高校科技成果尽在科转云

现阶段所设计的存算一体器件单元结构如图 1 所示： 器件的基本结构由波导和功能层（由下到上分为加热层、电极层、保护层、相变材料（硫系化合物）层）所构成。拟通过在当前流行的绝缘层上硅(SOI)光子平台上集成四氮化三硅光波导的方式实现器件的光学读取功能，即在非常厚的硅衬底层上生长一层绝缘层二氧化硅和波导层，然后在基片上通过光刻、显影、刻蚀等工艺制备四氮化三硅波导。功能层主要用于实现器件的电学写入功能。加热器层的主要用途是与相变材料层形成电接触，通过较小的接触面积使接触处的热量集中，从而可以在较小的电压或电流下使相变材料发生相变。因此需要加热器层具备较好的导热和导电性能，同时在近 C 波段具有较低的光损耗，可采用石墨烯。电极层可用于提供相变材料器件单元所需要的编程电脉冲。当前拟采用硒掺杂的相变材料合金（如 GSST）作为器件的核心功能层的相变材料。该材料在通信/非通信波段显示了极低的光损耗和更高的品质因数，且相变前后在通信 C 波段具有足够大的光学常数反差，可在更恶劣的高温环境下进行操作，适用于硅基光子器件应用。 采用的主要技术手段包括： ① 依托于相变材料的电致和光致相变特性，通过电学编程、光学读取的方法实现器件的存储、算术运算和逻辑运算功能：  存储功能的实现：拟利用相变材料晶态低透过率和非晶态高透过率分别代表二进制中的‘1’和‘0’，实现数据存储（编程）功能。例如在电极两端施加合适的电脉冲，所产生电流流经加热层时，生成的热量主要集中在加热层和相变材料层接触处，使得接触处的相变材料发生相变，实现存储功能。在完成上述编程操作后，从器件波导输入端输入读取连续光。由于相变材料功能层对光强的吸收能力在编程和非编程区域间存在着显著的差异，因此当输入光经过波导后，其能量会因为相变材料编程区域的吸收而发生改变，进而显著改变输出光强能量。所以通过测量输入输出光强的能量之比（即透过率），可实现对先前编程区域的读取。  算术和逻辑功能的实现：通过调整编程电脉冲的幅度和宽度可以动态调控相变材料的相变程度，使得器件的中间透过率值可用于代表不同的数值，实现多级存储功能。所以拟采用输入脉冲数量对应加数的方法实现标量加法计算。同时由于所设计器件的读取连续光输出功率可视为读取连续光输入功率和器件透过率的乘积，因此可采用将输入功率和透过率作为被乘数和乘数的方法实现基本乘法运算。除此之外还可以将器件功能层的初始状态设置为非晶相，把晶化脉冲幅值和不足以产生晶化的脉冲幅值分别作为输入逻辑‘1’和‘0’；同时设定一个判定阈值并与编程后器件透过率的变化率进行对比，把高于和低于阈值的透过率变化率分别作为输出逻辑 ‘1’和‘0’；通过合理选择编程脉冲有望实现各种逻辑功能输出。 ② 基于器件透射率可调特性验证其实现神经突触的可行性。并依托所设计人工突触构建人工神经网络芯片，实现图像、语音和文本识别功能：  突触可塑性是大脑记忆和学习的神经生物学基础，也是人工类脑器件需要实现的首要功能。为实现突触可塑性，拟把相变材料和波导之间的耦合区域视为仿生神经突触，左右两端电极分别代表突触前和突触后，分别施加在两端电极上的电脉冲则作为突触前和突触后刺激。通过调节从左右两端电极输入耦合区域的电脉冲时间差对耦合区域的光透过率进行连续调控，进而依托于上述存算理论模型和实物器件仿真和实验实现仿生神经突触的脉冲时序依赖可塑性（Spike-Timing-Dependent-Plasticity, STDP)。  将不同波长的光脉冲序列输入所设计的突触单元, 经过相变材料的作用，脉冲强度发生变化，对应于乘法器。进而借助于微环结构，将不同波长的脉冲导入进同一波导中，该功能类似加法器。相加后的脉冲光强较小时，读取光与微环发生共振，在输出端口没有光强输出。当光强达到一定的阈值后，读取信号不再和微环发生共振，而是传播到输出端口。这一过程类似神经元脉冲信号的激发，实现了非线性激活函数的功能。利用上述的单个神经元结构，验证其监督式机器学习和非监督式机器学习。对于监督式机器学习，权重的数值通过外部管理器设置；对于非监督式机器学习，不再需要外部管理器来设置权重值，而是通过输出光脉冲进行反馈控制，调整权重值。在单个神经元结构的基础上，更复杂的光学脉冲神经网络结构，证明该结构的可扩展性。拟设计的神经网络中的每一层结构包括三个功能单元，即收集器、分发器和神经突触结构。收集器将上一层不同波长的光脉冲信号收集到同一根波导中，分发器将光脉冲分发给多个神经元，神经突触结构则产生光脉冲信号，输入给下一层结构。基于上述结构实现图片、语音和文本的识别。 创新性分析：①首次研究了一款基于“电学编程、光学读取”模式的光电混合存算一体化器件。与传统电学存算一体化器件相比,拟研发的器件可以进行长距离的信息传输，具有传输带宽高、信号间延迟低、损耗低、抗干扰、集成密度高等优点。②采用硒(Se)掺杂的相变材料作为存算一体化器件的核心功能材料。与采用其他相变材料的存算一体器件相比，以硒参杂的相变材料作为功能材料的存算一体器件有望展现出极低的光损耗。③提出了一种基于“电学脉冲刺激、光学权重调节”的人工神经突触。该突触器件有望成为未来通用型人工神经突触，填补了光电混合型人工突触的技术空白。 先进性分析：①所提出的光电混合工作模式使得该存算一体化器件不但具有传统集成电路的高密度特性，且兼具光通信技术的宽频带、低延迟、抗干扰的优越性能。②所采用硒参杂的相变材料不但继承了传统材料具有的快速相变转化速度、低功耗和稳定性强等特性，且本身在通信波段非晶态透明的同时还保持了相变前后足够大的光学性能差异的特点。③所设计的突触继承了人工电子突触和全光突触的优点，具有高集成度、低功耗、超快响应时间、稳定性强等优点。 独占性分析：根据已取得成果正在撰写专利，以获得该关键技术的独有权。 

