深圳微光学，深圳中科微光

文|木鱼的历史

编辑|木鱼年谱

前言

当前工业和消费电子产品对光学探测器的要求非常严格，并且需要具有薄型、高性能且易于制造和集成的传感器。

为了解决这些题，将喷墨印刷的微透镜集成到溶液处理的有机光电二极管中并对其进行聚焦以诱导光响应FIP效应是实现高精度接近传感的一种方法。

通过精确控制墨水沉积和基材特性，微透镜的焦距可在150m至775m之间调节。这表明选择适当的微透镜设计来利用FIP效应。通过比较有和没有微透镜的器件的光电流比，实现了100m至4mm范围内的绝对接近测量。

Champion设备的精度为50m，在3个标准差和3范围内。这些结果凸显了微透镜-OPD集成在各个领域的高精度和邻近应用中的潜力。

印刷电子技术的优势

光的复杂特性及其与物质的相互作用为光学传感器提供了巨大的前景，可用于环境监测、医疗诊断以及信号或成像系统等领域。这种多功能用例解释了为什么光学传感是当今工业和消费电子产品的关键技术。

然而，随着机器人、混合动力、柔性电子、可穿戴设备等新领域的快速发展和小型化要求，迫切需要尺寸薄、性能高、易于制造和集成的新型传感器。

可印刷和柔性光电子领域的新研究有望满足这些需求，同时也为现有硅技术受到刚性和有限原材料的领域开辟互补的新机会。

印刷电子技术的主要优势是将精确的油墨沉积带来的设计自由度、超薄的外形尺寸、使用柔性基板的可能性以及具有广泛光电特性的碳基半导体的多功能性结合在一起。

在这些技术中，印刷有机光电二极管（OPD）已用于制造柔性脉搏血氧计，而数字印刷技术则为定制微纳光学与光电器件集成开辟了新的可能性。

将数字印刷微光学器件和光学器件集成在单一工艺中为开发具有新功能的光学系统提供了优势。

特别是，将紫外线固化墨水与微透镜几何调谐和数字设计的概念相结合，可以为光学传感器提供定制特性、高集成度和精确定位。

FIP技术比现有技术具有优势。

我们身边常用的光学测距方法有很多，最简单的方法是利用彼此相邻的LED和光电二极管PD来测量目标反射的光。由于这已在商用硅传感器和有机材料器件中实现，因此最小可测量距离仅限于LED和PD之间的空间（通常约为1毫米）。

该方法的后续技术是将光源和传感器集成在垂直堆栈中，这可以使用测量范围为1-10毫米、分辨率为1毫米的半透明PD来实现。

然而，这些技术的缺点是反射光的强度和方向性对目标表面特性的高度依赖性。这了校准表面或相对距离测量等用例的方法。

,1mm

当至少一个光电探测器在非线性状态下工作时，光电流响应之间的比率对于距光源的每个距离表现出独特的特性。

与现有技术相比，FIP技术具有多种优势，因为它仅需要单个视角，无论表面特性如何都可以进行绝对距离测量，并且还允许复用调制信号。

该技术已被证明适用于多种材料类别，例如非晶硅、PbS、CdTe、CIGS、CIS、CZTS和各种有机材料。图1概述了基于FIP的接近测量范围和分辨率。

图1

将OPD与数字印刷显微镜光学器件的优点相结合，集成到OPD中的喷墨印刷微透镜可以将光线聚焦到设备的有源层上。

在本文中，我们展示了喷墨打印技术不仅提供了xy方向的设计自由度，还提供了z方向的自由度，允许各种尺寸的微透镜设计来优化基板和器件尺寸的焦点。

这是将印刷微透镜和溶液处理OPD集成在单个基板上的首次尝试。所实现的分辨率低至50m，凸显了该方法在高精度和近距离应用中的潜力。

实验过程

通过调整每个透镜的液滴数量并通过基板的等离子处理来调整接触角，透镜的几何形状和焦距可以在亚毫米范围内调整（参见下面的图2）。

图2

这最终使光线能够聚焦到更靠近OPD吸收层的位置，并且可以适应未来不同的基板厚度。该原理示意图如图3所示。

OPD沉积在覆盖有氧化铟锡ITO的玻璃上，并利用基于P3HT:IDTBR本体异质结的宽带吸收活性层，SnOx和MoO3分别用作空穴和电子阻挡层，并通过蒸发的Ag顶部完成堆叠电极.像素大小由电极和1mm2的有效区域产生的重叠来定义。

