Nature Communications：新型智能应力调控功率器件

【引言】
智能功率器件在基础电源控制到先进电源拓扑网络中均有广泛应用。传统的响应外部机械信号的电力系统通常由集成一系列应力传感器、A/D或D/A转换器、强电/弱电隔离器、功率器件等元件，在CPU控制下实现反馈的长链式控制系统。直接响应外部机械信号的智能功率器件有利于简化系统复杂度、提升可靠性及响应速度，在自动控制、人工智能等领域有潜在应用价值。
【成果简介】
人体条件-非条件反射的复合系统是一个实时、灵敏响应/反馈外部机械信号的成功案例，例如在脊髓反射弧控制下腿部实时响应机械刺激的膝跳运动，同时仍受高位神经中枢监控。借鉴这种复合控制系统，中国科学院北京纳米能源与系统所王中林院士和胡卫国研究员的研究团队基于压电电子学设计了一种新型智能应力调控功率器件（SPD），可以实现微弱机械信号对大功率密度电力的直接、实时、可编程调控，构建类似于条件-非条件层级控制系统。AlGaN/GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）是备受关注的新一代高温、高压、高功率电力电子器件，广泛应用于能源、工业动力、汽车电子、自动控制等领域。研究中采用同向-异向全干法刻蚀技术，在微米尺度的悬臂梁结构上制备AlGaN/GaN HEMT单元；基于王中林院士2006年提出的压电电子学理论，外部微弱机械信号调制AlGaN/GaN异质结处压电极化场的强度与分布，从而调制二维电子气浓度，最终实现对大功率电力输出的直接控制；同时保留电学栅极，控制电力对机械信号响应的响应度，类似于高位神经中枢的可编程管控。利用这种新型智能应力调控功率器件，验证了加速度反馈电力控制的新式层级控制系统。这种新型智能功率器件能够极大简化系统复杂度，大幅降低系统成本，同时提升可靠性、响应速度，有利于构建多路并行、分布式网络，进一步减少部分单元失能对系统稳定性的冲击，将在自动驾驶、仿生机器人、自动控制等领域有广泛应用前景。

该研究成果以“Strain-controlled power devices as inspired by human reflex”为题，发表在近期的《自然-通讯》上（Nature Communications）。中国科学院北京纳米能源与系统研究所化麒麟副研究员、胡卫国研究员和王中林院士为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院百人计划等项目资助。

【图文导读】

图1人体神经反射启发的新型智能应力调控功率器件

a.人体膝跳反射过程的示意图；

b.新型智能应力调控功率器件（SPD）的概念图。

图2 SPD的结构及表征

a.微米尺度悬臂梁结构AlGaN/GaN HEMT单元的示意图；
b.器件单元的扫描电子显微（SEM）照片；
c.AlGaN/AlN/GaN异质结的元素分布图；
d.AlGaN/AlN/GaN异质结的高分辨透射电子显微（TEM）照片。

图3 SPD的电学特性

a,b. SPD的输出特性和转移特性曲线；
c.有无微米悬臂梁结构的AlGaN/AlN/GaN异质结拉曼谱对比；
d,e. 栅压分别为-5 V和1 V时，SPD在不同应力（0-16 mN）下的输出特性曲线；
f.SPD在不同应力（0mN，4 mN和16 mN）下的跨导特性曲线。

图4 SPD的应力

a.栅压为-5 V和1 V时，SPD在不同应力（0-16 mN）下的输出功率密度；
b.SPD的输出功率密度与输入应变和栅压的关系；
c.SPD在循环加载/释放应力过程中的相对输出功率密度变化。

图5 器件的可重复应力依赖关系分析

a.连续加载/释放应力（0/16 mN）过程中的SPD输出特性曲线；
b.栅压为-10 V和0 V时，SPD输出与不同应力（0-16 mN）的关系。


图6 SPD的加速度反馈功率.，控制

a.自动驾驶汽车在紧急制动情况下的自动无监督输出功率调节的概念图；
b.机器人在运动过程中实现姿态平衡的功率自调节的概念图；
c.SPD在不同加速度（1-5G）下的实时自调节输出功率；
d.SPD输出功率密度变化与加速度的关系。

文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-14234-7

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