CN111579063B - 一种柔性光感应器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路技术领域，具体为一种柔性光感应器。本发明柔性光感应器包括：控制电路，控制光感应阵列的栅极偏置电压输入；光感应阵列，由若干光感单元构成；模数转换器，将光感应阵列的输出模拟信号转化为数字信号；运算存储终端，其输入端与模数转换器相连，输出端与控制电路相连，用以存储读入的信号并反馈给控制电路。该柔性光感应器可以根据光线的强弱自动校正和调节光感应阵列对光的敏感程度，兼具高灵敏度和柔性便携的优势。本发明解决了传统光感应器体积过大且不具备柔性的问题。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种柔性光感应器。
背景技术
随着信息时代的应用需求越来越高，面对越来越多的特殊信号和特殊环境下气体、压力、湿度等的测量，新型传感器技术逐渐向微小型化、智能化、延展柔性化、便携可穿戴趋势发展。随着柔性基质材料的发展，柔性传感器成为新一代传感器重要发展方向之一，逐渐运用到医学诊断、电子皮肤、智能家居等方方面面。
随着智能产品的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器作为主要的核心部件之一，将极大影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。近年来，柔性可穿戴电子传感器在健康监测方面发挥着非常重要的作用。例如，将传感器植入并缠绕在动脉血管周围，测量人体的血压；将传感器安装在手腕，测量人体的心率。然而，对于制造出高灵敏度、高分辨率、快速响应的可穿戴电子传感器仍是一个艰巨的挑战。
光感应器在健康监测、运动监测、家庭康复、人机接口和软机器人等方面的潜在应用领域中起着不可或缺的作用，极大地推动了自动化的发展。随着人们对便携化、娱乐化、健康化的可穿戴式电子设备不断追求,柔性光感应器在未来具有巨大的市场前景。对人们在数天甚至数周期间所暴露于的光照水平的评估是诊断情绪和睡眠障碍的重要手段。曝光的时机、持续时间、强度和光谱构成都对人类的24 小时生理节律周期变化产生影响，这都对光感应器的精确度提出了较高要求。目前光感应器的研究思路是设计具有高精度高灵敏度的光电检测器，达到以与人眼相同的方式检测环境光亮度的效果。
为精确测量环境光照度，需要一个转换器将光强转换成电流或电压。硫化镉(CdS)曾是最常用的光电转换器，硫化镉是一种化合物，其作用相当于电阻，阻值随入射光强增大而减小。然而，硫化镉存在一些问题，其中最大的缺点是响应速度慢。硅光电二极管是目前常用的光电转换器，硅光电二极管的特性包括快的响应速度、较高灵敏度与稳定性、较好的线性度等等，但其通常不能被制成柔性器件。目前的技术已有光感应系统及校准光感应装置的方法，包括具有至少一个光传感器的光感应装置和用于校准传感器的校准装置，具有较高的精确度，但装置复杂且体积较大，不具有便携性。
现有技术所制成的光感应器难以兼具智能调谐、灵敏度高和柔性可穿戴的特点，极大限制了光感应器的发展和应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种灵敏度高、可穿戴的柔性光感应器。
本发明的柔性光感应器，其电路结构如附图2所示，包括一个提供恒定偏置的控制电路、一个m行n列光感单元构成的光感应阵列、一个用于信号转换的模数转换器和一个存储信号的运算存储终端；所述模数转换器将光感应阵列的输出电流信号转换为高精度的数字信号，模数转换器的输出信号传入运算存储终端进行存储，并反馈回控制电路，控制电路对光感单元中可调偏压晶体管的栅极电压进行控制，即控制电路、光感应阵列、模数转换器和运算存储终端构成反馈回路。
本发明中，所述控制电路、光感应阵列和数模转换器均为二维材料构建的电路，且集成在一个晶圆上，因此所述柔性光感应器具有体积小、柔性便携的优势。
本发明中，所述光感应阵列由m行n列的光感单元构成，光感单元的内部电路结构如附图1所示，光感单元电路包含2个栅极偏置电压恒定的光感晶体管，可以将光信号转化为电信号，具体为光信号可以改变光感晶体管的阈值电压等参数，使得不同光信号对应晶体管的不同输出；2个栅极偏置电压可调的晶体管，由控制电路提供的偏置电压控制这两个晶体管的导通状态。偏置电压有多种可调状态，控制精度高，可以用来模拟人体对变化的光信号的感知。
