CN113514510A - 用于使用仿生电化学眼进行光学检测的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种仿生电化学眼装置及其制造方法，一种人工视觉系统，一种用于制造电化学检测器的方法，一种用于制造集成电化学图像传感器的方法。仿生电化学眼装置包括：第一半球形膜层，所述第一半球形膜层包括：半球形膜，其包括多个通孔，以及形成在所述多个通孔中的多个纳米线，所述纳米线由具有光电效应的材料制成；第二半球形膜层，所述第二半球形膜层包括：第一半球形壳体，以及位于所述第一半球形壳体的凹侧的金属膜层；离子液体，其填充在所述第一半球形膜层与所述第二半球形膜层形成的球形腔中；以及多个背接触件，其从所述第一半球形膜层的与所述第一半球形膜层的凹侧相反的背侧与所述多个纳米线连接。

Description

用于使用仿生电化学眼进行光学检测的方法和系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2020年4月9日提交的美国临时专利申请No.63/100,942的权益，该美国临时专利申请通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及光学检测领域，更具体地，涉及用于使用仿生电化学眼进行光学检测的方法和系统。
背景技术
生物眼可论证地是地球上绝大多数动物的最重要的感觉器官。事实上，人类大脑使用眼睛获取关于其周围环境的80％以上的信息。具有凹半球形视网膜和光管理组件的人眼以其卓越的特性而特别引人注目，该卓越的特性包括高达150°的宽视场(FOV)、在中央凹处每线对1弧分(arcmin)的高分辨率、以及对光学环境的优异适应性。特别地，视网膜的圆顶形状具有通过直接补偿来自弯曲的焦平面的像差来降低光学系统的复杂性的优点。
模仿人眼，人工视觉系统在诸如机器人的自主技术中扮演相同的重要角色。然而，目前在人工视觉系统中使用的商业电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器主要使用通过主流平面微制造工艺成形的平面装置结构，这使得半球形装置制造困难。换句话说，当前制造和由人工视觉系统使用的大多数图像传感器是平面的(例如，2维的)而不是半球形的(例如，3维的并且形状像人眼)。由于不是半球形的，这些传感器不具有许多特殊的装置特性和类似人眼形状的上述优点。此外，特别是对于人形机器人，视觉系统寻求被设计为在外观上尽可能类似于人眼的视觉系统，以使得能够进行友好的人-机器人交互。因此，仍然存在对模仿人类视网膜的半球形图像传感器设计的技术需求。
发明内容
本申请的实施例公开一种仿生电化学眼装置，其包括：
第一半球形膜层，所述第一半球形膜层包括：
半球形膜，其包括多个通孔，以及
形成在所述多个通孔中的多个纳米线，所述纳米线由具有光电效应的材料制成；
第二半球形膜层，所述第二半球形膜层包括：
第一半球形壳体，以及
位于所述第一半球形壳体的凹侧的金属膜层；
离子液体，其填充在所述第一半球形膜层与所述第二半球形膜层形成的球形腔中；以及
多个背接触件，其从所述第一半球形膜层的与所述第一半球形膜层的凹侧相反的背侧与所述多个纳米线连接。
在一些实施例中，所述多个背接触件中的每一个单独地连接到所述多个纳米线中的至少一个纳米线。
在一些实施例中，所述多个背接触件中的每一个为液态金属线。
在一些实施例中，所述多个背接触件中的每一个包括导电微针。
在一些实施例中，所述多个纳米线中的每一个包括全部位于所述通孔中的第一部分和部分从所述第一半球形膜层的背侧向外突出的第二部分，所述第一部分和所述第二部分由不同的材料制成，并且所述导电微针连接到所述至少一个纳米线的第二部分。
在一些实施例中，所述多个背接触件中的每一个包括导电线，所述导电微针将所述导电线电连接到所述至少一个纳米线。
在一些实施例中，所述导电微针连接到所述多个纳米线中的形成一个像素的四个纳米线。
在一些实施例中，所述仿生电化学眼装置还包括第二半球形壳体，其中，所述第二半球形壳体附接到所述第一半球形膜层的背侧，所述第二半球形壳体包括呈阵列排布的多个通孔，并且所述多个背接触件穿过所述第二半球形壳体的多个通孔连接到所述多个纳米线。
在一些实施例中，所述第二半球形膜层在其中心处具有开口，并且晶状体嵌入在所述开口中。
在一些实施例中，所述多个纳米线中的相邻纳米线之间具有500nm的间距，并且所述多个纳米线具有4.6×108cm-2的密度。
在一些实施例中，离子液体包括10v％的1-丁基-3-甲基咪唑碘化物。
本申请的实施例还公开一种人工视觉系统，其包括：上述仿生电化学眼装置、连接到所述仿生电化学眼装置的电路系统、和连接到所述电路系统并被配置为处理数据的计算装置。
在一些实施例中，所述电路系统包括多路复用器、电压源、电流计和地。
本申请的实施例还公开一种用于制造半球形人工视网膜中的电化学检测器的方法，其包括：
形成具有多个孔的半球形膜，其中，在所述半球形膜的一侧具有阻挡所述多个孔的阻挡层；
去除所述阻挡层的至少一部分，以将所述多个孔的至少一部分形成为穿过所述半球形膜的通孔；
在所述通孔中生长纳米线，其中，所述纳米线由具有光电效应的材料制成。
在一些实施例中，形成具有多个孔的半球形膜包括：通过阳极化处理和蚀刻处理来形成所述半球形膜。
在一些实施例中，去除所述阻挡层的至少一部分包括：利用聚焦离子束蚀刻所述阻挡层的至少一部分。
本申请的实施例还公开一种用于制造半球形人工视网膜中的集成电化学图像传感器的方法，其包括：
形成具有多个孔的半球形膜，其中，在所述半球形膜的第一侧具有阻挡所述多个孔的阻挡层；
去除所述阻挡层，以将所述多个孔形成为穿过所述半球形膜的通孔；
在所述半球形膜的通孔中生长第一纳米线，使得所述第一纳米线填充所述通孔的靠近所述第一侧的部分，其中，所述第一纳米线由导电材料制成；
从所述第一侧去除所述半球形膜的一部分，使得所述第一纳米线的一部分暴露在所述半球形膜的外部；
在所述半球形膜的通孔中生长第二纳米线，使得所述第二纳米线填充所述通孔的剩余部分，其中，所述第二纳米线由具有光电效应的材料制成；
