Nov pristop k oblikovanju senzorjev

Pawel Malinowski, programski vodja pri imecu, je s podjetjem Semiconductor Engineering razpravljal o tem, kaj se spreminja v senzorski tehnologiji in zakaj. Sledi odlomek te razprave.

SE: Kaj je naslednje za senzorsko tehnologijo?

Malinowski: Poskušamo najti nov način izdelave slikovnih senzorjev, ker se želimo izogniti omejitvam silicijeve fotodiode. Silicij je popoln material, še posebej, če želite reproducirati človeški vid, ker je občutljiv na vidne valovne dolžine svetlobe, kar pomeni, da lahko počnete to, kar počne človeško oko. In področje je zdaj na stopnji, ko je zelo zrelo. Na leto se proda okoli 6 milijard slikovnih senzorjev. To so čipi, ki končajo v kamerah pametnih telefonov, avtomobilih in drugih aplikacijah. So tipični standardni slikovni senzorji, kjer imate vezje na osnovi silicija ali elektroniko in silicijevo fotodiodo. V bistvu naredijo rdečo/zeleno/modro (RGB) reprodukcijo, tako da lahko imamo lepe slike. Toda če pogledate druge valovne dolžine - na primer, pojdite na UV ali infrardečo - imate pojave ali informacije, ki jih v vidni svetlobi ne morete dobiti. Gledamo predvsem infrardeče območje. Tam obravnavamo določeno območje, ki je med enim mikronom in dvema mikronoma, kar imenujemo kratkovalovno infrardeče. S tem obsegom lahko vidite skozi stvari. Na primer, lahko vidite skozi meglo, dim ali oblake. To je še posebej zanimivo za avtomobilske aplikacije.

SE: Kakšni prihajajoči izzivi ali nove aplikacije za to tehnologijo?

Malinowski: Za to valovno dolžino ne morete uporabiti silicija, ker postane prozoren. To je zanimivo na primer za pregledovanje napak, ko gledate razpoke v silicijevih sončnih celicah. Imate različne kontraste nekaterih materialov. Materiali, ki so v vidnem območju videti popolnoma enaki, imajo lahko različno odbojnost v kratkovalovnem infrardečem sevanju, kar pomeni, da imate lahko boljši kontrast, na primer, ko razvrščate plastiko ali hrano. Obstajajo še druge aplikacije, kot je prikazano na sliki 1 (spodaj). To je moč svetlobe, ki prihaja od sonca skozi ozračje. Siva je nad atmosfero, prazna pa je tisto, kar pride na zemljo. In vidite, da obstaja nekaj maksimumov in minimumov. Minimum je povezan z absorpcijo vode v ozračju. Te minimume lahko uporabite, ko delate na primer z aktivnimi sistemi za izločanje, kar pomeni, da oddate nekaj svetlobe in preverite, kaj se odbija nazaj. Tako deluje Face ID na iPhonu - oddajate svetlobo in preverjate, kaj se vrača. Delujejo okoli 940 nanometrov. Če ste izbrali daljše valovne dolžine - na primer 1,400 - boste imeli veliko nižje ozadje, kar pomeni, da imate lahko veliko boljši kontrast. Če greste nato na valovne dolžine, kjer je še precej svetlobe, jo lahko uporabite s pasivno osvetlitvijo, da dobite dodatne informacije, kot je slikanje pri šibki svetlobi, kjer imate še nekaj fotonov.

Slika 1: Možnosti za kratkovalovno infrardečo svetlobo. Vir: imec

SE: Kako ste to ugotovili?

Malinowski: Preverili smo, kako dostopati do teh valovnih dolžin. Silicij zaradi svojih fizikalnih lastnosti za to ni primeren. Tradicionalni način je lepljenje, kjer vzamete drug material - na primer indijev galijev arzenid ali živosrebrov kadmijev telurid - in ga povežete na vezju za odčitavanje. To je uveljavljena tehnologija. Veliko se uporablja za obrambne, vojaške in vrhunske industrijske ali znanstvene namene. To je drago. Senzorji, izdelani s to tehnologijo, običajno stanejo nekaj tisoč evrov zaradi postopka lepljenja in stroškov izdelave. Lahko pridelate material, ki ga potrebujete, kot je germanij, vendar je to precej težko in obstaja nekaj težav z dovolj nizkim hrupom. Sledimo tretji poti, to je deponiranje materiala. V tem primeru uporabljamo organske materiale ali kvantne pike. Vzamemo material, ki lahko absorbira to kratkovalovno infrardečo svetlobo ali bližnjo infrardečo svetlobo, in ga odložimo s standardnimi metodami, kot je spin coating, in dobimo zelo tanke plasti. Zato to kategorijo senzorjev imenujemo "tankoplastni fotodetektorski senzorji", kjer je material veliko bolj absorpcijski kot silicij. Izgleda kot palačinka na vrhu odčitavalnega vezja.

