A New Approach For Sensor Design - Plato AiStream V2.1

افلاطون کے ذریعہ دوبارہ شائع کیا گیا۔

فالونگ: 0

پاول مالینووسکی، imec میں پروگرام مینیجر، سیمی کنڈکٹر انجینئرنگ کے ساتھ اس بات پر بات کرنے کے لیے بیٹھے کہ سینسر ٹیکنالوجی میں کیا تبدیلی آرہی ہے اور کیوں۔ اس بحث کے اقتباسات درج ذیل ہیں۔

SE: سینسر ٹیکنالوجی کے لیے آگے کیا ہے؟

مالینوسکی: ہم تصویری سینسر بنانے کا ایک نیا طریقہ تلاش کرنے کی کوشش کر رہے ہیں کیونکہ ہم کی حدود سے باہر نکلنا چاہتے ہیں۔ سلکان فوٹوڈیوڈس سلیکون ایک بہترین مواد ہے، خاص طور پر اگر آپ انسانی بصارت کو دوبارہ پیدا کرنا چاہتے ہیں کیونکہ یہ روشنی کی نظر آنے والی طول موج کے لیے حساس ہے، جس کا مطلب ہے کہ آپ وہی کرسکتے ہیں جو انسانی آنکھ کرتی ہے۔ اور میدان اب اس مرحلے پر ہے جہاں یہ بہت پختہ ہے۔ ہر سال تقریباً 6 بلین امیج سینسر فروخت ہوتے ہیں۔ یہ وہ چپس ہیں جو اسمارٹ فونز، کاروں اور دیگر ایپلی کیشنز کے کیمروں میں ختم ہوتی ہیں۔ وہ عام معیاری تصویری سینسر ہیں، جہاں آپ کے پاس سلکان پر مبنی سرکٹری یا الیکٹرانکس اور سلکان فوٹوڈیوڈ ہوتے ہیں۔ وہ بنیادی طور پر سرخ/سبز/نیلے (RGB) پنروتپادن بناتے ہیں تاکہ ہمارے پاس اچھی تصاویر ہو سکیں۔ لیکن اگر آپ دیگر طول موجوں کو دیکھیں - مثال کے طور پر، UV یا انفراریڈ پر جائیں - آپ کے پاس ایسے مظاہر یا معلومات ہیں جو آپ مرئی روشنی میں حاصل نہیں کر سکتے۔ ہم خاص طور پر انفراریڈ رینج کو دیکھ رہے ہیں۔ وہاں ہم ایک مخصوص رینج کو ایڈریس کرتے ہیں، جو ایک مائکرون اور دو مائکرون کے درمیان ہے، جسے ہم شارٹ ویو انفراریڈ کہتے ہیں۔ اس رینج کے ساتھ آپ چیزوں کے ذریعے دیکھ سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، آپ دھند یا دھوئیں یا بادلوں کے ذریعے دیکھ سکتے ہیں۔ یہ خاص طور پر آٹوموٹو ایپلی کیشنز کے لیے دلچسپ ہے۔

