แนวทางใหม่สำหรับการออกแบบเซ็นเซอร์

แนวทางใหม่สำหรับการออกแบบเซ็นเซอร์

Time Stamp: 28 ธันวาคม 2023 3:01 น.
โหนดต้นทาง: 3038974

Pawel Malinowski ผู้จัดการโปรแกรมของ imec นั่งคุยกับ Semiconductor Engineering เพื่อหารือเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงในเทคโนโลยีเซ็นเซอร์และเหตุผล สิ่งต่อไปนี้เป็นข้อความที่ตัดตอนมาจากการสนทนานั้น

SE: อะไรต่อไปสำหรับเทคโนโลยีเซ็นเซอร์?

มาลิโนฟสกี้: เรากำลังพยายามหาวิธีใหม่ในการสร้างเซนเซอร์ภาพเพราะเราต้องการหลุดพ้นจากข้อจำกัดของ โฟโตไดโอดซิลิคอน ซิลิคอนเป็นวัสดุที่สมบูรณ์แบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากคุณต้องการสร้างการมองเห็นของมนุษย์เนื่องจากมีความไวต่อความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถทำสิ่งที่ตามนุษย์ทำได้ และสนามตอนนี้ก็อยู่ในขั้นที่โตเต็มที่แล้ว มียอดขายเซนเซอร์ภาพประมาณ 6 พันล้านชิ้นต่อปี เหล่านี้คือชิปที่ไปอยู่ในกล้องของสมาร์ทโฟน รถยนต์ และแอปพลิเคชันอื่นๆ เป็นเซนเซอร์ภาพมาตรฐานทั่วไป ซึ่งคุณมีวงจรที่ใช้ซิลิคอนหรือโฟโตไดโอดอิเล็กทรอนิกส์และซิลิคอน โดยพื้นฐานแล้วพวกมันจะสร้างสีแดง/เขียว/น้ำเงิน (RGB) เพื่อให้เราได้ภาพที่สวยงาม แต่ถ้าคุณดูที่ความยาวคลื่นอื่นๆ เช่น ไปที่ UV หรืออินฟราเรด คุณจะมีปรากฏการณ์หรือข้อมูลที่คุณไม่สามารถเข้าถึงแสงที่มองเห็นได้ เรากำลังดูช่วงอินฟราเรดโดยเฉพาะ ที่นั่นเรากล่าวถึงช่วงเฉพาะ ซึ่งอยู่ระหว่างหนึ่งไมครอนถึงสองไมครอน ซึ่งเราเรียกว่าอินฟราเรดคลื่นสั้น ด้วยช่วงนี้คุณสามารถมองทะลุสิ่งต่างๆได้ ตัวอย่างเช่น คุณสามารถมองผ่านหมอก ควัน หรือเมฆ สิ่งนี้น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานด้านยานยนต์

SE: มีความท้าทายที่จะเกิดขึ้นหรือการใช้งานใหม่ๆ สำหรับเทคโนโลยีนี้หรือไม่?

