A New Approach For Sensor Design - Plato AiStream V2.1

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

پاول مالینوفسکی، مدیر برنامه در imec، با Semiconductor Engineering صحبت کرد تا در مورد تغییرات فناوری حسگر و چرایی صحبت کند. آنچه در ادامه می آید گزیده ای از آن بحث است.

SE: آینده فناوری حسگر چیست؟

مالینوفسکی: ما در تلاش هستیم تا راه جدیدی برای ساخت حسگرهای تصویر پیدا کنیم زیرا می خواهیم از محدودیت های موجود خارج شویم فتودیودهای سیلیکونی سیلیکون یک ماده عالی است، به خصوص اگر می خواهید دید انسان را بازتولید کنید، زیرا به طول موج های مرئی نور حساس است، به این معنی که شما می توانید کاری را انجام دهید که چشم انسان انجام می دهد. و این میدان اکنون در مرحله ای است که بسیار بالغ است. حدود 6 میلیارد حسگر تصویر در سال فروخته می شود. اینها تراشه هایی هستند که در دوربین گوشی های هوشمند، ماشین ها و سایر برنامه ها قرار می گیرند. آنها سنسورهای تصویر استاندارد معمولی هستند، جایی که شما مدارهای مبتنی بر سیلیکون یا الکترونیک و دیود نوری سیلیکونی را دارید. آنها اساساً رنگ قرمز/سبز/آبی (RGB) را بازتولید می کنند تا بتوانیم تصاویر خوبی داشته باشیم. اما اگر به طول موج های دیگر نگاه کنید - مثلاً به UV یا مادون قرمز بروید - پدیده ها یا اطلاعاتی دارید که نمی توانید در نور مرئی به دست آورید. ما به ویژه به محدوده مادون قرمز نگاه می کنیم. در آنجا به یک محدوده خاص می پردازیم که بین یک میکرون تا دو میکرون است که به آن مادون قرمز موج کوتاه می گوییم. با این محدوده می توانید چیزها را ببینید. به عنوان مثال، می توانید از میان مه یا دود یا ابرها را ببینید. این به ویژه برای برنامه های کاربردی خودرو جالب است.

SE: آیا چالش های آینده یا برنامه های کاربردی جدیدی برای این فناوری وجود دارد؟

مالینوفسکی: نمی توانید از سیلیکون برای این طول موج استفاده کنید، زیرا شفاف می شود. این جالب است، برای مثال، برای بازرسی عیوب زمانی که به ترک‌های سلول‌های خورشیدی سیلیکونی نگاه می‌کنید. شما تضادهای متفاوتی از برخی مواد دارید. موادی که در محدوده مرئی دقیقاً یکسان به نظر می‌رسند می‌توانند در امواج مادون قرمز موج کوتاه بازتاب متفاوتی داشته باشند، به این معنی که می‌توانید کنتراست بهتری داشته باشید، به عنوان مثال، هنگام دسته‌بندی پلاستیک یا هنگام دسته‌بندی غذا. همانطور که در شکل 1 (در زیر) نشان داده شده است، برنامه های کاربردی دیگری نیز وجود دارد. این قدرت نوری است که از خورشید از طریق جو می آید. خاکستری بالای اتمسفر است و خاکستری آن چیزی است که به زمین می آید. و می بینید که ماکزیمم و حداقل وجود دارد. حداقل ها مربوط به جذب آب در جو هستند. شما می توانید از این حداقل زمانی که در حال کار هستید استفاده کنید، به عنوان مثال، با سیستم های حذف فعال، به این معنی که شما مقداری نور ساطع می کنید و آنچه را که به عقب باز می گردد، بررسی می کنید. Face ID در آیفون به این صورت کار می کند - شما نور ساطع می کنید و بررسی می کنید که چه چیزی برمی گردد. آنها حدود 940 نانومتر کار می کنند. اگر به سمت طول موج‌های طولانی‌تر بروید - مثلاً 1,400 - پس‌زمینه بسیار کمتری خواهید داشت، به این معنی که می‌توانید کنتراست بسیار بهتری داشته باشید. اگر به طول موج هایی بروید که هنوز نور زیادی وجود دارد، می توانید از آن با نور غیرفعال برای دریافت اطلاعات اضافی استفاده کنید، مانند تصویربرداری در نور کم، جایی که هنوز مقداری فوتون دارید.

