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密歇根大学成功研发自供电图像传感器

导读: 这里提到的新技术等同于在每个像素下放置了太阳能电池。太阳能电池将光转换为电。图像传感器也可以将光转换为电。如果可以在同一颗芯片上同时完成两种转换,你将拥有一台自供电摄像机。

这里提到的新技术等同于在每个像素下放置了太阳能电池。太阳能电池将光转换为电。图像传感器也可以将光转换为电。如果可以在同一颗芯片上同时完成两种转换,你将拥有一台自供电摄像机。据麦姆斯咨询报道,密歇根大学(University of Michigan)的工程师们最近提出了该设想,一款能够实现上述两种功能的图像传感器,每秒拍摄15张图片,且只有在日光照射下才能运行。

密歇根大学电气工程和计算机科学系教授,此次研究的领导者Euisik Yoon教授表示,“能量采集成像仪集成了微型处理器和无线收发器并为其供电,就可以在任何地方放置一个几近无形的小型摄像机。”他们将研究结果发表在了期刊《IEEE Electron Device Letters》上。

密歇根大学成功研发自供电图像传感器

早期对自供电图像传感器的尝试主要有两种途径。其一是利用光伏(photovoltaics)填充传感器的部分位置。这种直接的办法可以起作用,但是大大减少了生成图像的可用光子数量。

另一种途径是让图像传感器的像素在光电探测器和光伏电池之间切换角色。这种办法也能行得通,但是复杂,并可能会以图像帧数减少50%为代价。

Yoon和博士后研究人员Sung-Yun Park提出的解决方案则没有上述缺点。他们注意到许多光子穿过像素点的光电二极管不会引起电荷积累,他们将第二个二极管藏于光电探测器的下面,充当光伏收集这些杂散的光子。Yoon指出,“这不是真的再利用,更像是对浪费了的资源的收集,这些都是免费的能源。”

由于光伏位于传感器下面,几乎所有的像素区域都能检测到图像。又由于它使用的是图像传感器错过的杂散光子,能够持续收集并转换为电能。

虽然这款图像传感器的样品使用标准CMOS工艺技术,其像素需要有别于标准图像传感器的结构和电气特性。最大的不同在于,新像素包含一个PN结,本质上是一个额外的二极管,位于图像传感二极管下方。其次,典型的像素使用电子作为主要电荷载体。为了让光伏和传感二极管同时工作,Yoon和他的团队不得不设计一款收集带正电的空穴(硅的电子空位)的器件。空穴的移动速度没有硅中的电子快,但是也不会太慢,因此不会干扰图像的捕获。

由此产生的像素宽度为5微米的芯片,能够获得最高能量收集密度(998皮瓦每平方毫米每勒克斯),超过了迄今为止所有的具有能量收集功能的图像传感器。如果天气晴朗,就能产生60,000勒克斯供每秒拍摄15帧。正常的日光条件下(20,000~30,000勒克斯)会降低至每秒7.5帧。标准的视频速率为每秒30帧,但并非总是需要如此。

将重点放在获得概念验证型芯片上,“我们没有优化传感器本身的功耗。”Park解释道。因此,提高帧率或降低室内所需的照明条件还有改善的空间。Yoon和Park深谙此道,已经为图像传感器开发出许多超低功耗技术,如自动调制帧率,以适应可用照明和具有微瓦级特征检测系统的电路。

如果该项目继续下去,他们将努力整合自供电无线摄像头所需的一切。

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