二合一概念新实践:自带太阳能发电的成像传感

 

太阳能电池把光能转换成电能,而成像传感器的原理也是将光转换为电子信号。如果能将二者合二为一,就可以获得自带太阳能充电能力的成像传感器。密歇根大学研究人员近日声称,他们已经制成了这种传感器。该传感器仅凭白天阳光,就可以实现每秒 15 帧图像的拍摄。

研究团队负责人、密歇根大学电子工程和计算机科学教授 Euisik Yoon 表示,这种传感器若与微处理器和无线收发系统结合,就可以制造出能传送图像的袖珍相机。

之前的光能供电成像传感器大致可以分为 2 类。第 1 类是将传感器的部分像素用光伏单元替代。这种方法从原理上来说没问题,但增加光伏单元的数量就必须减少像素的数量,反之亦然。第 2 类是让像素在成像状态和发电状态之间切换。原理上这也可行,但是系统会更加复杂,且必然会限制传感器的每秒最大帧数。

Yoon 教授和博士后 Sung-Yun Park 创造了第 3 种方法。他们注意到,很多光子到达了摄像头,但是并没有被光敏二极管转换成电能,而是穿过光敏二极管之间的缝隙,把能量传递给了基板。于是,二人在光敏二极管后面布设了第二层二极管作为光伏层,来把这些电子转化为电能。于是,到达传感器的光子能量得到了更充分的利用。

由于光伏二极管是利用之前一直存在,但从未被利用的泄露光子能量来发电的,www.4249.com,因此既不会占用宝贵的成像像素空间,也无需复杂的切换操作。

该传感器是用标准的 CMOS 工艺制成的,但是其像素的结构和电特性与传统传感器截然不同。首先,新系统的像素包含有 PN 结,以及 1 个位于光敏二极管下面的发电二极管。其次,传统像素使用带负电的电子作为电荷的载体,而新系统为了同时实现成像和发电,使用带正电的空穴作为电荷载体。空穴的运动速度低于电子,但是尚不至于影响成像。

图丨左侧是以每秒 7.5 帧的速度拍摄的图像,右侧是以每秒 15 帧的速度拍摄的图像

新传感器的像素尺寸为 5 微米,发电能力为 998 皮瓦每平方毫米每勒克斯,超过了迄今为止所有的自发电传感器。明朗晴天的亮度为 6 万勒克斯,足以让系统以每秒 15 帧的速度拍摄。普通的光照条件为 2 万-3 万勒克斯,系统对应的最大拍摄速度为 7.5 帧每秒。标准视频的帧率为 30 帧每秒,不过这不是必须的。

此外,研究团队表示,该系统的能耗还有降低的空间。团队已经试验了多种低功耗技术,包括根据光照自动调节帧率的技术,以期让系统在相同光照下提供更高的帧率。

该项目的下一个目标将是实用化的自充电无线传输相机。

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