نهج جديد لتصميم أجهزة الاستشعار

جلس باول مالينوفسكي، مدير البرامج في imec، مع شركة Semiconductor Engineering لمناقشة ما يتغير في تكنولوجيا الاستشعار ولماذا. وفيما يلي مقتطفات من تلك المناقشة.

SE: ما هي الخطوة التالية بالنسبة لتكنولوجيا الاستشعار؟

مالينوفسكي: نحاول إيجاد طريقة جديدة لصنع مستشعرات الصور لأننا نريد الخروج من القيود الثنائيات الضوئية السيليكون. يعتبر السيليكون مادة مثالية، خاصة إذا كنت تريد إعادة إنتاج الرؤية البشرية لأنه حساس للأطوال الموجية المرئية للضوء، مما يعني أنه يمكنك فعل ما تفعله العين البشرية. والمجال الآن في مرحلة النضج الشديد. يتم بيع حوالي 6 مليار جهاز استشعار للصور سنويًا. هذه هي الرقائق التي تنتهي في كاميرات الهواتف الذكية والسيارات والتطبيقات الأخرى. إنها مستشعرات صور قياسية نموذجية، حيث يكون لديك الدوائر القائمة على السيليكون أو الإلكترونيات والصمام الضوئي السيليكوني. إنهم يقومون بشكل أساسي بإعادة إنتاج اللون الأحمر / الأخضر / الأزرق (RGB) حتى نتمكن من الحصول على صور جميلة. لكن إذا نظرت إلى أطوال موجية أخرى - على سبيل المثال، انتقل إلى الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء - فستجد ظواهر أو معلومات لا يمكنك الحصول عليها في الضوء المرئي. نحن ننظر بشكل خاص إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء. وهناك نتناول نطاقًا محددًا، وهو ما بين ميكرون واحد واثنين ميكرون، وهو ما نسميه الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة. مع هذا النطاق يمكنك أن ترى من خلال الأشياء. على سبيل المثال، يمكنك الرؤية من خلال الضباب أو الدخان أو السحب. وهذا مثير للاهتمام بشكل خاص لتطبيقات السيارات.

SE: هل هناك تحديات قادمة أو تطبيقات جديدة لهذه التكنولوجيا؟

مالينوفسكي: لا يمكنك استخدام السيليكون لهذا الطول الموجي، لأنه يصبح شفافا. وهذا أمر مثير للاهتمام، على سبيل المثال، لفحص العيوب عندما تنظر إلى الشقوق في الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون. لديك تناقضات مختلفة لبعض المواد. المواد التي تظهر بنفس الشكل تمامًا في النطاق المرئي يمكن أن يكون لها انعكاسات مختلفة في الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات القصيرة، مما يعني أنه يمكن أن يكون لديك تباين أفضل، على سبيل المثال، عندما تقوم بفرز البلاستيك أو عندما تقوم بفرز الطعام. وهناك تطبيقات أخرى كما هو موضح في الشكل 1 (أدناه). إنها قوة الضوء التي تأتي من الشمس عبر الغلاف الجوي. الرمادي هو فوق الغلاف الجوي، والفارغ هو ما يأتي إلى الأرض. وترى أن هناك بعض الحدود القصوى والصغرى. وترتبط الحدود الدنيا بامتصاص الماء في الغلاف الجوي. يمكنك استخدام هذا الحد الأدنى عندما تعمل، على سبيل المثال، مع أنظمة الإزالة النشطة، مما يعني أنك تبعث بعض الضوء وتتحقق مما يرتد. هذه هي الطريقة التي يعمل بها جهاز Face ID على iPhone، حيث ينبعث الضوء وتتحقق مما يعود. تعمل بحوالي 940 نانومتر. إذا ذهبت إلى أطوال موجية أطول - على سبيل المثال، 1,400 - سيكون لديك خلفية أقل بكثير، مما يعني أنه يمكنك الحصول على تباين أفضل بكثير. إذا انتقلت بعد ذلك إلى الأطوال الموجية حيث لا يزال هناك الكثير من الضوء، فيمكنك استخدامها مع الإضاءة السلبية للحصول على معلومات إضافية، مثل التصوير في الإضاءة المنخفضة، حيث لا يزال لديك بعض الفوتونات.

