摘 要:微納電子技術(shù)發(fā)展概述專題課程是高等院校微電子科學(xué)與工程專業(yè)的一門綜合類專業(yè)選修課程,對(duì)提升學(xué)生微電子行業(yè)的技術(shù)領(lǐng)域、前沿動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)認(rèn)知具有重要意義。該文作者基于自身及所在團(tuán)隊(duì)老師多年微電子類項(xiàng)目申報(bào)經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)問(wèn)題,編寫了微納光電子技術(shù)、微機(jī)電MEMS系統(tǒng)等主題章節(jié),并以微機(jī)電MEMS系統(tǒng)章節(jié)為例,將國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目申報(bào)與微電子教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合,從研究背景、技術(shù)瓶頸和解決方案等方面探討微電子知識(shí)在高??蒲兄械膽?yīng)用,突出微電子學(xué)科領(lǐng)域所涉及關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)概念、特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),通過(guò)項(xiàng)目式混合教學(xué)模式助力微電子專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)模式優(yōu)化升級(jí)。
關(guān)鍵詞:微納電子技術(shù);微電子類項(xiàng)目;國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn);混合教學(xué)模式;學(xué)生培養(yǎng)
中圖分類號(hào):G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2096-000X(2024)30-0132-04
Abstract: The Thematic Course of Micro-nano Electronic Technology is a comprehensive elective course for microelectronics science and engineering majors in many colleges or universities, which is of great significance to improve students' cognition of the technical field, frontier trends and development trends of microelectronics industry. By combining with microelectronics project experience of team teachers and hot issues at home and abroad, the authors have written some chapters including micro-nano optoelectronics technology, MEMS system and so on. Taking MEMS system chapter as an example, we combined project of National Natural Science Foundation of China (NFSC) with the content of microelectronics teaching. Then the applications of microelectronics knowledge in university scientific research is discussed from the aspects of research background, technical bottleneck and solution method, highlighting the related concepts, characteristics, application status and development trend of key technologies involved in the field of microelectronics. The project based blended learning mode maybe useful for optimizing and promoting the training mode of microelectronics students.
Keywords: micro-nano electronic technology; microelectronics project; hot issues at home and abroad; blended learning mode;udent training
基金項(xiàng)目:山西省教育廳關(guān)于山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“‘項(xiàng)目教學(xué)’課程混合式教學(xué)模式實(shí)踐研究”(J2021367);中北大學(xué)2021年高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“‘項(xiàng)目教學(xué)’課程混合式教學(xué)模式實(shí)踐研究”(202160)