将导电微针从所述第一侧放置在所述半球形膜上，使得每个所述导电微针与至少一个所述第一纳米线电连接，并且利用封装材料固定和封装所述导电微针；
将导电线连接到所述导电微针，以将所述导电微针电连接到外部装置。
在一些实施例中，形成具有多个孔的半球形膜包括：通过阳极化处理和蚀刻处理来形成所述半球形膜。
在一些实施例中，所述第一纳米线包括镍并且所述第二纳米线包括钙钛矿。
本申请的实施例还公开一种用于制造球形仿生电化学眼装置的方法，其包括：
形成第一半球形铝壳；
在所述第一半球形铝壳的凹侧上形成半球形的多孔氧化铝膜基板；
去除位于所述多孔氧化铝膜基板的一侧的阻挡层并且去除所述第一半球形铝壳，以形成具有穿过所述多孔氧化铝膜基板的通孔的独立多孔氧化铝膜基板；
在所述独立多孔氧化铝膜基板的通孔中生长钙钛矿纳米线；
在所述独立多孔氧化铝膜基板的与所述凹侧相反的背表面上形成粘附层；
形成具有通孔阵列的半球形聚二甲基硅氧烷壳体；
将所述独立多孔氧化铝膜基板通过所述粘附层粘合到所述聚二甲基硅氧烷壳体；
将液态金属注入软管来形成液态金属线；
将所述液态金属线的一端通过所述聚二甲基硅氧烷壳体的通孔阵列电连接到所述钙钛矿纳米线，以将所述钙钛矿纳米线电连接到外部装置；
形成中心处具有圆形开口的第二半球形铝壳，在所述第二半球形铝壳的凹侧上形成钨膜，并且在所述圆形开口处安装通光孔；
将所述第二半球形铝壳与所述独立多孔氧化铝膜基板对合并粘接到一起，以在两者之间形成球形腔；
将离子液体注入到所述球形腔，并且将晶状体胶合到所述第二半球形铝壳上的通光孔，以密封所述球形腔。
附图说明
图1示出了人类成像系统的示意图。
图2示出了球形仿生电化学眼(EC-EYE)成像系统的示意图。
图3A示出了EC-EYE的分解图。
图3B和图3C示出了来自图3A的EC-EYE的组装好的版本的不同视角。
图4A和图4B示出了来自图3A的EC-EYE的各个组件中的一些的图像。
图5A至图5D示出了使用图3A的EC-EYE的各个像素的光检测性能特性。
图6A和图6B示出了具有单个和多个基于纳米线(NW)的电化学(EC)检测器的EC-EYE以及用于单个和多个基于NW的EC检测器的制造工艺。
图7示出了显示纳米线(NW)的可控生长的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图8A至图8C示出了具有微针接触件的EC-EYE、微针阵列接触件的制造工艺、和制造微针阵列接触件后的装置结构的视角。
图9示出了来自图3A的EC-EYE的不同视角。
图10A至图10C示出了使用EC-EYE来捕获图像的示例性系统和示例性电路图以及使用EC-EYE捕获的图像。
图11示出了EC-EYE和平面图像传感器之间的FOV的比较。
图12是用于使用EC-EYE来捕获一个或多个图像的示例性系统的示意图。
图13示出了用于使用EC-EYE来捕获图像的示例性过程。
具体实施方式
本申请的示例性实施例提供了一种人工视觉系统，其包括具有由高密度半导体纳米线(NW)阵列制成的半球形视网膜的球形仿生电化学眼(EC-EYE)，以及用于使用该人工视觉系统的方法。本申请的另外的示例性实施例提供了使用气相方法生长或制造EC-EYE的系统和方法。例如，可以使用具有光电效应的任何材料(例如但不限于金属卤化物钙钛矿、硅(Si)、锗(Ge)、磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、和/或其它合适的材料、组件或元件)来制造半导体NW阵列。以下，EC-EYE将会被描述为使用金属卤化物钙钛矿制造，以便描述装置结构和工作机理。然而，在其它示例中，EC-EYE可以由Si、Ge和/或具有光电效应的其它材料制成。在EC-EYE中，离子液体电解质可以用作连接到NW的前侧公共接触件，并且液态金属(LM)线可以用作连接到NW光电传感器(或NW)的背接触件，液态金属(LM)线可以模拟视网膜后面的人体神经纤维。装置特性和优点可以显现，诸如EC-EYE可以具有高响应度、合理的响应速度、低检测极限以及宽视场(FOV)。换句话说，由于EC-EYE的视网膜的形状(例如，半球形)和/或设计，EC-EYE可以具有和/或获得通常与人眼相关联的优点。此外，EC-EYE还可以展示人眼获取图像图案的基本功能。除了与人眼的结构相似性之外，半球形人工视网膜的NW密度远高于人类视网膜中的光感受器的密度，并且因此半球形人工视网膜可以潜在地实现较高的图像分辨率，这可以通过实施单NW超小型光电检测器来支持。
图1和图2示出了人类成像系统(图1)和EC-EYE成像系统(图2)的示意性比较。具体地，图1和图2各自包括三个部分，并且每个部分示出了不同的图像。部分102示出了人类视觉系统，其是具有用于光学感测的两个眼球、用于数据传输的数百万个神经纤维以及用于数据处理的大脑的综合系统。人类大脑具有惊人的并行处理能力。例如，来自大约一百万个神经纤维的神经电信号可以被同时处理，并且因此可以在非常短的时间内实现图像处理/识别。在部分104中示出的人眼的内部结构包括晶状体108、球形腔、玻璃体液110、半球形视网膜112和神经纤维114。在该结构中，玻璃体液110是填充晶状体108后面的眼球的透明凝胶状组织，视网膜112是用于将光学图像转换为神经电信号的核心组件。半球形形状简化了眼光学设计，这导致了具有对周围环境的宽视觉感知的大约155°的超大FOV。部分106示出了具有光感受器118、神经元120和包括视神经的视神经层116的人眼视网膜。在视网膜112中以致密且准六角的方式竖直组装了约1亿至1亿2千万个光感受器118和/或视杆细胞和视锥细胞。这些感光单元118的密度为大约每平方厘米1千万个，并且感光单元118之间的平均间距为3μm，从而导致与现有技术的CCD/CMOS传感器的成像分辨率相当的高成像分辨率。然而，神经纤维层在人类视网膜的前表面处，导致光损失和盲点问题。例如，可能存在通过视神经层116的光损失。由于神经纤维在视网膜112的前面行进，因此存在纤维穿过视网膜112的“通路(via)”。该“通路”可以是视网膜112上没有光感受器118的盲点。
