CN111739974B - 一种仿生光痛觉传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种仿生光痛觉传感器及其应用。该器件采用典型的“三明治”器件结构，选用高功函数的导电金属作为底电极，选用富含缺陷的光敏半导体作为介质层，选用低功函数的透明导电材料作为顶电极。利用上下电极功函数不匹配所产生的内建电场，使体系中存在光伏效应，在光激励下，利用光生载流子在介质层缺陷态中的捕获和释放过程，可以实现痛觉传感器的四大关键属性：阈值、非适应、弛豫和痛觉敏化，在视觉假体、人造眼球、类人机器人中具有应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及类人机器人及仿生视觉假体领域，尤其是一种仿生光痛觉传感器及其应用。
背景技术
人类一直梦想制造一个像人的机器人，而其中一项重大的挑战是给机器人集成一套有效的传感系统，包括视觉，嗅觉，听觉，触觉等。除此之外，痛觉传感器也是人体内一类重要的传感器，它可以警告人体来自于外界温度，压力等极端条件的潜在危险。其中人体内的痛觉传感器主要有四大关键特征，分别是阈值、非适应、弛豫和痛觉敏化。这四大特征赋予了痛觉传感器在人体中扮演预警和保护等特殊功能的角色。
目前基于传统传感器和CMOS电路单元的简单组合，难以实现痛觉传感器的复杂功能。近年来，探索基于新原理、新材料和新结构的新型仿生痛觉传感器成为人们关注的焦点。2018年，Kim等人首次在Pt/HfO2/TiN器件结构中，利用电子在HfO2功能层的捕获与释放，在单个忆阻器件中实现了痛觉传感器的阈值、弛豫和痛觉敏化特性。2018年，Yoon等人在Pt/SiOx:Ag/Ag/Pt的忆阻器件结构中，利用Ag原子的自发扩散特性，在单个器件中实现了痛觉传感器的阈值、非适应、弛豫和痛觉敏化特性，并且该团队进一步将所述痛觉传感器与热电模块进行集成构建了人工热伤害性感受器。但是，目前报道的人工痛觉传感器都是直接以电刺激作为输入而进行伤害信号的探测，而不能实现人体视觉系统中光痛觉传感器的特殊功能。
对于视觉系统，到达视网膜的可见光是产生视觉感知所必不可少的，但是很容易将眼睛暴露在超过伤害阈值的光线水平下并造成损害。其中，人眼的光痛觉传感器在保护视觉系统免受光损伤的过程中发挥了关键作用，强光可以诱导眼睛发生眼睑闭合、瞳孔收缩等保护性自主反射，防止视网膜损伤。因此，开发所述光痛觉传感器的仿生光电器件对于实现其在视觉假体，人造眼球以及类人机器人等领域的应用具有重要意义。
发明内容
针对上述技术现状，本发明旨在提供一种仿生光痛觉传感器，该器件直接以光刺激作为输入信号，具有与人眼光痛觉传感器高度相似的工作方式。
为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：一种仿生光痛觉传感器，其特征是：采用具有“底电极/介质层/顶电极”的三明治器件结构，其中，顶电极选用低功函数的透明导电材料，底电极选用高功函数的导电金属，介质层选用富含缺陷的光敏半导体材料；
所述顶电极与底电极由于功函数不匹配产生内建电场，在光照下形成光伏效应；通过调节光生载流子在介质层缺陷中的捕获和释放，实现痛觉传感器的阈值特性、非适应特性、弛豫特性、痛觉敏化特性中的一种或者几种。
所述顶电极材料不限，包括功函数相对较低的透明金属氧化物，例如ITO、FTO、GZO等中的一种或两种。
所述底电极材料不限，包括功函数较高的贵金属，例如Pt、Au、Ti、Cr、Ta等中的一种或两种。
作为优选，所述顶电极材料的透光率在70％以上。
作为优选，所述介质层的厚度为5nm-50nm。
所述介质层材料不限，包括无机金属氧化物和有机无机杂化钙钛矿材料等。其中，无机金属氧化物不限，包括CeO2、SnO2、ZnO2、TiO2等中的一种或几种；有机无机杂化钙钛矿材料不限，包括CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3-xClx等中的一种或几种。
所述介质层的制备方法不限。当介质层材料选用无机金属氧化物时，可以采用磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积等中的一种或几种方法制备介质层。当介质层材料选用有机无机杂化钙钛矿材料时，可以采用将前驱体溶液涂覆、印刷、流延，然后蒸发溶剂得到涂层的方法。
