En ny tilgang til sensordesign

En ny tilgang til sensordesign

Tidsstempel: 28. december 2023 kl. 3:01
Kildeknude: 3038974

Pawel Malinowski, programleder hos imec, satte sig sammen med Semiconductor Engineering for at diskutere, hvad der ændrer sig inden for sensorteknologi og hvorfor. Det følgende er uddrag af den diskussion.

SE: Hvad er det næste for sensorteknologi?

Malinowski: Vi forsøger at finde en ny måde at lave billedsensorer på, fordi vi gerne vil ud af begrænsningerne ved silicium fotodioder. Silicium er et perfekt materiale, især hvis du ønsker at gengive menneskets syn, fordi det er følsomt over for de synlige bølgelængder af lys, hvilket betyder, at du kan gøre, hvad det menneskelige øje gør. Og feltet er nu på det stadie, hvor det er meget modent. Der sælges omkring 6 milliarder billedsensorer om året. Det er de chips, der ender i kameraerne på smartphones, biler og andre applikationer. Det er typiske standard billedsensorer, hvor man har det siliciumbaserede kredsløb eller elektronikken og siliciumfotodioden. De laver grundlæggende den rød/grøn/blå (RGB) gengivelse, så vi kan få flotte billeder. Men hvis du ser på andre bølgelængder - for eksempel gå til UV eller til infrarød - har du fænomener eller informationer, som du ikke kan få i synligt lys. Vi ser især på det infrarøde område. Der adresserer vi et specifikt område, som er mellem en mikron og to mikron, som vi kalder kortbølge infrarød. Med dette udvalg kan du se tingene igennem. For eksempel kan du se gennem tåge eller røg eller skyer. Dette er især interessant for bilindustrien.

SE: Eventuelle kommende udfordringer eller nye applikationer til denne teknologi?

Malinowski: Du kan ikke bruge silicium til denne bølgelængde, fordi det bliver gennemsigtigt. Dette er for eksempel interessant til fejleftersyn, når man ser på revner i siliciumsolceller. Du har forskellige kontraster af nogle materialer. Materialer, der fremstår helt ens i det synlige område, kan have forskellig reflektivitet i den kortbølgede infrarøde, hvilket betyder, at du kan få bedre kontrast, for eksempel når du sorterer plast, eller når du sorterer mad. Der er andre applikationer, som vist i figur 1 (nedenfor). Det er lysets kraft, der kommer fra solen gennem atmosfæren. Den grå er over atmosfæren, og den tomme er det, der kommer til jorden. Og du ser, at der er nogle maksima og minima. Minima er relateret til vandabsorption i atmosfæren. Du kan bruge dette minima, når du for eksempel arbejder med aktive elimineringssystemer, hvilket betyder, at du udsender noget lys, og du tjekker, hvad der hopper tilbage. Sådan fungerer Face ID på iPhone - du udsender lys og tjekker, hvad der kommer tilbage. De opererer omkring 940 nanometer. Hvis du gik til længere bølgelængder - for eksempel 1,400 - vil du have meget lavere baggrund, hvilket betyder, at du kan få meget bedre kontrast. Går man så til bølgelængder, hvor der stadig er ret meget lys, kan man bruge det med passiv belysning til at få ekstra information, såsom lav-lys billeddannelse, hvor man stadig har nogle fotoner.


Fig. 1: Mulighederne for kortbølgelængde infrarød. Kilde: imec

SE: Hvordan fandt du ud af det?

