膜A与薄膜B的另一端 (即冷端)相连,对产生的热电动势进行测量。同时通过室内温度计读取室温以计算热端和冷端的温差。考察对传感器热电动势随温度的变化情况,并通过查阅相关资料获得材料的赛贝克系数,计算不同温度下传感器所应产生的标准电动势。两组数据进行对比分析传感器性能偏离理想状况的程度,并结合薄膜制备过程及图形化过程中的各个环节分析传感器制备技术对其性能的影响。搭建的测试平台如图2所示。

图2 薄膜温度传感器热电动势测试系统

在以往的薄膜传感器实验中,由于学生对设备操作的不熟悉,在实验各个环节容易失误等因素,导致制备的器件性能很不稳定,甚至失效,器件性能测试分析环节无法有效地开展,影响了学生的兴趣和热情。而薄膜温度传感器最大的特点是器件性能容差性较高,不同组的学生测量获得了导体薄膜A和B的电阻,尽管每组的测量值都存在一定的差异 (一般电阻值在80～110Ω之间),但只要两种导体薄膜在结点处形成有效连通,即使薄膜的均匀性和附着力较差,在后续的热电动势测量过程中,只要保证冷端的温度在室温附近,而热端的温度在采用热烘枪进行加热一段时间后达到平衡,仍然能够观测到稳定的热电动势输出。这样的设计大大增强了学生对实验的兴趣。同时在实验教学过程中,启发学生创造性思维,通过构建实验小组的方式鼓励学生与老师、学生与学生之间互动,实现 “教-学-做”一体化[6],使学生在领悟知识的基础上进一步创新。由于不同组之间所选择的导体材料和衬底不同,最后所制备的薄膜传感器的性能也会存在差异。通过对比性能并结合器件物理理论分析原因,可以更好地加深对温度传感器热电动势形成的物理机制的理解。在此基础上,激发学生的创造性思维,鼓励学生结合现实生活和工业生产中存在的技术需求,提出薄膜温度传感器可能应用的领域及相应的结构和性能的改进方案[7],以实际应用为中心,在老师的引导下,学生通过独立思考、讨论、交流等形式,对器件设计进行思考和创新[8-9]。这种问题驱动和案例教学相结合的方式对培养学生主动学习、分析和解决问题的能力独立思考能力和逻辑思维能力非常有效,并在实践中取得了较好的教学效果。

实验教学实践中学生获得的实验数据如图3所示。可以看出,薄膜温度传感器的性能非常稳定,电动势随温差的变化线性度很高。

图3 薄膜温度传感器热电动势随温差的变化

通过上述教学方式的改进,不仅增加了学生对课程的兴趣,而且培养了学生利用知识进行创新型思考的能力,使得学生的创新创业实践能力得到了较好的锻炼和培养。

4 考核评价体系

为鼓励学生的创新精神,我们也对实验课程的考核评价体系进行了相应的改革。在实验任务书中淡化实验步骤要求,鼓励学生自行思考,大胆提问,勇于重新设计实验方案。鼓励学生进行探索实践,紧密结合相关产业和行业研发热点,设计巧妙但难度较大的实验方案给予更高的分数加权,在保障实验教学质量的基础上培养学生的创新能力。在最终的实验结果考核时,通过学生自评,小组互评,教师评价,对实验完成效果及实施的过程进行多维度的综合评价[10-11]。在实验讲述过程中,鼓励学生对现有的实验装置进行技术改造和升级,以及参与编写新的实验项目大纲和实验指导书[12]。对于实验中出现的部分异常实验现象,列出解决异常问题需要查阅的参考资料,让学生通过查阅资料,观看相关课件及相互交流来解决问题[13]。通过这样的方式,进一步突出了学生的主体作用。教师在介绍基本方法和概念,监督操作规范性之余,更多是积极鼓励学生进行创新性思考[14],提高了学生的创新创业能力。

通过实验设计的改革,使学生掌握了电子薄膜及元器件制备的主要方法,了解了薄膜器件性能的主要测试手段以及薄膜结构与性能的联系,从而使学生对整个电子薄膜的制备、测试分析和性能表征获得了较为全面的认识。同时通过与产业行业发展实际相结合,改善实验教学与社会实际应用脱节的现象,并且培养了学生的创新创业能力,提高学生适应社会能力以及就业能力。

5 结束语

为满足多学科学生对微电子薄膜器件制备技术的兴趣,对薄膜制备技术实验课程的设计和教学方式进行了创新,运用多种薄膜制备技术及图形化方法,鼓励学生创新性设计具体实验方案,制备薄膜温度传感器。并通过对温度传感器性能的测试表征加强对器件物理理论的理解。实践表明实验教学效果良好,吸引了不同学科背景学生的兴趣和关注。学生对实验课的态度也更加积极,综合实验能力有了明显提高,创新思维更加活跃。

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