據(jù)麥姆斯咨詢介紹,半導體行業(yè)專業(yè)媒體Semiconductor Engineering近日與比利時微電子研究中心(imec)“像素創(chuàng)新(Pixel Innovations)”項目經(jīng)理Pawel Malinowski進行了對話,雙方討論了圖像傳感器技術(shù)的新變化及驅(qū)動因素。以下為麥姆斯咨詢編譯的訪談內(nèi)容。
Q:圖像傳感器領(lǐng)域接下來有哪些值得關(guān)注的趨勢?
Malinowski:我們正在努力擺脫硅光電二極管的局限,探索一種制造圖像傳感器的新方法。硅是一種較完美的材料,尤其是在復制人類視覺方面,因為它對可見光波長很敏感,這意味著我們可以利用硅完成人眼所能看到的一切。現(xiàn)在,該領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟,圖像傳感器全球出貨量每年可以達到約60億顆。這些傳感器芯片最終被用于智能手機、汽車以及很多其它應用的攝像頭。這些是典型的標準圖像傳感器,其中含有硅基電路或電子器件及硅光電二極管。它們基本上重現(xiàn)了紅/綠/藍(RGB)三元色,這樣我們就可以用圖像傳感器拍出漂亮的照片。但如果我們觀察其它波長,例如紫外或紅外波段,就會發(fā)現(xiàn)在可見光波段無法獲取的現(xiàn)象或信息。現(xiàn)在,我們特別關(guān)注紅外波段。其中,在波長1微米到2微米之間,我們稱之為短波紅外(SWIR)。有了這個波段的探測能力,我們就可以“看透”某些事物,例如,透視霧、煙或云,這對于汽車應用來說尤其有用。
Q:這項技術(shù)需要克服哪些挑戰(zhàn),又帶來了哪些新應用?
Malinowski:在短波紅外波段我們無法用硅材料,因為對于這個波段它是“透明”的。這對于缺陷檢測來說很有趣,例如,檢測硅太陽能電池的裂縫。在可見光波段看起來完全相同的材料,在短波紅外波段可能具有不同的反射率,這意味著可以提供更好的對比度,例如,塑料或食品的分揀。通過主動發(fā)射光并檢測反射回來的光,我們可以進行物體檢測。例如,這就是iPhone上Face ID的類似工作原理,它們采用了波長940納米左右的光。如果采用更長的波長,例如1400納米,可以獲得更低的背景噪聲,這意味著可以有更好的對比度。
短波紅外波段優(yōu)勢及其潛在應用(來源:imec)
Q:如何實現(xiàn)短波紅外波段的感知?
Malinowski:硅由于其本身的物理特性,不是理想的短波紅外傳感材料。傳統(tǒng)的方法是鍵合,采用另一種材料(例如銦鎵砷或碲鎘汞)將其鍵合在硅基讀出電路上。這是現(xiàn)有技術(shù)。它已被廣泛用于國防、軍事、高端工業(yè)或科研應用,但是很昂貴。由于鍵合工藝和制造成本的原因,用這種技術(shù)制造的短波紅外傳感器通常需要幾千歐元。當然,也可以在硅襯底上生長所需要的材料,比如鍺,但這相當困難,而且在降低噪聲方面也存在一些問題。我們采用了第三種方法,即沉積材料。在這種情況下,我們要么使用有機材料,要么使用量子點。我們采用了能吸收短波紅外光或近紅外光的材料,并用標準方法進行沉積(如旋涂),得到了非常薄的敏感層。這就是為什么我們將這類傳感器稱為“薄膜光電探測器”,這種材料的吸收特性比硅高得多。它看起來像攤在硅基讀出電路頂部的“煎餅”。
Q:與其它材料相比,它有哪些特性?
Malinowski:硅二極管需要更大的體積和更大的深度,尤其對于更長的波長,它會變得透明。相比之下,薄膜光電探測器(TFPD)圖像傳感器具有單片集成的材料堆棧,包括量子點有機材料等光敏材料,這意味著它是一顆在硅頂部沒有鍵合的芯片。這種方法的問題是,在金屬電極上集成這樣的光電二極管時,很難將噪聲降到足夠低的水平,因為有一些固有噪聲源是無法消除的。
薄膜光電探測器(TFPD)(來源:imec)
Q:那你們是如何解決這個問題的?
Malinowski:我們遵循了硅基圖像傳感器在20世紀80年代末和90年代的發(fā)展方式,引入了PIN光電二極管,將光子轉(zhuǎn)換的光電二極管區(qū)域和讀出解耦。我們引入了一個額外的晶體管,而不是只有一個薄膜吸收體與讀出電路的接觸。這就是TFT,它負責使結(jié)構(gòu)完全耗盡,這樣我們就可以將薄膜吸收體中產(chǎn)生的所有電荷轉(zhuǎn)移,并通過該晶體管結(jié)構(gòu)將它們轉(zhuǎn)移到讀出電路。通過這種方式,我們顯著地限制了噪聲源。
Q:對于圖像傳感器設(shè)計,為什么噪聲是一個大問題?