الشكل 1: إمكانيات الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي القصير. المصدر: ايمك

SE: كيف حددت ذلك؟

مالينوفسكي: ما تحققنا منه هو كيفية الوصول إلى هذه الأطوال الموجية. السيليكون، بسبب خصائصه الفيزيائية، ليس جيدًا لذلك. الطريقة التقليدية هي الربط، حيث تأخذ مادة أخرى - على سبيل المثال، زرنيخيد الغاليوم الإنديوم أو تيلوريد كادميوم الزئبق - وتقوم بربطها في دائرة القراءة. هذه هي التكنولوجيا القائمة. يتم استخدامه كثيرًا في التطبيقات الدفاعية والعسكرية والصناعية أو العلمية المتطورة. غالي. عادةً ما تكلف أجهزة الاستشعار المصنوعة بهذه التقنية بضعة آلاف من اليورو، وذلك بسبب عملية الربط وتكاليف التصنيع. يمكنك زراعة المواد التي تحتاجها مثل الجرمانيوم، لكن هذا أمر صعب للغاية وهناك بعض المشكلات المتعلقة بالحصول على مستوى منخفض من الضوضاء بدرجة كافية. نحن نتبع الطريقة الثالثة وهي إيداع المواد. في هذه الحالة، نستخدم إما المواد العضوية أو النقاط الكمومية. نحن نأخذ مادة يمكنها امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء ذو ​​الموجات القصيرة أو الأشعة تحت الحمراء القريبة، ونضعها بالطرق القياسية، مثل طلاء الدوران، ونحصل على طبقات رقيقة جدًا. ولهذا السبب نطلق على هذه الفئة من أجهزة الاستشعار اسم "أجهزة الاستشعار الضوئية ذات الأغشية الرقيقة"، حيث تكون المادة أكثر قدرة على الامتصاص من السيليكون. يبدو وكأنه فطيرة فوق دائرة القراءة.

SE: كيف يمكن مقارنة هذا بالمواد الأخرى؟

مالينوفسكي: إذا قارنته بثنائيات السيليكون، فإنها تحتاج إلى حجم أكبر بكثير وعمق أكبر بكثير. وخاصة بالنسبة لهذه الأطوال الموجية الأطول، فإنها تصبح شفافة. على النقيض من ذلك، تحتوي مستشعرات الصور ذات الأغشية الرقيقة (TFPD) على مجموعة من المواد، بما في ذلك المواد النشطة ضوئيًا مثل المواد العضوية ذات النقاط الكمومية، المدمجة بشكل متجانس، مما يعني أنها شريحة واحدة. لا يوجد أي رابطة على الجزء العلوي من السيليكون. المشكلة في هذا الأسلوب هي أنه عندما يكون لديك صمام ثنائي ضوئي مدمج فوق هذا القطب المعدني، فمن الصعب جدًا تقليل الضوضاء بدرجة كافية نظرًا لوجود بعض مصادر الضوضاء الكامنة التي لا يمكنك التخلص منها.

الشكل 2: كاشف ضوئي للأغشية الرقيقة. المصدر: ايمك

SE: كيف حللت هذا؟

مالينوفسكي: لقد اتبعنا الطريقة التي تطورت بها مستشعرات الصور المصنوعة من السيليكون في نهاية الثمانينيات وفي التسعينيات، حيث قدمت الثنائيات الضوئية المثبتة. يمكنك فصل منطقة الصمام الثنائي الضوئي حيث يتم تحويل الفوتونات والقراءات. بدلاً من وجود جهة اتصال واحدة فقط من جهاز امتصاص الأغشية الرقيقة هذا للقراءات، قمنا بإدخال ترانزستور إضافي. هذا هو TFT، الذي يعتني باستنفاذ البنية بالكامل حتى نتمكن من نقل جميع الشحنات الناتجة في ممتص الأغشية الرقيقة هذا ونقلها باستخدام بنية الترانزستور هذه إلى القراءة. وبهذه الطريقة، فإننا نحد بشكل كبير من مصادر الضوضاء.

