二合一概念新實踐：自帶太陽能發電的成像感測器問世

04-26

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感測器。密歇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圖像的袖珍相機。

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。

圖丨左側是以每秒 7.5 幀的速度拍攝的圖像，右側是以每秒 15 幀的速度拍攝的圖像

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。