所述介质层富含缺陷，缺陷种类不限，包括氧空位缺陷、卤素空位缺陷等。缺陷态是在介质层材料的制备过程中产生，通过对制备过程的控制得到富含缺陷的介质层。例如，当介质层材料选用无机金属氧化物，采用磁控溅射制备介质层薄膜材料时，可以通过控制薄膜生长过程的氧气与氩气之比获得氧空位缺陷；当介质层材料选用有机无机杂化钙钛矿材料，采用按照有机无机杂化钙钛矿材料的元素组成准备前驱体，将前驱体溶液混合、搅拌、旋转涂覆、加热反应等得到薄膜时，可以通过改变前驱体的配比获得富含缺陷的有机无机杂化钙钛矿材料。
作为优选，所述器件还包括衬底，所述底电极位于衬底上。所述衬底不限，可为刚性衬底或者柔性衬底。
本发明的仿生光痛觉传感器为“高功函数的导电金属底电极/富含缺陷态的光敏半导体介质层/低功函数的透明导电顶电极”的三明治结构，该器件直接以光刺激作为输入信号，属于光激励型。根据半导体的能带理论，由于上下电极的功函数不匹配，所以与介质层接触后半导体中的能带会因载流子的自发扩散而发生弯曲，形成一个由顶电极指向底电极的内建电场，在光照作用下形成光伏效应，具有如下性质：
通过调节光生载流子在介质层缺陷中的捕获和释放，实现痛觉传感器的阈值特性、非适应特性、弛豫特性、痛觉敏化特性中的一种或者几种。
在光照作用下，光敏半导体价带中的电子可以通过吸收光子而转变为自由电子，并在内建电场的作用下由底电极向顶电极迁移，但是由于光敏半导体内的缺陷态提供了稳定的电子捕获位点，光生电子将会首先被这些缺陷态捕获，因此只有当外界的光强达到某一临界值，使得半导体内的缺陷态被完全填满时，才可以产生外电路检测到的光电流，呈现出人眼光痛觉传感器的阈值特性；即，在光照作用下，当光强达到某一临界值，所述仿生光痛觉传感器产生电流，用于模拟痛觉传感器的阈值特性。
一旦在光生电子和电荷俘获之间建立了平衡，即使重复施加连续的光脉冲刺激，器件的光电流也维持在某一稳定水平，不会衰减，较好地模拟了痛觉传感器的非适应特性；即，在光照作用下，所述仿生光痛觉传感器产生电流，重复施加连续的光脉冲刺激，所述仿生光痛觉传感器的光电流维持在某一稳定水平，用于模拟痛觉传感器的非适应特性。
撤掉光照后，被半导体内缺陷态捕获的电子表现出时间依赖的去俘获过程，并在内建电场的作用下持续产生电流，呈现出痛觉传感器的弛豫特性；即，对所述仿生光痛觉传感器施加光照后撤掉光照，所述仿生光痛觉传感器在一定时间内维持一定的暗电流，用于模拟痛觉传感器的弛豫特性。
当在器件受到较强的光照后的短时间内再次施加强度较小的光照时，由于后者的响应电流会与前者的弛豫电流发生重叠，进而实现电流的协同放大，呈现出类似痛觉传感器的痛觉敏化功能。即，所述仿生光痛觉传感器受到较强的光照后，在短时间内再次施加强度较小的光照时，光电流被放大，用于模拟痛觉传感器的痛觉敏化特性。
因此，通过调节光生载流子在介质层缺陷态中的捕获和释放过程，该器件可以实现光激励的光痛觉传感器的仿生。
此外，由于人眼感受的主要是相对亮度，在不同的亮度背景下，光痛觉传感器的伤害阈值大小不同。在夜间，光痛觉传感器的伤害阈值会变低；在白天，光痛觉传感器的伤害阈值会变高。因此，实现这种适应性的伤害阈值调节功能，对于拓宽仿生光痛觉传感器在不同场景下的应用具有巨大潜力。本发明人发现，对于本发明的仿生光痛觉传感器，当在顶电极与底电极之间施加外加电压，进行光照时，通过调节外加电压的方向与大小，可以实现对器件伤害阈值的调控。究其原因，可能是由于外加电压下器件中同时存在光电导效应，通过改变外加读电压的方向和大小，可以调节体系中光电导和光伏效应的协同/竞争作用，进而实现对器件伤害阈值的调控。
与现有的仿生痛觉传感器相比，本发明的优势主要体现在：
(1)该器件直接以光刺激作为输入信号，具有与人眼光痛觉传感器高度相似的工作方式。
(2)器件结构简单，与CMOS工艺兼容。
(3)通过改变外加光脉冲的强度、持续时间和频率，可以在单个器件单元中实现痛觉传感器的四大关键属性，即阈值、非适应、弛豫和痛觉敏化。
(4)在顶电极与底电极之间施加外加电压并进行光照时，通过调节外加电压的方向与大小，可以实现对器件伤害阈值的调控，从而极大拓宽了该仿生光痛觉传感器在不同场景下的应用潜力。
