電學的案例
COMSOL與MATLAB聯合仿真人工智能的電學層析成像系統
關鍵詞：MATLAB，電學層析成像，人工智能，圖像重建，深度學習
一、引言
基于人工智能的電學層析成像系統是一種創新的檢測技術，結合了電學層析成像技術與人工智能算法的優勢。電學層析成像技術，簡記為ET，是層析成像技術的一種。它基于電學傳感器提取被測區域物質的空間分布的部分信息，以電學信號作為載體進行處理與傳輸，并采用適當的信息重構算法，重構被測區域物質的空間分布的全部信息。電學層析成像技術存在三種基本形式，即電容層析成像（Electrical Capacitance Tomography，ECT）、電阻層析成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）和電磁層析成像（Electromagnetic Tomography，EMT）。在基于人工智能的電學層析成像系統中，人工智能算法的應用顯著提升了圖像重建的精度和速度。通過訓練深度學習模型，系統能夠從復雜的電學信號中準確提取出被測物體的內部結構信息。這些算法可以自動學習并優化圖像重建過程中的參數設置，從而減少對人工干預的依賴，提高系統的自動化程度和檢測效率。此外，人工智能算法還能夠實現電學層析成像系統的智能診斷和優化。通過對歷史數據和實時數據的分析，系統能夠及時發現并糾正潛在的誤差和問題，確保檢測結果的準確性和可靠性。同時，系統還可以根據實際應用場景和需求，自動調整檢測參數和算法策略，以適應不同的被測物體和檢測環境。綜上所述，基于人工智能的電學層析成像系統在工業檢測、醫療診斷等領域具有廣泛的應用前景和重要的研究價值。
二、COMSOL&MATLAB聯合仿真
COMSOL與MATLAB聯合仿真是一種強大的多物理場仿真方法，它將COMSOL的多物理場建模能力和MATLAB的編程及數據分析功能相結合，為用戶提供了一種高效、靈活的仿真解決方案。
展開 Workbench之23 Electric 電學分析
Workbench之23 Electric 電學分析
電學系統支持穩態電傳導分析。本系統主要用于確定導體中由外部電壓或電流載荷產生的電勢。通過處理，其它結果類型如傳導電流，電場和焦耳熱得以計算
本系統在Mechanical中配置，使用Ansys求解器計算
使用電學系統：
1） 要添加電學系統，從工具箱拖拽該系統至項目圖，或在工具箱雙擊該系統
2） 要載入幾何體，右擊Geometry單元，快捷菜單選擇Import Geometry
3） 要打開Mechanical程序，右擊Setup單元，快捷菜單選擇Edit；或雙擊Setup單元
4） 在Mechanical窗口，使用工具和特征完成分析
詳見Electric Analysis in the Mechanical User’s Guide
展開 Gyroid Surface結構的電學特性模擬 ￥400
極小曲面的形體可通過IsoSurface算法進行模擬，其V值可直接由極小曲面方程式提供，Gyroid Surface的公式為：cos(x)*sin(y)+cos(y)*sin(z)+sin(x)*cos(z)，基于此公式構建生成了極小曲面組成的結構模型，如圖1所示：
圖1 幾何模型
基于構建的模型，進行了電學仿真，模擬得到其電學特性，仿真結果如圖所示：
圖2 仿真結果
感興趣的朋友，歡迎交流模型！
Lumerical fdtd和charge聯合仿真電學可調諧的MOS結構吸收器
其中MOS型結構中加電壓前后載流子濃度變化引起的折射率變化如下公式:
