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永远注视着你的自供电图像传感器

2019-03-07 21:05:49

太阳能电池可以将光能转化为电能,图像传感器也可以将光转化为电,如果同时在同一张芯片中做这两件事,就能够制作出一个自供电相机。密歇根大学(University of Michigan)的工程师近设计出了这样一种图像传感器,可以同时实现太阳能电池和图像传感器将光转化为电的过程,并且能在只靠太阳光照射的情况下,每秒采集15张图像。

永远注视着你的自供电图像传感器

当这个能量收集成像仪与微处理器和无线收发器集成时,就可以“在任何地方放置一个小到几乎看不见的小型相机”,研究的密歇根大学电气工程和计算机科学教授Euisik Yoon说,他们本周在《电气与电子工程师协会电子器件快报》(IEEE Electron Device Letters)上报告了他们的成果。

早期对于自供电图像传感器的尝试主要有两种方法,一是用光伏电池来填充传感器的部分区域,这种直接的方法虽然可行,但是它大大减少了能够用来成像的光量。另一种方法是让传感器的像素交替承担光电探测器和光伏电池的角色,这种方法也是可行的,但是它的代价是结构太过复杂,还会使成像能力至少减半。

Yoon和博士后研究员Sung-Park提出的解决方案可以避免这两种缺点。他们注意到许多光子快速通过光电探测器二极管且没有造成电荷积累,于是在光电探测器下面埋了另一个二极管来发挥光伏电池的作用并采集那些杂散光子。“这并不是真正的回收,而更像是收集垃圾。”Yoon说,“这几乎是免费的能源。”

因为光伏电池在传感器下方,所以几乎所有的像素区域都可以用来感应图像,并且光伏电池利用的是图像传感器漏掉的杂散光子,因此它可以不断地收集这些光子来将其转换为电能。

尽管原型成像仪是使用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺构建的,但它对像素点的结构和电气特性的要求不同于标准成像仪。明显的一个不同是,新的像素点包含一个PN结,本质上它是一个额外的二极管,位于图像传感二极管下方。另一个不同在于,典型的像素点使用电子作为主要的载流子,但是要使光伏电池和传感二极管同时工作,Yoon和他的团队就要构建自己的装置,以便收集带正电荷的空穴——硅中的电子空穴。空穴在硅中运动得不如电子快,但也不至于慢到干涉图像采集。

来自密歇根大学的自供电传感器采集的图像,以每秒7.5帧(左图)和每秒15帧(右图)速度拍摄。

图片来源:密歇根大学

由此得到的芯片像素点只有5微米宽,功率收获密度为998皮瓦每勒克斯每平方毫米,这是目前能量采集图像传感器所能达到的值。在光照强度为60000勒克斯的大晴天,这些能量就足够使传感器每秒拍摄15帧图像,在普通的光照条件下(20000~30000勒克斯)就减少到7.5帧每秒,30帧每秒是视频的速度,但这也不是必需的。

只关注得到概念验证的芯片,“我们没有优化传感器本身的能耗,”Park说。因此肯定还有空间去改善帧率,或者降低需要的照明条件使得这种芯片在室内照明下也能使用。Yoon和Park对此有着丰富经验,他们开发了许多图像传感器的超低功耗技术,例如自动调整帧率以适应照明条件的电路,还有微瓦级的功能检测系统。

如果这个项目继续下去,他们将努力整合自供电无线相机所需的一切技术。

翻译:王格

审校:杨镐羽

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