Μια νέα προσέγγιση για το σχεδιασμό αισθητήρων

Μια νέα προσέγγιση για το σχεδιασμό αισθητήρων

Χρονική σήμανση: 28 Δεκεμβρίου 2023 3:01 π.μ.
Κόμβος πηγής: 3038974

Ο Pawel Malinowski, διευθυντής προγράμματος στο imec, συναντήθηκε με την Semiconductor Engineering για να συζητήσει τι αλλάζει στην τεχνολογία αισθητήρων και γιατί. Ακολουθούν αποσπάσματα αυτής της συζήτησης.

SE: Τι ακολουθεί για την τεχνολογία αισθητήρων;

Μαλινόφσκι: Προσπαθούμε να βρούμε έναν νέο τρόπο κατασκευής αισθητήρων εικόνας γιατί θέλουμε να ξεφύγουμε από τους περιορισμούς του φωτοδίοδοι πυριτίου. Το πυρίτιο είναι ένα τέλειο υλικό, ειδικά αν θέλετε να αναπαράγετε την ανθρώπινη όραση επειδή είναι ευαίσθητο στα ορατά μήκη κύματος του φωτός, πράγμα που σημαίνει ότι μπορείτε να κάνετε ό,τι κάνει το ανθρώπινο μάτι. Και το πεδίο τώρα είναι στο στάδιο που είναι πολύ ώριμο. Πωλούνται περίπου 6 δισεκατομμύρια αισθητήρες εικόνας ετησίως. Αυτά είναι τα τσιπ που καταλήγουν στις κάμερες των smartphone, των αυτοκινήτων και άλλων εφαρμογών. Είναι τυπικοί τυπικοί αισθητήρες εικόνας, όπου έχετε το κύκλωμα που βασίζεται σε πυρίτιο ή τα ηλεκτρονικά και τη φωτοδίοδο πυριτίου. Βασικά κάνουν την αναπαραγωγή κόκκινο/πράσινο/μπλε (RGB) για να έχουμε ωραίες εικόνες. Αλλά αν κοιτάξετε άλλα μήκη κύματος - για παράδειγμα, πηγαίνετε στην υπεριώδη ακτινοβολία ή στο υπέρυθρο - έχετε φαινόμενα ή πληροφορίες που δεν μπορείτε να λάβετε στο ορατό φως. Εξετάζουμε ιδιαίτερα την υπέρυθρη εμβέλεια. Εκεί αντιμετωπίζουμε ένα συγκεκριμένο εύρος, το οποίο είναι μεταξύ ενός micron και δύο micron, το οποίο ονομάζουμε υπέρυθρο βραχέων κυμάτων. Με αυτό το εύρος μπορείτε να δείτε μέσα από τα πράγματα. Για παράδειγμα, μπορείτε να δείτε μέσα από ομίχλη ή καπνό ή σύννεφα. Αυτό είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον για εφαρμογές αυτοκινήτων.

SE: Υπάρχουν επερχόμενες προκλήσεις ή νέες εφαρμογές για αυτήν την τεχνολογία;

