《敏感材料与器件》课程教学大纲

《敏感材料与器件》课程教学大纲

一、课程名称（中英文）

中文名称：敏感材料与器件

英文名称：Sensor Materials and devices 二、课程代码及性质

专业选修课程 三、学时与学分

总学时：32 学分：2 四、先修课程

《材料科学基础》、《固体物理》、《检测与控制》 五、授课对象

本课程面向功能材料专业学生开设

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）【注：教学目的要突出各项“能力”，且与表1中的某项指标点相对应】

本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：

1、掌握金属氧化物气敏原理、气敏材料制备与性能方法，培养传感材料研发的基础能力。

2、了解金属氧化物气敏器件的制造以及气敏检测仪器开发的流程，具备传感器及应用的实践能力。

3、了解气体敏感以及电子鼻技术前沿和发展趋势，正确认识该技术领域在社会经济发展中所起的作用。

4、掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系 毕业要求及其指标点 毕业要求 指标点 1.1掌握了用于解决功能材料领域复杂问题的数学基础知识。 1.2掌握了用于解决功能材料领域复杂问题的物理、化学等自毕业要求1：工程知识 能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。 然科学基础知识。 1.3掌握了用于解决功能材料领域复杂问题的工程力学基础知识。 1.4掌握了用于解决功能材料领域复杂问题的工程检测与控制基础知识。 1.5系统掌握了专业知识，能够将所学知识用于解决功能材料领域复杂问题。 2.1能够应用工程数学基本原理，识别、表达、并通过文献研毕业要求2：问题分析 能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。 毕业要求3：设计/开发解决方案 能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等因素。 究分析复杂工程问题，以获得有效结论。 2.2能够应用物理、化学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。 2.3能够应用力学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。 2.4能够应用工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。 3.1了解功能材料与器件问题的特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。 3.2在考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等制约因素的前提下，能够设计（开发）针对复杂功能材料与器件问题的解决方案，具备设计（开发）满足特定工程需求的功能材料系统、单元（部件）或工艺流程的能力。 3.3在设计（开发）过程中，具有追求功能材料领域复杂问题创新解决的态度和意识，掌握了基本的创新方法，清楚创新方向及领域。 4.1掌握功能材料的合成与制备技术的原理及特点，能够采用毕业要求4：研究 能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。 科学方法，具备合理设计制备功能材料的复杂实验、开展科学研究的能力。 4.2掌握功能材料与器件的分析测试技术的原理及主要特点，能够采用科学方法，正确构建并实施功能材料与器件测试的综合实验，得出正确结果的能力。 4.3能正确使用和处理实验数据，通过信息综合处理，具备对复杂的功能材料和器件的测试结果进行正确分析的能力。 4.4了解功能材料制备与测试所需的常用设备、实验仪器及实验方法，具备设备及仪器参数，进行测控和维护的能力。 毕业要求5：使用现代工具 能够针对复杂工程问题，5.2了解功能材料专业重要资料来源及获取方法。 5.1掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。 课程目标2 课程目标4 课程目标1 本课程目标对毕业要求的支撑关系