SE: Kakšno je to v primerjavi z drugimi materiali?

Malinowski: Če ga primerjate s silicijevimi diodami, potrebujejo veliko večjo prostornino in veliko večjo globino. In še posebej pri teh daljših valovnih dolžinah postanejo preprosto prozorne. Nasprotno pa imajo slikovni senzorji s tankoplastnim fotodetektorjem (TFPD) monolitno integrirane materiale, vključno s fotoaktivnimi materiali, kot so organski materiali s kvantnimi pikami, kar pomeni, da gre za en sam čip. Na vrhu silicija ni lepljenja. Težava pri tem pristopu je bila, da je, ko imate takšno fotodiodo integrirano na vrhu te kovinske elektrode, zelo težko doseči dovolj nizek hrup, ker obstaja nekaj inherentnih virov hrupa, ki se jih ne morete znebiti.

Slika 2: Tankoplastni fotodetektor. Vir: imec

SE: Kako ste to rešili?

Malinowski: Sledili smo poti napredka silicijevih slikovnih senzorjev ob koncu 1980. in v 1990. letih XNUMX. stoletja, kjer so predstavili pinned fotodiode. Ločite območje fotodiode, kjer se pretvorijo fotoni, in odčitavanje. Namesto samo enega stika tega tankoslojnega absorberja z odčitkom uvedemo dodaten tranzistor. To je TFT, ki skrbi za to, da je struktura popolnoma izpraznjena, da lahko prenesemo vse naboje, ustvarjene v tem tankoslojnem absorberju in jih s to strukturo tranzistorja prenesemo na odčitavanje. Na ta način močno omejimo vire hrupa.

SE: Zakaj je hrup problem za načrtovanje senzorjev?

Malinowski: Obstajajo različni viri hrupa. Hrup je lahko skupno število nezaželenih elektronov, vendar lahko ti elektroni prihajajo iz različnih virov ali iz različnih razlogov. Nekateri so povezani s temperaturo, nekateri z neenakomernostjo v čipu, nekateri s puščanjem tranzistorja itd. S tem pristopom delamo na nekaterih virih šuma, povezanih z odčitavanjem. Pri vseh slikovnih senzorjih imate šum, vendar imate različne načine za spopadanje s šumom. Senzorji na osnovi silicija v iPhonu se na primer ukvarjajo z viri hrupa s posebno zasnovo vezja za branje, z arhitekturami, katerih temelji segajo v 80. in 90. leta. To je delček tega, kar smo poskušali ponoviti s to novo kategorijo slikovnih senzorjev, ki uporabljajo foto detektorje tankega polja. Je uporaba starih oblikovalskih trikov v novi kategoriji senzorjev.

SE: Kje predvidevate, da bo to uporabljeno? Omenili ste avtomobilizem. Bi delovalo tudi za medicinske pripomočke?

Malinowski: Največja privlačnost za to tehnologijo je potrošniška elektronika, kot so pametni telefoni. Če greste na daljše valovne dolžine, imate lahko nižji kontrast, ker je preprosto manj svetlobe na tej valovni dolžini, ali pa lahko vidite to svetlobo te barve v ozračju. To je izboljšan vid, kar pomeni, da vidite več, kot lahko vidi človeško oko, zato so na voljo dodatne informacije za vaš fotoaparat. Drugi razlog je, da daljše valovne dolžine lažje prehajajo skozi nekatere zaslone. Obljuba je, da če imate takšno rešitev, lahko postavite senzor, kot je Face ID, za drugim zaslonom, kar lahko poveča površino zaslona.