参照图2，部分202示出了包括EC-EYE的整个EC-EYE成像系统，部分204示出了EC-EYE，并且部分206示出了多孔氧化铝膜(PAM)模板中的钙钛矿NW及其晶体结构。具体地，部分202、204和206示出了仿生视觉系统的示意图，该仿生视觉系统包括晶状体208、视网膜210(例如，NW视网膜)和作为电接触件的细液态金属(LM)线(例如，LM纤维)214。视网膜210可以包括半球形基板上的光电传感器阵列212(例如，NW光感受器)。晶状体208、半球形基板上的光电传感器阵列212和细LM线214组件分别模仿生物眼晶状体、视网膜和视网膜后面的神经纤维。人工视网膜由钙钛矿NW的高密度阵列212制成。在一些情况下，使用气相工艺在半球形多孔氧化铝膜(PAM)内部生长钙钛矿NW。另外和/或可替换地，可以使用3维(3D)打印和/或液态金属图案化来制造和/或生产EC-EYE的某些组件。下面将描述制造/生产工艺。
图3A示出了图2的EC-EYE的分解图。例如，参照图3A，示出了EC-EYE 300的分解图。EC-EYE 300包括晶状体302、通光孔(aperture)304、铝(Al)壳巩膜和钨(W)膜接触件306、离子液体体液308、铟粘附层310、聚二甲基硅氧烷(PDMS)眼窝312、NW阵列视网膜314和液态金属(LM)神经纤维316。NW 314(例如，NW阵列视网膜)用作光敏工作电极。铝(Al)半球形壳上的钨(W)膜306用作反电极。在两个电极(例如，314和306)之间，离子液体(例如，离子液体体液308)被用于填充到球形腔中用作电解质，模仿人眼中的玻璃体液。还存在作为人眼中的瞳孔的对应部分的通光孔304。软橡胶管中的柔性LM线316(例如，共晶镓铟(EGaIn)LM线)用于NW 314(例如，NW阵列视网膜)与外部电路系统(例如，处理器、控制器和/或下面描述的可用于处理由EC-EYE 300捕获的图像的其它类型的计算装置)之间的信号传输。可以通过从液态金属神经纤维316选择对应的LM线来寻址和测量单独的光电检测器。这类似于人类视网膜的工作原理，其中各组光感受器与各神经纤维单独连接，使得能够抑制像素间的干扰并且能够高速并行处理神经电信号。另外和/或可替换地，LM线316在感测材料(例如，NW阵列314)后方，因此可以避免前面提到的人类视网膜中的光损失和盲点问题。在一些示例中，10×10光电检测器阵列(例如，NW阵列314)可以被制造成具有1.6毫米(mm)的间距。在一些变型中，NW阵列314内的每个感测像素的最小尺寸可由LM线316的直径限制，其可以是几微米(μm)或更大。在其它变型中，为了进一步减小像素尺寸(这增加了空间成像分辨率)，可以使用另一种制造传感器像素阵列的方法，在该传感器像素阵列中每个像素面积为约1μm2并且使用金属微针。下面进一步详细描述该替代方法。在本申请的实施例中，每个像素可以包括NW阵列314中的至少一个NW，并且每个LM线316可以连接到一个像素。
可以在半球形模板中生长光感测NW 314，因此可以在一个步骤中形成类似于人类视网膜的独特结构。由于甲脒碘化铅(FAPbI3)具有优异的光电性能和适当的稳定性，因此可以用作用于NW生长的模型材料。然而，在其它示例中，其它合适的材料可以用作NW 314的生长的模型材料。下面进一步详细描述NW生长和特性细节。在其它变型中，也可以使用气-液-固工艺来生长由Si、Ge、GaAs等制成的其它类型的无机NW，并且将其用于EC-EYE 300。
图3B和图3C示出了来自图3A的EC-EYE的组装好的版本的不同视角。具体地，图3B示出了来自图3A的组装好的EC-EYE的侧视图，并且示出了指示器318以指示一厘米(cm)。图3C示出了来自图3A的组装好的EC-EYE的俯视图，并且示出了指示器320以指示五毫米(mm)。
图4A和图4B更详细地示出了来自图3A的EC-EYE的各个组件中的一些。例如，图4A和图4B各自具有两个部分，并且每个部分示出来自EC-EYE 300的组件的不同图像。参照图4A，部分402是半球形PAM/NW(例如，NW阵列视网膜314)的低分辨率截面扫描电子显微镜(SEM)图像。示出了指示器412以指示2mm。部分404是PAM中的NW 314的截面SEM图像。具体地，部分404是部分402中指示的矩形部分410的特写图像。在部分402和404中示出的半球形PAM和NW 314的SEM图像位于纳米通道的底部。参照图4B，部分406示出了NW阵列314的单晶钙钛矿NW的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。具体地，单晶NW具有500nm的间距和4.6×108cm-2的密度，其比人类视网膜中的光感受器的密度高得多，表明了基于适当的电接触实现高成像分辨率的潜力和/或能力。指示器416被示出为指示3nm。部分408示出了用于帮助对准LM线316的PDMS眼窝312的图像。指示器418被示出为指示5mm。
图5A至图5D示出了使用图3A的EC-EYE 300的各个像素的光检测性能特性。例如，图5A示出了由EC-EYE 300进行的单个像素测量的示例性示意图。具体地，图5A示出了EC-EYE 300、内部具有液态金属的单个LM线502、以及电路(例如，地、电源(例如，电池或电池组)、和/或安培计/电流计)。EC-EYE 300可以用于捕获单个像素测量结果。换句话说，LM线316中的每条LM线(例如，线502)可以捕获单个像素的测量结果。例如，准直光束504聚焦在EC-EYE 300的视网膜的中心处的像素上。
图5B示出了EC-EYE 300的能带排列，并且进一步示出了光激发下的电荷-载流子分离路径。在一些情况下，EC-EYE 300可以在-3伏(V)偏压下捕获图像的像素。