Μαλινόφσκι: Δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πυρίτιο για αυτό το μήκος κύματος, γιατί γίνεται διαφανές. Αυτό είναι ενδιαφέρον, για παράδειγμα, για επιθεώρηση ελαττωμάτων όταν εξετάζετε ρωγμές σε ηλιακά κύτταρα πυριτίου. Έχετε διαφορετικές αντιθέσεις σε ορισμένα υλικά. Τα υλικά που εμφανίζονται ακριβώς τα ίδια στο ορατό εύρος μπορεί να έχουν διαφορετική ανακλαστικότητα στα υπέρυθρα βραχέων κυμάτων, πράγμα που σημαίνει ότι μπορείτε να έχετε καλύτερη αντίθεση, για παράδειγμα, όταν ταξινομείτε πλαστικά ή όταν ταξινομείτε τρόφιμα. Υπάρχουν και άλλες εφαρμογές, όπως φαίνεται στο σχήμα 1 (παρακάτω). Είναι η δύναμη του φωτός που προέρχεται από τον ήλιο μέσω της ατμόσφαιρας. Το γκρι είναι πάνω από την ατμόσφαιρα, και το κενό είναι αυτό που έρχεται στη γη. Και βλέπεις ότι υπάρχουν μερικά μέγιστα και ελάχιστα. Τα ελάχιστα σχετίζονται με την απορρόφηση νερού στην ατμόσφαιρα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτά τα ελάχιστα όταν εργάζεστε, για παράδειγμα, με ενεργά συστήματα εξάλειψης, πράγμα που σημαίνει ότι εκπέμπετε λίγο φως και ελέγχετε τι αναπηδά. Έτσι λειτουργεί το Face ID στο iPhone—εκπέμπετε φως και ελέγχετε τι επιστρέφει. Λειτουργούν περίπου 940 νανόμετρα. Εάν μεταβείτε σε μεγαλύτερα μήκη κύματος - για παράδειγμα, 1,400 - θα έχετε πολύ χαμηλότερο φόντο, πράγμα που σημαίνει ότι μπορείτε να έχετε πολύ καλύτερη αντίθεση. Εάν στη συνέχεια πηγαίνετε σε μήκη κύματος όπου υπάρχει ακόμα πολύ φως, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε με παθητικό φωτισμό για να λάβετε επιπλέον πληροφορίες, όπως απεικόνιση χαμηλού φωτισμού, όπου έχετε ακόμα μερικά φωτόνια.


Εικ. 1: Οι δυνατότητες για υπέρυθρες μικρού μήκους κύματος. Πηγή: imec

SE: Πώς το προσδιορίσατε αυτό;

Μαλινόφσκι: Αυτό που ελέγξαμε είναι ο τρόπος πρόσβασης σε αυτά τα μήκη κύματος. Το πυρίτιο, λόγω των φυσικών του ιδιοτήτων, δεν είναι καλό για αυτό. Ο παραδοσιακός τρόπος είναι η συγκόλληση, όπου παίρνετε ένα άλλο υλικό - για παράδειγμα, αρσενίδιο του γαλλίου ινδίου ή τελλουρίδιο του καδμίου υδραργύρου - και το συνδέετε στο κύκλωμα ανάγνωσης. Αυτή είναι η υπάρχουσα τεχνολογία. Χρησιμοποιείται πολύ για αμυντικές εφαρμογές, στρατιωτικές και υψηλής τεχνολογίας βιομηχανικές ή επιστημονικές. Είναι ακριβό. Οι αισθητήρες που κατασκευάζονται με αυτήν την τεχνολογία κοστίζουν συνήθως μερικές χιλιάδες ευρώ, λόγω της διαδικασίας συγκόλλησης και του κόστους κατασκευής. Μπορείτε να καλλιεργήσετε το υλικό που χρειάζεστε, όπως το γερμάνιο, αλλά αυτό είναι αρκετά δύσκολο και υπάρχουν ορισμένα ζητήματα με τη μείωση του θορύβου αρκετά. Ακολουθούμε τον τρίτο δρόμο που είναι η κατάθεση υλικού. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιούμε είτε οργανικά υλικά είτε κβαντικές κουκκίδες. Παίρνουμε υλικό που μπορεί να απορροφήσει αυτό το υπέρυθρο φως βραχέων κυμάτων ή κοντά στο υπέρυθρο, και το εναποθέτουμε με τυπικές μεθόδους, όπως επίστρωση περιστροφής, και έχουμε πολύ λεπτά στρώματα. Γι' αυτό ονομάζουμε αυτή την κατηγορία αισθητήρων «αισθητήρες φωτοανιχνευτών λεπτής μεμβράνης», όπου το υλικό είναι πολύ πιο απορροφητικό από το πυρίτιο. Μοιάζει με τηγανίτα πάνω από το κύκλωμα ανάγνωσης.