Malinowski:噪聲有不同的來源。噪聲可以是不需要的電子的總數(shù),但這些電子可能來自不同的來源或不同的原因。有些與溫度有關(guān),有些與芯片中的不均勻性有關(guān),有些則與晶體管漏電有關(guān),當然還有其它原因。通過這種方法,我們正在研究與讀出相關(guān)的一些噪聲源。所有的圖像傳感器都有噪聲,但它們處理噪聲的方法不同。例如,iPhone中的硅基圖像傳感器通過特定的讀出電路設(shè)計來處理噪聲源,其架構(gòu)的基礎(chǔ)可以追溯到上世紀80年代和90年代。這算是舊設(shè)計思路在新型傳感器中的應用,也給了我們一定的啟發(fā)。
Q:您預計短波紅外圖像傳感器在哪些領(lǐng)域獲得應用?您提到了汽車,它也適用于醫(yī)療器械嗎?
Malinowski:這項技術(shù)最大的驅(qū)動力來自智能手機等消費電子產(chǎn)品。如果使用更長的波長,可以獲得更好的對比度,因為更長波長下的背景噪聲更少。這是增強視覺,這意味著相機可以看到比人眼更豐富的東西,捕捉更多的信息。另一個吸引人的地方在于,更長的波長更容易通過一些顯示器。例如,通過這種解決方案,我們可以將Face ID這樣的人臉識別傳感器放在顯示器下方,實現(xiàn)真正的全屏顯示,無需“劉海”或者挖孔屏。
利用短波紅外增強視覺(來源:imec)
另一方面,對于更長的波長,人眼的敏感度低很多,相比近紅外波長大約低五六個數(shù)量級,這意味著我們可以使用更強的光源。更高的功率,意味著更遠的探測距離。對于汽車應用,可以獲得額外的能見度,特別是在惡劣天氣條件下,例如透過霧的能見度。
對于醫(yī)療應用,這可以幫助推進器械的小型化。對于內(nèi)窺鏡等一些應用,現(xiàn)有技術(shù)使用了其它材料以及更復雜的集成,因此小型化相當困難。使用量子點方案,我們就可以制作非常小的像素,這意味著可以在緊湊的形狀尺寸中獲得更高的分辨率。使其在保持高分辨率的同時進一步小型化。此外,根據(jù)我們的目標波長,我們可以獲得非常高的水的對比度,這也是食品行業(yè)可能感興趣的原因之一。例如,這可以更好地檢測谷物產(chǎn)品中的水分。
量子點短波紅外圖像傳感器的潛在應用(來源:imec)
Q:憑借增強的微光視覺能力,短波紅外圖像傳感器有望在軍事領(lǐng)域獲得應用嗎?
Malinowski:這類傳感器在軍方已有應用,例如,用于探測激光測距儀。不同的是,軍方可以為一臺這樣的相機支付2萬歐元,在此之前,汽車或消費行業(yè)想都不敢想。
Q:所以這項突破有望使大眾用消費級的價格獲得先進的微光視覺功能?
Malinowski:沒錯,憑借小型化以及單片集成的可擴展性,使過去上萬歐元的軍用短波紅外成像技術(shù)現(xiàn)在可以實現(xiàn)消費類產(chǎn)品的規(guī)模和價格。
Q:圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域還有哪些趨勢值得關(guān)注?
Malinowski:目前的討論點是,超越可見光成像。現(xiàn)有技術(shù)對于拍照來說已經(jīng)非常出色了。圖像傳感器的新趨勢是對于不同的應用更加細分、更專業(yè)化。并不是所有的應用都需要輸出漂亮的照片,也可以是特定的信息。例如,對于Face ID,輸出實際上可以是1或0,要么智能手機已解鎖,要么沒有。這個過程中我們不需要看到人臉的照片。還有一些有趣的應用范式即將興起,比如偏振成像儀,它就像偏振眼鏡,可以增強難以區(qū)分物體的對比度。
此外,還有一類基于事件的圖像傳感器,它只觀測場景的變化,例如,研究機器的振動或統(tǒng)計經(jīng)過商店的人。對于自動駕駛系統(tǒng),面對迎面而來的障礙物,需要及時提出警告。這些情況,我們并不需要漂亮的照片。這一趨勢意味著更碎片化,圖像傳感器特性將更具體地針對應用而開發(fā)。這影響著人們設(shè)計圖像傳感器的方式,因為他們關(guān)注的是如何適合特定的應用,而不是一味地優(yōu)化圖像質(zhì)量。成像質(zhì)量固然重要,但有時我們僅需要一些簡單的信息即可完成任務。
Q:有必要辨別障礙物是人還是樹嗎?還是能識別到什么時候需要立即剎車就足夠了?
Malinowski:在汽車行業(yè),仍然存在爭論。有些人認為需要對所有的物體進行分類。他們想知道障礙物是兒童、摩托車手還是樹。也有人認為“我們只需要知道它是否擋道,是否需要踩剎車”就夠了。所以,目前還沒有一個定論。
審核編輯:劉清
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原文標題:以應用為導向,圖像傳感器設(shè)計的新趨勢
文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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