图5C示出了电流-电压(I/V)特性，其表现出由图5B所示的NW两侧的不对称电荷传输引起的不对称光响应。电化学特性表明，碘离子/三碘化物(I-/I3-)对的氧化还原反应发生在NW/电解质和钨膜/电解质界面处，并且电解质内的离子传输有助于光响应。插图506示出了EC-EYE 300对斩波光(chopped light)的瞬态响应。相对快速和高度可重复的响应表明EC-EYE 300具有优异的光电流稳定性和再现性。响应时间和恢复时间大约为32.0毫秒(ms)和40.8ms。此外，关键的NW/电解质界面的电化学分析表明，EC-EYE 300的响应时间可取决于该界面处多种类型离子的动力学。电化学阻抗谱(EIS)测量结果表明，EC-EYE 300的结构优化和离子液体浓度增加可以大幅降低NW/电解质界面处的电荷转移电阻(Rct)，导致EC-EYE 300的响应时间和恢复时间降低至19.2ms和23.9ms，这比人类光感受器的在从40ms至150ms范围内的响应时间和恢复时间快得多。
EC-EYE 300可以通过减小Rct来获得相对快速和高度可重复的响应速度。例如，可以通过去除NW和金属电极(例如，液态金属)之间的子通道层来优化EC-EYE 300。子通道层是指NW和液态金属之间的细小的孔道层。在PAM制造完成后，可在底部形成一个U形的氧化绝缘层(即，阻挡层)。在NW生长之前的阻挡层变薄处理可导致在PAM的底部形成精细子通道。为了生长NW，阻挡层变薄处理可以包括：采用逐步降低阳极氧化电压的方法，将阻挡层减薄至3纳米左右。阻挡层可以包括氧化铝层。在阻挡层变薄处理期间，大的通道会逐渐分裂成多个小通道(即，上文提到的子通道层)。小通道直径比较小，因此电阻比较大，因而会增大总体的电阻，并且在该子通道层中生长的NW可以具有小直径和比主通道中的NW更高的电阻。因此，通过去掉子通道层可以降低电阻，优化EC-EYE 300。因此，EIS测量结果表明，EC-EYE 300的Rct在黑暗和光照(50微瓦(μW)厘米-2(cm-2))下为5.56兆欧和1.89兆欧。EC-EYE 300的响应时间和恢复时间是32ms和40.8ms。在一些示例中，可以使用温和的离子研磨工艺来去除子通道层以促进NW中的载流子传输。对于这样的示例，针对黑暗和光照条件，Rct可以显著地降低到1.31兆欧和0.92兆欧，表明了加速的电荷转移过程。结果，可以提高EC-EYE的响应速度和恢复速度(响应时间treponse＝21.8ms，恢复时间trecovery＝29.9ms)。
另外和/或可替换地，提高I-/I3-氧化还原对的浓度(例如，将1-丁基-3-甲基咪唑碘化物(BMIMI)浓度从1v％增加到10v％)可进一步促进电荷转移速率。使用这些经提高的浓度，EIS测量结果表明Rct在黑暗和光照条件下已被分别进一步降低至1.28兆欧和0.4兆欧。响应时间和恢复时间已经减少到19.2ms和23.9ms。
图5D示出了使用EC-EYE 300获取单独的像素的与照明强度相关的光电流和响应度。图5D所示的照明光强度具有从0.3μWcm-2至50毫瓦(mW)cm-2的大动态范围。光电流可符合准线性功率定律关系(I～P0.69)，其中I为光电流，P表示辐照功率。当降低照明强度时，响应度可以增加，并且可以向上达到303.2mAW-1，这是在所报道的光电化学(PEC)光电检测器中最高的。在测量出的最低辐射水平下，由单个NW每秒接收到的光子的平均数量可被估计为86个光子。该灵敏度与人类视锥细胞的灵敏度相当。相应的比探测率可以计算为对于0.3μWcm-2的入射光的～1.1×109Jones。光谱响应度示出了在810nm处具有清晰截止的宽带响应。测试了单独的像素在两赫兹(Hz)的连续斩波光下九小时的稳定性和可重复性以确认其耐久性。换句话说，这表明尽管对于暗电流和光电流两者都存在漂移，但是在64800个循环之后没有明显的EC-EYE 300性能退化。
如上所述，将高密度NW阵列314用于人工视网膜的许多优点之一是它们对高成像分辨率的潜力。尽管上述LM纤维接触件316连接到NW 314是方便的，并且图像分辨率已经与使用中的许多现有仿生眼相当，但是在一些情况下，可以进一步增强EC-EYE 300以将像素尺寸减小到个位数微米级别。例如，图6A至图6B和8A至图8C示出了用于实现超小像素尺寸的EC-EYE 300的附加和/或替代示例。如图6A所示，单个NW可确定性地生长在由聚焦离子束(FIB)打开的单个纳米通道中，这导致具有500纳米(nm)的横向尺寸和～0.22微米2(μm2)的占有面积的单个像素。
图6B更详细地示出了用于制造单个和多个基于NW的电化学(EC)检测器的过程600。例如，通过标准的两步阳极化处理以及随后的氯化汞(II)(HgCl2)蚀刻来制造独立的平面PAM。在阶段606处，独立PAM可以被转移到聚焦离子束(FIB)中以选择性地蚀刻掉阻挡层。为了便于蚀刻，芯片(即，完成了之前的阶段的PAM)可以接合在Al基板上，并且阻挡层所在侧面向上方。在阶段608处，在FIB蚀刻(例如，蚀刻电压：30kV，蚀刻电流：26nA)之后，可以将500nm厚的Cu层蒸镀到阻挡层的一侧上，以用作用于随后的铅(Pb)电化学沉积的电极。然后，在阶段610处，可以将芯片移动到管式炉中以用于钙钛矿NW生长。然后，可以通过碳膏将铜(Cu)线接合到PAM的Cu侧上，并且整个芯片可以通过UV环氧树脂被固定到玻璃基板上。固化后，在阶段612处，可以将离子液体滴在PAM的顶部上。另外和/或可替换地，可将钨探针插入离子液体中用于光电测量。可以用-3V的偏压和50mW/cm2的光强度测量光响应。
使用与图6A和图6B所示相同的方法，也可以制造四个NW的像素，并将其用于捕获图像。图7示出了显示NW的可控生长的SEM图像，包括NW的数量和位置。具体地，图7示出了PAM在不同阶段的俯视图和截面图SEM图像。例如，阶段702在FIB蚀刻之前，阶段704填充了单个纳米线，并且阶段706填充了四个纳米线。返回参照图6A，还示出了这两个器件(例如，单个NW和四个NW)的光响应。
代替或除了使用LM线316之外，也可以使用微针(镍(Ni)微针)来将像素尺寸减小到个位数微米级别。图8A至图8C示出了使用Ni微针接触件连接到NW阵列314的示意图以及制造微针接触件的工艺。例如，图8A示意性地示出了耦接到铜(Cu)线信号传输线的EC-EYE300。接触区域的横向尺寸可以是2mm。例如，为了形成超小像素的阵列，Ni微针可通过磁场竖直地组装在PAM的顶部上，并且因此每个微针可寻址形成像素的四个NW，该像素具有约1μm的横向尺寸以及200μm的间距。指示器818显示5微米。在本申请的实施例中，每个像素可以包括NW阵列314中的至少一个NW，并且每个微针可以连接到一个像素。