图3

为了测量对各种辐照度的光学响应，带和不带微透镜的样品在-2V偏压下记录的动态范围如图4所示。

图4

LDR计算为与黑色虚线的偏差5。这表示光响应与照明功率的线性关系，在对数刻度上斜率=1。

计算出的动态响应率如图5所示，它是一种依赖于辐照度的测量方法，旨在突出FIP在非线性操作模式下的影响。在高辐照度下，动态响应速度表现出大约两个数量级的非线性行为，这有利于FIP效应。

图5

本文解释了随着光生电荷载流子密度的增加而增加的对体异质结中存在的复合损失的研究，这种动态响应的降低，因为已知高电荷密度有利于双分子复合。

在本研究中，我们研究了高强度非线性机制与FIP效应一起使用的适用性。这与过去解决低强度非线性题的方法不同，例如通过在性能良好的OPD中有意培养非湮灭重组和额外的提取势垒。

然而，大多数测量都是在opd的线性范围内进行的，如图6所示，微透镜覆盖的区域与有源层的尺寸相比太小，无法在FIP的非线性区域进行测量。动态范围成为主导效应。

图6

通过利用FIP效应进行接近测量，在微透镜之间另外印刷了Ag荫罩。荫罩确保入射光仅通过透镜光路。

图7显示了打印在OPD顶部的微透镜的显微照片。此图显示了九个微透镜如何装入由OPD电极定义的1mm2像素区域。更高密度的微透镜增加了相邻液滴之间出现缺陷或聚结的可能性。

图7

采用纤芯直径为200m、数值孔径NA为050的光纤耦合LEDLED=530nm作为光源，并使用电动线性将光源移离样品进行精确测量。

如图8所示。在这两种情况下，都可以看出，在距离200m后，由于光源照度的降低，电流降低。

然而，包含微透镜的探测器显示出更明显的减少。对于较大的距离，光会更加集中在较小的光斑中，从而将OPD进一步推入非线性状态，从而导致较低的光子到电子的转换率。

图8

对于低于200m的距离，归一化电流非常接近，因此获得的平均比率接近1。对于长距离，微透镜样品接收到的光强度变得如此之低，以至于它返回到线性状态。由于印刷过程中Ag掩模和镜片之间的统计差异，计算出的相对标准偏差为15-40。

为了强调所获得结果的重要性，本文将在0V和-2V反向偏压下进行的接近测量与在0V和-2V反向偏压下测量的样品上距离相关的光进行了比较。展示。

这是因为，在0V电压下，带有微透镜的器件更多地在非线性状态下工作，并且0V电压下光电流指数的相对标准变化很小，为520（见图9）。

图9

此外，对没有AG荫罩的样品和带有较大间隙的AG荫罩的最终掩模获得的结果进行比较表明，在没有Ag荫罩的样品中，微透镜器件和参考器件的响应没有统计差异。面具。与最终掩模相比，空隙较大的掩模版有FIP效应的趋势（见图10）。

对于最终的AG荫罩板，这种趋势在统计上变得更加准确，因为它确保入射光仅通过透镜的光路，证明了封闭荫罩板方法的有效性。

图10

为了深入了解可实现的最大分辨率，我们对10次连续测量的结果进行平均并检查标准偏差。图11显示了近距离范围的放大图，通过将相应的不确定性与后续点进行比较，可以在3个标准偏差3内实现50m的精度。

此外，通过检查测量的边界点，可以明确用于测量绝对距离的测量范围，从而使研究更加明确。在100m至4mm范围内，可以在3个标准差3内区分相邻点之间的小距离或某些点分辨率降低的长距离，使其可用于绝对距离测量。

图11

因此

使用喷墨打印技术，微透镜完全定制打印在OPD上，用于近场测量。这不仅利用了喷墨技术的设计自由度，将微透镜直接打印在像素上，还引入了一种通过打印多个墨滴，使焦距在z方向上从150m到350m自由调节的工艺。

为了进一步将焦距增加到7754m，使用环氧基光刻胶表面层研究了FOM和FIP效应的高性能OPD，实现了2010nAcm2的低暗电流密度jDark。高光谱响应度SR为31020mAW1，白噪声高于100Hz，比检测率D为12051012Jones。

通过提供FIP效应的相关证据并测量50m至10mm范围内的距离相关电流，Hero设备实现了100m至4mm的绝对距离检测范围，精度低至50m，且在3标准偏差。3范围凸显了微透镜-OPD组合在高精度和特写应用中的潜力。

这将使未来的研究能够将透镜装置集成到简化的工艺中，提高荫罩和微透镜之间的比例，并将整个部件打印在柔性或可拉伸的基材上。

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