第一作者簡(jiǎn)介:畢開西(1990-),男,漢族,山西晉城人,博士,副教授。研究方向?yàn)槲⒓{制造及光電子器件。
*通信作者:梅林玉(1981-),女,漢族,湖北黃岡人,博士,教授,博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樘蓟晒怆娮悠骷?/p>
微電子產(chǎn)業(yè)是國(guó)家信息化和智能化發(fā)展的基石,其涉及到的上下游研發(fā)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)面極為廣泛,直接影響國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防安全和社會(huì)穩(wěn)定。微電子產(chǎn)業(yè)對(duì)從業(yè)人員的專業(yè)性及跨學(xué)科理解執(zhí)行能力要求較高,國(guó)家層面的政策倡導(dǎo)及高等院校人才培養(yǎng)的響應(yīng)配合至關(guān)重要。針對(duì)我國(guó)當(dāng)前微電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)幾十萬(wàn)的人才缺口,如何高質(zhì)量培養(yǎng)微電子人才已成為我國(guó)面臨的重要問(wèn)題[1-3]。
縱觀國(guó)外微電子產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)及人才培養(yǎng)方面,美國(guó)白宮科技政策辦公室(OSTP)曾發(fā)布《國(guó)家微電子研究戰(zhàn)略》,該報(bào)告概述了未來(lái)五年微電子領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)、關(guān)鍵需求和行動(dòng)方案等內(nèi)容,積極倡導(dǎo)微電子專業(yè)人才培養(yǎng)和留美工作,以增強(qiáng)美國(guó)在微電子領(lǐng)域的科研教學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)方面的全球領(lǐng)先地位。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)也將微電子相關(guān)內(nèi)容納入至相關(guān)行業(yè)課程,在微電子關(guān)鍵領(lǐng)域的教師招聘、人才培養(yǎng)和項(xiàng)目資助等方面進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)。我國(guó)在《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃》和《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等方面也進(jìn)行了政策引導(dǎo)。在微電子領(lǐng)域人才培養(yǎng)和相關(guān)產(chǎn)學(xué)研孵化,曾先后支持了北京大學(xué)、清華大學(xué)等9所建設(shè)示范性微電子學(xué)院和北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)等19所籌備建設(shè)示范性微電子學(xué)院。國(guó)內(nèi)很多理工科院校也先后響應(yīng)國(guó)家微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,先后籌建了微電子相關(guān)專業(yè),陸續(xù)探索了一些新型教學(xué)模式,以適應(yīng)我國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。
長(zhǎng)沙理工大學(xué)謝海情等[4]指出當(dāng)前微電子課程普遍面臨教學(xué)手段單一、學(xué)生獨(dú)立思考和課堂融入能力差、考核方式脫離實(shí)際等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,提出了豐富教學(xué)手段和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力雙管齊下的教學(xué)改革手段。渤海大學(xué)陸曉東等[5]也指出人才培養(yǎng)需按崗位需要和規(guī)律進(jìn)行人才培養(yǎng),構(gòu)建課內(nèi)課外結(jié)合,產(chǎn)業(yè)教學(xué)引導(dǎo)的課程體系改革。南通大學(xué)朱友華認(rèn)為當(dāng)前微電子課程內(nèi)容難以匹配微電子迅猛發(fā)展的速度,存在脫節(jié)現(xiàn)象,需探求校企合作或產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)的模式以提高教學(xué)使用性。寧波大學(xué)劉小輝等[6]圍繞微電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和高校創(chuàng)新型人才隊(duì)伍培養(yǎng)問(wèn)題,提出了“產(chǎn)教融合、校企合作”的協(xié)同育人模式,通過(guò)增強(qiáng)企業(yè)與高校間溝通交流,以市場(chǎng)需求為主導(dǎo)因素將課堂理論教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐融為一體,以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)踐能力。
