En ny tilnærming for sensordesign

En ny tilnærming for sensordesign

Tidsstempel: 28. desember 2023 3:01
Kilde node: 3038974

Pawel Malinowski, programleder i imec, satte seg ned med Semiconductor Engineering for å diskutere hva som endrer seg innen sensorteknologi og hvorfor. Det som følger er utdrag av den diskusjonen.

SE: Hva er det neste for sensorteknologi?

Malinowski: Vi prøver å finne en ny måte å lage bildesensorer på fordi vi ønsker å komme oss ut av begrensningene til silisium fotodioder. Silisium er et perfekt materiale, spesielt hvis du ønsker å reprodusere menneskelig syn fordi det er følsomt for de synlige bølgelengdene av lys, noe som betyr at du kan gjøre det det menneskelige øyet gjør. Og feltet er nå på det stadiet hvor det er veldig modent. Det selges rundt 6 milliarder bildesensorer per år. Dette er brikkene som havner i kameraene til smarttelefoner, biler og andre applikasjoner. De er typiske standard bildesensorer, hvor du har de silisiumbaserte kretsene eller elektronikken og silisiumfotodioden. De lager i utgangspunktet rød/grønn/blå (RGB) reproduksjon slik at vi kan få fine bilder. Men hvis du ser på andre bølgelengder - for eksempel gå til UV eller til infrarød - har du fenomener eller informasjon som du ikke kan få i synlig lys. Vi ser spesielt på det infrarøde området. Der tar vi for oss et spesifikt område, som er mellom en mikron og to mikron, som vi kaller kortbølge infrarød. Med dette utvalget kan du se gjennom ting. For eksempel kan du se gjennom tåke eller røyk eller skyer. Dette er spesielt interessant for bilapplikasjoner.

SE: Noen kommende utfordringer eller nye applikasjoner for denne teknologien?

Malinowski: Du kan ikke bruke silisium for denne bølgelengden, fordi det blir gjennomsiktig. Dette er interessant for eksempel for feilinspeksjon når man ser på sprekker i silisiumsolceller. Du har forskjellige kontraster av noen materialer. Materialer som fremstår helt likt i det synlige området kan ha ulik refleksjon i kortbølget infrarød, noe som gjør at du kan få bedre kontrast, for eksempel når du skal sortere plast eller når du skal sortere mat. Det er andre applikasjoner, som vist i figur 1 (nedenfor). Det er lysets kraft som kommer fra solen gjennom atmosfæren. Den grå er over atmosfæren, og den blanke er det som kommer til jorden. Og du ser at det er noen maksima og minima. Minima er relatert til vannabsorpsjon i atmosfæren. Du kan bruke dette minimaet når du for eksempel jobber med aktive elimineringssystemer, som betyr at du sender ut litt lys og du sjekker hva som spretter tilbake. Dette er hvordan Face ID på iPhone fungerer – du sender ut lys og sjekker hva som kommer tilbake. De opererer rundt 940 nanometer. Hvis du gikk til lengre bølgelengder - for eksempel 1,400 - vil du ha mye lavere bakgrunn, noe som betyr at du kan få mye bedre kontrast. Hvis du da går til bølgelengder der det fortsatt er ganske mye lys, kan du bruke det med passiv belysning for å få ekstra informasjon, som for eksempel lavlysavbildning, hvor du fortsatt har noen fotoner.


Fig. 1: Mulighetene for kortbølgelengde infrarødt. Kilde: imec

SE: Hvordan bestemte du det?