综上所述，本发明所述仿生光痛觉传感器在未来视觉假体、人造眼球以及类人机器人等领域具有巨大应用潜力。
附图说明
图1是本发明实施例1中所制备的具有“底电极/介质层/顶电极”三明治结构的器件示意图。
图2是本发明实施例中所制备的仿生光痛觉传感器的伤害阈值图。
图3是本发明实施例中所制备的仿生光痛觉传感器的非适应图。
图4是本发明实施例中所制备的仿生光痛觉传感器的弛豫图。
图5是本发明实施例中所制备的仿生光痛觉传感器的痛觉敏化图。
图6是本发明实施例2中所制备的具有“底电极/介质层/顶电极”三明治结构的器件示意图。
图7是本发明实施例2中所制备的仿生光痛觉传感器在不同外加读电压下的伤害阈值图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
附图中各层薄膜厚度和区域形状大小并不反应器件真实比例，目的只是示意说明本发明的内容。
实施例1：
本实施例中，仿生光痛觉传感器的器件结构包括衬底、底电极、介质层与顶电极。底电极位于衬底之上，介质层位于底电极与顶电极之间。
如图1所示，本实施例中选用Si片作为衬底；选用Pt作为底电极，其中Pt的厚度为150nm；选用透明金属氧化物ITO作为顶电极，其厚度为100nm；选用CeO2薄膜作为介质层，其厚度为25nm。
本实施例中，仿生光痛觉传感器的制备方法如下：
(1)将购买的镀Pt硅片分别放入适量的丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10分钟，取出后用氮气吹干；
(2)将清洗过的镀Pt硅片放入磁控溅射系统的真空腔体中，进行如下沉积：在氧氩比为2:1，沉积气压为1Pa的气氛中，以CeO2为靶材，以溅射功率为60W，用射频溅射的方法在Pt表面沉积一层厚度为25nm的CeO2薄膜；
(3)用高温胶带将步骤(2)得到的镀有CeO2薄膜的基片与金属掩膜版紧密贴合，然后放入脉冲激光沉积系统的真空腔体中，进行如下沉积：在氧气流量为8.7sccm，沉积气压为0.8Pa的气氛中，以ITO为靶材，以腔体内激光能量为78mJ，用脉冲激光沉积的方法在CeO2薄膜表面生长厚度为100nm、直径为150μm的ITO圆电极。
使用Keithley 4200半导体参数测量仪与光学测试系统对器件进行光电性能测试，其中利用SMU1和SMU4通道测试流过器件的电流，SMU3通道驱动LED绿灯施加光脉冲，两者同步进行。
(1)仿生光痛觉传感器的伤害阈值
入射光照射顶电极，如图2所示，逐渐增加光脉冲幅值，当光脉冲的幅值增加到某一临界值1.2pW/μm2时，器件有电流流过，呈现出类似痛觉传感器的伤害阈值，此时1.2pW/μm2即为该光源激发下仿生光痛觉传感器的伤害阈值。
(2)仿生光痛觉传感器的非适应
当对器件施加连续短时间的光脉冲刺激时，如图3所示，器件的光电流未出现明显的衰减，呈现出类似痛觉传感器所特有的非适应特性。
(3)仿生光痛觉传感器的弛豫
在不同光照强度下对该器件照射3.5s，光电流响应如图4所示，从图4中可以看出，外加光照越强(即伤害越大)，器件的光响应流越大，并且光照结束后的弛豫暗电流越大，呈现出类似痛觉传感器的弛豫特性。
(4)仿生光痛觉传感器的痛觉敏化
对器件依次施加光强为5pW/μm2、130pW/μm2、5pW/μm2的光照射3.5s，光电流相应如图5所示，其中数字代表的是光照强度大小，其单位为pW/μm2。从图5中可以看出，器件在受到较大的伤害(130pW/μm2)后，在相同强度光刺激(5pW/μm2)下的输出电流比受伤之前显著变大，呈现出类似痛觉传感器的痛觉敏化特性。
实施例2：
本实施例中，仿生光痛觉传感器的器件结构及其制备方法与实施例1完全相同。
使用Keithley 4200半导体参数测量仪与光学测试系统对器件进行光电性能测试，其中利用SMU1和SMU4通道测试流过器件的电流，SMU3通道驱动LED绿灯施加光脉冲，两者同步进行。
(1)仿生光痛觉传感器伤害阈值
本实施例中，与实施例1相同，入射光照射顶电极，逐渐增加光脉冲幅值，观察器件是否有电流流过，与实施例1不同的是，在光照的同时，对器件施加外加电压，如图6所示，改变器件外加电压的方向和大小，观察器件的光电流，结果如图7所示，图7中数字代表的是光照强度大小，其单位为pW/μm2，从图7中可以看出：
