CN114023875B - 一种人工视觉系统及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及人工视觉系统及其制备方法，涉及新型微纳电子材料及功能器件领域。该人工视觉系统包括一种基于光电忆阻器的视觉传感器，所述光电忆阻器包括第一电极、第二电极和AlOx/MLG薄膜介质层，所述AlOx/MLG薄膜介质层夹在第一电极和第二电极之间。该光电忆阻器以AlOx/MLG为中间介质，能够在超低电压下实现双极性光电响应，以此为基础可以实现可重构的光电突触可塑性，为进一步集成以对光信息灵活处理奠定了基础。

Description

一种人工视觉系统及其制备方法
技术领域
本发明涉及新型微纳电子材料及功能器件领域，特别是涉及一种人工视觉系统及其制备方法。
背景技术
人工突触构建新的计算结构以实现神经形态计算被认为是一种有前途的方法。神经形态电子学中的人工突触设备将存储和计算功能集成到一个单元中，可以从根本上克服冯·诺依曼体系结构中的瓶颈。与传统的电刺激突触相比，光电突触设备可能具有更宽的带宽，更低的串扰和更好的可扩展性，所有这些都有助于加速人工神经网络的计算。由于光电突触能够智能地处理光电输入信号，因此它们被认为是神经形态计算的重要基石。
除了模仿突触的功能外，光电突触设备还被用于构建人工神经网络，然而，以前的研究都没有试图将器件实现更加高级的功能，例如通过将它们与生物特征元素(例如视网膜和视觉皮层)融合在一起。人类从世界吸收的大多数信息都是通过视觉感知获得的，因此模拟人类视觉系统是迈向人工智能的关键一步。传统的光电探测器可以探测像视网膜一样的图像，但是它们缺乏生物视觉系统具有的存储功能。为了同时执行检测和存储功能并更好地模仿人类视觉系统，研究人员正在尝试将光电检测器与非易失性存储设备集成在一起。但是，在这样的集成设备中，光学信息的传感，处理和存储单元在物理上是分开的，从而导致不同单元之间的数据传输成本很高。近年来出现的基于光电忆阻器的人工光电突触，具有可以在光刺激下不断改变其电导的性能，这类似于人类视觉系统中生物突触的生理行为。这种人工光电突触可以在单个单元中同时定位光学感测，存储和处理功能，因此被认为是未来人形视觉系统的有希望的候选设备。但是，由于这些基于光电突触的忆阻器只能实现单一的兴奋性突触可塑性或抑制性突触可塑性，而不具有可重构的突触可塑性，因此很难实现大脑的兴奋和抑制平衡以及对光信息的进一步灵活处理。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种人工视觉系统，所述人工视觉系统包括一种基于光电忆阻器的视觉传感器，该光电忆阻器以AlOx/MLG为中间介质，能够在超低电压下实现双极性光电响应，以此为基础可以实现可重构的光电突触可塑性，为进一步集成以对光信息灵活处理奠定了基础。
本发明提供了一种人工视觉系统，该人工视觉系统包括一种基于光电忆阻器的视觉传感器，所述光电忆阻器包括第一电极、第二电极和AlOx/MLG薄膜介质层，所述AlOx/MLG薄膜介质层夹在第一电极和第二电极之间。
采用AlOx/MLG薄膜介质层构建光电忆阻器，利用石墨烯的负光电导效应和氧化铝的氧空位，达到既能使基于该光电忆阻器形成的人工光电突触可以在光刺激下不断改变其电导，模拟人类视网膜的视觉暂留功能，又具有可重构的突触可塑性，实现大脑的兴奋和抑制平衡以及对光信息的进一步灵活处理。
在其中一个实施例中，所述第一电极为ITO电极。
上述电极具有导电性强，透光性好的优势。
在其中一个实施例中，所述第二电极包括以下原料中的至少1种：Pt、Au、Pd、Ag、Cu。
在其中一个实施例中，所述第二电极选自：Pt或Au。
在其中一个实施例中，所述AlOx的氧原子个数为0＜x≤1.5。
采用上述材料能够具有结构简单、成本低、稳定性好且制备工艺与CMOS工艺兼容性好的优势。
本发明还提供了所述人工视觉系统的制备方法，包括以下步骤：
制备薄膜介质层：采用湿法转移在第一电极上转移上若干层MLG，采用三甲基铝和水为原料，通过原子层沉积技术，在所述若干层MLG上制备AlOx单层薄膜，即得；
制备光电忆阻器：采用离子溅射法在所述薄膜介质层上制备第二电极，即得；