มาลิโนฟสกี้: คุณไม่สามารถใช้ซิลิคอนสำหรับความยาวคลื่นนี้ได้ เนื่องจากความยาวคลื่นจะโปร่งใส สิ่งนี้น่าสนใจ เช่น สำหรับการตรวจสอบข้อบกพร่องเมื่อคุณดูรอยแตกในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน คุณมีความแตกต่างของวัสดุบางอย่างที่แตกต่างกัน วัสดุที่ปรากฏเหมือนกันทุกประการในช่วงที่มองเห็นอาจมีการสะท้อนแสงที่แตกต่างกันในอินฟราเรดคลื่นสั้น ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถมีคอนทราสต์ที่ดีกว่า เช่น เมื่อคุณกำลังคัดแยกพลาสติก หรือเมื่อคุณกำลังคัดแยกอาหาร ยังมีแอปพลิเคชั่นอื่น ๆ ดังแสดงในรูปที่ 1 (ด้านล่าง) เป็นพลังแสงที่มาจากดวงอาทิตย์ผ่านชั้นบรรยากาศ สีเทาอยู่เหนือชั้นบรรยากาศ และช่องว่างคือสิ่งที่มาถึงโลก และคุณจะเห็นว่ามีจุดสูงสุดและต่ำสุดอยู่บ้าง ค่าขั้นต่ำเกี่ยวข้องกับการดูดซึมน้ำในบรรยากาศ คุณสามารถใช้มินิมานี้เมื่อคุณกำลังทำงาน เช่น ด้วยระบบกำจัดแบบแอคทีฟ ซึ่งหมายความว่าคุณจะปล่อยแสงบางส่วนออกมาและตรวจสอบว่ามีอะไรสะท้อนกลับมาบ้าง นี่คือวิธีการทำงานของ Face ID บน iPhone โดยคุณจะปล่อยแสงและตรวจสอบว่ามีอะไรกลับมาบ้าง พวกมันทำงานประมาณ 940 นาโนเมตร หากคุณใช้ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น เช่น 1,400 คุณจะมีพื้นหลังที่ต่ำกว่ามาก ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถมีความเปรียบต่างได้ดีขึ้นมาก หากคุณไปยังช่วงความยาวคลื่นที่ยังมีแสงค่อนข้างมาก คุณสามารถใช้แสงแบบพาสซีฟเพื่อรับข้อมูลเพิ่มเติม เช่น การถ่ายภาพในสภาพแสงน้อย ซึ่งคุณยังมีโฟตอนอยู่บ้าง


รูปที่ 1: ความเป็นไปได้ของอินฟราเรดความยาวคลื่นสั้น ที่มา: imec

SE: คุณทราบได้อย่างไร?

มาลิโนฟสกี้: สิ่งที่เราตรวจสอบคือวิธีเข้าถึงความยาวคลื่นเหล่านี้ เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพของซิลิคอน จึงไม่เป็นผลดีต่อสิ่งนั้น วิธีดั้งเดิมคือการติดกัน โดยคุณนำวัสดุอื่น เช่น อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ หรือแคดเมียมเทลลูไรด์ปรอท มาติดเข้ากับวงจรอ่านค่า นี่คือเทคโนโลยีหน้าที่ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการป้องกัน การทหาร และอุตสาหกรรมหรือวิทยาศาสตร์ระดับสูง มันแพง. โดยทั่วไปแล้วเซ็นเซอร์ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีนี้มีราคาไม่กี่พันยูโร เนื่องจากกระบวนการพันธะและต้นทุนการผลิต คุณสามารถปลูกวัสดุที่คุณต้องการได้ เช่น เจอร์เมเนียม แต่ค่อนข้างยากและมีปัญหาบางประการในการทำให้เสียงรบกวนต่ำเพียงพอ เรากำลังดำเนินการตามวิธีที่ XNUMX คือ การฝากวัสดุ ในกรณีนี้ เรากำลังใช้วัสดุอินทรีย์หรือจุดควอนตัม เราใช้วัสดุที่สามารถดูดซับแสงอินฟราเรดคลื่นสั้นหรือใกล้อินฟราเรดได้ และนำไปฝากด้วยวิธีมาตรฐาน เช่น การเคลือบแบบหมุน และเราได้ชั้นที่บางมาก นั่นเป็นเหตุผลที่เราเรียกเซ็นเซอร์ประเภทนี้ว่า "เซ็นเซอร์ตรวจจับแสงแบบฟิล์มบาง" ซึ่งวัสดุสามารถดูดซับได้ดีกว่าซิลิคอนมาก ดูเหมือนแพนเค้กอยู่ด้านบนของวงจรอ่านข้อมูล

SE: สิ่งนี้เปรียบเทียบกับวัสดุอื่นๆ ได้อย่างไร?

