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基于相變材料的片上光電存算一體化器件的研發(fā)

現(xiàn)階段所設(shè)計的存算一體器件單元結(jié)構(gòu)如圖 1 所示：器件的基本結(jié)構(gòu)由波導(dǎo)和功能層（由下到上分為加熱層、電極層、保護(hù)層、相變材料（硫系化合物）層）所構(gòu)成。擬通過在當(dāng)前流行的絕緣層上硅(SOI)光子平臺上集成四氮化三硅光波導(dǎo)的方式實現(xiàn)器件的光學(xué)讀取功能，即在非常厚的硅襯底層上生長一層絕緣層二氧化硅和波導(dǎo)層，然后在基片上通過光刻、顯影、刻蝕等工藝制備四氮化三硅波導(dǎo)。功能層主要用于實現(xiàn)器件的電學(xué)寫入功能。加熱器層的主要用途是與相變材料層形成電接觸，通過較小的接觸面積使接觸處的熱量集中，從而可以在較小的電壓或電流下使相變材料發(fā)生相變。因此需要加熱器層具備較好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，同時在近 C 波段具有較低的光損耗，可采用石墨烯。電極層可用于提供相變材料器件單元所需要的編程電脈沖。當(dāng)前擬采用硒摻雜的相變材料合金（如 GSST）作為器件的核心功能層的相變材料。該材料在通信/非通信波段顯示了極低的光損耗和更高的品質(zhì)因數(shù)，且相變前后在通信 C 波段具有足夠大的光學(xué)常數(shù)反差，可在更惡劣的高溫環(huán)境下進(jìn)行操作，適用于硅基光子器件應(yīng)用。采用的主要技術(shù)手段包括： ① 依托于相變材料的電致和光致相變特性，通過電學(xué)編程、光學(xué)讀取的方法實現(xiàn)器件的存儲、算術(shù)運算和邏輯運算功能：存儲功能的實現(xiàn)：擬利用相變材料晶態(tài)低透過率和非晶態(tài)高透過率分別代表二進(jìn)制中的‘1’和‘0’，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲（編程）功能。例如在電極兩端施加合適的電脈沖，所產(chǎn)生電流流經(jīng)加熱層時，生成的熱量主要集中在加熱層和相變材料層接觸處，使得接觸處的相變材料發(fā)生相變，實現(xiàn)存儲功能。在完成上述編程操作后，從器件波導(dǎo)輸入端輸入讀取連續(xù)光。由于相變材料功能層對光強(qiáng)的吸收能力在編程和非編程區(qū)域間存在著顯著的差異，因此當(dāng)輸入光經(jīng)過波導(dǎo)后，其能量會因為相變材料編程區(qū)域的吸收而發(fā)生改變，進(jìn)而顯著改變輸出光強(qiáng)能量。所以通過測量輸入輸出光強(qiáng)的能量之比（即透過率），可實現(xiàn)對先前編程區(qū)域的讀取。算術(shù)和邏輯功能的實現(xiàn)：通過調(diào)整編程電脈沖的幅度和寬度可以動態(tài)調(diào)控相變材料的相變程度，使得器件的中間透過率值可用于代表不同的數(shù)值，實現(xiàn)多級存儲功能。所以擬采用輸入脈沖數(shù)量對應(yīng)加數(shù)的方法實現(xiàn)標(biāo)量加法計算。同時由于所設(shè)計器件的讀取連續(xù)光輸出功率可視為讀取連續(xù)光輸入功率和器件透過率的乘積，因此可采用將輸入功率和透過率作為被乘數(shù)和乘數(shù)的方法實現(xiàn)基本乘法運算。除此之外還可以將器件功能層的初始狀態(tài)設(shè)置為非晶相，把晶化脈沖幅值和不足以產(chǎn)生晶化的脈沖幅值分別作為輸入邏輯‘1’和‘0’；同時設(shè)定一個判定閾值并與編程后器件透過率的變化率進(jìn)行對比，把高于和低于閾值的透過率變化率分別作為輸出邏輯 ‘1’和‘0’；通過合理選擇編程脈沖有望實現(xiàn)各種邏輯功能輸出。 ② 基于器件透射率可調(diào)特性驗證其實現(xiàn)神經(jīng)突觸的可行性。并依托所設(shè)計人工突觸構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，實現(xiàn)圖像、語音和文本識別功能：突觸可塑性是大腦記憶和學(xué)習(xí)的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)，也是人工類腦器件需要實現(xiàn)的首要功能。