毕业要求及其指标点 毕业要求 开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。 毕业要求6：工程与社会 能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。 毕业要求7：环境和可持续发展 能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。 6.1了解与功能材料相关的国家方针、与法律法规，能够评价工程实践对社会、健康、安全、法律以及文化的影响。 6.2了解功能材料专业的特点及其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，能够正确评价各种功能材料制备与表征方案的优劣。 6.3能正确认识功能材料的制备和加工中的各种复杂工艺对于客观世界和社会的影响，理解并能够承担的相应工程和社会责任。 7.1了解功能材料专业的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。 7.2能正确理解和评价功能材料领域复杂问题的实施对环境保护及社会可持续发展等的影响。 7.3在解决功能材料领域复杂的实际问题中，能够正确理解并考虑工程实践对环境、社会可持续发展的影响。 8.1具有人文社会科学素养，理解世界观、人生观的基本意义毕业要求8：职业规范 具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职及其影响。 8.2了解中国国情，理解中国可持续科学发展道路以及个人的做人规范，具有较高的社会责任感。 8.3在工程实践中，理解工程师的职业性质、职业责任,具备工5.4掌握功能材料与器件领域复杂工程问题的预测与模拟方法，理解其局限性。 的工程实践的能力。 本课程目标对毕业要求的支撑关系 指标点 5.3具备应用各类文献、信息及资料进行功能材料与器件领域 课程目标3 业道德和规范，履行责任。 程师的职业道德 9.1具备较宽广的本学科基础知识和较高的个人素质，能够在毕业要求9 ：个人和团队 多学科背景下，承担个人及团队成员的作用。 能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。 9.2具备良好的团队协作精神，善于和团队其它成员协作、互补、交往。 9.3能够承担团队负责人角色，具备综合团队成员意见和建议，进行合理决策之领导能力。 毕业要求10：沟通 能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。10.2 了解本专业领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。 10.1较好地掌握了一门外语，了解不同文化的差异，具有一定的跨文化交流能力。 8.4具有健康的体质和良好的心理素质，能较好地履行责任。

毕业要求及其指标点 毕业要求 并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。 本课程目标对毕业要求的支撑关系 指标点 10.3能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，就复杂的专业工程问题进行有效沟通和交流。 11.1了解电子及材料工程管理和经济决策的基本知识，理解 课程目标4 毕业要求11：项目管理 理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。 并掌握工程管理原理与经济决策方法。 11.2具备应用工程管理和经济决策知识实践的工作能力，具有一定的组织、管理及领导能力，能够较好地通过口头或书面方式表达自己的想法。 11.3具有较强的综合归纳能力，能在多学科环境中加于应用。 毕业要求12：终身学习 具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。 12.1对终身学习的重要性，有自觉的意识和正确的认识。 12.2 能够采用合适的方法，自我学习、提高的能力。 12.3 能够适应社会进步与发展，与时代同步。 七、教学重点与难点： 课程重点：

（1） 金属氧化物气敏材料的气敏机制、导电模型、缺陷反应模型。

（2） 了解金属氧化物气敏材料的制备、器件制造、以及仪器开发的方法和流程。

（3） 了解金属氧化物气敏性能优化方法，包括：阵列优化、外场调制优化、原位参数测量等。 课程难点：

通过本课程的学习，充分理解金属氧化物气敏机制及相关模型，从而系统掌握气敏性能的影响机制。

八、教学方法与手段： 教学方法：

（1） 在课堂讲授中，教师全面而又有所侧重地阐述各章节的主要教学内容。教学课件的内容安排将与教科书中的内容相配合，力图起一个提纲挈领的作用。

（2） 每一次课后，学生温习自学教科书上的相关内容，并结合文献检索与资料查询，对所学内容加以拓展和巩固。

（3） 适当安排讨论课。讨论课有利于提高学生的主体意识和对课堂的参与度，并能加强学生之间以及师生之间的交流互动，从而能够强化教学效果。

教学手段：多媒体幻灯片放映，结合黑板板书。

九、教学内容与学时安排【注：每一章节的教学内容都要有对应的思考题作为课后作业】 （1）总体安排

教学内容与学时的总体安排，如表2所示。

表2 基本教学内容与学时安排

序号 1 2 3 4 5 课程内容 绪论 金属氧化物气敏的理论 气敏材料、器件、系统 金属氧化物的气敏性能优化 金属氧化物气敏的应用 课堂（学习、讨论）学时 2 8 8 8 6 课外（准备、复试、实践）学时 2 8 8 8 6 （2）具体内容