本发明公开了一种降压型单电感双输出开关变换器的控制方法及控制装置。本发明的控制方法通过调整控制选通信号序列中的高电平时钟周期数和低电平时钟周期数,可高效实时地调整第一输出支路与第二输出支路的功率比,使两输出支路的输出功率分配更合理。本发明的降压型单电感双输出开关变换器实现对第一输出支路和第二输出支路的输出功率动态分配,使得在优先满足负载供电的前提下,依然能保证对电池充电,而这两部分的功率的总和能够控制在一个较稳定的范围内,相比现有技术,即使输入额定功率较小,也可满足第一输出支路负载的正常工作。

本实用新型公开了一种连续导电模式单电感双输出开关变换器变频控制装置，通过限定电感电流峰值和谷值的大小，完成对变换器中主开关管和支路开关管的控制，实现各个输出支路的独立调节。与工作在连续导电模式的传统单电感双输出开关变换器相比，本实用新型具有稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，输入、负载瞬态响应速度快，输出支路间的交叉影响小等优点，可用于控制单电感双输出拓扑结构的多种变换器，诸如：Buck变换器、Boost变换器、Buck-boost变换器、Bipolar变换器等。

本发明公开了一种基于矢量变换与信号滤波的定子磁链计算方法。采用交流电动机定子磁链的电压模型，对输入的反电动势矢量进行幅值和相位变换直接得到原始的定子磁链矢量，然后经过信号滤波与补偿处理得到期望的定子磁链。分别设计了基于可编程的低通滤波器(LPF)和带通滤波器(BPF)的矢量变换方案，并且根据计算磁链幅值尽快收敛于给定磁链值的原则得到优化函数，对 LPF 与 BPF 的优点进行组合，得到性能最优的磁链计算方法。进一步的

本成果来自国家科技计划项目，现已结题，并获国家发明专利授权（ZL201320031915.X），知识产权属于西南交通大学。该成果公开了一种开关变换器双缘脉冲频率调制V2型控制方法及其装置，根据基准电压Vref和输出电压Vos经过误差补偿器后生成的控制电压Vc与输出电压Vos的关系，结合预设的恒定导通时间或恒定关断时间，产生三段时间t1、t2和t3，每个周期依次采用t1、t2、t3组成的控制时序，控制开关变换器开关管的导通与关断。本成果可用于控制Buck变换器、Buck2变换器、Cuk变换器、Zeta变换器等开关变换器，其优点是：负载瞬态响应速度快，稳压精度高，稳定性好。