Malinowski: Det vi sjekket for er hvordan man får tilgang til disse bølgelengdene. Silisium er på grunn av dets fysiske egenskaper ikke bra for det. Den tradisjonelle måten er binding, der du tar et annet materiale - for eksempel indiumgalliumarsenid eller kvikksølvkadmiumtellurid - og binder det på avlesningskretsen. Dette er gjeldende teknologi. Den brukes mye til forsvarsapplikasjoner, militære og avanserte industrielle eller vitenskapelige. Det er dyrt. Sensorer laget med denne teknologien koster vanligvis noen få tusen euro på grunn av bindingsprosessen og produksjonskostnadene. Du kan dyrke materialet du trenger, for eksempel germanium, men dette er ganske vanskelig, og det er noen problemer med å få støyen lav nok. Vi følger den tredje veien, som er å deponere materiale. I dette tilfellet bruker vi enten organiske materialer eller kvanteprikker. Vi tar materiale som kan absorbere dette kortbølget infrarøde lyset eller nær infrarødt, og vi deponerer det med standardmetoder, som spinnbelegg, og vi får veldig tynne lag. Det er derfor vi kaller denne kategorien av sensorer "tynne film fotodetektorsensorer", der materialet er mye mer absorberende enn silisium. Det ser ut som en pannekake på toppen av avlesningskretsen.

SE: Hvordan er dette sammenlignet med andre materialer?

Malinowski: Hvis du sammenligner det med silisiumdioder, trenger de mye større volum og mye større dybde. Og spesielt for disse lengre bølgelengdene blir de bare gjennomsiktige. Derimot har tynnfilmfotodetektor (TFPD) bildesensorer en stabel med materialer, inkludert fotoaktive materialer som kvanteprikker organiske materialer, integrert monolittisk, noe som betyr at det er én brikke. Det er ingen binding på toppen av silisiumet. Problemet med denne tilnærmingen var at når du har en slik fotodiode integrert på toppen av denne metallelektroden, er det veldig vanskelig å få støyen lav nok fordi det er noen iboende støykilder som du ikke kan bli kvitt.


Fig. 2: Tynnfilm fotodetektor. Kilde: imec

SE: Hvordan løste du dette?

Malinowski: Vi fulgte måten silisiumbildesensorer utviklet seg på slutten av 1980-tallet og på 1990-tallet, hvor de introduserte festede fotodioder. Du kobler fra fotodiodeområdet hvor fotonene konverteres, og avlesningen. I stedet for bare å ha én kontakt med denne tynnfilmsabsorberen til avlesningen, introduserer vi en ekstra transistor. Dette er TFT-en, som sørger for å ha strukturen helt utarmet slik at vi kan overføre alle ladningene som skapes i denne tynnfilmabsorberen og overføre dem med denne transistorstrukturen til avlesningen. På denne måten begrenser vi støykildene betydelig.

SE: Hvorfor er støy et problem for sensordesign?

Malinowski: Det er forskjellige støykilder. Støy kan være det totale antallet uønskede elektroner, men disse elektronene kan komme fra forskjellige kilder eller av forskjellige årsaker. Noen er relatert til temperatur, noen til ujevnhet i brikken, noen til transistorlekkasje, og så videre. Med denne tilnærmingen jobber vi med noen av støykildene knyttet til avlesningen. For alle bildesensorene har du støy, men du har forskjellige måter å håndtere støyen på. For eksempel håndterer de silisiumbaserte sensorene i iPhone støykilder med en spesifikk utforming av avlesningskretsen, med arkitekturer hvis grunnlag går tilbake til 80- og 90-tallet. Dette er litt av det vi prøvde å gjenskape med denne nye kategorien bildesensorer som bruker tynnfeltfotodetektorene. Det er en bruk av gamle designtriks i en ny kategori sensor.

SE: Hvor forventer du at dette vil bli brukt? Du nevnte bil. Vil det også fungere for medisinsk utstyr?

Malinowski: Den største tiltrekkingen for denne teknologien er fra forbrukerelektronikk, som smarttelefoner. Hvis du går til lengre bølgelengder, kan du ha lavere kontrast, fordi det rett og slett er mindre lys på den bølgelengden, eller du kan se dette lyset av den fargen i atmosfæren. Det er utvidet syn, som betyr at du ser mer enn det menneskelige øyet kan se, så det er tilleggsinformasjon for kameraet ditt. Den andre grunnen er at lengre bølgelengder er lettere å passere gjennom noen skjermer. Løftet er at hvis du har denne typen løsning, kan du plassere sensoren, for eksempel Face ID, bak den andre skjermen, noe som kan øke visningsområdet.


