O nouă abordare pentru proiectarea senzorilor

Pawel Malinowski, manager de program la imec, s-a întâlnit cu Semiconductor Engineering pentru a discuta ce se schimbă în tehnologia senzorilor și de ce. Ceea ce urmează sunt fragmente din această discuție.

SE: Ce urmează pentru tehnologia senzorilor?

Malinowski: Încercăm să găsim o nouă modalitate de a face senzori de imagine pentru că vrem să ieșim din limitările fotodiode de siliciu. Siliciul este un material perfect, mai ales dacă doriți să reproduceți vederea umană, deoarece este sensibil la lungimile de undă vizibile ale luminii, ceea ce înseamnă că puteți face ceea ce face ochiul uman. Și domeniul acum este la stadiul în care este foarte matur. Există aproximativ 6 miliarde de senzori de imagine vânduți pe an. Acestea sunt cipurile care ajung în camerele smartphone-urilor, mașinilor și altor aplicații. Sunt senzori de imagine standard tipici, unde aveți circuite pe bază de siliciu sau electronice și fotodioda de siliciu. Practic, ei fac reproducerea roșu/verde/albastru (RGB), astfel încât să putem avea imagini frumoase. Dar dacă te uiți la alte lungimi de undă - de exemplu, mergi la UV sau la infraroșu - ai fenomene sau informații pe care nu le poți obține în lumina vizibilă. Ne uităm în special la domeniul infraroșu. Acolo abordăm un interval specific, care este între un micron și doi microni, pe care îl numim infraroșu cu unde scurte. Cu această gamă puteți vedea prin lucruri. De exemplu, puteți vedea prin ceață, fum sau nori. Acest lucru este deosebit de interesant pentru aplicațiile auto.

SE: Există provocări viitoare sau aplicații noi pentru această tehnologie?

Malinowski: Nu puteți folosi siliciu pentru această lungime de undă, deoarece devine transparent. Acest lucru este interesant, de exemplu, pentru inspecția defectelor atunci când vă uitați la fisuri în celulele solare cu siliciu. Aveți contraste diferite ale unor materiale. Materialele care apar exact la fel în intervalul vizibil pot avea o reflectivitate diferită în infraroșu cu unde scurte, ceea ce înseamnă că puteți avea un contrast mai bun, de exemplu, atunci când sortați materiale plastice sau când sortați alimente. Există și alte aplicații, așa cum se arată în figura 1 (mai jos). Este puterea luminii care vine de la soare prin atmosferă. Griul este deasupra atmosferei, iar cel alb este ceea ce vine pe pământ. Și vezi că există niște maxime și minime. Minimele sunt legate de absorbția de apă în atmosferă. Poți folosi aceste minime atunci când lucrezi, de exemplu, cu sisteme de eliminare active, ceea ce înseamnă că emiți puțină lumină și verifici ce revine. Acesta este modul în care funcționează Face ID pe iPhone: emiti lumină și verifici ce se întoarce. Aceștia funcționează în jur de 940 de nanometri. Dacă ați trecut la lungimi de undă mai mari — de exemplu, 1,400 — veți avea un fundal mult mai mic, ceea ce înseamnă că puteți avea un contrast mult mai bun. Dacă apoi mergeți la lungimi de undă unde există încă destul de multă lumină, o puteți folosi cu iluminare pasivă pentru a obține informații suplimentare, cum ar fi imagini cu lumină scăzută, unde mai aveți niște fotoni.

Fig. 1: Posibilitățile pentru infraroșu cu lungime de undă scurtă. Sursa: imec

SE: Cum ai determinat asta?

Malinowski: Ceea ce am verificat este cum să accesăm aceste lungimi de undă. Siliciul, datorită proprietăților sale fizice, nu este bun pentru asta. Modul tradițional este lipirea, în care luați un alt material - de exemplu, arseniura de indiu galiu sau telurura de mercur-cadmiu - și îl legați pe circuitul de citire. Aceasta este o tehnologie existentă. Este folosit mult pentru aplicații de apărare, militare și industriale sau științifice de vârf. E scump. Senzorii fabricați cu această tehnologie costă de obicei câteva mii de euro, din cauza procesului de lipire și a costurilor de producție. Puteți crește materialul de care aveți nevoie, cum ar fi germaniul, dar acest lucru este destul de dificil și există unele probleme cu reducerea zgomotului suficient. Urmăm a treia cale, care este depunerea materialului. În acest caz, folosim fie materiale organice, fie puncte cuantice. Luăm material care poate absorbi această lumină în infraroșu cu unde scurte sau în infraroșu apropiat și îl depunem prin metode standard, cum ar fi acoperirea prin spin, și obținem straturi foarte subțiri. De aceea, numim această categorie de senzori „senzori fotodetectori cu peliculă subțire”, unde materialul este mult mai absorbant decât siliciul. Arată ca o clătită deasupra circuitului de citire.

