גישה חדשה לעיצוב חיישנים

פאבל מלינובסקי, מנהל תוכנית ב-imec, ישב עם הנדסת מוליכים למחצה כדי לדון במה משתנה בטכנולוגיית החיישנים ומדוע. להלן קטעים מהדיון הזה.

SE: מה הלאה עבור טכנולוגיית חיישנים?

מלינובסקי: אנחנו מנסים למצוא דרך חדשה ליצור חיישני תמונה כי אנחנו רוצים לצאת מהמגבלות של פוטודיודות סיליקון. סיליקון הוא חומר מושלם, במיוחד אם אתה רוצה לשחזר את הראייה האנושית מכיוון שהוא רגיש לאורכי הגל הנראים של האור, מה שאומר שאתה יכול לעשות את מה שהעין האנושית עושה. והתחום כעת נמצא בשלב בו הוא מאוד בוגר. נמכרים כ-6 מיליארד חיישני תמונה בשנה. אלו הם השבבים שמגיעים בסופו של דבר למצלמות של סמארטפונים, מכוניות ואפליקציות אחרות. הם חיישני תמונה סטנדרטיים טיפוסיים, שבהם יש לך מעגלים מבוססי סיליקון או פוטודיודת אלקטרוניקה וסיליקון. הם בעצם עושים את השעתוק האדום/ירוק/כחול (RGB) כדי שנוכל לקבל תמונות יפות. אבל אם אתה מסתכל על אורכי גל אחרים - למשל, עבור ל-UV או לאינפרא אדום - יש לך תופעות או מידע שאינך יכול לקבל באור נראה. אנו בוחנים במיוחד את טווח האינפרא אדום. שם אנו מתייחסים לטווח ספציפי, שהוא בין מיקרון אחד לשני מיקרון, שאנו קוראים לו אינפרא אדום גלים קצרים. עם הטווח הזה אתה יכול לראות דרך דברים. לדוגמה, אתה יכול לראות דרך ערפל או עשן או עננים. זה מעניין במיוחד עבור יישומי רכב.

SE: יש אתגרים קרובים או יישומים חדשים עבור הטכנולוגיה הזו?

מלינובסקי: אתה לא יכול להשתמש בסיליקון עבור אורך גל זה, כי הוא הופך שקוף. זה מעניין, למשל, לבדיקת ליקויים כאשר אתה מסתכל על סדקים בתאי סיליקון סולאריים. יש לך ניגודים שונים של חומרים מסוימים. חומרים שנראים זהים לחלוטין בטווח הנראה יכולים להיות בעלי רפלקטיביות שונה באינפרא אדום של גלים קצרים, מה שאומר שאתה יכול לקבל ניגודיות טובה יותר, למשל, כשאתה ממיין פלסטיק או כשאתה ממיין מזון. ישנם יישומים אחרים, כפי שמוצג באיור 1 (להלן). זה כוחו של האור שמגיע מהשמש דרך האטמוספירה. האפור נמצא מעל האטמוספירה, והריק הוא מה שמגיע לכדור הארץ. ואתה רואה שיש כמה מקסימום ומינימום. המינימום קשורים לספיגת מים באטמוספרה. אתה יכול להשתמש במינימה הזו כשאתה עובד, למשל, עם מערכות חיסול אקטיביות, מה שאומר שאתה פולט קצת אור ובודק מה קופץ בחזרה. כך עובד ה-Face ID באייפון - אתה פולט אור ובודק מה חוזר. הם פועלים בסביבות 940 ננומטר. אם הלכת לאורכי גל ארוכים יותר - למשל, 1,400 - יהיה לך רקע נמוך בהרבה, מה שאומר שאתה יכול לקבל ניגודיות הרבה יותר טובה. אם לאחר מכן תלך לאורכי גל שבהם עדיין יש די הרבה אור, אתה יכול להשתמש בו עם תאורה פסיבית כדי לקבל מידע נוסף, כגון הדמיה באור נמוך, שבו עדיין יש לך כמה פוטונים.

איור 1: האפשרויות לאינפרא אדום באורך גל קצר. מקור: imec

SE: איך קבעת את זה?