在0.6V的正的读电压下，器件的伤害阈值为0.5pW/μm2，即，与实施例1中无外加电压相比，伤害阈值显著降低；
在-0.45V的负的读电压下，器件的伤害阈值为11pW/μm2，即，与实施例1中无外加电压相比，伤害阈值显著提高；
即，对器件施加外加电压，通过控制外加电压的方向和大小，可以成功实现对器件伤害阈值的调控。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：仿生光痛觉传感器采用“底电极/介质层/顶电极”的三明治器件结构；
顶电极选用低功函数的透明导电材料；
底电极选用高功函数的导电金属；
介质层选用富含缺陷的光敏半导体材料；
所述顶电极材料包括透明金属氧化物；
所述底电极材料包括Pt、Au、Ti、Cr、Ta中的一种或两种；
所述介质层包括无机金属氧化物或和有机无机杂化钙钛矿材料；
在光照作用下，当光强达到某一临界值，所述仿生光痛觉传感器产生电流，用于模拟痛觉传感器的阈值特性；
在光照作用下，所述仿生光痛觉传感器产生电流，重复施加连续的光脉冲刺激，所述仿生光痛觉传感器的光电流维持在某一稳定水平，用于模拟痛觉传感器的非适应特性；
对所述仿生光痛觉传感器施加光照后撤掉光照，所述仿生光痛觉传感器在一定时间内维持一定的暗电流，用于模拟痛觉传感器的弛豫特性；
所述仿生光痛觉传感器受到较强的光照后，在短时间内再次施加强度较小的光照时，光电流被放大，用于模拟痛觉传感器的痛觉敏化特性。
2.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：所述透明金属氧化物是ITO、FTO、GZO中的一种或两种。
3.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：所述无机金属氧化物包括CeO2、SnO2、ZnO2、TiO2中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：所述有机无机杂化钙钛矿材料包括CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：所述介质层的厚度为5nm-50nm。
6.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：所述介质层材料选用无机金属氧化物，采用磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积中的一种或几种方法制备所述介质层。
7.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：所述介质层材料选用有机无机杂化钙钛矿材料，采用将前驱体溶液涂覆、印刷、流延，然后蒸发溶剂得到涂层的方法制备介质层。
8.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：所述介质层中的缺陷包括氧空位缺陷、卤素空位缺陷中的一种或者两种。
9.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：在所述介质层的制备过程中，通过对制备过程的控制得到缺陷。
10.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：介质层材料选用无机金属氧化物，采用磁控溅射制备介质层薄膜材料，通过控制薄膜生长过程的氧气与氩气之比获得氧空位缺陷。
11.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：介质层材料选用有机无机杂化钙钛矿材料，采用按照有机无机杂化钙钛矿材料的元素组成准备前驱体，将前驱体溶液混合、搅拌、旋转涂覆、加热反应得到薄膜，通过改变前驱体的配比获得富含缺陷的有机无机杂化钙钛矿材料。
12.如权利要求1所述的仿生光痛觉传感器的实现方法，其特征是：在顶电极与底电极之间施加外加电压，进行光照时，通过调节外加电压的方向与大小调控所述仿生光痛觉传感器的伤害阈值。
13.如权利要求1至12中任一权利要求中所述的仿生光痛觉传感器在视觉假体、人造眼球、类人机器人中的应用。
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