本发明中，所述运算存储终端将经模数转换器处理的电信号进行存储，并给予反馈信号给控制电路，实现光感应阵列对光的灵敏度的调节。
本发明提出的柔性光感应器，通过光感应阵列采集光信号，将其转化成电信号送至高精度的模数转换器，进而通过运算存储终端提供反馈信号给控制电路，智能调谐光感应阵列的偏置电压，以与人眼相同的方式检测环境光亮度，兼具智能调谐、高灵敏度和柔性便携的优势。本发明解决了传统光感应器体积过大且不具备柔性的问题。
附图说明
图1为柔性光感应器中光感单元的结构示意图。
图2为柔性光感应器系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明应用于集成电路技术领域的光感应器进行详细说明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1示出本发明光感单元电路结构示意图。
如图1所示，100模块为一个光感单元电路，该光感单元电路包括：2个栅极偏置电压恒定的光感晶体管M1、M4和2个栅极偏置电压可调的晶体管M2、M3。其中，M1的栅极电压大小由控制电压VBu调节，漏极接电源电压，源极与M2的漏极相连；M2的栅极电压大小由控制电压VCu调节，源极接输出信号；M3的栅极电压大小由控制电压VCd调节，漏极接输出信号，源极与M4的漏极相连；M4的栅极电压大小由控制电压VBd调节，源极接地。光感晶体管M1、M4可以将光信号转化为电信号，具体为光信号可以改变光感晶体管的阈值电压等参数，使得不同光信号对应晶体管的不同输出。2个栅极偏置电压可调的晶体管，由控制电路提供的偏置电压控制这两个晶体管的工作状态。偏置电压有多种可调状态，控制精度高。
图2示出本发明一种柔性光感应器。
如图2所示，200模块为柔性光感应器整体电路，该柔性光感应器的电路整体结构包括一个提供恒定偏置控制电路、一个m行n列的光感应阵列、一个用于信号转换的模数转换器和一个存储信号的运算存储终端。其中，控制电路与光感应阵列的输入端相连，控制VBu、VCu、VCd、VBd的值大小；光感应阵列的输出端连接模数转换器，模数转换器将光感应阵列的输出模拟信号转换为计算机可读的高精度数字信号；模数转换器的输出信号传入运算存储终端进行存储，并反馈回控制电路，对光感单元中可调偏压晶体管的栅极电压进行控制。
光感应阵列将光信息转化为电流信息，将电流信息传入模数转换器中输出数字信号，将模数转换器的输出传入运算存储终端进行分析，从而反馈给控制电路，达到调节光感应阵列中晶体管的栅极偏置电压值的目的，最终实现精确地将光信息转换为电信号。本发明采用二维半导体材料搭建光感应阵列，是一种柔性的光感应器，可贴合于各种表面，应用范围广泛。
在不脱离本发明的精神和范围内，任何本领域普通技术人员皆可根据本发明所揭示的内容做出许多变形和修改，都也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种柔性光感应器，其特征在于，包括一个提供恒定偏置的控制电路、一个m行n列光感单元构成的光感应阵列、一个用于信号转换的模数转换器和一个存储信号的运算存储终端；所述模数转换器将光感应阵列的输出电流信号转换为高精度的数字信号，模数转换器的输出信号传入运算存储终端进行存储，并反馈回控制电路，控制电路对光感单元中可调偏压晶体管的栅极电压进行控制，即控制电路、光感应阵列、模数转换器和运算存储终端构成反馈回路；
所述光感单元电路包含2个栅极偏置电压恒定的光感晶体管、2个栅极偏置电压可调的晶体管；所述2个栅极偏置电压恒定的光感晶体管将光信号转化为电信号，即光信号可以改变光感晶体管的阈值电压参数，使得不同光信号对应晶体管的不同输出；所述2个栅极偏置电压可调的晶体管由控制电路提供的偏置电压控制其导通状态；偏置电压有多种可调状态，用来模拟人体对变化的光信号的感知。
2.根据权利要求1所述的柔性光感应器，其特征在于，所述控制电路、光感应阵列和模数转换器 均为二维材料构建的电路，且集成在一个晶圆上。
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