制备人工视觉系统：在所述光电忆阻器两端施加恒定偏压，形成视觉传感器单元，取m×m个所述视觉传感器单元，排列成m列，第1至第n列、第m-n+1列至第m列的视觉传感器单元，与剩余的视觉传感器单元反向排列；m为偶数，n≤m/2，n为整数。
采用上述制备方法，能形成以AlOx/MLG薄膜为中间介质的三明治结构，进而形成所述人工视觉系统；以上述方法制备的视觉系统，形成中间若干列与两边的视觉传感器朝向相反的排列方式，模拟了生物初级视觉皮层简单细胞感受野的拮抗作用，即中间若干列和两边若干列的视觉传感器具有相反的光响应(兴奋性或抑制性)；采用上述方法制备得到的视觉系统，根据基尔霍夫定律，该系统的输出电流(Ioutput)是所有器件的光电流之和，其输出的实时变化代表了对亮条纹变化的动态响应，基于所述工作原理，该人工视觉系统可以模拟初级视觉皮层简单细胞的感受野，可以检测具有明暗对比的直边，并对亮条纹刺激的方向有选择性。
在其中一个实施例中，所述制备薄膜介质层步骤中，所述湿法转移的反应温度为23-27℃，所述若干层MLG的厚度为2-10nm，所述原子层沉积技术的反应温度为150-300℃，所述AlOx单层薄膜的厚度为15-30nm。
采用上述反应条件具有低成本、无破坏性、膜保形性、低温处理、精细和高效的优势。
在其中一个实施例中，所述制备光电忆阻器步骤中，所述离子溅射法的反应温度为20-30℃，反应气氛为惰性气体，气压为0.05-0.15MPa，功率为50-150W；所述第二电极的厚度为50-300nm。。
采用上述反应条件具有薄膜质量较好，镀膜粘附性好，与基体结合牢固，材料溅射特性差别较其蒸发特性差别小的优势。
本发明还提供了一种视网膜阵列的制备方法，包括以下步骤：
制备并联电路结构：将所述人工视觉系统中的光电忆阻器的第二电极相连，形成并联电路结构；
制备视网膜阵列：另取1个所述人工视觉系统中的光电忆阻器，与所述并联电路结构反向串联，即得。
采用上述制备方法得到的视网膜阵列，能够将所述制备视网膜阵列步骤中的1个所述光电忆阻器作为控制单元，配合所述并联电路结构实现光擦除成像的功能，通过给所述视网膜阵列的第二电极接地，测量电压分别施加到阵列中各个光电忆阻器的第二电极上，可以读取光电忆阻器的电流。所述光电忆阻器构建的人工视网膜阵列，对图案的灰度值具有一定的存储能力，并可以使用光脉冲来擦除记录的信息。
在其中一个实施例中，所述制备并联电路结构的步骤中，利用掩膜版将所述第二电极相连，所述掩膜版具有n×n个直径为20-200um的小孔，n≥2。
采用上述方法能较容易地使所述光电忆阻器形成并联电路结构。
在其中一个实施例中，在所述制备光电忆阻器的步骤中，进行离子溅射镀上第二电极时，使第二电极通过所述掩膜版的小孔，溅射到所述薄膜介质层，形成所述并联电路结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种人工视觉系统及其制备方法，该人工视觉系统包括一种基于光电忆阻器的视觉传感器，所述光电忆阻器以AlOx/MLG为薄膜介质层，能够在超低电压下实现双极性光电响应，具有简单的器件结构，且与CMOS工艺兼容，以此为基础可以实现可重构的光电突触可塑性，为进一步集成以对光信息灵活处理奠定了基础。由该人工视觉系统构建的人工视网膜，对图案的灰度值具有一定的储存能力，并可以使用光脉冲来擦除记录的信息。该人工视觉系统是人工初级视觉皮层简单细胞感受野系统，对5个不同方位的亮条纹刺激具有选择性，并能模拟生物系统中的兴奋与抑制平衡，这些都是大脑能灵活地对视觉信息高效处理的基础，表明该人工视觉系统在未来构建更加高效、灵活的人工视觉系统上具有很大的潜力。
附图说明
图1为实施例1中Ag/AlOx/MLG/ITO光电忆阻器结构示意图，其中，1为4200-SCS半导体特性分析系统、2为地线、3为第二电极Ag、4为AlOx、5为多层石墨烯、6为第一电极ITO、7为405nm的光照。
图2为实施例2中可重构光电突触可塑性地测量示意图，其中，8为60mW/cm2的光脉冲，9为200mW/cm2的光脉冲，10为60mW/cm2的光脉冲，11为200mW/cm2的光脉冲。
图3为实施例4中Ag/AlOx/MLG/ITO光电忆阻器模拟视网膜成像的阵列示意图。
图4为实施例5中Ag/AlOx/MLG/ITO光电忆阻器模拟初级视觉皮层简单细胞感受野的人工视觉系统示意图。