מלינובסקי: מה שבדקנו הוא איך לגשת לאורכי הגל האלה. הסיליקון, בשל תכונותיו הפיזיקליות, אינו טוב לכך. הדרך המסורתית היא התקשרות, שבה אתה לוקח חומר אחר - למשל אינדיום גליום ארסניד או כספית קדמיום טלוריד - ומחבר אותו במעגל הקריאה. זו הטכנולוגיה הקיימת. הוא משמש הרבה ליישומים ביטחוניים, צבאיים ותעשייתיים או מדעיים מתקדמים. זה יקר. חיישנים המיוצרים בטכנולוגיה זו עולים בדרך כלל כמה אלפי יורו, בגלל תהליך ההדבקה ועלויות הייצור. אתה יכול לגדל את החומר שאתה צריך כמו גרמניום, אבל זה די קשה ויש כמה בעיות עם הורדת הרעש מספיק נמוך. אנחנו הולכים בדרך השלישית, שהיא הפקדת חומר. במקרה זה, אנו משתמשים בחומרים אורגניים או בנקודות קוונטיות. אנחנו לוקחים חומר שיכול לספוג את האור האינפרא אדום הגל הקצר הזה או קרוב לאינפרא אדום, ומפקידים אותו בשיטות סטנדרטיות, כמו ציפוי ספין, ומקבלים שכבות דקות מאוד. זו הסיבה שאנו מכנים את הקטגוריה הזו של חיישנים 'חיישני צילום של סרט דק', כאשר החומר סופג הרבה יותר מסיליקון. זה נראה כמו פנקייק על גבי מעגל הקריאה.

SE: איך זה בהשוואה לחומרים אחרים?

מלינובסקי: אם אתה משווה את זה לדיודות סיליקון, הם צריכים נפח הרבה יותר גדול ועומק הרבה יותר. ובמיוחד עבור אורכי הגל הארוכים האלה, הם פשוט הופכים שקופים. לעומת זאת, לחיישני תמונה של גלאי סרט דק (TFPD) יש ערימה של חומרים, כולל חומרים פוטו-אקטיביים כגון חומרים אורגניים קוונטיים, המשולבים באופן מונוליטי, מה שאומר שזה שבב אחד. אין מליטה על גבי הסיליקון. הבעיה עם גישה זו הייתה שכאשר יש לך פוטודיודה כזו משולבת על גבי אלקטרודת מתכת זו, קשה מאוד להוריד את הרעש מספיק כי יש כמה מקורות רעש מובנים שאי אפשר להיפטר מהם.

איור 2: גלאי צילום סרט דק. מקור: imec

SE: איך פתרת את זה?

מלינובסקי: עקבנו אחר הדרך שבה התקדמו חיישני תמונת סיליקון בסוף שנות ה-1980 ובשנות ה-1990, שם הציגו פוטו-דיודות מוצמדות. אתה מנתק את אזור הפוטודיודה שבו הפוטונים מומרים, ואת הקריאה. במקום שיהיה רק ​​מגע אחד של בולם הסרט הדק הזה לקריאה, אנו מציגים טרנזיסטור נוסף. זהו ה-TFT, שדואג להתרוקן במלואו של המבנה כך שנוכל להעביר את כל המטענים שנוצרו בבולם הסרט הדק הזה ולהעביר אותם עם מבנה הטרנזיסטור הזה לקריאת הקריאה. בדרך זו אנו מגבילים באופן משמעותי את מקורות הרעש.

SE: מדוע רעש מהווה בעיה עבור עיצוב חיישנים?

מלינובסקי: ישנם מקורות רעש שונים. רעש יכול להיות המספר הכולל של אלקטרונים לא רצויים, אך אלקטרונים אלה יכולים להגיע ממקורות שונים או מסיבות שונות. חלקם קשורים לטמפרטורה, חלקם לאי אחידות בשבב, חלקם לדליפת טרנזיסטור וכו'. עם גישה זו, אנו עובדים על חלק ממקורות הרעש הקשורים לקריאה. עבור כל חיישני התמונה, יש לך רעש, אבל יש לך דרכים שונות להתמודד עם הרעש. לדוגמה, החיישנים מבוססי הסיליקון באייפון מתמודדים עם מקורות רעש עם עיצוב ספציפי של מעגל הקריאה, עם ארכיטקטורות שהבסיס שלהן חוזר לשנות ה-80 וה-90. זה קצת ממה שניסינו לשכפל עם הקטגוריה החדשה הזו של חיישני תמונה תוך שימוש בגלאי הצילום בשדה הדק. זה יישום של טריקים עיצוביים ישנים בקטגוריה חדשה של חיישן.

SE: איפה אתה צופה שזה ישמש? הזכרת רכב. האם זה יעבוד גם עבור מכשירים רפואיים?

מלינובסקי: המשיכה הגדולה ביותר של טכנולוגיה זו היא של מוצרי אלקטרוניקה, כגון סמארטפונים. אם אתה הולך לאורכי גל ארוכים יותר, אתה יכול לקבל ניגודיות נמוכה יותר, כי פשוט יש פחות אור באורך הגל הזה, או שאתה יכול לראות את האור הזה של הצבע הזה באטמוספירה. זוהי ראייה מוגברת, כלומר לראות יותר ממה שהעין האנושית יכולה לראות, אז יש מידע נוסף עבור המצלמה שלך. הסיבה הנוספת היא שלאורך גל ארוך יותר קל יותר לעבור דרך תצוגות מסוימות. ההבטחה היא שאם יש לכם פתרון מסוג זה, תוכלו למקם את החיישן, כמו Face ID, מאחורי התצוגה השנייה, מה שיכול להגדיל את שטח התצוגה.