SE: Πώς συγκρίνεται αυτό με άλλα υλικά;

Μαλινόφσκι: Αν το συγκρίνετε με διόδους πυριτίου, χρειάζονται πολύ μεγαλύτερο όγκο και πολύ μεγαλύτερο βάθος. Και ειδικά για αυτά τα μεγαλύτερα μήκη κύματος, γίνονται απλώς διαφανή. Αντίθετα, οι αισθητήρες εικόνας φωτοανιχνευτών λεπτής μεμβράνης (TFPD) έχουν μια στοίβα υλικών, συμπεριλαμβανομένων φωτοενεργών υλικών όπως οργανικά υλικά κβαντικής κουκκίδας, ενσωματωμένα μονολιθικά, πράγμα που σημαίνει ότι είναι ένα τσιπ. Δεν υπάρχει συγκόλληση πάνω από το πυρίτιο. Το πρόβλημα με αυτήν την προσέγγιση ήταν ότι όταν έχετε μια τέτοια φωτοδίοδο ενσωματωμένη πάνω σε αυτό το μεταλλικό ηλεκτρόδιο, είναι πολύ δύσκολο να χαμηλώσετε αρκετά τον θόρυβο επειδή υπάρχουν κάποιες εγγενείς πηγές θορύβου που δεν μπορείτε να απαλλαγείτε.


Εικ. 2: Φωτοανιχνευτής λεπτής μεμβράνης. Πηγή: imec

SE: Πώς το επιλύσατε αυτό;

Μαλινόφσκι: Ακολουθήσαμε τον τρόπο που προχώρησαν οι αισθητήρες εικόνας πυριτίου στα τέλη της δεκαετίας του 1980 και στη δεκαετία του 1990, όπου εισήγαγαν καρφιτσωμένες φωτοδίοδοι. Αποσυνδέετε την περιοχή της φωτοδιόδου όπου μετατρέπονται τα φωτόνια και την ένδειξη. Αντί να έχουμε μόνο μία επαφή αυτού του απορροφητή λεπτής μεμβράνης με την ένδειξη, εισάγουμε ένα πρόσθετο τρανζίστορ. Αυτό είναι το TFT, το οποίο φροντίζει να έχει εξαντληθεί πλήρως η δομή, ώστε να μπορούμε να μεταφέρουμε όλα τα φορτία που δημιουργούνται σε αυτόν τον απορροφητή λεπτής μεμβράνης και να τα μεταφέρουμε με αυτήν τη δομή τρανζίστορ στην ανάγνωση. Με αυτόν τον τρόπο περιορίζουμε σημαντικά τις πηγές θορύβου.

SE: Γιατί ο θόρυβος είναι πρόβλημα για το σχεδιασμό αισθητήρων;

Μαλινόφσκι: Υπάρχουν διαφορετικές πηγές θορύβου. Ο θόρυβος μπορεί να είναι ο συνολικός αριθμός των ανεπιθύμητων ηλεκτρονίων, αλλά αυτά τα ηλεκτρόνια μπορεί να προέρχονται από διαφορετικές πηγές ή για διαφορετικούς λόγους. Κάποια σχετίζονται με τη θερμοκρασία, άλλα με την ανομοιομορφία στο τσιπ, άλλα με τη διαρροή τρανζίστορ κ.ο.κ. Με αυτήν την προσέγγιση, εργαζόμαστε σε ορισμένες από τις πηγές θορύβου που σχετίζονται με την ανάγνωση. Για όλους τους αισθητήρες εικόνας, έχετε θόρυβο, αλλά έχετε διαφορετικούς τρόπους αντιμετώπισης του θορύβου. Για παράδειγμα, οι αισθητήρες πυριτίου στο iPhone ασχολούνται με πηγές θορύβου με συγκεκριμένο σχεδιασμό του κυκλώματος ανάγνωσης, με αρχιτεκτονικές των οποίων η βάση ανάγεται στις δεκαετίες του '80 και του '90. Αυτό είναι λίγο από αυτό που προσπαθήσαμε να αντιγράψουμε με αυτή τη νέα κατηγορία αισθητήρων εικόνας που χρησιμοποιούν τους ανιχνευτές φωτογραφίας λεπτού πεδίου. Είναι μια εφαρμογή παλαιών σχεδιαστικών κόλπων σε μια νέα κατηγορία αισθητήρων.