图5为实施例4中Ag/AlOx/MLG/ITO光电忆阻器模拟视网膜成像的阵列由405nm激光产生的“S”图案。
图6为实施例4中Ag/AlOx/MLG/ITO光电忆阻器模拟视网膜成像的阵列的视觉暂留功能结果图。
图7为实施例5中Ag/AlOx/MLG/ITO光电忆阻器模拟初级视觉皮层简单细胞感受野的人工视觉系统的亮条纹刺激结果图。
图8为实施例5中Ag/AlOx/MLG/ITO光电忆阻器模拟初级视觉皮层简单细胞感受野的人工视觉系统对不同光刺激的动态电流响应的模拟结果示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
定义：
本发明所述的视觉传感器：指利用光学元件和成像装置获取外部环境图像信息的仪器，通常用图像分辨率来描述视觉传感器的性能。
忆阻器：指表示磁通与电荷关系的电路器件。
ITO：指名为氧化铟锡的一种混合物。
MLG：多层石墨烯。
湿法转移：指将覆有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的铜箔上的石墨烯先用FeCl3水溶液腐蚀，然后用乙醇溶液清洗，将带有PMMA的石墨烯转移到电极上，最后去除PMMA的方法。
原子层沉积技术：指通过将气相前驱体交替脉冲通入反应室并在沉积基体表面发生气固相化学吸附反应形成薄膜的一种方法。
离子溅射法：指在部分真空的溅射室中辉光放电，产生正的气体离子；在阴极(靶)和阳极(试样)间电压的加速作用下，荷正电的离子轰击阴极表面，使阴极表面材料原子化；形成的中性原子，从各个方向溅出，射落到试样的表面，于是在试样表面上形成一层均匀的薄膜。
视网膜阵列：指模拟视网膜功能的阵列。
来源：
本实施例所用试剂、材料、设备如无特殊说明，均为市售来源；试验方法如无特殊说明，均为本领域的常规试验方法。
实施例1
制备一种光电忆阻器。
1、制备薄膜介质层：在ITO衬底上用湿法转移上厚度为2-10nm的石墨烯，并采用原子层沉积技术在石墨烯上制备20nm的AlOx薄膜。制备AlOx所用的Al源为三甲基铝[C3H9Al]，反应物为H2O；反应温度200℃。所述湿法转移的反应过程为：将覆有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的铜箔上的石墨烯通过FeCl3水溶液腐蚀5小时，再用去离子水和体积分数为10％的乙醇溶液仔细清洗，将带有PMMA的石墨烯转移到氧化铟锡(ITO)涂层玻璃上，并在25℃、真空的环境中干燥，然后将带有PMMA的石墨烯浸入70℃的丙酮中15分钟，用无水乙醇和乙酸乙酯洗涤，去除PMMA，得到石墨烯。
2、制备光电忆阻器：采用离子溅射在AlOx薄膜表面上制备Ag层作为第二电极(即表面电极)，通过溅射靶材为高纯度Ag靶，衬底温度为室温，反应气氛为氩气，气压为0.1Pa，功率为100W，制备得到的Ag厚度为100nm，并利用掩膜版控制电极大小为直径50μm，即得。
制备得到的光电忆阻器结构如图1所示。
实施例2
一种实现双极性光电响应的方法。
给实施例1制得的光电忆阻器的第二电极Ag施加-0.2mV的电压，并施加200mW/cm2的405nm光照，所述光电忆阻器的电流/电导增大，对应着兴奋性的光响应。给所述忆阻器第二电极Ag施加+0.2mV的电压，并施加相同的光照，会使得所述忆阻器的电流/电导减小，对应着抑制性的光响应。并且，这种电流/电导的变化具有一定的保持性。
结果分析，双极性光电响应是通过改变施加给光电忆阻器的偏压方向来实现的，所述双极性光电响应如图2所示。
实施例3
一种实现可重构的光电突触可塑性的方法。
给偏压为-0.2mV的实施例1制得的光电忆阻器施加两个连续间隔1s的光脉冲，所述光脉冲的光波长为405nm，强度为200mW/cm2，脉冲宽度为1s，所述光电忆阻器表现出兴奋性的双脉冲易化(PPF)现象。反之，给偏压+0.2mV的实施例1制得的光电忆阻器施加相同的光刺激，所述光电忆阻器表现出抑制性的PPF现象。
结果分析，所述可重构的光电突出可塑性是利用光电忆阻器的双极性光电响应来实现的。
实施例4
制备一种视网膜阵列。