图8B示出了基于磁场辅助的微针阵列接触件的集成电化学图像传感器的示意性制造过程。阶段802示出了具有通孔的独立PAM。例如，可以通过标准阳极化处理、氢氧化钠(NaOH)蚀刻和氯化汞(II)(HgCl2)溶液蚀刻来制造40μm厚的独立PAM。离子研磨可用于去除阻挡层以实现通孔PAM。然后，阶段804示出了在PAM中生长的Pb和Ni NW。例如，可以将1μm厚的铜(Cu)膜热蒸镀到通孔PAM上以用作随后的Ni和Pb电化学沉积的电极。阶段806示出了在PAM中生长的钙钛矿NW和通过反应离子蚀刻(RIE)暴露的Ni NW。例如，为了暴露Ni NW，可以通过离子研磨去除铜层，并且可以通过反应离子蚀刻(RIE)部分地蚀刻掉PAM。暴露的Ni纳米线可以是约3μm长。可以将芯片移入管式炉中以进行钙钛矿NW的生长。之后，阶段808示出了Ni NW/PAM上的Ni微针的磁场辅助组装件。例如，PAM芯片可以固定在电磁体上，并且Ni纳米线面向上方。同时，可以在1V的偏压下在混合酸溶液(100ml 0.25M盐酸(HCl)水溶液+100ml乙二醇(EG))中使50μM直径的Ni微丝变尖，其中Ni微丝作为工作电极并且钨线圈作为反电极。所得到的具有尖锐的尖端的Ni微丝可以是上述Ni微针，并且尖锐的尖端的曲率半径在从100nm至200nm的范围内。然后，Ni微针可以在磁场开启的情况下轻轻地着落在PAM基板上。由于磁力，铁磁性的Ni微针可以接合到Ni NW林中以形成与NW的有效电接触。为了促进Ni微针着落，可以使用具有10×10孔阵列(孔直径：100μm，间距：200μm)的掩模来使Ni微针对准。阶段810示出了环氧树脂封装的装置。例如，在着落之后，可以在掩模和PAM基板之间滴落UV环氧树脂。直径为60μm的漆包铜线可插入到所述孔中以形成将Ni微针与外部PCB板桥接的电接触。阶段812示出了具有用于测量的离子液体的装置。
图8C示出了在已经使用图8B中描述的工艺制造装置结构之后该装置结构的不同视图。例如，视图814是装置结构的俯视图，视图816是装置结构的侧视图。如图所示，该装置包括Ni微针、Ni NW、PAM、钙钛矿NW、离子液体和密封基板。
在对以上各个传感器像素进行特性描述之后，下文将描述完整装置成像系统的功能性。图9示出了EC-EYE300的不同视角。例如，视角902示出了具有液态金属纤维(例如，LM神经纤维316)的EC-EYE(例如，EC-EYE 300)的侧视图。视角904示出了安装到印刷电路板(PCB)上的EC-EYE的正视图。视角906示出了具有液态金属线/纤维的EC-EYE的后视图。此外，视角906还示出了电耦接到LM线/纤维的多路复用器。虽然图9所示的示例包括PCB，但是在其它情况下PCB可以是可选的(例如，可以在没有PCB的情况下使用EC-EYE)。
图10A示出了使用EC-EYE来捕获图像的示例性系统1000。例如，EC-EYE 300包括LM线316。LM线316经由PCB连接到可控制的100×1多路复用器1002。PCB和多路复用器1002在图9中示出。系统1000还包括电流计1004(例如，安培计)、用于数据处理的计算装置1006、电压源1008、和地1010。图10B示出了系统1000的电路图1020。例如，电路图1020还包括多路复用器1002、电流计1004、计算装置1006、电压源1008和地1010。另外，像素(例如，“像素00”至“像素99”)中的每一个表示来自LM线316的不同的LM线。
通过投射光学图案，EC-EYE 300可以记录、识别和/或获取每个传感器像素的光电流。在一些示例中，为了重建投射在EC-EYE 300上的光学图案，可以将光电流值转换为0至255之间的灰度数。用于灰度转换的等式如下：
G＝(ILight-IDark)/(IFull-IDark)×255 等式(1)
其中，G是灰度值，IFull-IDark给出了作为像素的全光照条件电流和暗电流之间的差的动态范围。图10C示出了使用EC-EYE 300和系统1000成像的字符“A”及其在平面上的投影。
与基于交叉杆(crossbar)结构的平面图像传感器相比，EC-EYE 300可以提供具有更清晰边缘的更高对比度，因为每个单独的像素与相邻像素更好地隔离。在一些情况下，不是使用具有LM接触件316的EC-EYE 300，而是还可以如上所述制造具有微针接触件的小EC图像传感器，并且将其用于捕获图像。在一些示例中，在磁场和高分辨率光学监控系统的辅助下，利用压电致动器增强的高精度机器人臂可以用于将Ni微针着落在半球形PAM上。
图11示出了EC-EYE 300和平面图像传感器之间的FOV的比较。例如，与平面图像传感器相比，EC-EYE 300的视网膜的半球形形状确保了像素与晶状体之间的更一致的距离，从而导致更宽的FOV以及在所有像素上的更好聚焦。例如，顶层1102的形状是半球形的，因此，从晶状体到顶层1102的中心的距离与从晶状体到顶层1102的边缘/拐角之间的距离更加一致。底层1104来自平面图像传感器，其示出了从晶状体到底层1104的中心的距离与从晶状体到底层1104的边缘/拐角的距离是不一致的。本申请中的具有半球形视网膜的EC-EYE的对角线视场为～100.1°，而平面装置的对角线视场仅为69.8°。此外，通过优化像素分布和PAM的形状超过半球，可以在不考虑眼睛/头部移动的情况下进一步将该视角提升到接近单个人眼的静态FOV(约130°)。
如本文所公开的，使用具有由高密度光敏NW制成的半球形视网膜的仿生眼(例如EC-EYE 300)来捕获图像。EC-EYE 300的结构可以与人眼的结构具有高度相似性，同时具有基于上述示例和增强来实现更高成像分辨率的能力。所开发的工艺可以解决关于以高集成密度在非平面基板上制造光电子装置时的瓶颈挑战。此外，EC-EYE 300可以被广泛的技术应用(例如，在科学仪器、消费电子、机器人等中)所使用。