มาลิโนฟสกี้: หากเปรียบเทียบกับไดโอดซิลิคอน พวกมันต้องการปริมาตรที่มากกว่าและความลึกที่มากกว่ามาก และโดยเฉพาะช่วงความยาวคลื่นที่ยาวกว่านี้ มันก็จะโปร่งใส ในทางตรงกันข้าม เซ็นเซอร์รับภาพแบบฟิล์มบาง (TFPD) มีวัสดุจำนวนมาก ซึ่งรวมถึงวัสดุที่ไวต่อแสง เช่น วัสดุอินทรีย์จุดควอนตัม ซึ่งบูรณาการแบบเสาหิน ซึ่งหมายความว่าเป็นชิปตัวเดียว ไม่มีการยึดเกาะด้านบนของซิลิคอน ปัญหาของแนวทางนี้คือเมื่อคุณมีโฟโตไดโอดรวมอยู่ด้านบนของอิเล็กโทรดโลหะนี้ จะทำให้เสียงรบกวนต่ำพอได้ยากมาก เนื่องจากมีแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนตามธรรมชาติที่คุณไม่สามารถกำจัดได้


รูปที่ 2: เครื่องตรวจจับแสงแบบฟิล์มบาง ที่มา: imec

SE: คุณแก้ไขปัญหานี้ได้อย่างไร?

มาลิโนฟสกี้: เราดำเนินตามแนวทางที่เซนเซอร์ภาพซิลิคอนก้าวหน้าไปในช่วงปลายทศวรรษ 1980 และในทศวรรษ 1990 โดยที่พวกเขาได้เปิดตัวโฟโตไดโอดแบบปักหมุด คุณแยกพื้นที่โฟโตไดโอดที่มีการแปลงโฟตอนและการอ่านค่าออก แทนที่จะเพียงแค่สัมผัสตัวดูดซับฟิล์มบางกับค่าที่อ่านได้เพียงครั้งเดียว เราขอแนะนำทรานซิสเตอร์เพิ่มเติม นี่คือ TFT ซึ่งดูแลไม่ให้โครงสร้างหมดสิ้น เพื่อให้เราสามารถถ่ายโอนประจุทั้งหมดที่สร้างขึ้นในตัวดูดซับฟิล์มบางนี้ และถ่ายโอนประจุเหล่านั้นด้วยโครงสร้างทรานซิสเตอร์นี้ไปยังค่าที่อ่านได้ ด้วยวิธีนี้ เราจึงจำกัดแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนได้อย่างมาก

SE: เหตุใดเสียงรบกวนจึงเป็นปัญหาในการออกแบบเซ็นเซอร์

มาลิโนฟสกี้: มีแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนที่แตกต่างกัน สัญญาณรบกวนอาจเป็นจำนวนอิเล็กตรอนที่ไม่ต้องการทั้งหมด แต่อิเล็กตรอนเหล่านี้อาจมาจากแหล่งที่ต่างกันหรือด้วยเหตุผลที่ต่างกัน บางส่วนเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ บางส่วนเกี่ยวข้องกับความไม่สม่ำเสมอของชิป บางส่วนเกี่ยวข้องกับการรั่วไหลของทรานซิสเตอร์ และอื่นๆ ด้วยวิธีนี้ เรากำลังดำเนินการกับแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับการอ่านข้อมูล สำหรับเซนเซอร์ภาพทั้งหมด คุณมีจุดรบกวน แต่คุณมีวิธีจัดการกับจุดรบกวนที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์ที่ใช้ซิลิคอนใน iPhone จัดการกับแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนด้วยการออกแบบวงจรการอ่านข้อมูลโดยเฉพาะ โดยมีสถาปัตยกรรมที่มีรากฐานย้อนกลับไปในยุค 80 และ 90 นี่เป็นส่วนเล็กๆ น้อยๆ ของสิ่งที่เราพยายามจำลองด้วยเซนเซอร์ภาพประเภทใหม่นี้ที่ใช้เครื่องตรวจจับภาพถ่ายแบบสนามบาง เป็นการนำเทคนิคการออกแบบแบบเก่ามาประยุกต์ใช้กับเซ็นเซอร์ประเภทใหม่

SE: คุณคาดหวังว่าสิ่งนี้จะใช้ที่ไหน? คุณกล่าวถึงยานยนต์ มันจะใช้ได้กับอุปกรณ์การแพทย์ด้วยหรือไม่?