1、制备并联电路结构：在实施例1的制备光电忆阻器的步骤中，进行离子溅射镀上Ag电极时，使用带有n×n个直径20-200um的小孔的掩膜版(n≥2)，使第二电极通过所述掩膜版的小孔，溅射到所述薄膜介质层，形成所述并联电路结构。
2、制备视网膜阵列：另取1个所述光电忆阻器作为控制单元，与所述并联电路结构反向串联，以实现光擦除成像的功能。读取光电忆阻器电流时，给该反向串联的光电忆阻器的第二电极接地，测量电压分别施加到阵列各个光电忆阻器的第二电极上。
实施例4的视网膜阵列为3×3像素组成的视觉传感器阵列，结构如图3所示，以展示图像传感、图像记忆和图像擦除的基本功能。
实施例5
制备一种视觉系统。
将4×4个实施例1得到的光电忆阻器并联起来并如图4中的位置摆放，可以实现人工初级视觉皮层简单细胞感受野。其中，中间8个视觉传感器的朝向与两侧器件的朝向相反。
对比例1
制备一种视觉感知和存储器件。
所述器件包括形成于同一衬底上两个相邻的区域并且串联的电阻转换存储器和光电探测器，其中所述电阻转换存储器包括所述衬底上的第一电极、所述第一电极上的忆阻层和所述忆阻层上的第二电极。所述光电探测器由光敏材料制成，所述光敏材料为金属氧化物，选自氧化铟或氧化锌。所述忆阻层的材料为具有不同电阻状态的金属氧化物，所述金属氧化物选自氧化铝、氧化铪或氧化硅。所述第一电极的材料选自金、铜、碳或ITO电极，所述第二电极的材料选自镍、银或钛。
实验例
1、检测实施例4的视网膜阵列、对比例1的视觉感知和存储器件的基本功能。
检测方法为：(1)第一次成像：根据图案的像素分布，在成像阵列的对应器件上施加光照，持续15秒后撤去光照。期间逐一测量所有器件的电导变化，直至撤去光照后15s；
(2)第二次成像：待阵列恢复初始状态后，进行第二次成像。施加与第一步相同的光照，撤去光照后第2秒对控制单元(串联的器件)施加特定的高功率密度的光脉冲刺激，实现图像擦除操作。期间逐一测量所有器件的电导变化，直至撤去光照后15秒。
检测结果：实施例4的模拟人眼视网膜的3×3视觉传感器阵列的结构如图3所示，每个兴奋型视觉传感器作为一个像素相互并联，然后级联一个抑制型视觉传感器作为控制单元。电流读出过程以-0.2mV的低电压一个像素一个像素地进行。图5显示了由405nm激光产生的“S”图案。光刺激持续15秒，强度为10mW/cm2。图6显示了该阵列的视觉暂留功能，具有大约15s的保持性。通过高密度光脉冲，所述光脉冲的光强度：150mW/cm2，脉冲宽度：1s，在3s刺激控制单元，可以实现对存储的图像信息的光擦除操作。“S”图案在擦除后几乎立即消失。
对比例1中的视觉感知和存储器件与实施例4的视网膜阵列具有类似的感知和存储光信息的功能，但对比例1的实现手段是将存储器件与光电探测器串联起来作为一个像素，而实施例4则用单一器件即可实现，将光信息的感知和存储统一到一个单元中，因此在微缩性、数据带宽上会更具优势。此外，基于本实施例1光电忆阻器的视觉传感器，具有的可重构的光电突触可塑性，实施例4中的视网膜阵列可以使用光脉冲进行擦除。
2、检测实施例5的视觉系统的基本功能。
检测方法：根据亮条纹刺激的方位，对人工视觉皮层感受野(阵列)的对应器件上施加光照，持续5秒。期间测量总电流。改变亮条纹刺激方位，重复测试。再对全部器件施加光照5s，在光照前实时测量总电流变化，直至撤去光照。
检测结果：根据基尔霍夫定律，实施例5的人工视觉系统的输出电流(Ioutput)是所有视觉传感器的光电流之和，其输出的实时变化代表了对亮条纹变化的动态响应。在模拟时，相应的光电忆阻器被照亮以代表五个不同方位(I：-90°，II：-45°，III：0°，IV：45°，V：90°)的亮条纹刺激，如图7所示。垂直方方位是该人工感受野的最优方位，其中明亮的条纹刺激可以引起最强烈的反应。当亮条纹的取向与最优方位相差45度时，由于两侧抑制性光电忆阻和中间激发性光电忆阻之间的拮抗作用，响应强度仅为最大值的四分之一左右。当亮条纹的取向与优选取向垂直时，拮抗作用进一步增强，使得该人工感受野几乎没有反应。图7中的蓝色曲线是拟合的高斯曲线，这也与神经科学中V1简单细胞的空间调谐特性曲线一致。此外，兴奋与抑制的平衡是决定神经元和神经网络功能的关键因素。V1中简单细胞感受野根据光刺激的位置，可以产生兴奋或者抑制。兴奋性和抑制性趋于平衡，因此覆盖整个感受野的均匀照明不会引起大多数视觉皮层细胞的反应。