شکل 1: امکانات مادون قرمز با طول موج کوتاه. منبع: imec

SE: چگونه این را تعیین کردید؟

مالینوفسکی: آنچه ما بررسی کردیم نحوه دسترسی به این طول موج ها است. سیلیکون به دلیل خواص فیزیکی برای آن مناسب نیست. روش سنتی پیوند است، جایی که شما ماده دیگری را می گیرید - به عنوان مثال، آرسنید گالیم ایندیم یا تلورید کادمیوم جیوه - و آن را روی مدار بازخوانی می چسبانید. این تکنولوژی موجود است. برای کاربردهای دفاعی، نظامی و صنعتی یا علمی بسیار بالا استفاده می شود. گران است. سنسورهای ساخته شده با این فناوری به دلیل فرآیند اتصال و هزینه های ساخت، معمولاً چند هزار یورو قیمت دارند. شما می توانید مواد مورد نیاز خود مانند ژرمانیوم را پرورش دهید، اما این کار بسیار دشوار است و مشکلاتی در کاهش صدای کافی وجود دارد. ما راه سوم را دنبال می کنیم که رسوب گذاری مواد است. در این مورد، ما از مواد آلی یا نقاط کوانتومی استفاده می کنیم. موادی را می گیریم که بتواند این نور مادون قرمز موج کوتاه یا نزدیک به فروسرخ را جذب کند و با روش های استاندارد مانند پوشش اسپین آن را رسوب می دهیم و لایه های بسیار نازکی به دست می آوریم. به همین دلیل است که ما این دسته از حسگرها را «حسگرهای آشکارساز نوری لایه نازک» می نامیم، که در آن مواد بسیار بیشتر از سیلیکون جذب می شوند. شبیه یک پنکیک در بالای مدار بازخوانی است.

SE: این در مقایسه با سایر مواد چگونه است؟

مالینوفسکی: اگر آن را با دیودهای سیلیکونی مقایسه کنید، به حجم بسیار بیشتر و عمق بسیار بیشتری نیاز دارند. و به خصوص برای این طول موج های طولانی تر، آنها فقط شفاف می شوند. در مقابل، حسگرهای تصویری فیلم نازک (TFPD) دارای مجموعه ای از مواد، از جمله مواد فوتواکتیو مانند مواد آلی نقطه کوانتومی هستند که به صورت یکپارچه یکپارچه شده اند، به این معنی که یک تراشه است. هیچ چسبندگی روی سیلیکون وجود ندارد. مشکل این رویکرد این بود که وقتی چنین فتودیودی را در بالای این الکترود فلزی ادغام می‌کنید، بسیار دشوار است که نویز را به اندازه کافی کم کنید، زیرا برخی از منابع نویز ذاتی وجود دارند که نمی‌توانید از شر آنها خلاص شوید.

شکل 2: ردیاب نوری لایه نازک. منبع: imec

SE: چگونه این را حل کردید؟

مالینوفسکی: ما روشی را دنبال کردیم که حسگرهای تصویر سیلیکونی در اواخر دهه 1980 و در دهه 1990 پیشرفت کردند، جایی که آنها فوتودیودهای سنجاق دار را معرفی کردند. ناحیه فتودیود را که در آن فوتون ها تبدیل می شوند و بازخوانی را جدا می کنید. به جای اینکه فقط یک تماس از این جاذب لایه نازک به بازخوانی داشته باشیم، یک ترانزیستور اضافی را معرفی می کنیم. این TFT است که از تخلیه کامل ساختار مراقبت می کند تا بتوانیم تمام بارهای ایجاد شده در این جاذب لایه نازک را منتقل کنیم و با این ساختار ترانزیستوری به بازخوانی منتقل کنیم. به این ترتیب منابع نویز را به میزان قابل توجهی محدود می کنیم.