為實現(xiàn)突觸可塑性，擬把相變材料和波導(dǎo)之間的耦合區(qū)域視為仿生神經(jīng)突觸，左右兩端電極分別代表突觸前和突觸后，分別施加在兩端電極上的電脈沖則作為突觸前和突觸后刺激。通過調(diào)節(jié)從左右兩端電極輸入耦合區(qū)域的電脈沖時間差對耦合區(qū)域的光透過率進(jìn)行連續(xù)調(diào)控，進(jìn)而依托于上述存算理論模型和實物器件仿真和實驗實現(xiàn)仿生神經(jīng)突觸的脈沖時序依賴可塑性（Spike-Timing-Dependent-Plasticity, STDP)。將不同波長的光脈沖序列輸入所設(shè)計的突觸單元, 經(jīng)過相變材料的作用，脈沖強(qiáng)度發(fā)生變化，對應(yīng)于乘法器。進(jìn)而借助于微環(huán)結(jié)構(gòu)，將不同波長的脈沖導(dǎo)入進(jìn)同一波導(dǎo)中，該功能類似加法器。相加后的脈沖光強(qiáng)較小時，讀取光與微環(huán)發(fā)生共振，在輸出端口沒有光強(qiáng)輸出。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定的閾值后，讀取信號不再和微環(huán)發(fā)生共振，而是傳播到輸出端口。這一過程類似神經(jīng)元脈沖信號的激發(fā)，實現(xiàn)了非線性激活函數(shù)的功能。利用上述的單個神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，驗證其監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)和非監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)。對于監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)，權(quán)重的數(shù)值通過外部管理器設(shè)置；對于非監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)，不再需要外部管理器來設(shè)置權(quán)重值，而是通過輸出光脈沖進(jìn)行反饋控制，調(diào)整權(quán)重值。在單個神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，更復(fù)雜的光學(xué)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，證明該結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性。擬設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每一層結(jié)構(gòu)包括三個功能單元，即收集器、分發(fā)器和神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)。收集器將上一層不同波長的光脈沖信號收集到同一根波導(dǎo)中，分發(fā)器將光脈沖分發(fā)給多個神經(jīng)元，神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)則產(chǎn)生光脈沖信號，輸入給下一層結(jié)構(gòu)。基于上述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圖片、語音和文本的識別。創(chuàng)新性分析：①首次研究了一款基于“電學(xué)編程、光學(xué)讀取”模式的光電混合存算一體化器件。與傳統(tǒng)電學(xué)存算一體化器件相比,擬研發(fā)的器件可以進(jìn)行長距離的信息傳輸，具有傳輸帶寬高、信號間延遲低、損耗低、抗干擾、集成密度高等優(yōu)點。②采用硒(Se)摻雜的相變材料作為存算一體化器件的核心功能材料。與采用其他相變材料的存算一體器件相比，以硒參雜的相變材料作為功能材料的存算一體器件有望展現(xiàn)出極低的光損耗。