國(guó)內(nèi)眾多理工科院校已認(rèn)識(shí)到教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合的重要性,正逐步以國(guó)家/省部級(jí)政策指向,通過(guò)將各類申報(bào)項(xiàng)目引入到日常教學(xué)活動(dòng)中,以形成獨(dú)具特色的專業(yè)授課模式[7-9]。重慶大學(xué)劉海濤等[10]把工程項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的基礎(chǔ),將其分解為多個(gè)階段和步驟在課堂上進(jìn)行講解,最終完成微電子專業(yè)課程的“項(xiàng)目混合式”實(shí)驗(yàn)課程授課。桂林電子科技大學(xué)任婕[11]通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)改善學(xué)生實(shí)踐能力不足和所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用銜接欠缺問(wèn)題,有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此,分析微電子類課程特點(diǎn),圍繞當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界或科研界項(xiàng)目研究熱點(diǎn)問(wèn)題,設(shè)置合理的教學(xué)章節(jié)分布進(jìn)行講解及學(xué)生互動(dòng),并采用合理的評(píng)價(jià)模式進(jìn)行評(píng)估,最終完成項(xiàng)目式混合教學(xué)模式與微電子行業(yè)的良好融合將是本文的重點(diǎn)內(nèi)容,也是國(guó)內(nèi)眾多高校研究熱點(diǎn)課題。
一 微納電子技術(shù)發(fā)展概述專題課程特點(diǎn)
微納電子技術(shù)發(fā)展概述專題課程是微電子科學(xué)與工程專業(yè)的一門綜合類專業(yè)選修課程,該課程設(shè)置在四年級(jí)第一學(xué)期,先修課程包括微納電子器件測(cè)試技術(shù)、MEMS設(shè)計(jì)、集成電路分析與設(shè)計(jì)等,是一門深入了解和認(rèn)識(shí)微電子科學(xué)與工程專業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和前沿動(dòng)態(tài)的課程。重點(diǎn)針對(duì)微納電子學(xué)科領(lǐng)域所涉及關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)概念、特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行講解,使學(xué)生了解半導(dǎo)體物理與器件、集成電路工藝、材料、集成電路設(shè)計(jì)、微納傳感和MEMS技術(shù)等概念和內(nèi)涵。教學(xué)中結(jié)合應(yīng)用背景,重點(diǎn)反映微納電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,結(jié)合我國(guó)微納電子領(lǐng)域“缺芯少魂”及關(guān)鍵技術(shù)“卡脖子”現(xiàn)狀,激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)熱情。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生對(duì)本專業(yè)涉及的技術(shù)領(lǐng)域、前沿動(dòng)態(tài)和發(fā)展前景擁有整體認(rèn)知。
二 微電子類課程項(xiàng)目式混合教學(xué)模式研究?jī)?nèi)容
(一) 微納電子技術(shù)發(fā)展概述專題課程項(xiàng)目式混合教學(xué)模式構(gòu)建
微納電子技術(shù)發(fā)展概述專題課程項(xiàng)目式混合教學(xué)模式構(gòu)建的核心思想是基于SPOC信息環(huán)境,要充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì),借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái),對(duì)現(xiàn)有的課堂教學(xué)模式進(jìn)行顛覆改革,重視做好課前準(zhǔn)備,課中知識(shí)內(nèi)化及課后的復(fù)習(xí)鞏固,以學(xué)生為中心,在人才培養(yǎng)中讓教學(xué)更加直觀、清晰,提升線上線下混合式教學(xué)的水平。具體模式構(gòu)建思路如圖1所示。
指導(dǎo)思想:以學(xué)生為中心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)、任務(wù)發(fā)布和SPOC資源建立;對(duì)現(xiàn)有的課堂教學(xué)模式進(jìn)行顛覆改革。
設(shè)計(jì)思路:課程教學(xué)是教育教學(xué)的主體所在,線上線下混合教學(xué)模式下,學(xué)生的學(xué)習(xí)不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的線上交流,在這過(guò)程中涉及很多主體,教師、學(xué)生、學(xué)習(xí)材料及情境等,是混合式的課堂結(jié)構(gòu)模式。
