Nature Communications：新型智能應力調控功率器件

【引言】

智能功率器件在基礎電源控制到先進電源拓撲網絡中均有廣泛應用。傳統的響應外部機械信號的電力系統通常由集成一系列應力傳感器、A/D或D/A轉換器、強電/弱電隔離器、功率器件等元件，在CPU控制下實現反饋的長鏈式控制系統。直接響應外部機械信號的智能功率器件有利于簡化系統復雜度、提升可靠性及響應速度，在自動控制、人工智能等領域有潛在應用價值。

【成果簡介】

人體條件-非條件反射的復合系統是一個實時、靈敏響應/反饋外部機械信號的成功案例，例如在脊髓反射弧控制下腿部實時響應機械刺激的膝跳運動，同時仍受高位神經中樞監控。借鑒這種復合控制系統，中國科學院北京納米能源與系統所王中林院士和胡衛國研究員的研究團隊基于壓電電子學設計了一種新型智能應力調控功率器件（SPD），可以實現微弱機械信號對大功率密度電力的直接、實時、可編程調控，構建類似于條件-非條件層級控制系統。AlGaN/GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）是備受關注的新一代高溫、高壓、高功率電力電子器件，廣泛應用于能源、工業動力、汽車電子、自動控制等領域。研究中采用同向-異向全干法刻蝕技術，在微米尺度的懸臂梁結構上制備AlGaN/GaN HEMT單元；基于王中林院士2006年提出的壓電電子學理論，外部微弱機械信號調制AlGaN/GaN異質結處壓電極化場的強度與分布，從而調制二維電子氣濃度，最終實現對大功率電力輸出的直接控制；同時保留電學柵極，控制電力對機械信號響應的響應度，類似于高位神經中樞的可編程管控。利用這種新型智能應力調控功率器件，驗證了加速度反饋電力控制的新式層級控制系統。這種新型智能功率器件能夠極大簡化系統復雜度，大幅降低系統成本，同時提升可靠性、響應速度，有利于構建多路并行、分布式網絡，進一步減少部分單元失能對系統穩定性的沖擊，將在自動駕駛、仿生機器人、自動控制等領域有廣泛應用前景。

該研究成果以“Strain-controlled power devices as inspired by human reflex”為題，發表在近期的《自然-通訊》上（Nature Communications）。中國科學院北京納米能源與系統研究所化麒麟副研究員、胡衛國研究員和王中林院士為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院百人計劃等項目資助。

【圖文導讀】

圖1人體神經反射啟發的新型智能應力調控功率器件

a.人體膝跳反射過程的示意圖

b.新型智能應力調控功率器件（SPD）的概念圖

圖2 SPD的結構及表征

a.微米尺度懸臂梁結構AlGaN/GaN HEMT單元的示意圖

b.器件單元的掃描電子顯微（SEM）照片

c.AlGaN/AlN/GaN異質結的元素分布圖

d.AlGaN/AlN/GaN異質結的高分辨透射電子顯微（TEM）照片

圖3 SPD的電學特性

a,b. SPD的輸出特性和轉移特性曲線；

c.有無微米懸臂梁結構的AlGaN/AlN/GaN異質結拉曼譜對比；

d,e. 柵壓分別為-5 V和1 V時，SPD在不同應力（0-16 mN）下的輸出特性曲線；

f.SPD在不同應力（0mN，4 mN和16 mN）下的跨導特性曲線。

圖4 SPD的應力調控功率輸出特性

a.柵壓為-5 V和1 V時，SPD在不同應力（0-16 mN）下的輸出功率密度；

b.SPD的輸出功率密度與輸入應變和柵壓的關系；

c.SPD在循環加載/釋放應力過程中的相對輸出功率密度變化。

圖5 器件的可重復應力依賴關系分析

a.連續加載/釋放應力（0/16 mN）過程中的SPD輸出特性曲線；

b.柵壓為-10 V和0 V時，SPD輸出與不同應力（0-16 mN）的關系。

圖6 SPD的加速度反饋功率控制

a.自動駕駛汽車在緊急制動情況下的自動無監督輸出功率調節的概念圖；

b.機器人在運動過程中實現姿態平衡的功率自調節的概念圖；

c.SPD在不同加速度（1-5G）下的實時自調節輸出功率；

d.SPD輸出功率密度變化與加速度的關系。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-14234-7

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