Fig. 3: Økt syn for bedre sikkerhet. Kilde: imec

Den andre grunnen er at hvis du går til lengre bølgelengder, er øyet ditt mye mindre følsomt - omtrent fem eller seks størrelsesordener sammenlignet med de nær-infrarøde bølgelengdene, noe som betyr at du kan bruke kraftigere lyskilder. Så du kan skyte ut mer kraft, noe som betyr at du kan ha lengre avstander. For bilindustrien kan du ha ekstra sikt, spesielt under ugunstige værforhold, for eksempel sikt gjennom tåke. For medisinsk kan det bidra til å fremme miniatyrisering. I noen applikasjoner, for eksempel endoskopi, brukte den etablerte teknologien andre materialer og mer kompleks integrasjon, og derfor er miniatyriseringen ganske vanskelig. Med en kvantepunkttilnærming kan du lage veldig små piksler, noe som betyr høyere oppløsning i en kompakt formfaktor. Dette muliggjør ytterligere miniatyrisering samtidig som den holder høy oppløsning. I tillegg, avhengig av hvilken bølgelengde vi målretter oss mot, kan vi ha svært høy kontrast av vann, noe som er en av grunnene til at næringsmiddelindustrien kan være interessert. Du kan bedre oppdage fuktighet, for eksempel i kornprodukter som korn.


Fig. 4: Potensielle bruksområder Kilde: imec

SE: Med det økte synet i svakt lys, kan det ha militære applikasjoner?

Malinowski: Denne typen sensorer brukes allerede av militæret, for eksempel for å oppdage laseravstandsmålere. Forskjellen er at militæret har greit å betale 20,000 euro for et kamera. I bilindustrien eller forbrukerbransjen vurderer de ikke engang denne teknologien, akkurat av den grunn.

SE: Så gjennombruddet her er at du kan ha noe som allerede eksisterer, men du kan ha det til forbruker-skala priser?

Malinowski: Nøyaktig. På grunn av miniatyriseringen og også hvordan den monolitiske integrasjonen lar deg oppskalere teknologien, kan du få volumer og priser i forbrukerskala.

SE: Hvilke andre trender ser du innen sensorteknologi?

Malinowski: Et av de aktuelle diskusjonspunktene er akkurat dette — utover synlig bildebehandling. Den eksisterende teknologien er allerede fantastisk for å ta bilder. Den nye trenden er sensorer som er mer dedikert til applikasjonen. Utgangen trenger ikke å være et pent bilde. Det kan være spesifikk informasjon. Med Face ID kan utgangen faktisk være én eller null. Enten er telefonen ulåst, eller så er den ikke det. Du trenger ikke å se bildet av ansiktet. Det er også noen interessante modaliteter som kommer opp, for eksempel polariserte bildeapparater, som er som polariserende briller. De ser bedre for noen refleksjoner. Det er hendelsesbaserte bilder, som bare ser på endringen av scenen - for eksempel hvis du studerer vibrasjoner av en maskin eller teller folk som går forbi en butikk. Hvis du har et autonomt kjøresystem, trenger du en advarsel om at det er en kommende hindring, og du bør bremse. Du trenger ikke et pent bilde. Denne trenden betyr mye mer fragmentering, fordi den er mye mer applikasjonsspesifikk. Det endrer måten folk designer bildesensorer på fordi de ser på hva som er godt nok for en bestemt applikasjon i stedet for å optimalisere bildekvaliteten. Bildekvalitet er alltid viktig, men noen ganger trenger du noe enkelt som bare gjør jobben.

SE: Er det viktig å vite om det er et menneske eller et tre, eller er det bare nok å vite at du må bremse nå?

Malinowski: I bilindustrien er det fortsatt en debatt. Noen ønsker å klassifisere alle objektene. De vil vite om det er et barn, en syklist eller et tre. Noen sier: ‘Jeg trenger bare å vite om det er i veien, for jeg må utløse bremsene.’ Så det er ikke ett svar.

Tidstempel:

Mer fra Semi -ingeniørfag