图8展现了本专利中的人工感受野对不同光刺激的动态电流响应，显示了其具有与生物初级视觉皮层简单细胞感受野相类似的功能，其中紫色阴影区域代表光照持续时间。对于大范围、亮度均匀的刺激，输出电流与没有任何光刺激(黑暗条件)时的输出电流几乎相同，代表兴奋和抑制之间的动态平衡。本实施例5的视觉系统除了对光信息进行感知和存储，还可对光信息进行处理，实现对亮条纹的方向选择性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种人工视觉系统，其特征在于，包括一种基于光电忆阻器的视觉传感器，所述光电忆阻器由第一电极、第二电极和AlOx/MLG薄膜介质层组成，所述AlOx/MLG薄膜介质层夹在第一电极和第二电极之间；所述第一电极为ITO电极，所述第二电极为Ag，所述AlOx的氧原子个数为0＜x≤1.5；
所述人工视觉系统的制备方法，包括以下步骤：
制备薄膜介质层：采用湿法转移在第一电极上转移上若干层MLG，采用三甲基铝和水为原料，通过原子层沉积技术，在所述若干层MLG上制备AlOx单层薄膜，即得；
制备光电忆阻器：采用离子溅射法在所述薄膜介质层上制备第二电极，即得；
制备人工视觉系统：在所述光电忆阻器两端施加恒定偏压，形成视觉传感器单元，取m×m个所述视觉传感器单元，排列成m列，第1至第n列、第m-n+1列至第m列的视觉传感器单元，与剩余的视觉传感器单元反向排列；m为偶数，n≤m/2，n为整数；所述恒定偏压为+0.2mV或-0.2mV，当n＝m/4时，所述人工视觉系统对于光照达到兴奋与抑制的平衡。
2.权利要求1所述的人工视觉系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备薄膜介质层：采用湿法转移在第一电极上转移上若干层MLG，采用三甲基铝和水为原料，通过原子层沉积技术，在所述若干层MLG上制备AlOx单层薄膜，即得；
制备光电忆阻器：采用离子溅射法在所述薄膜介质层上制备第二电极，即得；
制备人工视觉系统：在所述光电忆阻器两端施加恒定偏压，形成视觉传感器单元，取m×m个所述视觉传感器单元，排列成m列，第1至第n列、第m-n+1列至第m列的视觉传感器单元，与剩余的视觉传感器单元反向排列；m为偶数，n≤m/2，n为整数；所述恒定偏压为+0.2mV或-0.2mV，当n＝m/4时，所述人工视觉系统对于光照达到兴奋与抑制的平衡。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备薄膜介质层步骤中，所述湿法转移的反应温度为23-27℃，所述若干层MLG的厚度为2-10nm，所述原子层沉积技术的反应温度为150-300℃，所述AlOx单层薄膜的厚度为15-30nm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备光电忆阻器步骤中，所述离子溅射法的反应温度为20-30℃，反应气氛为惰性气体，气压为0.05-0.15MPa，功率为50-150W；所述第二电极的厚度为50-300nm。
5.一种视网膜阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备并联电路结构：将若干个权利要求1所述人工视觉系统中的光电忆阻器的第二电极相连，形成并联电路结构；
制备视网膜阵列：另取1个权利要求1所述人工视觉系统中的光电忆阻器，与所述并联电路结构反向串联，即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备并联电路结构的步骤中，利用掩膜版将所述第二电极相连，所述掩膜版具有n×n个直径为20-200um的小孔，n≥2。
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新型忆阻器阵列的制备与研究;高斐;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑)》;20210315;第2021卷(第03期);正文第17页第1段-第18页第2段 *

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