SE: چرا نویز برای طراحی سنسور یک مشکل است؟

مالینوفسکی: منابع مختلف نویز وجود دارد. نویز می‌تواند تعداد کل الکترون‌های ناخواسته باشد، اما این الکترون‌ها می‌توانند از منابع مختلف یا به دلایل مختلف بیایند. برخی به دما، برخی به عدم یکنواختی در تراشه، برخی به نشت ترانزیستور و ... مربوط می شوند. با این رویکرد، ما در حال کار بر روی برخی از منابع نویز مربوط به بازخوانی هستیم. برای همه سنسورهای تصویر، شما نویز دارید، اما روش‌های مختلفی برای مقابله با نویز دارید. به عنوان مثال، حسگرهای مبتنی بر سیلیکون در آیفون با منابع نویز با طراحی خاص مدار بازخوانی سروکار دارند، با معماری هایی که پایه و اساس آنها به دهه های 80 و 90 باز می گردد. این کمی از چیزی است که ما سعی کردیم با این دسته جدید از حسگرهای تصویر با استفاده از آشکارسازهای عکس میدان نازک تکرار کنیم. این یک کاربرد از ترفندهای طراحی قدیمی در دسته جدیدی از سنسورها است.

SE: پیش‌بینی می‌کنید این کجا استفاده شود؟ به خودرو اشاره کردید. آیا برای دستگاه های پزشکی هم کار می کند؟

مالینوفسکی: بزرگترین کشش برای این فناوری از لوازم الکترونیکی مصرفی مانند گوشی های هوشمند است. اگر به سمت طول موج های طولانی تر بروید، می توانید کنتراست کمتری داشته باشید، زیرا به سادگی نور کمتری در آن طول موج وجود دارد، یا می توانید این نور آن رنگ را در جو ببینید. این دید تقویت‌شده است، به این معنی که بیشتر از آنچه چشم انسان می‌تواند ببیند، بنابراین اطلاعات بیشتری برای دوربین شما وجود دارد. دلیل دیگر این است که طول موج های بلندتر از برخی نمایشگرها راحت تر عبور می کنند. قول این است که اگر چنین راه حلی دارید، می توانید سنسوری مانند Face ID را در پشت نمایشگر دیگر قرار دهید که می تواند ناحیه نمایش را افزایش دهد.

شکل 3: دید تقویت شده برای ایمنی بهتر. منبع: imec

دلیل دیگر این است که اگر به سمت طول موج های طولانی تر بروید، چشم شما بسیار کمتر حساس است - در مقایسه با طول موج های نزدیک به مادون قرمز، حدود پنج یا شش مرتبه قدر، که به این معنی است که می توانید از منابع نور قوی تری استفاده کنید. بنابراین می توانید قدرت بیشتری شلیک کنید، به این معنی که می توانید برد طولانی تری داشته باشید. برای خودرو، شما می توانید دید اضافی، به ویژه در شرایط آب و هوایی نامناسب، مانند دید از طریق مه، داشته باشید. برای پزشکی، می تواند به پیشرفت کوچک سازی کمک کند. در برخی کاربردها، مانند آندوسکوپی، فناوری فعلی از مواد دیگر و ادغام پیچیده‌تر استفاده می‌کند و بنابراین کوچک‌سازی بسیار دشوار است. با رویکرد نقطه کوانتومی، می‌توانید پیکسل‌های بسیار کوچکی بسازید که به معنای وضوح بالاتر در یک فرم فشرده است. این امکان کوچک سازی بیشتر را در عین حفظ وضوح بالا فراهم می کند. علاوه بر این، بسته به اینکه کدام طول موج را هدف قرار می‌دهیم، می‌توانیم کنتراست بسیار بالایی از آب داشته باشیم، که یکی از دلایل علاقه‌مندی صنایع غذایی است. شما می توانید رطوبت را بهتر تشخیص دهید، به عنوان مثال، در محصولات غلات مانند غلات.

