太陽能電池把光能轉換成電能, 而成像感測器的原理也是將光轉換為電子訊號. 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感測器. 密西根大學研究人員近日聲稱, 他們已經製成了這種感測器. 該感測器僅憑白天陽光, 就可以實現每秒15幀映像的拍攝.
研究團隊負責人, 密西根大學電子工程和計算機科學教授 Euisik Yoon 表示, 這種感測器若與微處理器和無線收發系統結合, 就可以製造出能傳送映像的袖珍相機.
之前的光能供電成像感測器大致可以分為 2 類. 第 1 類是將感測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量就必須減少像素的數量, 反之亦然. 第 2 類是讓像素在成像狀態和發電狀態之間切換. 原理上這也可行, 但是系統會更加複雜, 且必然會限制感測器的每秒最大幀數.
Yoon 教授和博士後 Sung-Yun Park 創造了第 3 種方法. 他們注意到, 很多光子到達了攝像頭, 但是並沒有被光敏二極體轉換成電能, 而是穿過光敏二極體之間的縫隙, 把能量傳遞給了基板. 於是, 二人在光敏二極體後面布設了第二層二極體作為光伏層, 來把這些電子轉化為電能. 於是, 到達感測器的光子能量得到了更充分的利用.
由於光伏二極體是利用之前一直存在, 但從未被利用的泄露光子能量來發電的, 因此既不會佔用寶貴的成像像素空間, 也無需複雜的切換操作.
該感測器是用標準的 CMOS 工藝製成的, 但是其像素的結構和電特性與傳統感測器截然不同. 首先, 新系統的像素包含有 PN 結, 以及 1 個位於光敏二極體下面的發電二極體. 其次, 傳統像素使用帶負電的電子作為電荷的載體, 而新系統為了同時實現成像和發電, 使用帶正電的空穴作為電荷載體. 空穴的運動速度低於電子, 但是尚不至於影響成像.
左側是以每秒 7.5 幀的速度拍攝的映像, 右側是以每秒 15 幀的速度拍攝的映像
新感測器的像素尺寸為 5 微米, 發電能力為 998 皮瓦每平方毫米每勒克斯, 超過了迄今為止所有的自發電感測器. 明朗晴天的亮度為 6 萬勒克斯, 足以讓系統以每秒 15 幀的速度拍攝. 普通的光照條件為 2 萬-3 萬勒克斯, 系統對應的最大拍攝速度為 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, 該系統的能耗還有降低的空間. 團隊已經試驗了多種低功耗技術, 包括根據光照自動調節幀率的技術, 以期讓系統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.