在本文的例子中，我們先通過Lumerical Charge軟件仿真結構的電學特性，外加電壓為正負5V，仿真ITO薄膜的載流子濃度隨外加電壓0V、5V、-5V載流子濃度的變化，由于載流子濃度的變化會導致薄膜等離子頻率的變化，因此會導致光譜的變化，所以把電學數據通過Lumerical FDTD軟件求解器件的光學性質變化，證明電光開關的可行性。
通過在ITO薄膜上加載流子濃度的監視器，可以得到ITO薄膜中的載流子濃度隨偏置電壓的變化，外加-5V電壓時，左側（ITO和TiO2交界處）形成載流子耗盡層，外加5V電壓時，形成載流子累積層。
圖2 ITO薄膜在外加電壓下的載流子濃度分布
對具有不同載流子濃度分布ITO薄膜的器件進行反射率光譜仿真，外加偏振光斜入射，得到如圖3所示的光譜，可以證明MOS結構可以實現電偏置的吸收調諧器。
圖3 MOS結構在外加電壓下的光譜分布
為了更好地理解MOS器件吸收的性質，我們模擬了TiO2和ITO薄膜的電場分布，如圖4所示，電場大部分局域在ITO和TiO2界面并且靠近ITO薄膜，說明ITO薄膜吸收了大部分的光強，導致在2.23um左右出現一個反射谷。
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喜報 | 譜尼測試通過能源保障設備環境可靠性試驗及電學性能檢測擴項評審 鞏固行業領先地位
譜尼測試集團旗下北京譜尼測試科技有限公司，依托先進的測試設備和專業的檢測能力，經中國合格評定國家認可委員會（CNAS）的現場評審，獲得內燃機電站、UPS應急電源、供儲電保障單元、風光柴儲一體化等能源保障設備的環境可靠性試驗資質、電學性能檢測資質。
此次成功通過CNAS擴項評審，是譜尼測試環境可靠性試驗和電學性能檢測能力的又一大提升，標志著譜尼測試環境與可靠性檢測領域的技術能力再次獲得國家和行業認可，本次申請擴項評審涉及32個標準、255項方法，測試能力再上新臺階。
在環境與可靠性檢測領域，譜尼測試具備了陸、海、空、天等裝備高溫、低溫、濕熱、溫度循環、溫度沖擊、太陽輻射、鹽霧、霉菌、吹砂、吹塵、淋雨、積冰凍雨、振動、機械沖擊、跌落、溫度-濕度-高度、溫度-濕度-振動、沖擊響應譜、熱真空、加速度、高加速應力篩選等試驗檢測能力。同時，譜尼測試可根據客戶要求和產品特性，開展裝備試驗方案制定與實施、可靠性設計與質量提升、故障分析與整改、通用質量特性研究等技術支撐，助力產品高質量發展。
展開 電學里單位
電學里單位
材料電學和磁學性能測量分析
材料電學和磁學性能測量分析
測量原理及方法設計
材料的電阻測量原理及程序設計根據測量電路的不同，從材料的阻值上將材料分為中低值電阻和高值電阻。中低值電阻是指10-3～108Ω的電阻，高值電阻是指>108Ω的電阻。二線法和四線法的測量原理圖，圖2中VM為電壓表讀數，VR為被測電阻電壓降，RLEAD為引線電阻。圖2(a)是二線法原理圖，根據歐姆定律，被測電阻是(圖略)但實際電阻是R，誤差2RLEAD，主要是由引線電阻導致。圖2(b)是四線法原理圖，圖中電壓表避開干路中的引線電阻，而用另外的引線加到被測電阻兩端，雖然又引入了2RLEAD的電阻，根據并聯電路規律，取樣電流很小，可以忽略不計，可認為VM與VR相等，測量電阻為(式略)四線法可以很準確地測出被測電阻值。在低溫測量系統中，導致測量誤差的因素很多，比如引線、接觸電阻、材料的熱效應和電路的電流泄漏等。一般在中低阻測量時，主要考慮引線電阻、接觸電阻和材料的熱效應引起的誤差，采用圖2(b)四線法電路可以消除引線電阻誤差，但是激勵電流很大，持續地加在樣品兩端，使樣品發熱，采用脈沖電流激勵方式可以將熱效應的影響降到最低，不僅如此，在測量薄膜樣品時，若在樣品與電極之間或者薄膜表面有缺陷，會影響測量的穩定性和精確性，采用脈沖激勵可以減少缺陷的影響[2];高值電阻測量時，引線電阻可以忽略，電流泄漏現象會影響測量的準確性，一般使用電壓源激勵，將圖2(a)虛線框中儀表換為電壓源測電流的方式。