热释电红外气体传感器是指采用热释电薄膜材料制备的敏感元件，利用极性气体的对特定红外光谱的吸收特性，采用郎伯比尔定律实现对气体浓度的测量分析的传感器，其核心元件是热释电薄膜敏感元。 主要功能与应用领域：热释电红外气体传感器是一种新型的传感器，它可以自我抑制零点漂移，具有精度高、选择性好、灵敏度高、测量范围宽、寿命长，不中毒，不依赖氧气等特点。与传统的半导体型、催化燃烧型和电化学型气体传感器相比，技术优势明显因此，特别适合红外气体传感器逐渐在各种气体监控网络中的应用。 图1 含有双Si杯微桥绝热结构的器件示意图 图2红外气体监测器样机 特色及先进性：本团队采用纳米自缓冲层技术制备的热释电薄膜材料具有高热释电系数的特点。通过自缓冲层技术控制热释电薄膜与电极之间的界面特性，实现热释电薄膜的择优取向生长，制备了低漏电流密度、高热释电系数的热释点薄膜材料，掌握了红外气体传感器核心元件的材料生长、器件设计与加工的核心技术。 技术指标：热释电系数大于1x10-6Ccm-2K-1，器件探测率大于1x108cmHz1/2W-1。 能为产业解决的关键问题和实施后可取得的效果：本成果目前主要应用于有毒、有害等危险气体的监测，在工业生产监控、矿山安全、环境保护等领域，应用前景广阔。功能完善、系统兼容性好、经久耐用、长期稳定性好、测量精度高、校正周期长的便携式气体检测仪和红外气体检测传感器，替代催化燃烧型产品和进口红外产品，提高现有气体监控系统的稳定性和可靠性，提升装备性能，防范工业生产中违规气体排放、危险气体如瓦斯等导致的安全生产事故的发生，同时改善现有安全监控系统、检测仪器维护量大的问题。

本项目采用自主研制的含污废热回收装备（耐污垢可清洗组合式栅板换热器），实现了高效节能换热器激光焊接（无模具）工艺制造技术，使换热器快速成型制造产业化。以高端节能创新技术，设计体积小的组合式栅板换热器，适应高耗能行业不同节能工艺和场地的需求，实现换热器的高效和可清洗功能；促进高耗能行业节能技术更新、设备和生产工艺的改造，显著地提高高耗能行业的能源效率，实现节能降耗的目标。耐污垢可清洗组合式栅板换热器可以使换热器传热能力增加10％～20％，壳程阻力下降50～70%，将大幅度提高换热器的节能潜力，实现节能25～35%。该换热器利用污垢形成机理，在线适时清洗，使换热器始终处于高效工作状态。该设备是适用于钢铁厂冲渣水余热回收、造纸厂黑液余热回收、 烟气余热回收等余热利用以及其它类似场所的通用换热器。

在日常生活和工业生产中，寻求热物理性能优良的冷却介质并发展新型的强化换热和流动控制技术成为提高能源利用效率与节能减排的重要途径和有效手段。而液态金属流体(如镓、镓锡、镓铟锡和锂铅等)由于其对流换热系数高、液相温区宽、耐极限热流密度能力强、特定工况下材料相容性好及易于进行电磁控制等诸多优点备受关注。如电磁冶金、芯片散热、熔融3D金属流体打印、镍基合金焊接等。与常规流体相比，液态金属流体与电磁场相互作用可产生洛仑兹力，进而实现对不同流动区域的定向主动控制。磁钝体阵列作为涡流发生器对换热的促进作用要强于孤立磁钝体，当雷诺数< 500时磁钝体阵列尾迹是稳定的，虽然这些涡流对换热有促进作用，但换热性能综合因子<1;当雷诺数=600时磁钝体阵列尾迹的不稳定性对换热的促进更强一些。因此可以考虑用磁钝体阵列作涡流发生器来强化换热。

热释电红外气体传感器是一种新型的传感器，它可以自我抑制零点漂移，具有精度高、选择性好、灵敏度高、测量范围宽、寿命长，不中毒，不依赖氧气等特点。与传统的半导体型、催化燃烧型和电化学型气体传感器相比，技术优势明显因此，特别适合红外气体传感器逐渐在各种气体监控网络中的应用。