SMALL

The Shanghaitech Microsystem And non-Linear transducers Laboratory (SMALL) is established in Fall 2017 associated with the School of Information Science and Technology at ShanghaiTech University by Principal Investigator Dr. Tao Wu.  At SMALL, we are developing chip-scale sensor and actuator systems with novel material and micro/nano-fabrication processes. Research in this area is motivated by the potential to produce high-performance, low-cost, miniature transducers. Specific research areas of interest include Micro-/Nano-Electro-Mechanical System (M/NEMS) design and modeling, novel multiferroic materials, processing and transducers, as well as their applications in smart hardware, renewable energy systems, Internet-Of-Things (IOT) etc. The researches at SMALL are, in particular, interdisciplinary, which incorporates the expertise from many engineering and scientific disciplinarians. We welcomes all science and engineering background to join this lab to explore fascinating micro/nano-technologies.

上科大微系统与先进传感器实验室(SMALL)由吴涛博士于2017年秋建立,隶属于上科大信息科学与技术学院后摩尔时代器件与集成系统研究中心。本实验室致力于利用先进传感材料研发微纳机电系统与器件,科研方向包括多铁态材料在多维尺度下的耦合现象与机理,微纳机电系统设计与建模,微纳尺度磁电存储器、射频微纳器件以及先进微纳加工工艺。微纳机电系统的研究涉及多学科交叉,我们欢迎各理工科相关专业背景的同学和科研人员加入。

  • Recent News

    • Dr. Wu and collaborators have presented 3 papers on IEEE MEMS 2019!

      (a)芯片级微机电回转器结构图(b)回转器的高阶模态仿真

      我校信息学院吴涛教授与UIUC Songbin Gong教授课题组在回转器和铌酸锂压电谐振器领域进行了合作,在微机电系统领域知名会议IEEE MEMS 2019 上发表3篇论文。

      射频(RF)非互易网络是能够在相同带宽上同时进行发送和接收的全双工无线电的关键技术。传统方式下实现射频非互易器件通常采用磁场偏置铁氧体器件,这种器件需要磁体,很难集成在芯片上。它们也只在电磁(EM)域中工作,其尺寸也比较大。为了克服传统铁氧体器件的缺点,近年来研究了两种有前途的方法。第一种方法依靠时变电路在芯片尺度上实现非互易,同时消除了磁偏置。第二种方法是使用铁氧体集总元件和嵌入式微纳磁铁来实现超过50倍的尺寸缩小。尽管这两种方法在减小尺寸方面都取得了显著的进步,但时变方法在实现时需要> 100 mW的功耗,而且集总元件铁氧体器件仍不能与芯片级CMOS集成兼容。为了在近零功耗的情况下大幅度减小非互易器件的尺寸,可以利用声域与力域耦合效应,因为声波长比电磁波长小4到5个数量级。该研究探索了一种基于压电与电动力转导耦合原理的MEMS反互易系统,研究将洛伦兹力和压电换能器在一个结构中耦合实现了磁电换能器。

      论文以“A Chip-Scale RF MEMS Gyrator Via Hybridizing Lorentz Force And Piezoelectric Transductions”为题介绍了第一种基于洛伦兹力和压电转换的芯片级射频MEMS回转器的设计和实验结果。MEMS回转器的非互易性的相位响应180°,可以用作构建块合成复杂的非互易性网络。MEMS回转器的等效电路和性能测试结果都显示预期的180°相位差。该换能器设计中没有使用任何磁性材料,完全采用微纳工艺加工完成,具有小型化和集成度高等优势,利用高阶压电谐振模态可以向GHz方向扩展。该成果首次在射频上用完全无源芯片级机械装置实现了非互易性,并讨论了器件在实现强耦合和低插入损耗方面的各种挑战。

      第二项研究则以“Power-Efficient Ovenized Lithium Niobate SH0 Resonator Arrays With Passive Temperature Compensation为题,展示了利用36°Y切向铌酸锂薄膜在氧化硅(LN-OX)使用本征剪切水平(SH0)模态实现了首个集成微热炉170 MHz谐振器阵列。第三项研究以“Resonant Torsional Micro-Actuators Using Thin-Film Lithium Niobate”为题,展示了利用铌酸锂薄膜(36°Y切向) 实现了第一个扭转微执行器,获得了创纪录的优值(FOM),谐振器的谐振频率为1.268 MHz。

      第一篇论文上科大为第一完成单位,另外两篇论文上科大为第二完成单位,相关研究得到了浦江计划、国家自然科学基金和上海科技大学科研启动基金的支持。

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    • Dr. Wu and collaborators have published a review paper in MRS Bulletin!