شکل 4: برنامه های کاربردی بالقوه منبع: imec

SE: با افزایش دید کم نور، آیا می تواند کاربردهای نظامی داشته باشد؟

مالینوفسکی: این نوع حسگرها قبلاً توسط ارتش استفاده می شود، به عنوان مثال، برای تشخیص فاصله یاب لیزری. تفاوت این است که ارتش با پرداخت 20,000 یورو برای دوربین خوب است. در خودروسازی یا مصرف‌کننده، دقیقاً به همین دلیل حتی این فناوری را در نظر نمی‌گیرند.

SE: بنابراین پیشرفت در اینجا این است که شما می توانید چیزی داشته باشید که از قبل وجود دارد، اما می توانید آن را با قیمت گذاری در مقیاس مصرف کننده داشته باشید؟

مالینوفسکی: دقیقا. به دلیل کوچک‌سازی و همچنین اینکه چگونه یکپارچه‌سازی یکپارچه به شما امکان ارتقای فناوری را می‌دهد، می‌توانید حجم و قیمت در مقیاس مصرف‌کننده را دریافت کنید.

SE: چه روند دیگری را در فناوری حسگر می بینید؟

مالینوفسکی: یکی از نکات بحث فعلی دقیقاً این است - فراتر از تصویربرداری مرئی. فناوری فعلی در حال حاضر برای گرفتن عکس فوق العاده است. روند جدید سنسورهایی است که بیشتر به برنامه اختصاص داده شده است. خروجی لازم نیست تصویر زیبا باشد. می تواند اطلاعات خاصی باشد. با Face ID، خروجی می تواند در واقع یک یا صفر باشد. یا گوشی آنلاک است یا نیست. شما نیازی به دیدن عکس صورت ندارید. همچنین روش های جالبی در راه است، مانند تصویرگرهای پلاریزه، که مانند عینک های پلاریزه هستند. آنها برای برخی بازتاب ها بهتر می بینند. تصویرگرهای مبتنی بر رویداد وجود دارند که فقط به تغییر صحنه نگاه می‌کنند - به عنوان مثال، اگر ارتعاشات یک ماشین را مطالعه کنید یا افرادی را که از کنار مغازه‌ای در حال عبور هستند شمارش کنید. اگر سیستم رانندگی خودران دارید، به یک هشدار نیاز دارید که مانعی در راه است و باید ترمز کنید. شما به یک عکس زیبا نیاز ندارید این روند به معنای تکه تکه شدن بسیار بیشتر است، زیرا بسیار بیشتر برای برنامه کاربردی است. این روش طراحی حسگرهای تصویر را تغییر می‌دهد زیرا آنها به جای بهینه‌سازی کیفیت تصویر به آنچه برای یک برنامه خاص به اندازه کافی خوب است نگاه می‌کنند. کیفیت تصویر همیشه مهم است، اما گاهی اوقات شما به چیزی ساده نیاز دارید که کار را انجام دهد.

SE: آیا مهم است که بدانیم انسان است یا درخت، یا فقط کافی است بدانید که اکنون باید ترمز کنید؟

مالینوفسکی: در صنعت خودرو هنوز بحث وجود دارد. برخی از افراد می خواهند تمام اشیاء را طبقه بندی کنند. آنها می خواهند بدانند که آیا کودک است، دوچرخه سوار یا درخت. برخی می گویند، "فقط باید بدانم که آیا این مانع است، زیرا باید ترمزها را فعال کنم." بنابراین یک پاسخ وجود ندارد.