SE: Cum se compară acest lucru cu alte materiale?

Malinowski: Dacă îl compari cu diodele cu siliciu, au nevoie de un volum mult mai mare și de o adâncime mult mai mare. Și mai ales pentru aceste lungimi de undă mai lungi, ele devin pur și simplu transparente. Prin contrast, senzorii de imagine cu fotodetector cu peliculă subțire (TFPD) au un teanc de materiale, inclusiv materiale fotoactive, cum ar fi materiale organice cu puncte cuantice, integrate monolitic, ceea ce înseamnă că este un singur cip. Nu există nicio legătură deasupra siliciului. Problema cu această abordare a fost că, atunci când aveți o astfel de fotodiodă integrată deasupra acestui electrod metalic, este foarte dificil să reduceți suficient de mult zgomotul, deoarece există unele surse de zgomot inerente de care nu puteți scăpa.

Fig. 2: Fotodetector cu peliculă subțire. Sursa: imec

SE: Cum ai rezolvat asta?

Malinowski: Am urmărit modul în care senzorii de imagine din siliciu au progresat la sfârșitul anilor 1980 și în anii 1990, unde au introdus fotodiode fixate. Decuplați zona fotodiodei în care sunt convertiți fotonii și citirea. În loc să avem doar un contact al acestui absorbant cu film subțire la citire, introducem un tranzistor suplimentar. Acesta este TFT, care are grijă să aibă structura complet epuizată, astfel încât să putem transfera toate sarcinile create în acest absorbant de film subțire și să le transferăm cu această structură a tranzistorului către cititor. În acest fel, limităm semnificativ sursele de zgomot.

SE: De ce este zgomotul o problemă pentru proiectarea senzorilor?

Malinowski: Există diferite surse de zgomot. Zgomotul poate fi numărul total de electroni nedoriți, dar acești electroni pot proveni din surse diferite sau din diferite motive. Unele sunt legate de temperatură, altele de neuniformitatea cipului, altele de scurgerea tranzistorului și așa mai departe. Cu această abordare, lucrăm la unele dintre sursele de zgomot legate de citire. Pentru toți senzorii de imagine, aveți zgomot, dar aveți moduri diferite de a trata zgomotul. De exemplu, senzorii pe bază de siliciu din iPhone se ocupă de surse de zgomot cu un design specific al circuitului de citire, cu arhitecturi a căror fundație datează din anii ’80 și ’90. Acesta este un pic din ceea ce am încercat să replicăm cu această nouă categorie de senzori de imagine care utilizează detectoare foto de câmp subțire. Este o aplicare a vechilor trucuri de design într-o nouă categorie de senzori.

SE: Unde anticipați că va fi folosit? Ai pomenit de auto. Ar funcționa și pentru dispozitivele medicale?

Malinowski: Cea mai mare atracție pentru această tehnologie este din partea electronicelor de larg consum, cum ar fi smartphone-urile. Dacă mergeți la lungimi de undă mai mari, puteți avea un contrast mai mic, pentru că pur și simplu există mai puțină lumină la acea lungime de undă, sau puteți vedea această lumină de acea culoare în atmosferă. Este o viziune crescută, ceea ce înseamnă să vedeți mai mult decât poate vedea ochiul uman, deci există informații suplimentare pentru camera dvs. Celălalt motiv este că lungimile de undă mai mari sunt mai ușor de trecut prin unele afișaje. Promisiunea este că, dacă ai acest tip de soluție, poți plasa senzorul, cum ar fi Face ID, în spatele celuilalt display, ceea ce poate crește aria de afișare.

