新型的CMOS图像传感器功耗大幅降低

一项新的研究发现，通过为大多数数码相机中的原子薄型 CMOS 传感器提供计算能力，原型传感器阵列可以使用比传统传感器少数千到数百万倍的功耗来捕获图像。

CMOS 传感器是一种有源像素传感器，它将光检测器与一个或多个晶体管组合在一起。尽管科学家们在更节能的光探测器方面取得了稳步进展，但有源像素传感器的信号转换和数据传输能力目前的能源效率极低，宾夕法尼亚州立大学电子工程师Akhil Dodda 表示，该研究的共同主要作者研究期间在宾夕法尼亚大学公园。

在这项新研究中，研究人员试图将传感器内处理添加到有源像素传感器中，以减少它们的能量和尺寸。他们对二维材料二硫化钼进行了实验，该材料由夹在两层硫原子之间的一片钼原子制成。使用这种光敏半导体材料，他们旨在将图像捕捉传感器和图像处理组件结合在一个设备中。

科学家们开发了一种二维有源像素传感器阵列，其中每个像素都拥有一个可编程的光电晶体管。这些光传感器每个都可以执行自己的电荷到电压转换，而无需任何额外的晶体管。“我们经常对这种纳米厚材料的研究结果感到惊讶，”该研究的共同主要作者、宾夕法尼亚大学公园分校宾夕法尼亚州立大学的电子工程师Darsith Jayachandran说。

原型阵列包含 9 平方毫米的 900 个像素，每个像素约 100 微米 (µm) 大。相比之下，来自 Omnivision 和三星的最先进的 CMOS 传感器尺寸已达到约0.56 µm。然而，Dodda 说，商业 CMOS 传感器还需要额外的电路来检测低光照水平，从而增加它们的总面积，而新阵列则不需要。

此外，Jayachandran 说，新设备每个像素只需要几十皮瓦——万亿分之一瓦。他说，相比之下，传统的 CMOS 传感器每个像素可能需要大约数千到 上千万万倍的功率。

与商业锗传感器相比，新设备证明对光的响应大约高出一百万倍，并且可以检测到大约弱一千倍的信号。它们还具有高动态范围，并且在不同波长的光和整个阵列中以统一的方式执行。

新传感器还具有快速重置的能力，以帮助消除阵列捕获的图像中的噪声。研究人员还通过这种新的传感器技术实现了更高的制造产量。

“我们相信，在未来几年开发智能相机时，我们的低功耗 2D 有源像素传感器平台将起到显着推动作用，”Dodda 说。“通过这项技术，我们可以用最少的电池消耗进一步提高图像质量。”

这项研究面临的一个主要障碍是成功地将 2D 光电晶体管转移到构成该设备的其他电子设备上。Jayachandran 说，改进传输过程将有助于实现“我们开发智能、低功耗相机的宏伟愿景”。