顯著特點(diǎn):“以項(xiàng)目為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”,引導(dǎo)學(xué)生積極參與教學(xué),使學(xué)生的創(chuàng)新能力及實(shí)踐能力均得到提升。有效地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,提升了教學(xué)水平。
(二) 微納電子技術(shù)發(fā)展概述專題課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)置
當(dāng)前微納電子技術(shù)發(fā)展概述專題課程內(nèi)容設(shè)置存在如下問(wèn)題:①按教材順序依次講解零散知識(shí)點(diǎn),難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;②在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)進(jìn)行大量的知識(shí)灌輸,無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)和應(yīng)用的能力;③知識(shí)與應(yīng)用處在脫節(jié)狀態(tài),學(xué)生到實(shí)踐中仍不知從何下手,更難具備在實(shí)際中獨(dú)立完成工作任務(wù)的能力。針對(duì)微納電子技術(shù)發(fā)展概述專題學(xué)科交叉融合課程特點(diǎn),結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)問(wèn)題及學(xué)??蒲刑厣?,本門課程初步認(rèn)為應(yīng)該劃分為緒論、微納光電子技術(shù)、微納量子信息技術(shù)、先進(jìn)封裝和系統(tǒng)集成技術(shù)、微機(jī)電MEMS系統(tǒng)和智能傳感器微系統(tǒng),共6個(gè)章節(jié)。每個(gè)章節(jié)根據(jù)實(shí)際授課需求大致分配為2~4個(gè)授課學(xué)時(shí)。本門課程所涉及到的6個(gè)章節(jié)均為本單位長(zhǎng)期項(xiàng)目申報(bào)或積極參與的板塊,根據(jù)不同內(nèi)容權(quán)重,每個(gè)章節(jié)在進(jìn)行專業(yè)知識(shí)講解的基礎(chǔ)之上籌劃1~2個(gè)類別的項(xiàng)目進(jìn)行案例展示,其對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目課程思路圖如圖2所示。
本文以微機(jī)電MEMS系統(tǒng)章節(jié)內(nèi)容為例,首先介紹了幾種典型的MEMS器件的工作原理和發(fā)展歷程。然后聚焦典型硅基MEMS微壓力學(xué)傳感器件,結(jié)合研究生仿真測(cè)試結(jié)果(圖3),為學(xué)生講解傳統(tǒng)硅基MEMS微壓力學(xué)傳感器件的工作原理是受外力后半導(dǎo)體應(yīng)變結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械形變,進(jìn)而引起器件電阻率的變化。具體可由公式≈=πEε表述其器件靈敏度和檢測(cè)限性能指標(biāo)。作為傳感器件靈敏度,其正相關(guān)于敏感結(jié)構(gòu)彈性系數(shù)。為提升傳感器件靈敏度,硅基壓力MEMS器件先后引入了薄膜結(jié)構(gòu)、島膜結(jié)構(gòu)、梁膜結(jié)構(gòu)等以提高彈性系數(shù),增強(qiáng)器件靈敏度。盡管進(jìn)行了各種優(yōu)化,但受限于體硅材料屬性和微米級(jí)特征尺寸,其靈敏度和檢測(cè)最小值提升困難。
我國(guó)《“十四五”醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等機(jī)關(guān)政策文件,明確要求了醫(yī)療系統(tǒng)的智能升級(jí)和高精度監(jiān)測(cè)等具體需求。比如重癥病人的呼吸機(jī)等醫(yī)療設(shè)備,其前端氣壓檢測(cè)數(shù)值普遍為Pa量級(jí),傳統(tǒng)硅基MEMS力學(xué)傳感器件大多為kPa量級(jí),其應(yīng)用于高精度醫(yī)療設(shè)備監(jiān)測(cè)困難較大。面對(duì)政策引導(dǎo)和實(shí)際需求,以微電子專業(yè)學(xué)生的視角,如何采用新材料和新結(jié)構(gòu)以提升器件性能,將在授課教師的引導(dǎo)下對(duì)學(xué)生發(fā)起提問(wèn)和分組討論。待學(xué)生討論發(fā)言之后,教師以自己申報(bào)的國(guó)家青年基金項(xiàng)目為例,介紹了石墨烯具有大約1.8×104的應(yīng)變系數(shù),且單原子厚度導(dǎo)致石墨烯能帶結(jié)構(gòu)對(duì)外部應(yīng)力環(huán)境變化響應(yīng)極為靈敏,有報(bào)道稱實(shí)驗(yàn)室級(jí)的純石墨烯壓力傳感器靈敏度比較容易高出硅基壓力傳感器靈敏度數(shù)十倍。那么石墨烯碳基壓力傳感器性能是否還可以進(jìn)一步提升呢?提示學(xué)生石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)可由外部電場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行無(wú)損調(diào)制,看是否可通過(guò)引入外部極化材料對(duì)石墨烯界面進(jìn)行電學(xué)性能調(diào)制?隨后授課教師引出鐵電/石墨烯復(fù)合壓感薄膜結(jié)構(gòu),并對(duì)其工作原理和潛在性能從軟件仿真上進(jìn)行了性能預(yù)判。
