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, 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.
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.