มาลิโนฟสกี้: สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับเทคโนโลยีนี้มาจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น สมาร์ทโฟน หากคุณใช้ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น คุณสามารถมีความเปรียบต่างน้อยลงได้ เนื่องจากมีแสงน้อยกว่าที่ความยาวคลื่นนั้น หรือคุณสามารถมองเห็นแสงสีนั้นในชั้นบรรยากาศได้ เป็นการมองเห็นแบบเสริม ซึ่งหมายถึงการมองเห็นมากกว่าที่ตามนุษย์มองเห็น จึงมีข้อมูลเพิ่มเติมสำหรับกล้องของคุณ เหตุผลอีกประการหนึ่งคือความยาวคลื่นที่ยาวกว่าจะผ่านผ่านจอแสดงผลบางจอได้ง่ายกว่า คำมั่นสัญญาก็คือหากคุณมีวิธีแก้ปัญหาประเภทนี้ คุณสามารถวางเซ็นเซอร์ เช่น Face ID ไว้ด้านหลังจอแสดงผลอีกจอได้ ซึ่งสามารถเพิ่มพื้นที่การแสดงผลได้


รูปที่ 3: เพิ่มการมองเห็นเพื่อความปลอดภัยที่ดีขึ้น ที่มา: imec

อีกเหตุผลหนึ่งก็คือ ถ้าคุณใช้ช่วงความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น ดวงตาของคุณจะมีความไวน้อยกว่ามาก — ประมาณ XNUMX หรือ XNUMX เท่าของขนาดเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นใกล้อินฟราเรด ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ทรงพลังมากขึ้นได้ ดังนั้นคุณจึงสามารถยิงพลังได้มากขึ้น ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถมีระยะการยิงที่ไกลขึ้นได้ สำหรับรถยนต์ คุณสามารถมีทัศนวิสัยเพิ่มเติม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพอากาศที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น การมองเห็นผ่านหมอก สำหรับทางการแพทย์ อาจช่วยให้เกิดการย่อส่วนขั้นสูงได้ ในการใช้งานบางอย่าง เช่น การส่องกล้อง เทคโนโลยีปัจจุบันใช้วัสดุอื่นและการบูรณาการที่ซับซ้อนมากขึ้น ดังนั้นการย่อขนาดจึงค่อนข้างยาก ด้วยแนวทางควอนตัมดอท คุณสามารถสร้างพิกเซลที่เล็กมากได้ ซึ่งหมายถึงความละเอียดสูงกว่าในรูปแบบกะทัดรัด สิ่งนี้ทำให้สามารถย่อขนาดได้อีกในขณะที่ยังคงรักษาความละเอียดสูงเอาไว้ นอกจากนี้ ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นที่เรากำหนดเป้าหมาย เราสามารถมีความเปรียบต่างของน้ำได้สูงมาก ซึ่งเป็นหนึ่งในเหตุผลที่อุตสาหกรรมอาหารอาจสนใจ คุณสามารถตรวจจับความชื้นได้ดีขึ้น เช่น ในผลิตภัณฑ์จากธัญพืช เช่น ซีเรียล


รูปที่ 4: การใช้งานที่เป็นไปได้ ที่มา: imec

SE: ด้วยการมองเห็นในที่แสงน้อยที่เพิ่มขึ้น มันสามารถนำไปใช้ทางการทหารได้หรือไม่?

