太陽能電池把光能轉(zhuǎn)換成電能，而成像傳感器的原理也是將光轉(zhuǎn)換為電子信號。如果能將二者合二為一，就可以獲得自帶太陽能充電能力的成像傳感器。密歇根大學研究人員近日聲稱，他們已經(jīng)制成了這種傳感器。該傳感器僅憑白天陽光，就可以實現(xiàn)每秒 15 幀圖像的拍攝。
研究團隊負責人、密歇根大學電子工程和計算機科學教授 Euisik Yoon 表示，這種傳感器若與微處理器和無線收發(fā)系統(tǒng)結(jié)合，就可以制造出能傳送圖像的袖珍相機。
之前的光能供電成像傳感器大致可以分為 2 類。第 1 類是將傳感器的部分像素用光伏單元替代。這種方法從原理上來說沒問題，但增加光伏單元的數(shù)量就必須減少像素的數(shù)量，反之亦然。第 2 類是讓像素在成像狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間切換。原理上這也可行，但是系統(tǒng)會更加復雜，且必然會限制傳感器的每秒最大幀數(shù)。
Yoon 教授和博士后 Sung-Yun Park 創(chuàng)造了第 3 種方法。他們注意到，很多光子到達了攝像頭，但是并沒有被光敏二極管轉(zhuǎn)換成電能，而是穿過光敏二極管之間的縫隙，把能量傳遞給了基板。于是，二人在光敏二極管后面布設(shè)了第二層二極管作為光伏層，來把這些電子轉(zhuǎn)化為電能。于是，到達傳感器的光子能量得到了更充分的利用。
由于光伏二極管是利用之前一直存在，但從未被利用的泄露光子能量來發(fā)電的，因此既不會占用寶貴的成像像素空間，也無需復雜的切換操作。
該傳感器是用標準的 CMOS 工藝制成的，但是其像素的結(jié)構(gòu)和電特性與傳統(tǒng)傳感器截然不同。首先，新系統(tǒng)的像素包含有 PN 結(jié)，以及 1 個位于光敏二極管下面的發(fā)電二極管。其次，傳統(tǒng)像素使用帶負電的電子作為電荷的載體，而新系統(tǒng)為了同時實現(xiàn)成像和發(fā)電，使用帶正電的空穴作為電荷載體?？昭ǖ倪\動速度低于電子，但是尚不至于影響成像。
圖丨左側(cè)是以每秒 7.5 幀的速度拍攝的圖像，右側(cè)是以每秒 15 幀的速度拍攝的圖像
新傳感器的像素尺寸為 5 微米，發(fā)電能力為 998 皮瓦每平方毫米每勒克斯，超過了迄今為止所有的自發(fā)電傳感器。明朗晴天的亮度為 6 萬勒克斯，足以讓系統(tǒng)以每秒 15 幀的速度拍攝。普通的光照條件為 2 萬-3 萬勒克斯，系統(tǒng)對應(yīng)的最大拍攝速度為 7.5 幀每秒。標準視頻的幀率為 30 幀每秒，不過這不是必須的。
此外，研究團隊表示，該系統(tǒng)的能耗還有降低的空間。團隊已經(jīng)試驗了多種低功耗技術(shù)，包括根據(jù)光照自動調(diào)節(jié)幀率的技術(shù)，以期讓系統(tǒng)在相同光照下提供更高的幀率。
該項目的下一個目標將是實用化的自充電無線傳輸相機。
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