SE: Πού υπολογίζετε ότι θα χρησιμοποιηθεί αυτό; Ανέφερες το αυτοκίνητο. Θα λειτουργούσε και για ιατρικές συσκευές;

Μαλινόφσκι: Η μεγαλύτερη έλξη για αυτήν την τεχνολογία είναι τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, όπως τα smartphone. Εάν πηγαίνετε σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, μπορείτε να έχετε χαμηλότερη αντίθεση, επειδή απλώς υπάρχει λιγότερο φως σε αυτό το μήκος κύματος ή μπορείτε να δείτε αυτό το φως αυτού του χρώματος στην ατμόσφαιρα. Είναι επαυξημένη όραση, που σημαίνει ότι βλέπετε περισσότερα από όσα μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι, επομένως υπάρχουν πρόσθετες πληροφορίες για την κάμερά σας. Ο άλλος λόγος είναι ότι τα μεγαλύτερα μήκη κύματος είναι ευκολότερο να περάσουν από ορισμένες οθόνες. Η υπόσχεση είναι ότι εάν έχετε αυτό το είδος λύσης, μπορείτε να τοποθετήσετε τον αισθητήρα, όπως το Face ID, πίσω από την άλλη οθόνη, γεγονός που μπορεί να αυξήσει την περιοχή της οθόνης.


Εικ. 3: Επαυξημένη όραση για καλύτερη ασφάλεια. Πηγή: imec

Ο άλλος λόγος είναι ότι αν πηγαίνετε σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, το μάτι σας είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητο - περίπου πέντε ή έξι τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με τα μήκη κύματος κοντά στο υπέρυθρο, πράγμα που σημαίνει ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πιο ισχυρές πηγές φωτός. Έτσι, μπορείτε να εκτοξεύετε περισσότερη ισχύ, πράγμα που σημαίνει ότι μπορείτε να έχετε μεγαλύτερες αποστάσεις. Για τα αυτοκίνητα, μπορείτε να έχετε πρόσθετη ορατότητα, ειδικά σε αντίξοες καιρικές συνθήκες, όπως ορατότητα μέσω ομίχλης. Για την ιατρική, θα μπορούσε να βοηθήσει στην προώθηση της μικρογραφίας. Σε ορισμένες εφαρμογές, όπως η ενδοσκόπηση, η υπάρχουσα τεχνολογία χρησιμοποίησε άλλα υλικά και πιο περίπλοκη ενσωμάτωση, και έτσι η μικρογραφία είναι αρκετά δύσκολη. Με μια προσέγγιση κβαντικής κουκκίδας, μπορείτε να δημιουργήσετε πολύ μικρά pixel, πράγμα που σημαίνει υψηλότερη ανάλυση σε μια συμπαγή μορφή. Αυτό επιτρέπει περαιτέρω σμίκρυνση διατηρώντας παράλληλα υψηλή ανάλυση. Επιπλέον, ανάλογα με το μήκος κύματος που στοχεύουμε, μπορεί να έχουμε πολύ υψηλή αντίθεση νερού, κάτι που είναι ένας από τους λόγους που μπορεί να ενδιαφέρει τη βιομηχανία τροφίμων. Μπορείτε να ανιχνεύσετε καλύτερα την υγρασία, για παράδειγμα, σε προϊόντα δημητριακών όπως τα δημητριακά.


Εικ. 4: Πιθανές εφαρμογές Πηγή: imec

SE: Με την αυξημένη όραση χαμηλού φωτισμού, θα μπορούσε να έχει στρατιωτικές εφαρμογές;

Μαλινόφσκι: Αυτού του είδους οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται ήδη από τον στρατό, για παράδειγμα, για την ανίχνευση αποστάσεων λέιζερ. Η διαφορά είναι ότι οι στρατιωτικοί είναι μια χαρά που πληρώνουν 20,000 ευρώ για μια κάμερα. Στην αυτοκινητοβιομηχανία ή τον καταναλωτή δεν εξετάζουν καν αυτήν την τεχνολογία, ακριβώς για αυτόν τον λόγο.