SE: لماذا تعتبر الضوضاء مشكلة بالنسبة لتصميم أجهزة الاستشعار؟

مالينوفسكي: هناك مصادر مختلفة للضوضاء. يمكن أن يكون الضجيج هو العدد الإجمالي للإلكترونات غير المرغوب فيها، ولكن هذه الإلكترونات يمكن أن تأتي من مصادر مختلفة أو لأسباب مختلفة. بعضها يتعلق بدرجة الحرارة، والبعض الآخر بعدم انتظام الشريحة، وبعضها الآخر بتسرب الترانزستور، وما إلى ذلك. وبهذا الأسلوب، فإننا نعمل على بعض مصادر الضوضاء المتعلقة بالقراءات. بالنسبة لجميع مستشعرات الصورة، لديك ضوضاء، ولكن لديك طرق مختلفة للتعامل مع الضوضاء. على سبيل المثال، تتعامل المستشعرات القائمة على السيليكون في iPhone مع مصادر الضوضاء بتصميم محدد لدائرة القراءة، مع بنيات تعود أسسها إلى الثمانينيات والتسعينيات. هذا قليل مما حاولنا تكراره مع هذه الفئة الجديدة من مستشعرات الصور التي تستخدم كاشفات الصور ذات المجال الرقيق. إنه تطبيق لحيل التصميم القديمة في فئة جديدة من أجهزة الاستشعار.

SE: أين تتوقع أن يتم استخدام هذا؟ لقد ذكرت السيارات. هل سينفع ايضا للاجهزة الطبية؟

مالينوفسكي: أكبر جذب لهذه التكنولوجيا هو من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، مثل الهواتف الذكية. إذا ذهبت إلى أطوال موجية أطول، يمكن أن يكون لديك تباين أقل، لأنه ببساطة يوجد ضوء أقل عند هذا الطول الموجي، أو يمكنك رؤية هذا الضوء من هذا اللون في الغلاف الجوي. إنها رؤية معززة، مما يعني رؤية أكثر مما يمكن أن تراه العين البشرية، لذلك هناك معلومات إضافية للكاميرا الخاصة بك. والسبب الآخر هو أن الأطوال الموجية الأطول تكون أسهل في المرور عبر بعض شاشات العرض. الوعد هو أنه إذا كان لديك هذا النوع من الحلول، فيمكنك وضع المستشعر، مثل Face ID، خلف الشاشة الأخرى، مما قد يؤدي إلى زيادة مساحة العرض.

الشكل 3: الرؤية المعززة لسلامة أفضل. المصدر: ايمك

والسبب الآخر هو أنه إذا ذهبت إلى أطوال موجية أطول، فإن عينك ستكون أقل حساسية بكثير - حوالي خمسة أو ستة أوامر من حيث الحجم مقارنة بالأطوال الموجية القريبة من الأشعة تحت الحمراء، مما يعني أنه يمكنك استخدام مصادر ضوء أكثر قوة. لذا يمكنك إطلاق المزيد من القوة، مما يعني أنه يمكنك الحصول على نطاقات أطول. بالنسبة للسيارات، يمكنك الحصول على رؤية إضافية، خاصة في الظروف الجوية السيئة، مثل الرؤية خلال الضباب. ومن الناحية الطبية، يمكن أن يساعد في تطوير عملية التصغير. وفي بعض التطبيقات، مثل التنظير الداخلي، تستخدم التكنولوجيا الحالية مواد أخرى وتكاملًا أكثر تعقيدًا، وبالتالي يكون التصغير صعبًا للغاية. باستخدام نهج النقطة الكمومية، يمكنك إنشاء وحدات بكسل صغيرة جدًا، مما يعني دقة أعلى في عامل الشكل المضغوط. وهذا يتيح المزيد من التصغير مع الحفاظ على دقة عالية. بالإضافة إلى ذلك، اعتمادًا على الطول الموجي الذي نستهدفه، يمكن أن يكون لدينا تباين عالٍ جدًا للمياه، وهو أحد الأسباب التي قد تجعل صناعة الأغذية مهتمة. يمكنك اكتشاف الرطوبة بشكل أفضل، على سبيل المثال، في منتجات الحبوب مثل الحبوب.

