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      MEMS電容式加速度計虛擬仿真實驗

      MEMS電容式加速度計虛擬仿真實驗

      實驗簡介本實驗以“MEMS電容式加速度計”為設計對象,包含MEMS加速度計認知、結構/電路設計與制造工藝、加速度計校準和應用示例四個環節。秉持“能實不虛”的原則,以2種應用需求為導向,結合研討式、任務驅動式、探索式等教學方法,以及多角度、多層次的實驗教學考核評價體系開展虛擬仿真實驗,實現“兩性一度”金課標準。設計原則傳感器與計算機、通信被稱為信息系統的三大支柱,傳感器技術優劣成為衡量一個國家科技水平和是否處在國際戰略競爭制高點的重要標志,是發達國家高度重視

      南京理工大學

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      實驗簡介


      本實驗以“MEMS電容式加速度計”為設計對象,包含MEMS加速度計認知、結構/電路設計與制造工藝、加速度計校準和應用示例四個環節。秉持“能實不虛”的原則,以2種應用需求為導向,結合研討式、任務驅動式、探索式等教學方法,以及多角度、多層次的實驗教學考核評價體系開展虛擬仿真實驗,實現“兩性一度”金課標準。



      設計原則


      傳感器與計算機、通信被稱為信息系統的三大支柱,傳感器技術優劣成為衡量一個國家科技水平和是否處在國際戰略競爭制高點的重要標志,是發達國家高度重視和爭相發展的核心基礎技術。針對MEMS傳感器內部結構復雜,制作工藝設備價格昂貴且對環境要求非??量?,校準試驗受到場地及安全限制等實驗教學的難題,團隊以相關科研和教學成果為基礎,遵照“能實不虛,虛實結合”的原則,為《傳感器原理與應用》課程自主研發了MEMS電容式加速度傳感器虛擬實驗項目。

      首先,堅持以學生為中心的教學理念,實驗方案采用了問題導向的設計方法,實驗情景吸引力強,有利于調動學生的學習興趣和積極性。

      第二,本實驗通過環環相扣的4個實驗環節,將知識學習和能力提升有機融合,引導學生通過容錯探究式的實驗過程得到個性化的實驗結果,培養學生解決復雜問題的綜合能力和探究式的思維方式。

      第三,本實驗的挑戰度高,實驗知識點源于課堂,但實驗內容來源于MEMS傳感器設計和加工工藝領域的前沿,實驗從基本原理,結構設計與加工工藝,測控電路,校準及數據處理等幾個方面引導學生完成傳感器設計的全周期過程。在實驗前,學生需要通過本實驗提供的“在線知識角”,對相關領域的知識進行學習。

      第四,本實驗將立德樹人融入教學全過程。當前在中美貿易戰愈演愈烈的背景下,國內電子元器件尤其是MEMS器件對進口依賴嚴重,MEMS傳感器設計與關鍵加工工藝已成為“卡脖子”技術,本課程在培養傳感器芯片研發與傳感器芯片產業人才的基礎上,引導學生積極投身到祖國的建設中來實現愛國之舉、強國之夢。



      實驗目的


      本課程根據《傳感器原理及應用》,測試技術課程大綱以及知識點的要求,結合MEMS傳感器的軍民兩用的需求,從MEMS傳感器的基本原理,結構設計與加工工藝,測控電路,標定與數據處理等各階段開展了虛擬仿真實驗,以傳感器設計指標為任務導向,開展自主容錯探究式虛擬仿真實驗,使學生僅在4學時內深入了解傳感器從設計到成品的每個環節與最終的傳感器靜動態特性指標之間的關系,激發學生學習興趣,提高學生認知和分析推理能力,實現理論與實踐良好結合的目的。

      (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計實驗和整機標定實驗奠定基礎

      (2)傳感器結構設計,加工工藝設計實驗

      通過引導學生自主設計傳感器的結構,以及加工工藝流程,使同學們掌握MEMS傳感器的質量-彈簧-阻尼結構特點以及光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕(濕法刻蝕和干法刻蝕)等關鍵工藝問題,為將來各類MEMS設計與制作打下基礎。

      (3)傳感器測控電路設計

      通過總體任務和分項任務,設計與實現傳感器的微弱信號調制、濾波等功能,實現高仿真度的電路調試過程。引導學生根據電路的性能參數或曲線分析設計的調理電路是否滿足任務要求,強化學生們的電路設計的能力。

      (4)傳感器標定與應用示例

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



      實驗要求


      (1)專業與年級要求

      本實驗屬于南京理工大學大學學科課程《傳感器原理及應用》,兼顧《測試技術》、《新型傳感器》等學科課程,課程面向全校工科專業大三至大四的學生任選。、

      (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,因此本課程的教學內容是跨專業、跨學科、跨能力范疇的交叉融合。本課程的先修課包括《傳感器原理及應用》、《測試技術》、《新型傳感器》等。

      學生學習本門課程之前所需掌握的主要能力和知識結構包括:

      要求學生初步了解傳感器的基本原理及分類。

      要求學生掌握基本的傳感器測控電路。

      在實際教學中,本實驗不僅應用于《傳感器原理及應用》課程,相關實驗環節還應用于團隊開設的上述先修課程的實驗教學。值得一提的是,由于本項目的知識角提供了大量文獻、視頻學習資料,因而上述先修課程的學生通過自主學習,也都能較好的完成本實驗所有環節的實驗任務。


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