為材料的電學性能測量中電阻降溫(R-T)的程序流程圖，程序利用LabVIEW軟件開發，具有較好的人機交互界面[3-5]。測量開始前，在程序操作界面上，激勵源可以是電流源或者電壓源，激勵方式可以采用持續或者脈沖激勵，接線方式為二線法或者四線法，源值、量程大小、采集溫度范圍及其間隔可以根據需要進行設置。如果選擇脈沖激勵的方式，還需要設置源激勵時間。
展開 利用Lumerical 有效實現太陽能電池光電特性仿真
三、搭建電學仿真模型
DEVICE模塊為后續電學仿真提供了高效快捷的電學特性計算途徑。在電學仿真模塊中需要考慮電池窗口層材料，金屬電極材料，歐姆接觸，摻雜與復合等因素。
通過優化電池電學參數可以有效提高電池的光電轉換效率。但是考慮到電池實際處于的物理環境，電學仿真比純光學仿真計算結果更加接近實際的電池工作效率。
4、 導入載流子產生率至電學模塊
載流子產生率是連接電池光學模塊和電學模塊的橋梁。將波長積分計算得到的載流子產生率導入DEVICE模塊可以繼續仿真計算電池電學特性。
DEVICE模塊為用戶提供了友好方便的載流子產生率導入界面，用戶可以使用FDTD模塊計算得出的G數據集載入控件窗口，并可以針對偏振光或非偏振光設置修正系數。
5、 掃描負載電壓計算電流響應
對于太陽能電池，短路電流和開路電壓是衡量其光電轉換效率的直接指標。除此之外，可以通過進一步計算得出電池的功率-電壓曲線，得出電池的最大功率工作點，這對電池的使用場景極為重要。
用戶在估測電池的開路電壓范圍的基礎上確定需要計算的負載電壓范圍，實現電流-電壓一一對應的曲線結果計算。
注意掃描計算電壓取樣點越多，電流-電壓曲線越精細平滑。
6、 輸出與分析電學特性
在理想狀況下的電學模擬計算的理想短路電流（12.154 mA/cm^2）較光學模擬計算結果（13.8687 mA/cm^2）稍低（~12%），這是因為在模擬光學過程時并沒有考慮電極區域存在的陰影效應（shadow effect，電極阻擋了部分入射光進入電池），而模擬電學過程中必須加上電極。電學模擬從側面反映了電池中光生載流子的分離效率。
展開 多學科統一的多體動力學建模方法
系統變量的統一表達
1.運動學變量
運動學變量包括廣義位移和廣義速度，它們的數學關系是：
廣義位移包括:機械平移運動的位移、機械轉動的角度和電學系統電荷量。廣義速度為對應的廣義位移的導數，包括：機械平移運動的速度，機械轉動的角速度，電學系統的電流。
2.運動源變量
運動源變量包括廣義作用源和廣義動量源。兩者之間的關系為
廣義作用源包括：機械平移運動的作用力、機械轉動的轉矩和電學系統的電壓。廣義動量源包括：機械平移運動的動量、機械轉動的角動量和電學系統的磁鏈。
下表給出了廣義運動元變量和廣義作用源變量的對應關系。
系統組成
將機械系統和電學系統中構件根據在系統中對能量的作用分為
（1）能量儲存元件。表示為理想感元和理想容元。
（2）能量耗散元件。表示為理想耗元。
（3）能量轉換元件。表示為理想換能元。
（4）能量源。能量源為系統提供能量。表示為理想能量源。
其中能量轉換元件，如電學系統中的變壓器，機械系統的齒輪組。
1.理想感元
在機械平移運動中，質量為理想感元。在機械轉動中，轉動慣量為理想感元。在電學系統中，電感為理想感元。
2.理想容元
在機械平移運動中，彈簧為理想容元。在機械轉動中，扭轉彈簧為理想容元。在電學系統中，電容為理想容元。
3.理想耗元
