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高校科转成果精选|清华团队研发亚厘米级机器人;中国科大在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展!

程琳
来源 : 智造前言 2022-08-08 10:51    阅读量:0   

高校科转成果精选|清华团队研发亚厘米级机器人;中国科大在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展!0

由武汉大学与华为团队联合打造的全球首个遥感影像智能解译专用深度学习框架“LuoJiaNET”和业界最大遥感影像样本库“LuoJiaSET”在华为昇思社区上线啦,LuoJia“双子”可以向全世界用户开源、开放,并接受公众的性能测试、应用开发。


目录

01清华团队研发亚厘米级机器人,未来用于飞机发动机管路检测等领域

02中国科大在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展

03中国科大在InGaAs单光子探测芯片设计制造领域取得重要进展


#高校成果精选


清华团队研发亚厘米级机器人,未来用于飞机发动机管路检测等领域!

为确保飞机发动机和炼油厂设备等复杂系统能够良好、安全运行,需要时常对其管路进行检查。值得注意的是,须检查管道的直径有几毫米到几十厘米不等。现有管道机器人大都采用电磁电机和齿轮传动系统,包括轮式、行走式、履带式等各种机器人,较适合检测大直径管道,而当管道直径小于 1 厘米时,此类机器人的尺寸若想进一步缩小就比较困难,适用性就会大打折扣。


近日,来自清华大学机械工程系现代机构学与机器人化装备实验室的科学家,开发了一款可用于亚厘米(10.1 厘米之间)级管道检测的机器人,重量只有 2.2 克,直径小于 厘米,长 4.7 厘米。该研究成果在一定程度上弥补了微小管道检测领域的不足。相关论文以《一种用于亚厘米尺度管状环境导航的管道检测机器人》(A pipeline inspection robot for navigating tubular environments in the sub-centimeter scale)为题发表在 Science Robotics 上。清华大学机械工程系博士后汤超为论文第一作者,通讯作者为该系副教授赵慧婵。

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|安装摄像头的机器人在不锈钢管中检查环境的图像


据了解,该亚厘米尺度检测机器人采用了智能驱动材料介电弹性体致动器(Dielectric Elastomer ActuatorsDEAs)作为人造肌肉。与小体积的电磁电机相比,DEAs 具有更高的功率,更有可能被扩展到小尺寸,从实践来说,其目前已被尝试应用于小型移动机器人上。该工作所采用的DEAs 还有着较长的使用寿命和较快的响应速度因此在管道运动方面表现出独特的优势。


 

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 |DEAs 机械性能的表征


在小型管道中,机器人和管壁之间需要有可靠的相互作用,设计一个软机器人来实现敏捷的导航和有效的检查有着其必要性。DEAs 依赖于电荷的转移进行驱动,因此具有更高的功率密度,在小型管道检测机器人制作上有着巨大潜力。研发的亚厘米尺度机器人能够在S形、螺旋形等不同几何形状的管道中移动,即使管道中含有油、气体等介质,也运行良好。它还适用于玻璃、金属或碳纤维等不同管道材质,并在人工控制下,它能以不同速度成功完成所安排的检查任务。此次研发机器人的锚定单元基于智能复合材料微结构(Smart Composite Microstructure,简称 SCM)技术,该技术能够克服微机械加工技术的局限性,已经在微型机器人的结构设计中得到了广泛应用,并且最终实现了机器人在亚厘米大小管道中各方向的快速运动。

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 |安装摄像头的机器人在不锈钢管中检查环境的图像


中国科大在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展!

近日,中国科大微电子学院龙世兵教授课题组两篇论文入选第34届功率半导体器件和集成电路国际会议(ISPSD


能源、信息、国防、轨道交通、电动汽车等领域的快速发展,对功率半导体器件性能提出了更高的要求,高耐压、低损耗、大功率器件成为未来发展的趋势。氧化镓作为新一代功率半导体材料,禁带宽带大、抗极端环境强,有望在未来功率器件领域发挥极其重要的作用。但氧化镓功率半导体器件推向产业化仍然有很多问题,包括边缘峰值电场难以抑制、增强型晶体管难以实现。该课题组针对这两个痛点分别做了如下工作:


1、高耐压氧化镓二极管


目前,由于氧化镓P型掺杂仍然存在挑战,氧化镓同质PN结作为极其重要的基础器件暂时难以实现,导致氧化镓二极管器件缺乏采用同质PN结抑制阳极边缘峰值电场(例如场环、结终端扩展等)。为此,采用其他合适的P型氧化物材料与氧化镓形成异质结是一种可行解决方案。P型半导体NiO由于禁带宽度大及可控掺杂的特点,是目前较好的选择。