图12是用于使用EC-EYE来捕获一个或多个图像的示例性系统1200的示意图。例如，系统1200包括EC-EYE 1202、电路系统1204、和/或具有显示装置1208的计算装置1206。尽管系统1200内的实体可以在下面被描述和/或在图中被描绘为单个实体，但是将理解，本文中所讨论的实体和功能可以由一个或多个实体实施和/或包括一个或多个实体。例如，在一些情况下，显示装置1208可以是与计算装置1206分离的实体。换句话说，计算装置1206可以是被配置为基于来自EC-EYE 1202和/或电路系统1204的信息来执行图像处理的一个或多个控制器和/或处理器。
在一些情况下，系统1200可以是图10A中所示的系统1000的框图。换句话说，EC-EYE 1202可以是EC-EYE 300，计算装置1206可以是计算装置1006，并且电路系统1204可以包括多路复用器1002、电压源1008、电流计1004和地1010。在其它情况中，系统1200可以包括来自系统1000的一个或多个组件/实体，并且/或者还可以包括未在系统1000中示出的一个或多个附加和/或替代组件/实体。
EC-EYE 1202可以被设计为和/或包括与上述EC-EYE 300类似的功能。例如，EC-EYE 1202可以包括NW阵列视网膜(例如，NW阵列视网膜314)、LM神经纤维(例如，LM神经纤维316)、和/或上面在图2至图11中描述的附加/替代组件。EC-EYE 1202可以被配置为捕获和/或获取图像并且经由电路系统1204将该信息提供给计算装置1206。例如，LM神经纤维中的每一个可以电耦接到来自NW阵列视网膜的NW。NW可以获取信息(例如，一个或多个像素)，然后将信息提供给电路系统1204。
在一些示例中，EC-EYE 1202可以包括单个和/或多个基于NW的EC检测器。EC-EYE1202可以使用单个和/或多个基于NW的EC检测器来获取/捕获图像。
在一些变型中，EC-EYE 1202可以包括微针(例如，Ni微针)。EC-EYE 1202可以使用微针来获取/捕获图像。
EC-EYE 1202电耦接到电路系统1204。在一些情况下，电路系统1204可以有线连接到计算装置1206。在其它情况下，电路系统1204可以包括多路复用器、电流计、电源、地、和/或附加电路系统组件。电路系统1204将EC-EYE 1202电耦接到计算装置1206。
计算装置1206可以是和/或包括但不限于台式机，膝上型计算机，物联网(IOT)装置，或通常包括一个或多个通信组件、一个或多个处理组件、和/或一个或多个存储器组件的任何其它类型的计算装置。在一些变型中，计算装置1206可以被实施为引擎、软件功能、和/或应用。换句话说，计算装置1206的功能可被实施为存储在储存器(例如，存储器)中且由一或多个处理器执行的软件指令。
计算装置1206可以经由电路系统1204从EC-EYE 1202接收信息。使用该信息，计算装置1206可以生成图像，然后使得该图像显示在显示装置1208上。
在一些示例中，计算装置1206包括诸如中央处理单元(CPU)、控制器、和/或逻辑的处理器，其执行用于执行本文描述的功能、过程和/或方法的计算机可执行指令。在一些情况下，计算机可执行指令被本地存储并且从非暂时性计算机可读介质访问。
图13示出了用于使用EC-EYE来捕获图像的示例性过程1300。过程1300可由包括EC-EYE的任何类型的系统(例如，系统1000和/或系统1200)来执行。
在框1302处，系统可使用EC-EYE(例如，EC-EYE 1202和/或EC-EYE 300)来捕获一个或多个图像。
在框1304处，系统可处理图像。
在框1306处，系统可使得图像显示在显示装置上。
在一些变型中，可以如下制造球形EC-EYE(例如，EC-EYE 300)。制造过程可以开始于在一组半球形模具上使厚(500μm)Al片变形以制造半球形Al壳(例如，Al壳306)。然后，半球形Al壳(例如，Al壳306)可以经历标准的两步阳极化处理，以在Al表面上形成厚度为40μm且纳米通道间距和直径分别为500nm和120nm的PAM。可以执行阻挡层变薄工艺和Pb电沉积，以在PAM通道的底部获得Pb纳米团簇。然后，可以蚀刻掉PAM的外层和残余的Al以获得具有Pb的独立PAM，其然后可以被转移到管式炉中以进行～5μm长的钙钛矿NW生长(例如，用于NW阵列314)。然后，可以通过将20nm厚的铟层蒸镀到PAM的背表面上来制造20nm厚的铟层(例如，铟粘附层310)以用作粘附层。由于铟层的不连续形态，铟层不会引起像素之间的短路。为了获得LM接触件阵列(例如，LM纤维316)，可以使用3D打印制造刺猬形状的模具，可以从该模具铸造具有10×10孔阵列(孔尺寸：700μm，间距：1.6mm)的互补PDMS窝(例如，PDMS眼窝312)。然后，可将EGaIn LM注入到薄的软管(内径：400μm，外径：700μm)中以形成LM线(例如，LM纤维316)。然后，可以将100个管插入到PDMS窝(例如，PDMS眼窝312)上的孔中，并且整个窝可以附接到PAM/NW表面以形成10×10光电检测器阵列(例如，LM神经纤维316)。这些长软管可直接连接到印刷电路板(PCB)，并且因此可避免复杂的线接合工艺。可以在另一个Al壳上开出圆孔，然后可以利用用作EC-EYE的反电极的钨膜(例如，W膜接触件306)覆盖该Al壳。在安装通光孔(例如，通光孔304)之后，可以随后通过环氧树脂将Al壳固定到PAM的前侧上。然后可以注入离子液体(例如，离子液体308)(例如，与1v％的1-丁基-3-甲基咪唑碘化物(BMIMI)混合的1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(BMIMTFSI))，然后可以将晶状体(例如，晶状体302)胶合到Al壳体上的孔以密封装置。在固化之后，EC-EYE装置300的制造完成。
本文引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)均通过引用并入本文，其程度如同每篇参考文献单独且具体地指明通过引用并入本文并且在本文中整体阐述。