SE: اس ٹیکنالوجی کے لیے کوئی آنے والا چیلنج یا نئی ایپلی کیشنز؟

مالینوسکی: آپ اس طول موج کے لیے سلکان استعمال نہیں کر سکتے، کیونکہ یہ شفاف ہو جاتا ہے۔ یہ دلچسپ ہے، مثال کے طور پر، جب آپ سلیکون سولر سیلز میں دراڑیں دیکھ رہے ہوتے ہیں تو خرابی کے معائنے کے لیے۔ آپ کے پاس کچھ مواد کے مختلف تضادات ہیں۔ وہ مواد جو نظر آنے والی رینج میں بالکل یکساں نظر آتے ہیں ان کی شارٹ ویو انفراریڈ میں مختلف عکاسی ہوسکتی ہے، جس کا مطلب ہے کہ آپ کے پاس بہتر کنٹراسٹ ہوسکتا ہے، مثال کے طور پر، جب آپ پلاسٹک کو چھانٹ رہے ہیں یا جب آپ کھانے کو چھانٹ رہے ہیں۔ دیگر ایپلی کیشنز ہیں، جیسا کہ شکل 1 (نیچے) میں دکھایا گیا ہے۔ یہ روشنی کی طاقت ہے جو سورج سے ماحول میں آتی ہے۔ سرمئی ماحول کے اوپر ہے، اور خالی وہ ہے جو زمین پر آتا ہے۔ اور آپ دیکھتے ہیں کہ کچھ میکسیما اور منیما ہیں۔ منیما کا تعلق فضا میں پانی کے جذب سے ہے۔ آپ اس منیما کا استعمال اس وقت کر سکتے ہیں جب آپ کام کر رہے ہوں، مثال کے طور پر، فعال خاتمے کے نظام کے ساتھ، جس کا مطلب ہے کہ آپ کچھ روشنی خارج کرتے ہیں اور آپ چیک کرتے ہیں کہ کیا اچھال رہا ہے۔ آئی فون پر فیس آئی ڈی اس طرح کام کرتی ہے — آپ روشنی خارج کرتے ہیں اور چیک کرتے ہیں کہ کیا واپس آ رہا ہے۔ وہ تقریباً 940 نینو میٹر کام کرتے ہیں۔ اگر آپ طویل طول موج پر جاتے ہیں - مثال کے طور پر، 1,400 - آپ کا پس منظر بہت کم ہوگا، جس کا مطلب ہے کہ آپ کے پاس بہت بہتر کنٹراسٹ ہوسکتا ہے۔ اگر آپ اس کے بعد طول موج پر جاتے ہیں جہاں ابھی بھی کافی روشنی موجود ہے، تو آپ اسے غیر فعال روشنی کے ساتھ اضافی معلومات حاصل کرنے کے لیے استعمال کر سکتے ہیں، جیسے کم روشنی والی امیجنگ، جہاں آپ کے پاس ابھی بھی کچھ فوٹان موجود ہیں۔

تصویر 1: مختصر طول موج کے انفراریڈ کے امکانات۔ ماخذ: imec

SE: آپ نے اس کا تعین کیسے کیا؟

مالینوسکی: ہم نے جس چیز کی جانچ کی وہ یہ ہے کہ ان طول موجوں تک کیسے رسائی حاصل کی جائے۔ سلیکون، اپنی جسمانی خصوصیات کی وجہ سے، اس کے لیے اچھا نہیں ہے۔ روایتی طریقہ بانڈنگ ہے، جہاں آپ کوئی اور مواد لیتے ہیں - مثال کے طور پر، انڈیم گیلیم آرسنائیڈ یا مرکری کیڈیمیم ٹیلورائڈ - اور آپ اسے ریڈ آؤٹ سرکٹ پر بانڈ کرتے ہیں۔ یہ موجودہ ٹیکنالوجی ہے۔ یہ دفاعی ایپلی کیشنز، فوجی، اور اعلی درجے کی صنعتی یا سائنسی کے لیے بہت زیادہ استعمال ہوتا ہے۔ یہ مہنگا ہے. اس ٹکنالوجی کے ساتھ بنائے گئے سینسرز کی لاگت عام طور پر چند ہزار یورو ہوتی ہے، کیونکہ بانڈنگ کے عمل اور مینوفیکچرنگ کے اخراجات۔ آپ اس مواد کو بڑھا سکتے ہیں جس کی آپ کو ضرورت ہے جیسے کہ جرمینیم، لیکن یہ کافی مشکل ہے اور کافی کم شور ہونے میں کچھ مسائل ہیں۔ ہم تیسرے طریقے پر عمل کر رہے ہیں، جو کہ مواد جمع کر رہا ہے۔ اس معاملے میں، ہم یا تو نامیاتی مواد یا کوانٹم ڈاٹ استعمال کر رہے ہیں۔ ہم ایسا مواد لیتے ہیں جو اس شارٹ ویو اورکت روشنی کو جذب کر سکتا ہے یا انفراریڈ کے قریب، اور ہم اسے معیاری طریقوں سے جمع کرتے ہیں، جیسے اسپن کوٹنگ، اور ہمیں بہت پتلی تہیں ملتی ہیں۔ اسی لیے ہم سینسر کے اس زمرے کو 'پتلی فلم فوٹو ڈیٹیکٹر سینسرز' کہتے ہیں، جہاں مواد سلکان سے کہیں زیادہ جذب ہوتا ہے۔ یہ ریڈ آؤٹ سرکٹ کے اوپر پینکیک کی طرح لگتا ہے۔