该课题组基于NiO生长工艺异质PN的前期研究基础(Weibing Hao, et.al., Applied Physics Letters, 118, 043501, 2021),设计了结终端扩展结构(Junction Termination Extension, JTE),并优化退火工艺,成功制备出耐高压且耐高温的氧化镓异质结二极管。该研究采用的JTE设计能够有效缓解NiO/Ga2O3结边缘电场聚集效应,提高器件的击穿电压。退火工艺能够极大降低异质结的反向泄漏电流,提高电流开关比。最终测试结果表明该器件具有2.5mΩ·cm2的低导通电阻和室温下2.66 kV的高击穿电压,其功率品质因数高达2.83 GW/cm2。此外,器件在250 °C下仍能保持1.77 kV的击穿电压,表现出极好的高温阻断特性,这是领域首次报道的高温击穿特性。研究成果以“2.6 kV NiO/Ga2O3Heterojunction Diode with Superior High-Temperature Voltage Blocking Capability”为题发表在ISPSD 2022上。第一作者为该校微电子学院博士生郝伟兵,微电子学院龙世兵教授和徐光伟特任副研究员为论文共同通讯作者。

 

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 |结终端扩展NiO/β-Ga2O3异质结二极管(a)截面示意图和器件关键制造细节,(b)与已报道的氧化镓肖特基二极管及异质结二极管的性能比较。


2、增强型氧化镓场效应晶体管


增强型晶体管具有误开启自保护功能,且仅需要单电源供电,因此在功率应用中通常选用增强型器件。但由于氧化镓P型掺杂技术缺失,场效应晶体管一般为耗尽型器件,增强型结构难以设计和实现。常见的增强型设计方案往往会大幅提升器件的开态电阻,导致过高的导通损耗。


针对上述问题,该课题组在原有增强型晶体管设计基础上(Xuanze Zhou, et.al., IEEE Transactions on Electron Devices, 68, 1501-1506, 2021),引入了同样为宽禁带半导体材料的PNiO,并与沟槽型结构相结合,成功设计并制备出了氧化镓增强型异质结场效应晶体管。该器件达到了0.9 V的阈值电压,较低的亚阈值摆幅(73 mV/dec),高器件跨导(14.8 mS/mm)以及接近零的器件回滞特性,这些特性表明器件具有良好的栅极控制能力。此外,器件的导通电阻得到了很好的保持,为151.5 Ω·mm,并且击穿电压达到了980 V


 

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 |基于异质PN氧化镓结型场效应晶体管(a)结构示意图及工艺流程图,(b)不同漏极偏压的转移特性,(c)输出特性曲线,与(d)击穿特性曲线


研究成果以“Normally-offβ-Ga2O3Power Heterojunction Field-Effect-Transistor Realized by p-NiO and Recessed-Gate”为题发表在ISPSD 2022上。第一作者为该校微电子学院博士生周选择,微电子学院龙世兵教授和徐光伟特任副研究员为论文共同通讯作者。


中国科大在InGaAs单光子探测芯片设计制造领域取得重要进展!

中国科学技术大学光学与光学工程系王亮教授课题组设计并制备的InGaAs单光子探测器芯片取得重大进展。该研究团队通过设计金属分布式布拉格反射器优化单光子探测器芯片的光学性能,完成低本征暗计数的单光子探测器芯片的全自主化设计与制备,实现了单光子探测器芯片的全国产化,为解决国家亟需的前沿科技问题迈进了重要一步。相关研究成果以“High performance InGaAs/InP single-photon avalanche diode using DBR-metal reflector and backside micro-lens”为题,在线发表在电子工程技术领域的知名期刊Journal of Lightwave Technology上。中国科学技术大学光学与光学工程系王亮教授为该论文的通讯作者,博士研究生张博健为该论文的第一作者。


基于InGaAs材料的半导体单光子雪崩二极管(SPAD)具有单光子级别高灵敏度、短波红外波段的人眼安全、大气窗口波段低损耗、穿透雾霾、低功耗、小尺寸、易于集成等优秀特点。这些优点使 SPAD在量子信息技术、主被动的焦平面探测器、城市测绘、激光雷达等多个领域均发挥着巨大的作用,具有极大的民用、商用以及军用价值。

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 |aSPAD的器件结构示意图(b12μm窗口的超低暗计数SPAD芯片及测试结果


王亮教授研究团队通过调整MOCVD的温度、V/III比、掺杂浓度等生长参数实现低缺陷密度和高掺杂精度的外延结构生长。在SPAD器件结构的基础上提出并设计了新型的宽谱(全光通信波段)全反射镜,即金属分布式布拉格反射镜用以提升SPAD芯片的光电吸收效率。研究团队所制备的12μm窗口的低暗计数SPAD,在温度233 K及 10%的探测效率下具有127 Hz的超低本征暗计数,比国外同类产品低一个量级,拥有更优的器件性能,此芯片可满足量子通信等应用的单光子探测的使用需求并可替代进口器件。

以上内容来源:科转云


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