實驗簡介

本實驗以“MEMS電容式加速度計”為設(shè)計對象，包含MEMS加速度計認知、結(jié)構(gòu)/電路設(shè)計與制造工藝、加速度計校準(zhǔn)和應(yīng)用示例四個環(huán)節(jié)。秉持“能實不虛”的原則，以2種應(yīng)用需求為導(dǎo)向，結(jié)合研討式、任務(wù)驅(qū)動式、探索式等教學(xué)方法，以及多角度、多層次的實驗教學(xué)考核評價體系開展虛擬仿真實驗，實現(xiàn)“兩性一度”金課標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計原則

傳感器與計算機、通信被稱為信息系統(tǒng)的三大支柱，傳感器技術(shù)優(yōu)劣成為衡量一個國家科技水平和是否處在國際戰(zhàn)略競爭制高點的重要標(biāo)志，是發(fā)達國家高度重視和爭相發(fā)展的核心基礎(chǔ)技術(shù)。針對MEMS傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工藝設(shè)備價格昂貴且對環(huán)境要求非?？量?，校準(zhǔn)試驗受到場地及安全限制等實驗教學(xué)的難題，團隊以相關(guān)科研和教學(xué)成果為基礎(chǔ)，遵照“能實不虛，虛實結(jié)合”的原則，為《傳感器原理與應(yīng)用》課程自主研發(fā)了MEMS電容式加速度傳感器虛擬實驗項目。

首先，堅持以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，實驗方案采用了問題導(dǎo)向的設(shè)計方法，實驗情景吸引力強，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

第二，本實驗通過環(huán)環(huán)相扣的4個實驗環(huán)節(jié)，將知識學(xué)習(xí)和能力提升有機融合，引導(dǎo)學(xué)生通過容錯探究式的實驗過程得到個性化的實驗結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和探究式的思維方式。

第三，本實驗的挑戰(zhàn)度高，實驗知識點源于課堂，但實驗內(nèi)容來源于MEMS傳感器設(shè)計和加工工藝領(lǐng)域的前沿，實驗從基本原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工工藝，測控電路，校準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理等幾個方面引導(dǎo)學(xué)生完成傳感器設(shè)計的全周期過程。在實驗前，學(xué)生需要通過本實驗提供的“在線知識角”，對相關(guān)領(lǐng)域的知識進行學(xué)習(xí)。

第四，本實驗將立德樹人融入教學(xué)全過程。當(dāng)前在中美貿(mào)易戰(zhàn)愈演愈烈的背景下，國內(nèi)電子元器件尤其是MEMS器件對進口依賴嚴(yán)重，MEMS傳感器設(shè)計與關(guān)鍵加工工藝已成為“卡脖子”技術(shù)，本課程在培養(yǎng)傳感器芯片研發(fā)與傳感器芯片產(chǎn)業(yè)人才的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生積極投身到祖國的建設(shè)中來實現(xiàn)愛國之舉、強國之夢。

實驗?zāi)康?/b>

本課程根據(jù)《傳感器原理及應(yīng)用》，測試技術(shù)課程大綱以及知識點的要求，結(jié)合MEMS傳感器的軍民兩用的需求，從MEMS傳感器的基本原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工工藝，測控電路，標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理等各階段開展了虛擬仿真實驗，以傳感器設(shè)計指標(biāo)為任務(wù)導(dǎo)向，開展自主容錯探究式虛擬仿真實驗，使學(xué)生僅在4學(xué)時內(nèi)深入了解傳感器從設(shè)計到成品的每個環(huán)節(jié)與最終的傳感器靜動態(tài)特性指標(biāo)之間的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生認知和分析推理能力，實現(xiàn)理論與實踐良好結(jié)合的目的。

（1）ＭＥＭＳ電容式加速度計原理認識

以分解部件的形式展示ＭＥＭＳ電容式加速度計的過程，建立學(xué)生對ＭＥＭＳ傳感器過程的全面認知和理解，并為下一步傳感器的設(shè)計實驗和整機標(biāo)定實驗奠定基礎(chǔ)

（2）傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，加工工藝設(shè)計實驗

通過引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)，以及加工工藝流程，使同學(xué)們掌握ＭＥＭＳ傳感器的質(zhì)量－彈簧－阻尼結(jié)構(gòu)特點以及光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕（濕法刻蝕和干法刻蝕）等關(guān)鍵工藝問題，為將來各類MEMS設(shè)計與制作打下基礎(chǔ)。

（3）傳感器測控電路設(shè)計

通過總體任務(wù)和分項任務(wù)，設(shè)計與實現(xiàn)傳感器的微弱信號調(diào)制、濾波等功能，實現(xiàn)高仿真度的電路調(diào)試過程。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)電路的性能參數(shù)或曲線分析設(shè)計的調(diào)理電路是否滿足任務(wù)要求，強化學(xué)生們的電路設(shè)計的能力。

（4）傳感器標(biāo)定與應(yīng)用示例

學(xué)生通過在離心機，振動臺等在虛擬仿真平臺進行整機實驗，獲得自己設(shè)計的傳感器靈敏度，線性度，重復(fù)性等指標(biāo)，讓學(xué)生們理解傳感器的靜動態(tài)特性的實驗過程及要求。同時把設(shè)計的傳感器應(yīng)用到實際的工作背景中，使學(xué)生通過探究思考，分析在該應(yīng)用過程中傳感器需要在哪些方面進行性能優(yōu)化，提高分析問題及解決問題的能力。

實驗要求

（1）專業(yè)與年級要求

本實驗屬于南京理工大學(xué)大學(xué)學(xué)科課程《傳感器原理及應(yīng)用》，兼顧《測試技術(shù)》、《新型傳感器》等學(xué)科課程，課程面向全校工科專業(yè)大三至大四的學(xué)生任選。、

（2）基本知識和能力要求

由于MEMS傳感器是機電和信息高度交叉融合的科技前沿，因此本課程的教學(xué)內(nèi)容是跨專業(yè)、跨學(xué)科、跨能力范疇的交叉融合。本課程的先修課包括《傳感器原理及應(yīng)用》、《測試技術(shù)》、《新型傳感器》等。

學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程之前所需掌握的主要能力和知識結(jié)構(gòu)包括：

要求學(xué)生初步了解傳感器的基本原理及分類。

要求學(xué)生掌握基本的傳感器測控電路。

在實際教學(xué)中，本實驗不僅應(yīng)用于《傳感器原理及應(yīng)用》課程，相關(guān)實驗環(huán)節(jié)還應(yīng)用于團隊開設(shè)的上述先修課程的實驗教學(xué)。值得一提的是，由于本項目的知識角提供了大量文獻、視頻學(xué)習(xí)資料，因而上述先修課程的學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，也都能較好的完成本實驗所有環(huán)節(jié)的實驗任務(wù)。