SE: یہ دوسرے مواد سے کیسے موازنہ کرتا ہے؟

مالینوسکی: اگر آپ اس کا موازنہ سلیکون ڈائیوڈس سے کرتے ہیں تو انہیں بہت زیادہ حجم اور بہت زیادہ گہرائی کی ضرورت ہوتی ہے۔ اور خاص طور پر ان لمبی طول موجوں کے لیے، وہ صرف شفاف ہو جاتے ہیں۔ اس کے برعکس، پتلی فلم فوٹو ڈیٹیکٹر (TFPD) امیج سینسرز میں مواد کا ایک ڈھیر ہوتا ہے، بشمول فوٹو ایکٹیو مواد جیسے کوانٹم ڈاٹ آرگینک مواد، یک سنگی طور پر مربوط ہوتا ہے، جس کا مطلب ہے کہ یہ ایک چپ ہے۔ سلکان کے اوپر کوئی بانڈنگ نہیں ہے۔ اس نقطہ نظر کے ساتھ مسئلہ یہ تھا کہ جب آپ کے پاس اس دھاتی الیکٹروڈ کے اوپر ایسا فوٹوڈیوڈ مربوط ہوتا ہے، تو شور کو کافی کم کرنا بہت مشکل ہوتا ہے کیونکہ شور کے کچھ موروثی ذرائع ہوتے ہیں جن سے آپ چھٹکارا نہیں پا سکتے۔

تصویر 2: پتلی فلم فوٹو ڈیٹیکٹر۔ ماخذ: imec

SE: آپ نے اسے کیسے حل کیا؟

مالینوسکی: ہم نے 1980 کی دہائی کے آخر میں اور 1990 کی دہائی میں جس طرح سلیکون امیج سینسرز نے ترقی کی، اس کی پیروی کی، جہاں انہوں نے پِنڈ فوٹوڈیوڈ متعارف کرایا۔ آپ فوٹوڈیوڈ ایریا کو دوگنا کرتے ہیں جہاں فوٹون تبدیل ہوتے ہیں، اور ریڈ آؤٹ۔ پڑھنے کے لیے اس پتلی فلم جاذب کا صرف ایک رابطہ رکھنے کے بجائے، ہم ایک اضافی ٹرانزسٹر متعارف کراتے ہیں۔ یہ TFT ہے، جو ساخت کو مکمل طور پر ختم کرنے کا خیال رکھتا ہے تاکہ ہم اس پتلی فلم جذب کرنے والے میں بنائے گئے تمام چارجز کو منتقل کر سکیں اور انہیں اس ٹرانزسٹر ڈھانچے کے ساتھ ریڈ آؤٹ میں منتقل کر سکیں۔ اس طرح، ہم شور کے ذرائع کو نمایاں طور پر محدود کرتے ہیں۔

SE: سینسر ڈیزائن کے لیے شور کیوں ایک مسئلہ ہے؟

مالینوسکی: شور کے مختلف ذرائع ہیں۔ شور ناپسندیدہ الیکٹرانوں کی کل تعداد ہو سکتی ہے، لیکن یہ الیکٹران مختلف ذرائع سے یا مختلف وجوہات سے آ سکتے ہیں۔ کچھ کا تعلق درجہ حرارت سے، کچھ کا چپ میں عدم یکسانیت سے، کچھ کا ٹرانزسٹر کے رساو سے، وغیرہ۔ اس نقطہ نظر کے ساتھ، ہم ریڈ آؤٹ سے متعلق کچھ شور کے ذرائع پر کام کر رہے ہیں۔ تمام امیج سینسرز کے لیے، آپ کے پاس شور ہے، لیکن آپ کے پاس شور سے نمٹنے کے مختلف طریقے ہیں۔ مثال کے طور پر، آئی فون میں سلیکون پر مبنی سینسرز شور کے ذرائع سے ریڈ آؤٹ سرکٹ کے مخصوص ڈیزائن کے ساتھ ڈیل کرتے ہیں، ایسے فن تعمیر کے ساتھ جن کی بنیاد 80 اور 90 کی دہائی تک جاتی ہے۔ یہ تھوڑا سا ہے جسے ہم نے پتلی فیلڈ فوٹو ڈیٹیکٹر کا استعمال کرتے ہوئے تصویری سینسر کے اس نئے زمرے کے ساتھ نقل کرنے کی کوشش کی۔ یہ سینسر کی ایک نئی قسم میں پرانے ڈیزائن کی چالوں کا اطلاق ہے۔