Malinowski: Det, vi tjekkede for, er, hvordan man får adgang til disse bølgelængder. Silicium er på grund af dets fysiske egenskaber ikke godt for det. Den traditionelle måde er binding, hvor du tager et andet materiale - for eksempel indiumgalliumarsenid eller kviksølvcadmiumtellurid - og du binder det på udlæsningskredsløbet. Dette er den eksisterende teknologi. Det bruges meget til forsvarsapplikationer, militære og avancerede industrielle eller videnskabelige. Det er dyrt. Sensorer lavet med denne teknologi koster typisk et par tusinde euro på grund af bindingsprocessen og fremstillingsomkostningerne. Du kan dyrke det materiale, du har brug for, såsom germanium, men det er ret svært, og der er nogle problemer med at få støjen lav nok. Vi følger den tredje vej, som er at deponere materiale. I dette tilfælde bruger vi enten organiske materialer eller kvanteprikker. Vi tager materiale, der kan absorbere dette kortbølgede infrarøde lys eller nær infrarødt, og vi deponerer det med standardmetoder, såsom spincoating, og vi får meget tynde lag. Det er derfor, vi kalder denne kategori af sensorer 'tyndfilm fotodetektorsensorer', hvor materialet er meget mere absorberende end silicium. Det ligner en pandekage på toppen af ​​udlæsningskredsløbet.

SE: Hvordan er dette sammenlignet med andre materialer?

Malinowski: Hvis du sammenligner det med siliciumdioder, har de brug for meget større volumen og meget større dybde. Og især for disse længere bølgelængder bliver de bare gennemsigtige. I modsætning hertil har tyndfilm fotodetektor (TFPD) billedsensorer en stak af materialer, herunder fotoaktive materialer såsom kvanteprikker organiske materialer, integreret monolitisk, hvilket betyder, at det er én chip. Der er ingen binding oven på silicium. Problemet med denne tilgang var, at når du har en sådan fotodiode integreret oven på denne metalelektrode, er det meget svært at få støjen lav nok, fordi der er nogle iboende støjkilder, som du ikke kan slippe af med.


Fig. 2: Tyndfilm fotodetektor. Kilde: imec

SE: Hvordan løste du dette?

Malinowski: Vi fulgte den måde, silicium billedsensorer udviklede sig på i slutningen af ​​1980'erne og i 1990'erne, hvor de introducerede pinned fotodioder. Du afkobler fotodiodeområdet, hvor fotonerne konverteres, og udlæsningen. I stedet for kun at have én kontakt af denne tyndfilmsabsorber til udlæsningen, introducerer vi en ekstra transistor. Dette er TFT'en, som sørger for at have strukturen helt udtømt, så vi kan overføre alle ladninger, der skabes i denne tyndfilmsabsorber og overføre dem med denne transistorstruktur til udlæsningen. På den måde begrænser vi støjkilderne markant.

SE: Hvorfor er støj et problem for sensordesign?

Malinowski: Der er forskellige støjkilder. Støj kan være det samlede antal uønskede elektroner, men disse elektroner kan komme fra forskellige kilder eller af forskellige årsager. Nogle er relateret til temperatur, nogle til uensartethed i chippen, nogle til transistorlækage og så videre. Med denne tilgang arbejder vi på nogle af de støjkilder, der er relateret til udlæsningen. For alle billedsensorerne har du støj, men du har forskellige måder at håndtere støjen på. For eksempel håndterer de siliciumbaserede sensorer i iPhone støjkilder med et specifikt design af udlæsningskredsløbet, med arkitekturer, hvis fundament går tilbage til 80'erne og 90'erne. Dette er lidt af det, vi forsøgte at kopiere med denne nye kategori af billedsensorer, der bruger tyndfelts fotodetektorer. Det er en anvendelse af gamle designtricks i en ny kategori af sensorer.

SE: Hvor forventer du, at dette vil blive brugt? Du nævnte bilindustrien. Ville det også fungere til medicinsk udstyr?

Malinowski: Det største træk for denne teknologi er fra forbrugerelektronik, såsom smartphones. Hvis du går til længere bølgelængder, kan du have lavere kontrast, fordi der simpelthen er mindre lys ved den bølgelængde, eller du kan se dette lys af den farve i atmosfæren. Det er udvidet syn, hvilket betyder, at du ser mere, end det menneskelige øje kan se, så der er yderligere oplysninger til dit kamera. Den anden grund er, at længere bølgelængder er nemmere at passere gennem nogle skærme. Løftet er, at hvis du har denne form for løsning, kan du placere sensoren, såsom Face ID, bag den anden skærm, hvilket kan øge visningsarealet.