基于課堂仿真結(jié)果展示,學(xué)生了解到納米尺度下的鐵電材料具有大應(yīng)力梯度和表面電勢(shì)輸出,與石墨烯復(fù)合后的納米懸梁結(jié)構(gòu)可在受外部應(yīng)力施加后通過(guò)鐵電界面極化電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)石墨烯的電導(dǎo)率變化量,以提升其傳感器件性能。課堂上學(xué)生與教師就該問(wèn)題進(jìn)行了積極的討論,部分學(xué)生在課后交流過(guò)程中,通過(guò)與研究生溝通交流,制作了簡(jiǎn)易的鐵電/石墨烯復(fù)合壓感器件,并通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)試驗(yàn)證了其較高的器件力學(xué)檢測(cè)靈敏度,具體見典型成果部分。
(三) 課程考核評(píng)價(jià)模式修訂
本門課程的考核目標(biāo)是考查學(xué)生利用微納電子專業(yè)的科學(xué)原理和方法對(duì)微電子科學(xué)與工程專業(yè)相關(guān)的工程問(wèn)題進(jìn)行研究和分析能力。涉及到的考核方式主要包括課堂討論、課后作業(yè)和調(diào)研報(bào)告三個(gè)部分,對(duì)應(yīng)考核成績(jī)占比分別為0.20、0.30和0.50(表1)。課堂情況主要考核學(xué)生的課堂發(fā)言、討論分析等,課后作業(yè)可通過(guò)考核學(xué)生制作的實(shí)物樣件、項(xiàng)目成果復(fù)現(xiàn)等進(jìn)行考察,期末則通過(guò)調(diào)研報(bào)告的形式對(duì)自己感興趣的微電子類科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行撰寫評(píng)述。
三 典型教學(xué)成果展示
經(jīng)過(guò)上述教學(xué)改革舉措,授課教師在學(xué)生培養(yǎng)方面已取得了較為顯著的教學(xué)成果。比如課堂上的某位學(xué)生對(duì)課程中的微機(jī)電MEMS系統(tǒng)比較感興趣,在課堂上面積極發(fā)言,與老師討論除了基于撓曲電效應(yīng)的微弱力學(xué)信號(hào)傳感器件設(shè)計(jì)制造方案。其根據(jù)考核評(píng)價(jià)模式中的課后作業(yè)評(píng)測(cè)方面內(nèi)容指示,選擇了復(fù)現(xiàn)撓曲電壓力傳感器件的仿真和器件制備。圖4為本科生進(jìn)行的仿真和器件制備實(shí)物圖。
學(xué)生后續(xù)復(fù)現(xiàn)和參觀的鐵電/石墨烯壓感器件如圖4所示,通過(guò)機(jī)械施力設(shè)備,對(duì)不同壓力下的電阻率響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表面低至0.098 kPa量級(jí)的壓力數(shù)值都可以進(jìn)行穩(wěn)定的檢測(cè),且多次測(cè)量之后的器件穩(wěn)定性能基本保持不變。所以基于論文作者的國(guó)家青年基金項(xiàng)目,學(xué)生不僅從課堂上對(duì)微電子類的壓力傳感器件應(yīng)用背景特點(diǎn)、理論技術(shù)路線進(jìn)行了解,同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,了解到微電子知識(shí)在傳感器件性能提升方面的具體應(yīng)用。
四 結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)正在大力布局和快速發(fā)展,培養(yǎng)適應(yīng)微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高層次人才隊(duì)伍對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)至關(guān)重要。微納電子技術(shù)發(fā)展概述專題作為大四本科生選修課程,對(duì)于即將步入微電子行業(yè)或深造的學(xué)生具有較為重要的意義。通過(guò)將項(xiàng)目式混合教學(xué)模式融入微電子類課程教學(xué),從學(xué)校自身項(xiàng)目申報(bào)和熱點(diǎn)問(wèn)題出發(fā),將研究背景、研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路徑等與學(xué)生討論交流,充分調(diào)研學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,使學(xué)生系統(tǒng)深刻理解本門課程的特點(diǎn),有助于學(xué)生獨(dú)立思考、創(chuàng)新發(fā)掘和分析應(yīng)用等能力的培養(yǎng),使學(xué)生提前適應(yīng)微電子行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r。
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