各章节的具体内容如下：

第一章 绪论（2学时）

1.1课程介绍 1.2气体敏感材料介绍 1.3金属氧化物气敏技术概况

第二章 金属氧化物气敏的理论（8学时）

2.1金属氧化物基础知识 2.2导电模型 2.3缺陷反应 2.4外场作用

第三章 气敏材料、器件、系统（8学时）

3.1材料制备 3.2气敏器件与封装 3.3气敏系统开发

第四章 金属氧化物的气敏性能优化（8学时）

5.1气敏材料筛选与器件性能优化 5.2响应动力学特性与阵列优化 5.3光热响应与光热气敏

5.4多层次性能测试与气敏机制研究 第五章 金属氧化物气敏的应用（6学时）

4.1气敏应用的概述 4.2 N2中H2、O2监测应用 4.3 甲醛传感应用

（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求 思考题（课后作业）： 第1章思考题：

1、简述金属氧化物气敏的基本原理。 2、简述气体检测的性能要求。 第2章思考题：

1、简述金属氧化物半导体平衡态电导的影响因素。 2、简述金属氧化物半导体非平衡态下电导的影响因素。 3、简述金属氧化物半导体的微结构与气敏性能的关系。 4、简述电场对金属氧化物气敏性能的作用。 第3章思考题：

1、简述金属氧化物气敏材料典型的制备方法。 2、简述金属氧化物器件封装的基本要求。 3、简述电子鼻的主要组成部分。 第4章思考题：

1、简述气敏材料阵列筛选与优化的常用方法。 2、比较光激发与热激发对金属氧化物气敏性能的影响。 3、简述金属氧化物气敏物理参数测量的基本方法。 4、简述金属氧化物气敏化学参数测量的基本方法。 第5章思考题：

1、简述电子鼻的应用领域。 2、思考电子鼻技术的发展趋势。

讨论（思考题及作业）要求：

1、每章节学习结束后，学生都要按上课教师的具体要求以书面的形式做一定数量的思考题，作为平时的作业成绩（按约10%计入课程总成绩）。

2、每位学生，根据自己的兴趣，完成1种金属氧化物气敏材料的研究现状分析，用PPT展示汇报（时间不超过10分钟），其它同学对该学生的汇报情况进行评价与交流。汇报表现与成绩，按约10%计入课程总成绩。

十、教材及参考书

教材：

陈艾，《敏感材料与传感器》，北京：化学工业出版社，2004年。

参考书：

1. 《传感器敏感材料与器件》，赵勇 著，机械工业出版社，2012年。 2. 《半导体物理学》，刘恩科 朱秉升 罗晋生编著，电子工业出版社，2011年。

十一、课程成绩评定与记载

1、 课程考核及评价细则

课程考核及评价细则，详见表3。

表3 课程考核及评价细则

考核/评价成绩组成 环节 上课表现 平时成绩 平时作业 30% 交流（读书报告PPT展示等） 考试成绩 考试的卷70% 面分数 分值 考核/评价细则 对应的教学目标 10 10 10 70 根据学生平时上课的出勤率、课堂表现及互1、2、3、动情况，视其对课程学习的态度及积极程4 度，按10%计入课程总成绩。 根据学生的课后作业的完成情况及质量，视其对课程知识理解、掌握情况，最后按10%1 计入课程总成绩。 每位学生，根据自己的兴趣，完成1种金属1、2、3、氧化物气敏材料的研究现状分析，用PPT展4 示汇报，成绩按10%计入课程总成绩。 主要考核对于金属氧化物气敏的基本原理、器件及应用相关技术的掌握、以及对于该领1、2、3、域的技术前沿和发展趋势的了解，以卷面成4 绩的70%计入总成绩。 2、终结性考试形式：

针对某一金属氧化物气敏材料或是某种气体的半导体电阻型传感技术的发展动态，结合课堂讲座内容及课后系统的文献调研，提交一份书面综述报告。报告评分以卷面成绩的70%计入总成绩。

撰稿：《敏感材料与器件》课程组

审核：材料科学与工程学院本科教学指导委员会