איור 3: ראייה מוגברת לבטיחות טובה יותר. מקור: imec

הסיבה האחרת היא שאם אתה הולך לאורכי גל ארוכים יותר, העין שלך הרבה פחות רגישה - בערך חמישה או שישה סדרי גודל בהשוואה לאורכי הגל הקרובים לאינפרא אדום, מה שאומר שאתה יכול להשתמש במקורות אור חזקים יותר. אז אתה יכול לירות יותר כוח, מה שאומר שאתה יכול לקבל טווחים ארוכים יותר. עבור רכב, אתה יכול לקבל ראות נוספת, במיוחד בתנאי מזג אוויר קשים, כגון ראות דרך ערפל. עבור רפואי, זה יכול לעזור לקדם מזעור. ביישומים מסוימים, כמו אנדוסקופיה, הטכנולוגיה הקיימת השתמשה בחומרים אחרים ובאינטגרציה מורכבת יותר, ולכן המיזעור די קשה. עם גישת נקודות קוונטיות, אתה יכול ליצור פיקסלים קטנים מאוד, מה שאומר רזולוציה גבוהה יותר בגורם צורה קומפקטי. זה מאפשר מזעור נוסף תוך שמירה על רזולוציה גבוהה. בנוסף, בהתאם לאיזה אורך גל אנו מכוונים, יכול להיות לנו ניגודיות גבוהה מאוד של מים, וזו אחת הסיבות שתעשיית המזון עשויה להתעניין. אתה יכול לזהות טוב יותר לחות, למשל, במוצרי דגנים כמו דגנים.

איור 4: יישומים פוטנציאליים מקור: imec

SE: עם הראייה המוגברת של אור חלש, האם יכול להיות לזה יישומים צבאיים?

מלינובסקי: חיישנים מסוג זה כבר משמשים את הצבא, למשל, לזיהוי מדדי טווח לייזר. ההבדל הוא שהצבא בסדר לשלם 20,000 יורו עבור מצלמה. בתחום הרכב או הצרכן הם אפילו לא שוקלים את הטכנולוגיה הזו, בדיוק מהסיבה הזו.

SE: אז פריצת הדרך כאן היא שאתה יכול לקבל משהו שכבר קיים, אבל אתה יכול לקבל אותו בתמחור בקנה מידה צרכני?

מלינובסקי: בדיוק. בגלל המזעור וגם איך האינטגרציה המונוליטית מאפשרת לך לשדרג את הטכנולוגיה, אתה יכול לקבל נפחים ומחירים בקנה מידה צרכני.

SE: אילו מגמות נוספות אתה רואה בטכנולוגיית חיישנים?

מלינובסקי: אחת מנקודות הדיון הנוכחיות היא בדיוק זה - מעבר להדמיה גלויה. הטכנולוגיה הקיימת כבר פנטסטית לצילום תמונות. הטרנד החדש הוא חיישנים שמוקדשים יותר לאפליקציה. הפלט לא צריך להיות תמונה יפה. זה יכול להיות מידע ספציפי. עם Face ID, הפלט יכול להיות למעשה אחד או אפס. או שהטלפון לא נעול או שהוא לא נעול. אתה לא צריך לראות את תמונת הפנים. יש גם כמה אופנים מעניינים שצצים, כמו צילומי תמונות מקוטבים, שהם כמו משקפיים מקטבים. הם רואים טוב יותר עבור כמה השתקפויות. ישנם צילומים מבוססי אירועים, אשר מסתכלים רק על השינוי של הסצנה - למשל, אם אתה חוקר רעידות של מכונה או סופר אנשים שעוברים ליד חנות. אם יש לך מערכת נהיגה אוטונומית, אתה צריך אזהרה שיש מכשול קרוב וכדאי לך לבלום. אתה לא צריך תמונה יפה. מגמה זו פירושה הרבה יותר פיצול, מכיוון שהיא הרבה יותר ספציפית ליישום. זה משנה את האופן שבו אנשים מעצבים חיישני תמונה מכיוון שהם מסתכלים על מה שטוב מספיק עבור אפליקציה מסוימת במקום לייעל את איכות התמונה. איכות התמונה תמיד חשובה, אבל לפעמים צריך משהו פשוט שפשוט עושה את העבודה.

SE: האם חשוב לדעת אם זה בן אדם או עץ, או שזה מספיק רק כדי לדעת שאתה צריך לבלום עכשיו?

מלינובסקי: בתעשיית הרכב עדיין יש ויכוח. יש אנשים שרוצים לסווג את כל החפצים. הם רוצים לדעת אם זה ילד, אופנוען או עץ. יש שאומרים, 'אני רק צריך לדעת אם זה מפריע, כי אני צריך להפעיל את הבלמים'. אז אין תשובה אחת.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://semiengineering.com/a-new-approach-for-sensor-design/