一种片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置及其制备方法与流程

本发明涉及半导体力学传感器领域，具体涉及一种光电的传感机制及集成方法。

背景技术：

1、多维力学检测技术作为感知物体形貌、判定表面接触状态及监测滑移现象的核心手段，在机器人精密操控、智能人机交互及先进医疗设备等领域具有重要应用价值。特别在微创手术机器人及精密装配系统中，高分辨率多维力传感阵列的部署对于实现多维力反馈的实时解析具有关键作用，可使机械系统动态感知交互过程中的空间受力分布，进而构建自适应智能响应机制。

2、现有多维力检测体系主要涵盖电容式、电阻式及光学式三类传感方案。其中，光学传感技术凭借其毫牛级检测极限的显著优势，在分辨率指标上展现出更优特性。典型光学传感模块通过构建光源、弹性反射界面与光电探测器的光路系统实现力学感知：当外力作用于弹性体引发界面形变时，光源发射光的反射光路随之改变，光电探测器通过解析光强分布变化反演三维力矢量信息。然而，传统光学传感器件受制于分立式光源、探测器以及逻辑电路(用于处理输出信号)的物理构型，离散光学器件以及逻辑电路的空间排布需求严重制约了整个系统的微型化进程，导致高密度阵列集成难以实现。虽然有研究人员提出可以将分立式光源、探测器单片集成从而实现单个力传感单元的微型化，以及在印刷电路板(pcb)上封装多个力传感单元从而实现板级感算功能的集成，但目前尚未有芯片级三维力传感阵列集成以及芯片级三维力传感感算一体集成的方案。

技术实现思路

1、针对以上现有技术的不足，本发明提供一种片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列，从而将光电传感阵列的发光、感光与逻辑运算功能集成到单一芯片内，实现整个多维力传感阵列模块的微型化集成，有助于打破诸多应用场景下的尺寸限制。

2、本发明采用了如下技术方案：

3、一种片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列的制备方法，包含片上集成发光、感光、逻辑运算功能的光学芯片和柔性导光材料制备，包含以下制备步骤：

4、(1)在具有led外延结构的外延片上，通过光刻与刻蚀暴露出n型区域；

5、(2)通过光刻与刻蚀暴露衬底，形成光学芯片内各光学器件之间的电学隔离；

6、(3)光刻后蒸镀p/n插指电极层；

7、(4)沉积钝化保护层；

8、(5)以光刻胶为掩膜，通过刻蚀形成钝化保护层开孔，蒸镀互连电极层，制成光学芯片；

9、(6)将具有反射和折射接触面的柔性导光材料固定于所述光学芯片上。

10、其中，所述光学芯片内部包含阵列单片集成的多个光学器件单元，每个单元内包含若干发光和感光器件。

11、所述光学器件单元内的发光和感光器件具有相同的外延结构。

12、通过设计步骤(5)中所述互连电极层，可实现多个片上集成感光器件的串联/并联，进而实现输出光电流信号的与、或、与非、或非等基本逻辑运算及更多组合逻辑运算。

13、可选的，所述光学芯片内各光学器件单元之间以及光学器件单元内各器件之间通过刻蚀到衬底及沉积钝化保护层形成电学隔离。

14、可选的，所述光学芯片的透明衬底的材料包括蓝宝石材料。

15、可选的，所述光学芯片的外延材料包括gan、ingan、algan或者inp、gaas材料体系等。

16、步骤(6)中所述柔性导光材料受到外界施加的力时产生形变，因而与所述光学芯片的接触面变化并改变芯片内的光路，使芯片内所述光学器件单元内的感光器件产生输出信号跳变。所述柔性导光材料与光学芯片的接触面包含反射面与折射面，且当这两种面与光学芯片产生接触时，分别导致产生相反的输出光电流信号跳变。

17、可选的，所述柔性导光材料通过粘贴金属薄片形成部分反射面。

18、可选的，所述柔性导光材料包括聚二甲基硅氧烷(pdms)。

19、可选的，所述柔性导光材料通过3d打印制成模具，并在模具中浇注预聚物与固化剂，并加热固化形成所需的形状。

20、可选的，所述柔性导光材料通过胶水固定于所述光学芯片衬底面上方。

21、相比于现有技术，本发明具有以下有益技术效果：

22、本发明提供了一种可行的方案实现高精度三维力传感阵列模块的微型化集成，将高空间分辨率三维力学传感器阵列与逻辑运算功能集成到单一芯片内，本技术方案在缩小三维力传感阵列的整体体积及提高空间分辨率方面具有显著优势。

1.一种片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置的制备方法，包含片上集成发光、感光、逻辑运算功能的光学芯片和柔性导光材料制备，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置的制备方法，其特征在于，所述光学芯片内部包含阵列单片集成的多个光学器件单元，每个单元内包含若干发光和感光器件，且发光和感光器件具有相同外延结构。

3.根据权利要求1-2任一项所述的片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置的制备方法，其特征在于，通过设计电极连接，实现多个片上集成感光器件的串联/并联，进而实现输出光电流信号的与、或、与非、或非等基本逻辑运算及更多组合逻辑运算。

4.根据权利要求3所述的片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置的制备方法，其特征在于，所述光学芯片内各光学器件单元之间以及光学器件单元内各器件之间通过刻蚀到衬底及沉积钝化保护层形成电学隔离。

5.根据权利要求1所述的片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置的制备方法，其特征在于，所述外延片衬底为透明衬底。

6.根据权利要求1所述的片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置的制备方法，其特征在于，所述柔性导光材料与光学芯片的接触面包含反射面与折射面，且当这两种面与光学芯片产生接触时，分别导致产生相反的输出光电流信号跳变。

7.根据权利要求1所述的片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置的制备方法，其特征在于，所述柔性导光材料受到外界施加的力时产生形变，因而与所述光学芯片的接触面变化并改变芯片内的光路，使芯片内所述光学器件单元内的感光器件产生输出信号跳变。

8.根据权利要求1所述的片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置的制备方法，其特征在于，所述柔性导光材料固定于所述光学芯片衬底面上方。

9.一种片上集成逻辑运算功能的光电机制多维力传感阵列装置，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到。