在描述本发明的上下文中(尤其是在所附权利要求的上下文中)使用的术语“一”、“一个”、“该(所述)”、“至少一个”以及类似的指示物应被解释为覆盖单数和复数两者，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，其前面接一个或多个项目的列表的术语“至少一个”的(例如，“A和B中的至少一个”)的使用被解释为是指选自所列项目(A或B)中的一个项目或所列项目(A和B)中的两个或更多个的任何组合。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意味着“包括但不限于”)，除非另有说明。除非本文另有说明，本文中对值的范围的叙述仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独值被并入说明书中，如同其在本文中被单独叙述一样。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法可以任何合适的顺序进行。除非另有要求，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，而不是对本发明的范围施加限制。说明书中的语言不应被解释为将任何未要求保护的元素指示为对于本发明的实践是必要的。
本文描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于执行本发明的最佳模式。在阅读了前面的描述之后，那些优选实施例的变型对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。发明人期望技术人员适当地采用这些变型，并且发明人希望本发明以不同于本文具体描述的方式实施。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求中所记载的主题的所有修改和等同物。此外，本发明包括上述元件在其所有可能变化中的任何组合，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。

Claims (20)

1.一种仿生电化学眼装置，包括：
第一半球形膜层，所述第一半球形膜层包括：
半球形膜，其包括多个通孔，以及
形成在所述多个通孔中的多个纳米线，所述纳米线由具有光电效应的材料制成；
第二半球形膜层，所述第二半球形膜层包括：
第一半球形壳体，以及
位于所述第一半球形壳体的凹侧的金属膜层；
离子液体，其填充在所述第一半球形膜层与所述第二半球形膜层形成的球形腔中；以及
多个背接触件，其从所述第一半球形膜层的与所述第一半球形膜层的凹侧相反的背侧与所述多个纳米线连接。
2.根据权利要求1所述的仿生电化学眼装置,其中，所述多个背接触件中的每一个单独地连接到所述多个纳米线中的至少一个纳米线。
3.根据权利要求2所述的仿生电化学眼装置,其中，所述多个背接触件中的每一个为液态金属线。
4.根据权利要求2所述的仿生电化学眼装置,其中，所述多个背接触件中的每一个包括导电微针。
5.根据权利要求4所述的仿生电化学眼装置,其中，
所述多个纳米线中的每一个包括全部位于所述通孔中的第一部分和部分从所述第一半球形膜层的背侧向外突出的第二部分，所述第一部分和所述第二部分由不同的材料制成，并且
所述导电微针连接到所述至少一个纳米线的第二部分。
6.根据权利要求5所述的仿生电化学眼装置,其中，所述多个背接触件中的每一个包括导电线，所述导电微针将所述导电线电连接到所述至少一个纳米线。
7.根据权利要求6所述的仿生电化学眼装置,其中，所述导电微针连接到所述多个纳米线中的形成一个像素的四个纳米线。
8.根据权利要求1所述的仿生电化学眼装置,还包括第二半球形壳体，其中，所述第二半球形壳体附接到所述第一半球形膜层的背侧，所述第二半球形壳体包括呈阵列排布的多个通孔，并且所述多个背接触件穿过所述第二半球形壳体的多个通孔连接到所述多个纳米线。
9.根据权利要求1所述的仿生电化学眼装置,其中，
所述第二半球形膜层在其中心处具有开口，并且晶状体嵌入在所述开口中。
10.根据权利要求1所述的仿生电化学眼装置,其中，所述多个纳米线中的相邻纳米线之间具有500nm的间距，并且所述多个纳米线具有4.6×108cm-2的密度。
11.根据权利要求1所述的仿生电化学眼装置,其中，离子液体包括10v％的1-丁基-3-甲基咪唑碘化物。
12.一种人工视觉系统，其包括：根据权利要求1至11中任一项所述的仿生电化学眼装置、连接到所述仿生电化学眼装置的电路系统、和连接到所述电路系统并被配置为处理数据的计算装置。
13.根据权利要求11所述的人工视觉系统，所述电路系统包括多路复用器、电压源、电流计和地。
14.一种用于制造半球形人工视网膜中的电化学检测器的方法，包括：
形成具有多个孔的半球形膜，其中，在所述半球形膜的一侧具有阻挡所述多个孔的阻挡层；
去除所述阻挡层的至少一部分，以将所述多个孔的至少一部分形成为穿过所述半球形膜的通孔；
在所述通孔中生长纳米线，其中，所述纳米线由具有光电效应的材料制成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，形成具有多个孔的半球形膜包括：通过阳极化处理和蚀刻处理来形成所述半球形膜。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，去除所述阻挡层的至少一部分包括：利用聚焦离子束蚀刻所述阻挡层的至少一部分。
17.一种用于制造半球形人工视网膜中的集成电化学图像传感器的方法，包括：
形成具有多个孔的半球形膜，其中，在所述半球形膜的第一侧具有阻挡所述多个孔的阻挡层；
去除所述阻挡层，以将所述多个孔形成为穿过所述半球形膜的通孔；
在所述半球形膜的通孔中生长第一纳米线，使得所述第一纳米线填充所述通孔的靠近所述第一侧的部分，其中，所述第一纳米线由导电材料制成；
从所述第一侧去除所述半球形膜的一部分，使得所述第一纳米线的一部分暴露在所述半球形膜的外部；
