[發明專利]一種柔性光感應器

有效

• 申請號: 202010281705.0
• 申請日: 2020-04-11
• 公開（公告）號: CN111579063B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 馬順利;張智揚;王茜;吳天祥
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01J1/42
• 分類號: G01J1/42;G01J1/44
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于集成電路技術領域，具體為一種柔性光感應器。本發明柔性光感應器包括：控制電路，控制光感應陣列的柵極偏置電壓輸入；光感應陣列，由若干光感單元構成；模數轉換器，將光感應陣列的輸出模擬信號轉化為數字信號；運算存儲終端，其輸入端與模數轉換器相連，輸出端與控制電路相連，用以存儲讀入的信號并反饋給控制電路。該柔性光感應器可以根據光線的強弱自動校正和調節光感應陣列對光的敏感程度，兼具高靈敏度和柔性便攜的優勢。本發明解決了傳統光感應器體積過大且不具備柔性的問題。

技術領域

本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種柔性光感應器。

背景技術

隨著信息時代的應用需求越來越高，面對越來越多的特殊信號和特殊環境下氣體、壓力、濕度等的測量，新型傳感器技術逐漸向微小型化、智能化、延展柔性化、便攜可穿戴趨勢發展。隨著柔性基質材料的發展，柔性傳感器成為新一代傳感器重要發展方向之一，逐漸運用到醫學診斷、電子皮膚、智能家居等方方面面。

隨著智能產品的普及，可穿戴電子設備呈現出巨大的市場前景。傳感器作為主要的核心部件之一，將極大影響可穿戴設備的功能設計與未來發展。近年來，柔性可穿戴電子傳感器在健康監測方面發揮著非常重要的作用。例如，將傳感器植入并纏繞在動脈血管周圍，測量人體的血壓；將傳感器安裝在手腕，測量人體的心率。然而，對于制造出高靈敏度、高分辨率、快速響應的可穿戴電子傳感器仍是一個艱巨的挑戰。

光感應器在健康監測、運動監測、家庭康復、人機接口和軟機器人等方面的潛在應用領域中起著不可或缺的作用，極大地推動了自動化的發展。隨著人們對便攜化、娛樂化、健康化的可穿戴式電子設備不斷追求,柔性光感應器在未來具有巨大的市場前景。對人們在數天甚至數周期間所暴露于的光照水平的評估是診斷情緒和睡眠障礙的重要手段。曝光的時機、持續時間、強度和光譜構成都對人類的24 小時生理節律周期變化產生影響，這都對光感應器的精確度提出了較高要求。目前光感應器的研究思路是設計具有高精度高靈敏度的光電檢測器，達到以與人眼相同的方式檢測環境光亮度的效果。

為精確測量環境光照度，需要一個轉換器將光強轉換成電流或電壓。硫化鎘(CdS)曾是最常用的光電轉換器，硫化鎘是一種化合物，其作用相當于電阻，阻值隨入射光強增大而減小。然而，硫化鎘存在一些問題，其中最大的缺點是響應速度慢。硅光電二極管是目前常用的光電轉換器，硅光電二極管的特性包括快的響應速度、較高靈敏度與穩定性、較好的線性度等等，但其通常不能被制成柔性器件。目前的技術已有光感應系統及校準光感應裝置的方法，包括具有至少一個光傳感器的光感應裝置和用于校準傳感器的校準裝置，具有較高的精確度，但裝置復雜且體積較大，不具有便攜性。

現有技術所制成的光感應器難以兼具智能調諧、靈敏度高和柔性可穿戴的特點，極大限制了光感應器的發展和應用。

發明內容

本發明的目的在于提出一種靈敏度高、可穿戴的柔性光感應器。

本發明的柔性光感應器，其電路結構如附圖2所示，包括一個提供恒定偏置的控制電路、一個m行n列光感單元構成的光感應陣列、一個用于信號轉換的模數轉換器和一個存儲信號的運算存儲終端；所述模數轉換器將光感應陣列的輸出電流信號轉換為高精度的數字信號，模數轉換器的輸出信號傳入運算存儲終端進行存儲，并反饋回控制電路，控制電路對光感單元中可調偏壓晶體管的柵極電壓進行控制，即控制電路、光感應陣列、模數轉換器和運算存儲終端構成反饋回路。

本發明中，所述控制電路、光感應陣列和數模轉換器均為二維材料構建的電路，且集成在一個晶圓上，因此所述柔性光感應器具有體積小、柔性便攜的優勢。

本發明中，所述光感應陣列由m行n列的光感單元構成，光感單元的內部電路結構如附圖1所示，光感單元電路包含2個柵極偏置電壓恒定的光感晶體管，可以將光信號轉化為電信號，具體為光信號可以改變光感晶體管的閾值電壓等參數，使得不同光信號對應晶體管的不同輸出；2個柵極偏置電壓可調的晶體管，由控制電路提供的偏置電壓控制這兩個晶體管的導通狀態。偏置電壓有多種可調狀態，控制精度高，可以用來模擬人體對變化的光信號的感知。