Fig. 3: Viziune sporită pentru o mai bună siguranță. Sursa: imec

Celălalt motiv este că, dacă mergi la lungimi de undă mai mari, ochiul tău este mult mai puțin sensibil - aproximativ cinci sau șase ordine de mărime în comparație cu lungimile de undă din infraroșu apropiat, ceea ce înseamnă că poți folosi surse de lumină mai puternice. Deci, puteți trage mai multă putere, ceea ce înseamnă că puteți avea distanțe mai lungi. Pentru autovehicule, puteți avea vizibilitate suplimentară, mai ales în condiții meteorologice nefavorabile, cum ar fi vizibilitatea prin ceață. În domeniul medical, ar putea ajuta la avansarea miniaturizării. În unele aplicații, precum endoscopia, tehnologia existentă a folosit alte materiale și o integrare mai complexă, iar astfel miniaturizarea este destul de dificilă. Cu o abordare cu puncte cuantice, puteți realiza pixeli foarte mici, ceea ce înseamnă o rezoluție mai mare într-un factor de formă compact. Acest lucru permite o miniaturizare suplimentară, păstrând în același timp o rezoluție ridicată. În plus, în funcție de lungimea de undă vizată, putem avea un contrast foarte mare de apă, care este unul dintre motivele pentru care industria alimentară ar putea fi interesată. Puteți detecta mai bine umiditatea, de exemplu, în produsele din cereale, cum ar fi cerealele.

Fig. 4: Aplicații potențiale Sursa: imec

SE: Cu vizibilitatea crescută la lumină scăzută, ar putea avea aplicații militare?

Malinowski: Acest tip de senzori sunt deja folosiți de armată, de exemplu, pentru detectarea telemetrului laser. Diferența este că militarii sunt bine să plătească 20,000 de euro pentru o cameră. În domeniul auto sau consumatorilor nici măcar nu iau în considerare această tehnologie, tocmai din acest motiv.

SE: Deci, descoperirea aici este că poți avea ceva care există deja, dar îl poți avea la prețuri la scară de consum?

Malinowski: Exact. Datorită miniaturizării și, de asemenea, a modului în care integrarea monolitică vă permite să extindeți tehnologia, puteți obține volume și prețuri la scară de consumator.

SE: Ce alte tendințe vezi în tehnologia senzorilor?

Malinowski: Unul dintre punctele actuale de discuție este exact acesta - dincolo de imaginile vizibile. Tehnologia existentă este deja fantastică pentru a face fotografii. Noua tendință sunt senzorii care sunt mai dedicați aplicației. Ieșirea nu trebuie să fie o imagine frumoasă. Poate fi o informație specifică. Cu Face ID, rezultatul poate fi de fapt unul sau zero. Fie telefonul este deblocat, fie nu este. Nu trebuie să vedeți imaginea feței. Există, de asemenea, câteva modalități interesante care apar, cum ar fi imaginile polarizate, care sunt ca ochelarii polarizați. Ei văd mai bine pentru unele reflecții. Există imagini bazate pe evenimente, care privesc doar schimbarea scenei - de exemplu, dacă studiezi vibrațiile unei mașini sau numări oamenii care trec pe lângă un magazin. Dacă aveți un sistem de conducere autonomă, aveți nevoie de un avertisment că urmează un obstacol și ar trebui să frânați. Nu aveți nevoie de o imagine frumoasă. Această tendință înseamnă mult mai multă fragmentare, deoarece este mult mai specifică aplicației. Schimbă modul în care oamenii proiectează senzori de imagine, deoarece se uită la ceea ce este suficient de bun pentru o anumită aplicație, mai degrabă decât la optimizarea calității imaginii. Calitatea imaginii este întotdeauna importantă, dar uneori aveți nevoie de ceva simplu care să facă treaba.

SE: Este important să știi dacă este o ființă umană sau un copac, sau este suficient să știi că trebuie să frânezi acum?

Malinowski: În industria auto, există încă o dezbatere. Unii oameni doresc să clasifice toate obiectele. Vor să știe dacă este un copil, un motociclist sau un copac. Unii spun: „Trebuie doar să știu dacă este în cale, pentru că trebuie să declanșez frânele.” Deci nu există un singur răspuns.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://semiengineering.com/a-new-approach-for-sensor-design/