在所述半球形膜的通孔中生长第二纳米线，使得所述第二纳米线填充所述通孔的剩余部分，其中，所述第二纳米线由具有光电效应的材料制成；
将导电微针从所述第一侧放置在所述半球形膜上，使得每个所述导电微针与至少一个所述第一纳米线电连接，并且利用封装材料固定和封装所述导电微针；
将导电线连接到所述导电微针，以将所述导电微针电连接到外部装置。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，形成具有多个孔的半球形膜包括：通过阳极化处理和蚀刻处理来形成所述半球形膜。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一纳米线包括镍并且所述第二纳米线包括钙钛矿。
20.一种用于制造球形仿生电化学眼装置的方法，包括：
形成第一半球形铝壳；
在所述第一半球形铝壳的凹侧上形成半球形的多孔氧化铝膜基板；
去除位于所述多孔氧化铝膜基板的一侧的阻挡层并且去除所述第一半球形铝壳，以形成具有穿过所述多孔氧化铝膜基板的通孔的独立多孔氧化铝膜基板；
在所述独立多孔氧化铝膜基板的通孔中生长钙钛矿纳米线；
在所述独立多孔氧化铝膜基板的与所述凹侧相反的背表面上形成粘附层；
形成具有通孔阵列的半球形聚二甲基硅氧烷壳体；
将所述独立多孔氧化铝膜基板通过所述粘附层粘合到所述聚二甲基硅氧烷壳体；
将液态金属注入软管来形成液态金属线；
将所述液态金属线的一端通过所述聚二甲基硅氧烷壳体的通孔阵列电连接到所述钙钛矿纳米线，以将所述钙钛矿纳米线电连接到外部装置；
形成中心处具有圆形开口的第二半球形铝壳，在所述第二半球形铝壳的凹侧上形成钨膜，并且在所述圆形开口处安装通光孔；
将所述第二半球形铝壳与所述独立多孔氧化铝膜基板对合并粘接到一起，以在两者之间形成球形腔；
将离子液体注入到所述球形腔，并且将晶状体胶合到所述第二半球形铝壳上的通光孔，以密封所述球形腔。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11967250B2 (en) * 2018-09-05 2024-04-23 Tellyes Scientific Inc. Eyepiece, eye simulator device, mannequin simulator and training method
CN114531555B (zh) * 2022-04-24 2022-08-26 之江实验室 一种端侧轮廓增强的仿生视觉传感器

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6201574B1 (en) 1991-05-13 2001-03-13 Interactive Pictures Corporation Motionless camera orientation system distortion correcting sensing element
US7904163B2 (en) 2005-05-04 2011-03-08 Second Sight Medical Products, Inc Retinal prosthesis with separate central electrode array and peripheral electrode array
US7877866B1 (en) 2005-10-26 2011-02-01 Second Sight Medical Products, Inc. Flexible circuit electrode array and method of manufacturing the same
US7742090B2 (en) 2006-12-22 2010-06-22 Palo Alto Research Center Incorporated Flexible segmented image sensor
FR2989519A1 (fr) 2012-04-13 2013-10-18 St Microelectronics Crolles 2 Procede de fabrication d'un capteur d'image a surface courbe.
WO2015143443A1 (en) 2014-03-21 2015-09-24 University Of Utah Research Foundation Multi-site electrode arrays and methods of making the same
US20160256677A1 (en) 2015-03-02 2016-09-08 The Board Of Trustees Of The University Of Alabama Flexible digital image sensor
US9998643B2 (en) 2015-03-24 2018-06-12 Semiconductor Components Industries, Llc Methods of forming curved image sensors
CN106618598A (zh) 2016-11-15 2017-05-10 惠州市力道电子材料有限公司 一种可限刺入深度的钨合金微针电极、其制备方法和血糖监测装置
JP2020515052A (ja) 2017-02-24 2020-05-21 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー 湾曲焦点面アレイのための装置および方法
US11967250B2 (en) * 2018-09-05 2024-04-23 Tellyes Scientific Inc. Eyepiece, eye simulator device, mannequin simulator and training method

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