Fig. 3: Øget udsyn for bedre sikkerhed. Kilde: imec

Den anden grund er, at hvis du går til længere bølgelængder, er dit øje meget mindre følsomt - omkring fem eller seks størrelsesordener sammenlignet med de nær-infrarøde bølgelængder, hvilket betyder, at du kan bruge mere kraftfulde lyskilder. Så du kan skyde mere kraft ud, hvilket betyder, at du kan have længere afstande. For bilindustrien kan du have ekstra synlighed, især under ugunstige vejrforhold, såsom udsyn gennem tåge. For medicinsk kan det hjælpe med at fremme miniaturisering. I nogle applikationer, såsom endoskopi, brugte den etablerede teknologi andre materialer og mere kompleks integration, og derfor er miniaturiseringen ret vanskelig. Med en quantum dot tilgang kan du lave meget små pixels, hvilket betyder højere opløsning i en kompakt formfaktor. Dette muliggør yderligere miniaturisering, samtidig med at en høj opløsning bevares. Derudover kan vi, afhængigt af hvilken bølgelængde vi målretter mod, have meget høj kontrast af vand, hvilket er en af ​​grundene til, at fødevareindustrien kunne være interesseret. Du kan bedre opdage fugt, for eksempel i kornprodukter som korn.


Fig. 4: Potentielle anvendelser Kilde: imec

SE: Med det øgede svage lyssyn, kunne det have militære applikationer?

Malinowski: Denne slags sensorer bruges allerede af militæret, for eksempel til at detektere laserafstandsmålere. Forskellen er, at militæret har det fint med at betale 20,000 euro for et kamera. I bilindustrien eller forbrugerne overvejer de ikke engang denne teknologi, netop af den grund.

SE: Så gennembruddet her er, at du kan have noget, der allerede eksisterer, men du kan få det til forbruger-skala priser?

Malinowski: Nemlig. På grund af miniaturiseringen og også hvordan den monolitiske integration giver dig mulighed for at opskalere teknologien, kan du få mængder og priser i forbrugerskala.

SE: Hvilke andre tendenser ser du inden for sensorteknologi?

Malinowski: Et af de aktuelle diskussionspunkter er netop dette - ud over synlig billeddannelse. Den eksisterende teknologi er allerede fantastisk til at tage billeder. Den nye trend er sensorer, der er mere dedikerede til applikationen. Outputtet behøver ikke at være et smukt billede. Det kan være specifikke oplysninger. Med Face ID kan output faktisk være et eller nul. Enten er telefonen låst op, eller også er den ikke. Du behøver ikke se billedet af ansigtet. Der er også nogle interessante modaliteter på vej, såsom polariserede billedapparater, som er som polariserende briller. De ser bedre for nogle refleksioner. Der er begivenhedsbaserede billedapparater, som kun ser på scenens ændring - for eksempel hvis du studerer vibrationer i en maskine eller tæller folk, der passerer en butik. Hvis du har et autonomt køresystem, har du brug for en advarsel om, at der er en kommende forhindring, og du bør bremse. Du behøver ikke et smukt billede. Denne tendens betyder meget mere fragmentering, fordi den er meget mere applikationsspecifik. Det ændrer den måde, som folk designer billedsensorer på, fordi de ser på, hvad der er godt nok til en bestemt applikation i stedet for at optimere billedkvaliteten. Billedkvalitet er altid vigtig, men nogle gange har du brug for noget simpelt, der bare gør arbejdet.

SE: Er det vigtigt at vide, om det er et menneske eller et træ, eller er det bare nok at vide, at du skal bremse nu?

Malinowski: I bilindustrien er der stadig en debat. Nogle mennesker ønsker at klassificere alle objekterne. De vil gerne vide, om det er et barn, en motorcyklist eller et træ. Nogle siger: ’Jeg skal bare vide, om det er i vejen, for jeg skal udløse bremserne.’ Så der er ikke ét svar.

Tidsstempel:

Mere fra Semi Engineering