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用于寬帶光電邊緣計(jì)算的可編程黑磷(bP)圖像傳感器

MEMS ? 來(lái)源:麥姆斯咨詢(xún) ? 作者:麥姆斯咨詢(xún) ? 2022-04-27 10:41 ? 次閱讀

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道,近日,美國(guó)華盛頓大學(xué)(University of Washington)的一支研究團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)表了用于寬帶光電邊緣計(jì)算的可編程黑磷(bP)圖像傳感器的最新論文,該圖像傳感器被用作光學(xué)前端,在紅外波段捕獲多光譜圖像并執(zhí)行圖像處理和分類(lèi)任務(wù),展示了其在家庭、農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的分布式傳感和遙感應(yīng)用方面的潛力。

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圖1 可編程bP光電晶體管(bP-PPT)陣列


2D半導(dǎo)體具有可調(diào)諧光電子特性的寬帶隙范圍,在光電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于具有原子級(jí)厚度且可遷移,它們易于與光子電路和微電子進(jìn)行異質(zhì)集成,以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的功能。

在2D半導(dǎo)體中,bP因其與寬紅外光譜范圍相對(duì)應(yīng)的可調(diào)帶隙而脫穎而出。性能優(yōu)異的分立、陣列和波導(dǎo)集成bP光電探測(cè)器已被證明可用于紅外波段。利用其寬帶紅外響應(yīng),bP光電探測(cè)器陣列可用于多光譜成像,從而獲取具有光譜信息的空間圖像。

多光譜成像結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)已成為生物醫(yī)學(xué)成像、新鮮食品分類(lèi)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)表面損傷檢測(cè)的有力工具。這種成像技術(shù)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),計(jì)算密集且對(duì)延遲敏感,因此可以從新興的邊緣計(jì)算方案中受益。

在邊緣而不是在云端對(duì)傳感器內(nèi)的圖像進(jìn)行預(yù)處理,可以大大減輕服務(wù)器的數(shù)據(jù)流負(fù)載,改善帶寬預(yù)算并減少延遲和功耗。邊緣計(jì)算的這些優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了光電邊緣傳感器的發(fā)展,這些傳感器可將視覺(jué)感知和計(jì)算功能結(jié)合在同一器件中,最近研究人員已通過(guò)使用2D材料證明了可見(jiàn)光/紫外(UV)光譜成像。使用bP實(shí)現(xiàn)這種方案將把它擴(kuò)展到紅外光譜范圍,從而實(shí)現(xiàn)智能夜視和多光譜傳感。

在本論文中,作者們提出了一種多功能圖像傳感器,它結(jié)合了多光譜成像和模擬內(nèi)存計(jì)算的功能,實(shí)現(xiàn)了用于圖像識(shí)別的傳感器內(nèi)(in-sensor)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)。該圖像傳感器基于數(shù)層bP(bP-PPT)制成的可編程光電晶體管陣列,它們對(duì)波長(zhǎng)為1.5至3.1?μm的寬紅外光譜范圍敏感。

bP-PPT的可編程性和存儲(chǔ)性源于合理設(shè)計(jì)的柵極電介質(zhì)堆棧中存儲(chǔ)的電荷,它們具有較長(zhǎng)的保留時(shí)間并能有效地調(diào)節(jié)bP通道的電導(dǎo)和光響應(yīng)。該圖像傳感器可以通過(guò)電子和光學(xué)兩種方式編程和讀取,從而實(shí)現(xiàn)光電傳感器內(nèi)計(jì)算、電子內(nèi)存計(jì)算和光學(xué)遠(yuǎn)程編程的一體化。特別是,所提出的圖像傳感器具有高于5-bit分辨率的編程精度,這是基于電荷捕獲機(jī)制的非易失性存儲(chǔ)器件中最高的。

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圖2 bP-PPT器件的混合模式編程和運(yùn)行


利用其靈活的功能,作者們使用bP-PPT陣列通過(guò)內(nèi)存計(jì)算實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)感知功能。該傳感器的可編程光響應(yīng)性可實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)計(jì)算,以對(duì)經(jīng)過(guò)光學(xué)編碼和在寬紅外波段傳輸?shù)膱D像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

為了驗(yàn)證bP-PPT光電CNN的準(zhǔn)確性,他們測(cè)試了MNIST數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇的100幅手寫(xiě)數(shù)字圖像(48幅“0”和52幅“1”),并將計(jì)算結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,基于bP-PPT陣列的CNN達(dá)到了92%的準(zhǔn)確率,與仿真結(jié)果(95%)相當(dāng)。

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圖3 用于邊緣檢測(cè)的傳感器內(nèi)計(jì)算成像的bP-PPT陣列

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圖4 bP-PPT陣列作為用于圖像識(shí)別的光電CNN


論文中所展示的多功能光電bP-PPT陣列,結(jié)合并行成像和編程方案(如空間光調(diào)制和波分復(fù)用),有望實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的用于基于邊緣計(jì)算的機(jī)器視覺(jué)傳感器的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

論文信息:
Lee, S., Peng, R., Wu, C. et al. Programmable black phosphorus image sensor for broadband optoelectronic edge computing. Nat Commun 13, 1485 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29171-1

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:可編程黑磷多功能紅外圖像傳感器,可用于寬帶光電邊緣計(jì)算

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