③提出了一種基于“電學(xué)脈沖刺激、光學(xué)權(quán)重調(diào)節(jié)”的人工神經(jīng)突觸。該突觸器件有望成為未來通用型人工神經(jīng)突觸，填補(bǔ)了光電混合型人工突觸的技術(shù)空白。先進(jìn)性分析：①所提出的光電混合工作模式使得該存算一體化器件不但具有傳統(tǒng)集成電路的高密度特性，且兼具光通信技術(shù)的寬頻帶、低延遲、抗干擾的優(yōu)越性能。②所采用硒參雜的相變材料不但繼承了傳統(tǒng)材料具有的快速相變轉(zhuǎn)化速度、低功耗和穩(wěn)定性強(qiáng)等特性，且本身在通信波段非晶態(tài)透明的同時還保持了相變前后足夠大的光學(xué)性能差異的特點。③所設(shè)計的突觸繼承了人工電子突觸和全光突觸的優(yōu)點，具有高集成度、低功耗、超快響應(yīng)時間、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點。獨占性分析：根據(jù)已取得成果正在撰寫專利，以獲得該關(guān)鍵技術(shù)的獨有權(quán)。

南京郵電大學(xué) 2021-05-11

高級心肺復(fù)蘇、AED除顫模擬人（計算機(jī)控制、二合一組合）

XM/ALS1000A高級心肺復(fù)蘇、AED除顫訓(xùn)練模擬人（計算機(jī)控制/無線版） ? 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：執(zhí)行美國心臟學(xué)會(AHA)2015國際心肺復(fù)蘇(CPR)＆心血管急救(ECC)指南標(biāo)準(zhǔn)。 XM/ALS1000A高級心肺復(fù)蘇AED除顫訓(xùn)練模擬人（計算機(jī)控制/無線版）由全身模擬人、計算機(jī)控制系統(tǒng)、AED模擬除顫訓(xùn)練儀組成，可進(jìn)行CPR訓(xùn)練考核、AED模擬除顫訓(xùn)練等操作。 ? 一、產(chǎn)品特點： ■ 本模型為成年男性整體人，采用高分子材質(zhì)，膚質(zhì)仿真度高。 ■ 解剖標(biāo)志明顯，具有仿真的頭頸部，頭部可水平轉(zhuǎn)動，有利于清除異物。 ■ 胸部體表標(biāo)志明顯（胸骨角、乳頭、劍突等），便于胸外按壓的操作定位。 ■ 可觸及頸動脈搏動，死亡狀態(tài)下，頸動脈搏動消失，搶救成功后，頸動脈搏動恢復(fù)，頸動脈搏動與有效按壓相關(guān)聯(lián)。 ■ 心肺復(fù)蘇術(shù)：仰臥位，頭可后仰，便于清除呼吸道異物，可進(jìn)行胸外按壓。 ■ 可進(jìn)行口對口人工呼吸或者使用簡易呼吸器輔助呼吸，有效人工呼吸可見胸廓起伏。 ■ 瞳孔示教：死亡狀態(tài)下，模擬人瞳孔散大，搶救成功后，雙側(cè)瞳孔由散大變?yōu)檎！? ■ 模擬人和計算機(jī)之間通信方式：藍(lán)牙無線通信。 ■ 模擬人手臂關(guān)節(jié)靈活，可進(jìn)行搬運練習(xí)。 ? 二、軟件功能： ■ 軟件依據(jù)《美國心臟學(xué)會2015國際心肺復(fù)蘇心血管急救指南標(biāo)準(zhǔn)》的操作標(biāo)準(zhǔn)對心肺復(fù)蘇操作進(jìn)行評價。 ■ 軟件形象的展示了心肺復(fù)蘇急救流程，圖文并茂的介紹了急救鏈中的每項操作要點。 ■ 操作模式：訓(xùn)練、考核、實戰(zhàn)三種操作模式，每種模式均可自行設(shè)置操作時間、按壓次數(shù)、按壓深度、吹氣次數(shù)、吹氣量、CPR循環(huán)次數(shù)等，老師也可調(diào)節(jié)和變更按壓和通氣的考核標(biāo)準(zhǔn)值，建立符合當(dāng)次考核狀態(tài)的心肺復(fù)蘇標(biāo)準(zhǔn)。 ■ 學(xué)員管理：可自由編輯學(xué)員名稱及編號，用于存檔。 ■ 人工口對口呼吸(吹氣)時： · 動態(tài)條碼指示燈顯示潮氣量大小：吹入的潮氣量正確由條碼綠燈顯示，吹入的潮氣量過小由條碼黃燈顯示，吹入的潮氣量過大由條碼紅色指示燈動態(tài)反饋顯示潮氣量大小。 · 電子計數(shù)顯示：詳細(xì)記錄吹氣正確和錯誤的次數(shù)（吹氣量過大、吹氣力量過小）。 · 語音提示：中文語音提示，詳細(xì)提示吹氣錯誤的具體原因以便訓(xùn)練者及時改正。 ■ 人工手位胸外按壓時： · 動態(tài)條碼指示燈顯示按壓深度：按壓深度正確由條碼綠燈顯示，按壓深度過小由條碼黃燈顯示，按壓深度過大由條碼紅色指示燈動態(tài)反饋顯示按壓深度。 · 電子計數(shù)顯示：詳細(xì)記錄按壓正確和錯誤的次數(shù)（按壓力量過大、按壓力量過小、按壓位置錯誤）。 · 語音提示：中文語音提示，詳細(xì)提示按壓錯誤的具體原因，以便訓(xùn)練者及時改正。 ■ 全程心電圖顯示： · 搶救前：顯示為瀕臨死亡的心電圖, 呼吸圖消失。 · 搶救中：進(jìn)行按壓操作時，顯示按壓心電圖，頻率與按壓頻率一致，呼吸監(jiān)護(hù)顯示潮氣操作圖形。 · 搶救成功后：顯示為竇性心律，呼吸恢復(fù)正常。 ■ 依據(jù)《2015年美國心臟協(xié)會心肺復(fù)蘇及心血管急救指南》的操作標(biāo)準(zhǔn)，對心肺復(fù)蘇操作進(jìn)行評價，操作達(dá)標(biāo)，模擬人復(fù)活，操作未達(dá)標(biāo)，模擬人死亡。 ■ 模擬人3D動畫：正常狀態(tài)時，模擬人3D動畫有瞬目，休克或死亡狀態(tài)時3D動畫為閉眼。 ■ 成績單所有操作結(jié)果數(shù)據(jù)以表格形式清晰顯示，并可保存成績單，可連接通用打印機(jī)對成績單進(jìn)行打印。 ■ 按壓與人工呼吸比：30：2（單人或雙人）。 ■ 操作周期：先30次按壓再2次人工吹氣，30：2五個循環(huán)周期CPR操作。 ■ 操作頻率：100-120次/分。 ■ 操作時間：以秒為單位計時。 ? 三、AED模擬除顫功能： ■ 自動體外模擬除顫儀設(shè)計符合人機(jī)工程學(xué)，打開盒蓋則設(shè)備開機(jī)，關(guān)閉盒蓋則設(shè)備自動關(guān)機(jī)，具有單鍵除顫功能操作，面蓋背部可存放AED電極貼片。 ■ 模擬急救現(xiàn)場AED的工作流程，但無高壓電擊除顫工作，全程中文語音提示，指導(dǎo)學(xué)員熟悉BLS的工作流程及AED使用要點。 ■ 自動偵測除顫電極片的貼敷位置是否正確，學(xué)員通過反復(fù)使用模擬AED可以熟悉電極片貼敷位置。 ■ 系統(tǒng)內(nèi)置12個腳本（一次除顫的室顫、多次除顫的室顫、反復(fù)顫動的室顫、發(fā)現(xiàn)并解決故障-電極片松動、發(fā)現(xiàn)并解決故障-觸碰病人、發(fā)現(xiàn)并解決故障-電池電量低、非除顫心律、二次除顫的室顫、三次除顫的室顫、室顫、發(fā)現(xiàn)并解決故障-電極片松動-電池電量低、發(fā)現(xiàn)并解決故障-觸碰病人-電池電量低），可模擬不同情景的急救現(xiàn)場情況，并且全程語音提示指導(dǎo)訓(xùn)練者完成BLS訓(xùn)練，可以根據(jù)需要暫停或繼續(xù)BLS過程。 ■ 故障模擬功能：通過遙控器選擇可以進(jìn)行情景模擬的語音提示，包括：除顫過程有其他人接觸病人身體、貼片位置錯誤、貼片位置正確、無需除顫、需要除顫、機(jī)器故障、電池電量低等。 ■ 電量管理功能：AED訓(xùn)練器自動偵測電池電量，當(dāng)電池電量不足時，系統(tǒng)將有“電池電量低，請更換”語音提示。在兩次AED期間，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，進(jìn)入省電模式，開機(jī)后如果3分鐘內(nèi)無任何操作，系統(tǒng)將自動進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。 ? 四、標(biāo)準(zhǔn)配置： ■ 心肺復(fù)蘇全身人體模型：1臺 ■ 手拉推式硬塑箱：1只 ■ 計算機(jī)：用戶自配或選配 ■ USB藍(lán)牙適配器：1個 ■ 電源適配器：1個 ■ CPR安裝操作軟件：1套 ■ 復(fù)蘇操作墊：1條 ■ 一次性呼吸面膜(50張/盒)：1盒 ■ 可換肺囊裝置：4套 ■ 可換面皮：1張 ■ AED模擬除顫儀：1臺 ■ 操作指南光盤：1張 ■ 急救手冊：1本 ■ 說明書：1冊 ■ 保修卡合格證：1張

上海欣曼科教設(shè)備有限公司 2021-08-23

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