SE: Επομένως, η σημαντική ανακάλυψη εδώ είναι ότι μπορείτε να έχετε κάτι που ήδη υπάρχει, αλλά μπορείτε να το έχετε σε τιμολόγηση κλίμακας καταναλωτή;

Μαλινόφσκι: Ακριβώς. Λόγω της μικρογραφίας και επίσης του τρόπου με τον οποίο η μονολιθική ενσωμάτωση σάς επιτρέπει να αναβαθμίσετε την τεχνολογία, μπορείτε να αποκτήσετε όγκους και τιμές σε κλίμακα καταναλωτή.

SE: Ποιες άλλες τάσεις βλέπετε στην τεχνολογία αισθητήρων;

Μαλινόφσκι: Ένα από τα τρέχοντα σημεία συζήτησης είναι ακριβώς αυτό — πέρα ​​από την ορατή απεικόνιση. Η υπάρχουσα τεχνολογία είναι ήδη φανταστική για τη λήψη φωτογραφιών. Η νέα τάση είναι αισθητήρες που είναι πιο αφοσιωμένοι στην εφαρμογή. Η έξοδος δεν χρειάζεται να είναι μια όμορφη εικόνα. Μπορεί να είναι συγκεκριμένες πληροφορίες. Με το Face ID, η έξοδος μπορεί να είναι στην πραγματικότητα ένα ή μηδέν. Είτε το τηλέφωνο είναι ξεκλείδωτο είτε δεν είναι. Δεν χρειάζεται να δείτε την εικόνα του προσώπου. Υπάρχουν επίσης μερικές ενδιαφέρουσες λεπτομέρειες που έρχονται, όπως τα πολωτικά συστήματα απεικόνισης, τα οποία είναι σαν πολωτικά γυαλιά. Βλέπουν καλύτερα για κάποιες αντανακλάσεις. Υπάρχουν συσκευές απεικόνισης που βασίζονται σε εκδηλώσεις, οι οποίες βλέπουν μόνο την αλλαγή της σκηνής — για παράδειγμα, εάν μελετάτε τις δονήσεις ενός μηχανήματος ή μετράτε άτομα που περνούν από ένα κατάστημα. Εάν διαθέτετε σύστημα αυτόνομης οδήγησης, χρειάζεστε μια προειδοποίηση ότι υπάρχει ένα επερχόμενο εμπόδιο και πρέπει να φρενάρετε. Δεν χρειάζεστε μια όμορφη εικόνα. Αυτή η τάση σημαίνει πολύ περισσότερο κατακερματισμό, επειδή είναι πολύ πιο συγκεκριμένη για την εφαρμογή. Αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι σχεδιάζουν αισθητήρες εικόνας επειδή βλέπουν τι είναι αρκετά καλό για μια συγκεκριμένη εφαρμογή αντί να βελτιστοποιούν την ποιότητα της εικόνας. Η ποιότητα της εικόνας είναι πάντα σημαντική, αλλά μερικές φορές χρειάζεστε κάτι απλό που απλώς κάνει τη δουλειά.

SE: Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε αν είναι άνθρωπος ή δέντρο ή αρκεί απλώς να γνωρίζουμε ότι πρέπει να φρενάρουμε τώρα;

Μαλινόφσκι: Στην αυτοκινητοβιομηχανία, υπάρχει ακόμη μια συζήτηση. Μερικοί άνθρωποι θέλουν να ταξινομήσουν όλα τα αντικείμενα. Θέλουν να μάθουν αν είναι παιδί, ποδηλάτης ή δέντρο. Κάποιοι λένε, «απλώς πρέπει να μάθω αν είναι εμπόδιο, γιατί πρέπει να ενεργοποιήσω τα φρένα.» Επομένως, δεν υπάρχει μία απάντηση.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Ημι Μηχανική