在機械平移機構中的阻尼器為理性耗元，例如輪胎的阻尼。機械轉動中的轉動阻尼為理性耗元。電學系統中的電阻為理性的耗元。
展開 液態金屬液池上激發的可電學切換的表面波及液滴跳躍效應(轉載)
近日，中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合小組，在美國物理學會期刊Physical Review Fluids上首次報道了由振動誘發的液態金屬表面法拉第波及液滴懸浮效應，論文題為《液態金屬液池上激發的可電學切換的表面波及液滴跳躍效應》(Zhao X.,Tang J.,Liu J.,Electrically switchable surface waves and bouncing droplets excited on a liquid metal bath,Physical Review Fluids,3:124804,2018)。
液體隨容器垂直上下振動時，當驅動加速度超過某一臨界值，液體表面會突然變得極不穩定，這會誘發出非線性亞諧駐波，該現象被稱為法拉第波（Faraday Wave），這是經典的流體力學不穩定難題。研究法拉第波的表面波模態和形狀對于發展水動力系統的復雜非線性動力學及模態成形理論有著十分重要的科學意義，如Rayleigh-Benard對流、Taylor-Couette流以及非線性光學等。更為有趣的是，豎直振動的液面可作為一個柔性基底來承載同種流體的懸浮液滴，上下兩部分流體不融合的機理在于其間存在一層極薄的流動介質層，這個薄層提供了一定的托舉力從而避免了上下流體間直接接觸（Reynolds潤滑理論）。此外，由于液滴振動激發的波與液滴自身的跳躍具有相互耦合作用，這種流體動力學意義上的“波粒二象性”能夠使液滴表現出匪夷所思的量子力學特性。由于上述因素，法拉第波體系近年來引起了科學界的極大關注。
制約法拉第波振動模態的參數很多，主要有：驅動條件（頻率、加速度），邊界條件（容器形狀、流體meniscus）及工作流體性質等。其中，流體密度、粘度、表面張力等具有根本性影響。
展開 國產ERT/ECT工業電阻/電容層析成像系統在多相流領域的應用
其中，電學成像技術作為層析成像的重要分支，具備無輻射、響應快、成本低等優勢。它通過對被測物體施加電學激勵并檢測邊界測量值變化，反演內部電學參數分布，實現非侵入式成像，為科學研究和工業生產提供了有力支持。
認識ECT與ERT
電容層析成像（ECT）
ECT是一種基于電磁場理論的測量技術，通過測量被測物體內介電常數的變化來重建其內部結構的圖像。在ECT系統中，多個電極被均勻安裝在被測管道或容器的外壁上，形成一個傳感器陣列。當被測介質（如氣液混合物）在管道中流動時，其某一截面上介電常數分布將隨介質分布的變化而變化，會引起邊界測量電容值的變化。通過測量電容值的變化，結合相應的圖像重建算法，即可得到介質在管道內的分布圖像。
電阻層析成像（ERT）
ERT則是基于電阻檢測原理的成像技術。它通過在被測物體表面安裝電極，并施加電流激勵，然后測量邊界電壓來反演物體內部的電阻分布情況。ERT系統能夠迅速測量并實時顯示管道或容器內橫截面上的電阻（或導電率）分布，以層析圖像的形式展現不同電導率介質的分布狀況。由于多相系統中不同介質的電導率不同，ERT可以進一步計算并顯示相含率參數。
相較于其他類型的層析成像設備，ECT和ERT，具有以下幾個顯著的優勢：
1. 非侵入性和無輻射性
ECT和ERT技術分別通過在管道外部和內部邊界布置電極陣列來測量流體內部的電學參數變化，不侵入流體內部，因此不會對流場產生干擾，也不會破壞被測物體的結構。與X射線、CT等基于輻射的成像技術不同，ECT和ERT技術不產生任何輻射，對操作人員和被測物體都是安全的。
