新型的CMOS圖像傳感器功耗大幅降低

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，通過為大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)中的原子薄型 CMOS 傳感器提供計(jì)算能力，原型傳感器陣列可以使用比傳統(tǒng)傳感器少數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)倍的功耗來(lái)捕獲圖像。

CMOS 傳感器是一種有源像素傳感器，它將光檢測(cè)器與一個(gè)或多個(gè)晶體管組合在一起。盡管科學(xué)家們?cè)诟?jié)能的光探測(cè)器方面取得了穩(wěn)步進(jìn)展，但有源像素傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸能力目前的能源效率極低，賓夕法尼亞州立大學(xué)電子工程師Akhil Dodda 表示，該研究的共同主要作者研究期間在賓夕法尼亞大學(xué)公園。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員試圖將傳感器內(nèi)處理添加到有源像素傳感器中，以減少它們的能量和尺寸。他們對(duì)二維材料二硫化鉬進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該材料由夾在兩層硫原子之間的一片鉬原子制成。使用這種光敏半導(dǎo)體材料，他們旨在將圖像捕捉傳感器和圖像處理組件結(jié)合在一個(gè)設(shè)備中。

科學(xué)家們開發(fā)了一種二維有源像素傳感器陣列，其中每個(gè)像素都擁有一個(gè)可編程的光電晶體管。這些光傳感器每個(gè)都可以執(zhí)行自己的電荷到電壓轉(zhuǎn)換，而無(wú)需任何額外的晶體管?！拔覀兘?jīng)常對(duì)這種納米厚材料的研究結(jié)果感到驚訝，”該研究的共同主要作者、賓夕法尼亞大學(xué)公園分校賓夕法尼亞州立大學(xué)的電子工程師Darsith Jayachandran說(shuō)。

原型陣列包含 9 平方毫米的 900 個(gè)像素，每個(gè)像素約 100 微米 (μm) 大。相比之下，來(lái)自 Omnivision 和三星的最先進(jìn)的 CMOS 傳感器尺寸已達(dá)到約0.56 μm。然而，Dodda 說(shuō)，商業(yè) CMOS 傳感器還需要額外的電路來(lái)檢測(cè)低光照水平，從而增加它們的總面積，而新陣列則不需要。

此外，Jayachandran 說(shuō)，新設(shè)備每個(gè)像素只需要幾十皮瓦——萬(wàn)億分之一瓦。他說(shuō)，相比之下，傳統(tǒng)的 CMOS 傳感器每個(gè)像素可能需要大約數(shù)千到 上千萬(wàn)萬(wàn)倍的功率。

與商業(yè)鍺傳感器相比，新設(shè)備證明對(duì)光的響應(yīng)大約高出一百萬(wàn)倍，并且可以檢測(cè)到大約弱一千倍的信號(hào)。它們還具有高動(dòng)態(tài)范圍，并且在不同波長(zhǎng)的光和整個(gè)陣列中以統(tǒng)一的方式執(zhí)行。

新傳感器還具有快速重置的能力，以幫助消除陣列捕獲的圖像中的噪聲。研究人員還通過這種新的傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更高的制造產(chǎn)量。

“我們相信，在未來(lái)幾年開發(fā)智能相機(jī)時(shí)，我們的低功耗 2D 有源像素傳感器平臺(tái)將起到顯著推動(dòng)作用，”Dodda 說(shuō)?！巴ㄟ^這項(xiàng)技術(shù)，我們可以用最少的電池消耗進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量?！?/p>

這項(xiàng)研究面臨的一個(gè)主要障礙是成功地將 2D 光電晶體管轉(zhuǎn)移到構(gòu)成該設(shè)備的其他電子設(shè)備上。Jayachandran 說(shuō)，改進(jìn)傳輸過程將有助于實(shí)現(xiàn)“我們開發(fā)智能、低功耗相機(jī)的宏偉愿景”。