Slika 3: Povečan vid za večjo varnost. Vir: imec

Drugi razlog je, da če greste na daljše valovne dolžine, je vaše oko veliko manj občutljivo - približno pet ali šest redov velikosti v primerjavi z valovnimi dolžinami blizu infrardečega sevanja, kar pomeni, da lahko uporabite močnejše vire svetlobe. Tako lahko streljate z večjo močjo, kar pomeni, da imate lahko daljše dosege. Za avtomobile imate lahko dodatno vidljivost, zlasti v neugodnih vremenskih razmerah, kot je vidljivost skozi meglo. Za medicino bi to lahko pripomoglo k napredku miniaturizacije. V nekaterih aplikacijah, kot je endoskopija, je prvotna tehnologija uporabljala druge materiale in bolj zapleteno integracijo, zato je miniaturizacija precej težavna. S pristopom kvantnih pik lahko ustvarite zelo majhne slikovne pike, kar pomeni višjo ločljivost v kompaktni obliki. To omogoča nadaljnjo miniaturizacijo ob ohranjanju visoke ločljivosti. Poleg tega lahko glede na to, na katero valovno dolžino ciljamo, imamo zelo visok kontrast vode, kar je eden od razlogov, zakaj bi lahko bila živilska industrija zainteresirana. Bolje lahko zaznate vlago na primer v žitnih izdelkih, kot so žita.

Slika 4: Potencialne aplikacije Vir: imec

SE: S povečanim vidom pri šibki svetlobi bi lahko imel vojaško uporabo?

Malinowski: Tovrstne senzorje vojska že uporablja, na primer za zaznavanje laserskih daljinomerov. Razlika je v tem, da je vojski v redu, če za kamero plača 20,000 evrov. V avtomobilski ali potrošniški industriji sploh ne razmišljajo o tej tehnologiji, ravno zaradi tega razloga.

SE: Torej je preboj v tem, da lahko imate nekaj, kar že obstaja, vendar ga lahko imate po cenah na ravni potrošnikov?

Malinowski: Točno tako. Zaradi miniaturizacije in tudi tega, kako vam monolitna integracija omogoča nadgradnjo tehnologije, lahko dobite količine in cene na ravni potrošnikov.

SE: Katere druge trende opažate v senzorski tehnologiji?

Malinowski: Ena od trenutnih točk razprave je natanko ta — onstran vidnega slikanja. Obstoječa tehnologija je že fantastična za fotografiranje. Nov trend so senzorji, ki so bolj namenjeni aplikaciji. Ni nujno, da je rezultat lepa slika. Lahko gre za specifične informacije. Pri Face ID-ju je lahko rezultat dejansko ena ali nič. Ali je telefon odklenjen ali pa ni. Ni vam treba videti slike obraza. Prihajajo tudi nekatere zanimive modalitete, kot so polarizirane slike, ki so kot polarizacijska očala. Za nekatere refleksije vidijo bolje. Obstajajo naprave za slikanje, ki temeljijo na dogodkih, ki gledajo samo na spremembo prizora - na primer, če preučujete vibracije stroja ali štejete ljudi, ki gredo mimo trgovine. Če imate sistem za avtonomno vožnjo, potrebujete opozorilo, da se bliža ovira in morate zavirati. Ne potrebujete lepe slike. Ta trend pomeni veliko večjo razdrobljenost, ker je veliko bolj specifičen za aplikacijo. Spremeni način, kako ti ljudje oblikujejo slikovne senzorje, ker gledajo na to, kaj je dovolj dobro za določeno aplikacijo, namesto da optimizirajo kakovost slike. Kakovost slike je vedno pomembna, a včasih potrebujete nekaj preprostega, kar opravi svoje delo.

SE: Ali je pomembno vedeti, ali je človek ali drevo, ali je dovolj le vedeti, da moraš zdaj zavirati?

Malinowski: V avtomobilski industriji še vedno poteka razprava. Nekateri ljudje želijo razvrstiti vse predmete. Želijo vedeti, ali je to otrok, kolesar ali drevo. Nekateri pravijo: »Samo vedeti moram, ali je v napoto, ker moram sprožiti zavore.« Torej ni enega odgovora.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://semiengineering.com/a-new-approach-for-sensor-design/