2. 實時性和動態監測
ECT和ERT系統能夠連續、快速地獲取邊界測量數據，并通過圖像重建算法反演流動介質的截面分布圖像。這使得工程師能夠實時監測流體狀態的變化，及時發現問題并采取相應的措施。
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Lumerical 單行載流子光電探測器仿真方法
光電探測器樣光傳播方向（Y）的截面
監視器1中的光場分布（YZ方向）
在得到光場后，軟件內置的分析腳本將自動的計算出光產生速率，同時會根據光生成率在光傳播方向（y）上的平均值生成一個文件，此文件將在CHARGE中用于電學仿真。
光生成速率的平均值示意圖
產生速率分析還基于輸入功率和器件體積來計算光電探測器的響應度。因此調整光電探測器的（Y方向）的長度，可以初步觀察到響應度的變化。
電學設計與光電響應
穩態：暗電流和響應
文獻中[2]測量到的暗電流小于10nA。為了模擬光電探測器的穩態特性，我們將FDTD中計算出的長度為50μm的光電探測器的光學生成率導入到CHARGE電學仿真當中，將偏置從-5V掃到1.5V，進行暗電流模擬和響應模擬。從光電流響應來看，響應度為1.07A/W，表明復合損耗可忽略不計。通過減少InGaAs吸收層中的載流子壽命，5V反向偏壓下的暗電流被設置為~1nA。
瞬態響應和帶寬
瞬態響應分析可用于提取光電探測器的等效電路模型，該模型捕獲渡越時間延遲和二極管導納（RC）[3]。首先，為了提取二極管的導納，我們將在不同的偏置電壓下進行小信號分析。二極管的小信號模型包括串聯電阻RS~0和電壓相關電容C（V）。電導可忽略不計（例如VR/Idark>1GΩ）。二極管模型中的每個阻抗可以理解為相對于PD表面積的密度（例如，每單位面積的電容），并應相應地縮放。
展開 Ansys Lumerical | 單行載流子光電探測器仿真方法
在本次仿真中，FDTD模塊將分析光電探測器的光學響應，CHARGE模塊將分析器件的電學特性。
背景
光電探測器的主要作用是將光信號轉換為電信號，以解碼出加載到光信道上編碼的信息。因此我們可以使用Lumerical的光學和電學求解器對此類器件進行精確模擬和優化。首先采用時域有限差分（FDTD）方法模擬了光電探測器的光學特性，計算光學吸收功率可以得出電子-空穴對的局部產生率。然后，將光學仿真求得的電子空穴對產生速率導入電學仿真（CHARGE）中用于求解的連續性方程。
對于高速光電二極管，通過將吸收層與收集層解耦，可以使用單行載流子（UTC）設計來優化渡越時間響應[1]。在傳統的PIN結構中，載流子是在本征區中光生的，在本征區中，強場將載流子分離以產生光電流。載流子的速度通常是有限的，并且在大多數常見的材料（如鍺）中空穴比電子慢，這會導致延遲和不對稱響應。通過結合窄帶隙和寬帶隙半導體，可以隔離單個載流子類型（通常是電子），使得器件的光響應僅取決于這些載流子的傳輸。然而，與PIN光電二極管相比，UTC的能帶結構要求通常需要III-V材料來實現，這使得在與硅基光子系統集成時面臨額外的挑戰。
本例中光電探測器是基于集成在硅基光子系統上的InP/InGaAs混合波導光電二極管所設計的[2]。其包括100nm厚的InP鍵合/匹配層、250nm厚的GaAs吸收體和700nm厚的In P本征收集層。材料堆疊和相關的帶結構如下圖所示。測量了長度為25um、50um和150um的光電探測器[2]。
光學設計
使用FDTD求解器，計算出不同結構參數下光電探測器中的光場變化（主要以電場E的形式表示）。
展開 50-600nm厚度的高遷移率、柔性大面積石墨烯薄膜