SE: آپ کے خیال میں یہ کہاں استعمال ہو گا؟ آپ نے آٹوموٹو کا ذکر کیا۔ کیا یہ طبی آلات کے لیے بھی کام کرے گا؟

مالینوسکی: اس ٹکنالوجی کے لیے سب سے بڑی کھنچائی کنزیومر الیکٹرانکس، جیسے اسمارٹ فونز سے ہے۔ اگر آپ لمبی طول موج پر جاتے ہیں، تو آپ کا تضاد کم ہوسکتا ہے، کیونکہ اس طول موج پر روشنی کم ہوتی ہے، یا آپ فضا میں اس رنگ کی روشنی دیکھ سکتے ہیں۔ یہ بڑھا ہوا وژن ہے، جس کا مطلب ہے کہ انسانی آنکھ سے زیادہ دیکھنا، اس لیے آپ کے کیمرے کے لیے اضافی معلومات موجود ہیں۔ دوسری وجہ یہ ہے کہ طویل طول موج کا کچھ ڈسپلے سے گزرنا آسان ہوتا ہے۔ وعدہ یہ ہے کہ اگر آپ کے پاس اس قسم کا حل ہے، تو آپ دوسرے ڈسپلے کے پیچھے سینسر، جیسے کہ Face ID، رکھ سکتے ہیں، جس سے ڈسپلے کا علاقہ بڑھ سکتا ہے۔

تصویر 3: بہتر حفاظت کے لیے بڑھا ہوا وژن۔ ماخذ: imec

دوسری وجہ یہ ہے کہ اگر آپ لمبی طول موج پر جاتے ہیں تو آپ کی آنکھ بہت کم حساس ہوتی ہے - قریب اورکت طول موج کے مقابلے میں تقریباً پانچ یا چھ آرڈرز کی شدت، جس کا مطلب ہے کہ آپ روشنی کے زیادہ طاقتور ذرائع استعمال کر سکتے ہیں۔ لہذا آپ زیادہ طاقت کو گولی مار سکتے ہیں، جس کا مطلب ہے کہ آپ کی رینج لمبی ہوسکتی ہے۔ آٹوموٹو کے لیے، آپ کو اضافی مرئیت حاصل ہو سکتی ہے، خاص طور پر خراب موسمی حالات میں، جیسے کہ دھند کے ذریعے مرئیت۔ طبی کے لیے، اس سے چھوٹے بنانے میں مدد مل سکتی ہے۔ کچھ ایپلی کیشنز میں، جیسا کہ اینڈوسکوپی، موجودہ ٹیکنالوجی نے دیگر مواد اور زیادہ پیچیدہ انضمام کا استعمال کیا، اور اس طرح چھوٹا کرنا کافی مشکل ہے۔ کوانٹم ڈاٹ اپروچ کے ساتھ، آپ بہت چھوٹے پکسلز بنا سکتے ہیں، جس کا مطلب ہے کمپیکٹ فارم فیکٹر میں زیادہ ریزولوشن۔ یہ اعلی ریزولیوشن کو برقرار رکھتے ہوئے مزید چھوٹے بنانے کے قابل بناتا ہے۔ اس کے علاوہ، اس بات پر منحصر ہے کہ ہم کس طول موج کو نشانہ بناتے ہیں، ہمارے پاس پانی کا بہت زیادہ تضاد ہو سکتا ہے، جو کہ کھانے کی صنعت کی دلچسپی کی ایک وجہ ہے۔ آپ نمی کو بہتر طریقے سے پہچان سکتے ہیں، مثال کے طور پر، اناج کی مصنوعات جیسے اناج میں۔

تصویر 4: ممکنہ ایپلی کیشنز ماخذ: imec

SE: بڑھتی ہوئی کم روشنی کے نقطہ نظر کے ساتھ، کیا اس میں فوجی استعمال ہو سکتا ہے؟

مالینوسکی: اس قسم کے سینسر پہلے ہی فوج کے ذریعے استعمال کیے جاتے ہیں، مثال کے طور پر، لیزر رینج فائنڈرز کا پتہ لگانے کے لیے۔ فرق یہ ہے کہ فوج ایک کیمرے کے لیے 20,000 یورو ادا کرنے پر ٹھیک ہے۔ آٹوموٹو یا صارفین میں وہ اس ٹیکنالوجی پر بھی غور نہیں کر رہے ہیں، بالکل اسی وجہ سے۔