มาลิโนฟสกี้: เซ็นเซอร์ประเภทนี้ถูกใช้โดยกองทัพแล้ว เช่น ในการตรวจจับเครื่องวัดระยะแบบเลเซอร์ ข้อแตกต่างก็คือกองทัพสามารถจ่ายเงิน 20,000 ยูโรเพื่อซื้อกล้องถ่ายรูปได้ ในอุตสาหกรรมยานยนต์หรือผู้บริโภค พวกเขาไม่ได้คำนึงถึงเทคโนโลยีนี้ด้วยซ้ำด้วยเหตุผลดังกล่าว

SE: ความก้าวหน้าที่นี่คือคุณสามารถมีบางอย่างที่มีอยู่แล้ว แต่คุณสามารถมีได้ในราคาระดับผู้บริโภค

มาลิโนฟสกี้: อย่างแน่นอน. เนื่องจากการย่อขนาดและการบูรณาการแบบเสาหินช่วยให้คุณสามารถยกระดับเทคโนโลยีได้ คุณจึงสามารถรับปริมาณและราคาในระดับผู้บริโภคได้

SE: คุณเห็นแนวโน้มอะไรอีกบ้างในเทคโนโลยีเซ็นเซอร์

มาลิโนฟสกี้: หนึ่งในประเด็นถกเถียงในปัจจุบันก็คือสิ่งนี้ นอกเหนือไปจากภาพที่มองเห็นได้ เทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบันนั้นยอดเยี่ยมในการถ่ายภาพอยู่แล้ว เทรนด์ใหม่คือเซ็นเซอร์ที่เน้นการใช้งานโดยเฉพาะมากขึ้น ผลลัพธ์ไม่จำเป็นต้องเป็นภาพที่สวยงาม อาจเป็นข้อมูลเฉพาะ ด้วย Face ID ผลลัพธ์อาจเป็นหนึ่งหรือศูนย์ก็ได้ โทรศัพท์ถูกปลดล็อคหรือไม่ คุณไม่จำเป็นต้องเห็นภาพใบหน้า นอกจากนี้ยังมีวิธีที่น่าสนใจบางอย่างที่กำลังเกิดขึ้น เช่น ตัวสร้างภาพโพลาไรซ์ ซึ่งเหมือนกับแว่นตาโพลาไรซ์ พวกเขามองเห็นได้ดีขึ้นสำหรับการสะท้อนบางอย่าง มีตัวสร้างภาพตามเหตุการณ์ซึ่งจะดูเฉพาะการเปลี่ยนแปลงของฉากเท่านั้น ตัวอย่างเช่น หากคุณศึกษาการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรหรือนับจำนวนคนที่เดินผ่านร้านค้า หากคุณมีระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ คุณจะต้องมีคำเตือนว่ามีสิ่งกีดขวางที่กำลังจะเกิดขึ้นและคุณควรเบรก คุณไม่จำเป็นต้องมีภาพสวย ๆ แนวโน้มนี้หมายถึงการกระจายตัวที่มากขึ้น เนื่องจากมีความเฉพาะเจาะจงกับแอปพลิเคชันมากกว่ามาก มันเปลี่ยนวิธีที่ผู้คนออกแบบเซ็นเซอร์ภาพ เพราะพวกเขามองว่าอะไรดีพอสำหรับแอพพลิเคชั่นเฉพาะ แทนที่จะปรับคุณภาพของภาพให้เหมาะสมที่สุด คุณภาพของภาพเป็นสิ่งสำคัญเสมอ แต่บางครั้งคุณก็ต้องการสิ่งที่เรียบง่ายซึ่งใช้ได้ผล

SE: สำคัญไหมที่ต้องรู้ว่าคนหรือต้นไม้ หรือแค่รู้ว่าต้องเบรกตอนนี้เท่านั้น?

มาลิโนฟสกี้: ในอุตสาหกรรมยานยนต์ยังคงมีข้อถกเถียงกันอยู่ บางคนต้องการจำแนกวัตถุทั้งหมด พวกเขาต้องการทราบว่าเป็นเด็ก นักขี่จักรยาน หรือต้นไม้ บางคนบอกว่า 'ฉันแค่ต้องรู้ว่ามันขวางทางหรือเปล่า เพราะฉันต้องเหยียบเบรก' ดังนั้นจึงไม่มีคำตอบเดียว

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก กึ่งวิศวกรรม