50-600nm厚度的高遷移率、柔性大面積石墨烯薄膜
50-600nm厚度的高遷移率、柔性大面積石墨烯薄膜
nMAG具有良好的電學性能：載流子遷移率，1540 cm2V?1 s?1；電導率，2.04 MS m?1；載流子壽命4.7 ps。將其應用于電磁屏蔽，nMAG的高導電性將其達成商用最小屏蔽效果(20 dB)的材料厚度降低到了100 nm；將其應用于紅外探測，強光致熱發射(PTI)效應將擴展了石墨烯/硅二極管的響應波長從1.5 μm擴展到了4 μm。此外，作者通過將200 nm厚的nMAG層層組裝，降低薄膜氣體逸散阻力，進而抑制氣囊的產生。所制備10 μm厚的石墨烯薄膜表現出了較低的折皺密度以及高的導熱系數(1581 W m?1 K?1)。研究成果以“Flexible Large?Area Graphene Films of 50–600 nm Thickness with High Carrier Mobility”為題發表于《Nano-Micro Letters》。 l 03圖文導讀 圖1. 超薄自支撐GO/PAN薄膜的制備。 圖2. 基于PAN原子氣體溢出通道。 圖3. nMAG的結構和柔性。 圖4. nMAG的電學性能和應用。 圖5. 由200 nm nMAG 組裝的10 μm mMAG的熱性能。 ★ 平臺聲明 部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享目的僅為行業信息傳遞與交流，不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適，請聯系我們及時處理。歡迎參與投稿分享！
展開 中科院納米能源所孫其君課題組：面向智能織物的纖維基摩擦電化學晶體管
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所孫其君課題組報道了一種具有良好電學性能的纖維狀摩擦電化學晶體管，利用織物摩擦納米發電機產生的摩擦電勢成功耦合到纖維狀電化學晶體管的導電溝道，從而誘導可逆的摻雜/脫摻雜過程，并通過離子凝膠電介質調節輸出電流，獲得了較高的電流開關比（~ 1286）、~nA量級的關態電流以及良好的靈活性和穩定性。在柔性、功能化、智能化的自供電電子紡織品中有很大的應用潛力。該成果以 “Fiber-shaped Triboiontronic Electrochemical Transistor”為題發表在Research上 (Research, 2021, 9840918)。
通過摩擦電納米發電機（TENG）可以很容易地獲取接觸起電誘導的摩擦電勢，這為調節半導體器件的電子輸運特性提供了一種有效的方法。在機械行為衍生的多功能應用方向發展出了：邏輯器件、多功能傳感器件、摩擦電子存儲器、智能柔性/可穿戴傳感器、觸覺傳感人工突觸和機械塑性神經形態器件等。聚合物電解質、離子液體和離子凝膠等作為柵極絕緣體材料，可以實現在較低柵極電壓下對短溝道效應的抑制，并有效降低器件功耗。通過在電解質/半導體界面上形成的雙電層（EDL），形成了極強的界面電場實現對半導體器件的高效調控。離子凝膠已經在基于MoS2的摩擦離-電學晶體管中得到了成功的驗證，顯示出優異的電學性能，包括7個數量級的電流開關比，摩擦調制閾值?75 μm、 摩擦亞閾值擺幅?20?μm/dec。
與雙電層晶體管不同，有機電化學晶體管（OECT）可以更有效地利用離子注入，離子可以穿透半導體層，使得整個溝道中摻雜狀態的改變。
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