الشكل 4: التطبيقات المحتملة المصدر: imec

سراج الدين: مع زيادة الرؤية في الإضاءة المنخفضة، هل يمكن أن يكون لها تطبيقات عسكرية؟

مالينوفسكي: يتم استخدام هذا النوع من أجهزة الاستشعار بالفعل من قبل الجيش، على سبيل المثال، للكشف عن أجهزة تحديد المدى بالليزر. الفرق هو أن الجيش لا بأس بدفع 20,000 ألف يورو مقابل الكاميرا. في مجال السيارات أو المستهلكين، فإنهم لا يفكرون حتى في هذه التكنولوجيا، لهذا السبب بالضبط.

SE: إذًا فإن الإنجاز هنا هو أنه يمكنك الحصول على شيء موجود بالفعل، ولكن يمكنك الحصول عليه بسعر على مستوى المستهلك؟

مالينوفسكي: بالضبط. نظرًا للتصغير وأيضًا كيف يسمح لك التكامل المتجانس بالارتقاء بالتكنولوجيا، يمكنك الحصول على أحجام وأسعار على مستوى المستهلك.

SE: ما هي الاتجاهات الأخرى التي تراها في تكنولوجيا الاستشعار؟

مالينوفسكي: إحدى نقاط المناقشة الحالية هي بالضبط ما هو أبعد من التصوير المرئي. التكنولوجيا الحالية رائعة بالفعل لالتقاط الصور. الاتجاه الجديد هو أجهزة الاستشعار الأكثر تخصيصًا للتطبيق. لا يجب أن يكون الإخراج صورة جميلة. يمكن أن تكون معلومات محددة. باستخدام Face ID، يمكن أن يكون الإخراج فعليًا واحدًا أو صفرًا. إما أن يكون الهاتف مفتوحًا أو لا. لا تحتاج لرؤية صورة الوجه. هناك أيضًا بعض الأساليب المثيرة للاهتمام القادمة، مثل أجهزة التصوير المستقطبة، والتي تشبه النظارات المستقطبة. يرون أفضل لبعض الأفكار. هناك أجهزة تصوير قائمة على الأحداث، والتي تنظر فقط إلى تغير المشهد - على سبيل المثال، إذا كنت تدرس اهتزازات الآلة أو تحسب الأشخاص الذين يمرون بجوار متجر. إذا كان لديك نظام قيادة ذاتي، فأنت بحاجة إلى تحذير بوجود عائق قادم ويجب عليك الفرامل. لا تحتاج إلى صورة جميلة. ويعني هذا الاتجاه المزيد من التجزئة، لأنه أكثر تحديدًا للتطبيقات. إنه يغير الطريقة التي يصمم بها الأشخاص مستشعرات الصور لأنهم ينظرون إلى ما هو جيد بما يكفي لتطبيق معين بدلاً من تحسين جودة الصورة. جودة الصورة مهمة دائمًا، ولكن في بعض الأحيان تحتاج إلى شيء بسيط يؤدي المهمة.

SE: هل من المهم معرفة ما إذا كان هذا إنسانًا أم شجرة، أم أنه يكفي أن تعرف أنك بحاجة إلى الفرامل الآن؟

مالينوفسكي: في صناعة السيارات، لا يزال هناك جدل. بعض الناس يريدون تصنيف جميع الكائنات. إنهم يريدون معرفة ما إذا كان طفلاً أم سائق دراجة نارية أم شجرة. يقول البعض: "أنا فقط بحاجة إلى معرفة ما إذا كان ذلك يعيق الطريق، لأنني بحاجة إلى تشغيل المكابح". لذا، لا توجد إجابة واحدة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://semiengineering.com/a-new-approach-for-sensor-design/