SE: تو یہاں پیش رفت یہ ہے کہ آپ کے پاس کوئی ایسی چیز ہو سکتی ہے جو پہلے سے موجود ہو، لیکن آپ اسے صارف کے پیمانے پر قیمتوں پر حاصل کر سکتے ہیں؟

مالینوسکی: بالکل۔ مائنیچرائزیشن کی وجہ سے اور یہ بھی کہ کس طرح یک سنگی انضمام آپ کو ٹیکنالوجی کو بڑھانے کی اجازت دیتا ہے، آپ صارفین کے پیمانے پر حجم اور قیمتیں حاصل کر سکتے ہیں۔

SE: آپ سینسر ٹیکنالوجی میں کون سے دوسرے رجحانات دیکھتے ہیں؟

مالینوسکی: موجودہ بحث کے نکات میں سے ایک بالکل یہ ہے — نظر آنے والی تصویر سے باہر۔ موجودہ ٹیکنالوجی پہلے سے ہی تصاویر لینے کے لیے لاجواب ہے۔ نیا رجحان سینسر ہے جو ایپلی کیشن کے لیے زیادہ وقف ہے۔ آؤٹ پٹ کو خوبصورت تصویر بننے کی ضرورت نہیں ہے۔ یہ مخصوص معلومات ہو سکتی ہے۔ Face ID کے ساتھ، آؤٹ پٹ دراصل ایک یا صفر ہو سکتا ہے۔ یا تو فون غیر مقفل ہے یا نہیں ہے۔ آپ کو چہرے کی تصویر دیکھنے کی ضرورت نہیں ہے۔ کچھ دلچسپ طریقے بھی سامنے آ رہے ہیں، جیسے پولرائزڈ امیجرز، جو پولرائزنگ شیشے کی طرح ہیں۔ وہ کچھ عکاسی کے لیے بہتر دیکھتے ہیں۔ ایونٹ پر مبنی امیجرز ہیں، جو صرف منظر کی تبدیلی کو دیکھتے ہیں — مثال کے طور پر، اگر آپ کسی مشین کے کمپن کا مطالعہ کرتے ہیں یا دکان کے پاس سے گزرنے والے لوگوں کو گنتے ہیں۔ اگر آپ کے پاس خود مختار ڈرائیونگ سسٹم ہے، تو آپ کو ایک انتباہ کی ضرورت ہے کہ آنے والی رکاوٹ ہے اور آپ کو بریک لگانی چاہیے۔ آپ کو ایک خوبصورت تصویر کی ضرورت نہیں ہے۔ اس رجحان کا مطلب بہت زیادہ ٹکڑا ہونا ہے، کیونکہ یہ بہت زیادہ اطلاق کے لیے مخصوص ہے۔ یہ اس طریقے کو تبدیل کرتا ہے کہ لوگ تصویر کے سینسر ڈیزائن کرتے ہیں کیونکہ وہ تصویر کے معیار کو بہتر بنانے کے بجائے یہ دیکھتے ہیں کہ کسی خاص ایپلیکیشن کے لیے کیا کافی اچھا ہے۔ تصویر کی کوالٹی ہمیشہ اہم ہوتی ہے، لیکن بعض اوقات آپ کو کچھ آسان کی ضرورت ہوتی ہے جو صرف کام کرتی ہے۔

SE: کیا یہ جاننا ضروری ہے کہ یہ انسان ہے یا درخت، یا یہ جاننا ہی کافی ہے کہ آپ کو ابھی بریک لگانے کی ضرورت ہے؟

مالینوسکی: آٹوموٹو انڈسٹری میں ابھی بھی بحث جاری ہے۔ کچھ لوگ تمام اشیاء کی درجہ بندی کرنا چاہتے ہیں۔ وہ جاننا چاہتے ہیں کہ آیا یہ بچہ ہے، بائیکر ہے یا درخت۔ کچھ کہتے ہیں، 'مجھے صرف یہ جاننے کی ضرورت ہے کہ آیا یہ راستے میں ہے، کیونکہ مجھے بریک لگانے کی ضرورت ہے۔' تو ایک جواب نہیں ہے۔