      图. (a-e)薄膜椭圆中多种能量的影响(f-g)利用特定切向的PMN-PT实现的磁畴控制(h)利用两组电极实现双轴应力

      我校信息学院吴涛教授与弗吉利亚理工大学John Domann教授、台湾交通大学Tien-Kan Chung教授及加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Gregory Carman教授受邀,合作撰写了应变介导磁电耦合效应方面的综述文章。近日,该综述以“Strain-mediated magnetoelectric storage, transmission, and processing: Putting the squeeze on data”为题,在国际知名期刊《MRS BULLETIN》上发表。

      磁电效应是一个具有广阔应用前景的研究领域。早在1961年,研究人员就在氧化铬中发现了磁电效应。然而单一材料的磁电效应即便在低温下也只能展现较小的磁电耦合,大大限制了该技术的应用。直到2001年,国外研究人员研制出一种由压电和压磁材料组成的复合叠层结构,该器件在室温下展示出了较高的磁电耦合。这种方式被称为“应变介导磁电耦合”。后续研究则利用这种机制更显著地提高了磁电耦合。应变介导磁电耦合可以通过施加电压来控制微磁场,而叠层的复合磁电耦合又大大提高了磁电耦合。目前,应变介导磁电耦合已成为控制微磁场最有效的方式,在信息存储、传输和处理方面有着巨大的应用潜力。

      此外,吴涛教授与合作者发表的综述围绕应变介导磁电耦合这一主题,首先回顾了最初在较大尺寸器件上的研究,以及后续对磁性薄膜、微小尺寸异质结和单畴的控制实验,着重讨论了该技术在尺寸、速度和能耗方面的优势;继而阐述了该技术在信息存储、传输和处理方面的应用,举例介绍了储存器、天线和逻辑单元三种器件;最后,展望了应变介导磁电耦合未来的发展趋势及结合反铁磁性材料的应用可能。

      综述还介绍了对磁畴在各种激励下变化过程的建模。其中对于薄膜模型,磁弹性能主要取决于双轴应变,而在011切向的PMN-PT中发现了巨大的各向异性滞后,并且可以产生较大的双轴应力。这意味着只需要两个电极就可以在较大的面积上施加均匀的双轴应力,同时具有稳定的两个状态、很高的转换速度和极低的能耗。该技术的优点可以转化为重要的设备指标,如:能源效率、非波动性、更小的尺寸和更快的速度。如果在存储中,磁电耦合使得纳秒级的切换时间成为可能,并因其极低的能耗,大范围使用将可大幅度减少全球在存储上的能耗。

      应变介导磁电耦合技术在过去的17年中飞速发展,研究展现了磁电耦合如何为数据操作任务提供了显著的能效改进,同时比传统技术更快、更小。该技术展现了一种崭新的存储、传输和处理信息的范式转换的途径。

      该综述涵盖了吴涛教授与合作者在该方向上的重要工作与研究成果。吴涛教授为第二作者,上海科技大学为第二完成单位。该项研究得到了上海市浦江人才计划和上海科技大学科研启动基金的支持。

      论文链接:https://doi.org/10.1557/mrs.2018.260

      上科大新闻: http://www.shanghaitech.edu.cn/2018/1120/c1001a36232/page.htm

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    • Congratulation! Dr. Wu is awarded for NSFC 2018 !

      Dr. Tao Wu and Dr. Xiong Wang have collaborated to get a support from National Natural Science Foundation of China (NSFC #61874073) to conduct research on RF MEMS gyrators.  Congratulations!

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    • 中国 MEMS 产业发展趋势分析及建议

      转载 SIMIT战略研究室  中国科学院上海微系统与信息技术研究所

      Chinese MEMS Industry
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    • Prof. Wu has finished visiting UIUC ILIRM Group

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