新型的CMOS圖像傳感器功耗大幅降低

一項新的研究發(fā)現(xiàn)，通過為大多數(shù)數(shù)碼相機中的原子薄型 CMOS 傳感器提供計算能力，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)百萬倍的功耗來捕獲圖像。

CMOS 傳感器是一種有源像素傳感器，它將光檢測器與一個或多個晶體管組合在一起。盡管科學家們在更節(jié)能的光探測器方面取得了穩(wěn)步進展，但有源像素傳感器的信號轉(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公園。

在這項新研究中，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。他們對二維材料二硫化鉬進行了實驗，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)合在一個設備中。

科學家們開發(fā)了一種二維有源像素傳感器陣列，其中每個像素都擁有一個可編程的光電晶體管。這些光傳感器每個都可以執(zhí)行自己的電荷到電壓轉(zhuǎn)換，而無需任何額外的晶體管?！拔覀兘?jīng)常對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、賓夕法尼亞大學公園分校賓夕法尼亞州立大學的電子工程師Darsith Jayachandran說。

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

此外，Jayachandran 說，新設備每個像素只需要幾十皮瓦——萬億分之一瓦。他說，相比之下，傳統(tǒng)的 CMOS 傳感器每個像素可能需要大約數(shù)千到 上千萬萬倍的功率。

與商業(yè)鍺傳感器相比，新設備證明對光的響應大約高出一百萬倍，并且可以檢測到大約弱一千倍的信號。它們還具有高動態(tài)范圍，并且在不同波長的光和整個陣列中以統(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)實現(xiàn)了更高的制造產(chǎn)量。

“我們相信，在未來幾年開發(fā)智能相機時，我們的低功耗 2D 有源像素傳感器平臺將起到顯著推動作用，”Dodda 說?！巴ㄟ^這項技術(shù)，我們可以用最少的電池消耗進一步提高圖像質(zhì)量。”

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