Wissenschaftler haben eine Kamera entwickelt, die kleiner als ein Millimeter ist und keine Batterie benötigt

Eine Gruppe von Ingenieuren unter der Leitung von Yu Sik Yong von der University of Michigan, USA, erstellte einen Photosensor, bei dem fast der gesamte Bereich des Pixels von einem Bereich eingenommen wird, der gleichzeitig Energie erzeugen und ein Bild erzeugen kann. Auf diese Weise können Sie eine in sich geschlossene Kamera mit einer Fläche von weniger als einem Quadratmillimeter herstellen. Gleichzeitig ist es in der Lage, eine anständige Qualität mit einer Frequenz von 15 Bildern pro Sekunde aufzunehmen. Die Entwickler veröffentlichten ihre Arbeiten in der Zeitschrift IEEE Electron Device Letters.

Fotodioden, die Licht in elektrischen Strom umwandeln, sind die Basis sowohl für Kameras als auch für Sonnenkollektoren. Sie sind sich sehr ähnlich, nur einer spart den Energieeinfall und der andere zeichnet auf, wie viel er gefallen ist. Daher versuchen Ingenieure seit vielen Jahren, die Funktionen von Panels und Kameras zu kombinieren, Matrizen zu erstellen, die Bilder aufnehmen und sich gleichzeitig selbst ernähren können (was bedeutet, dass sie keinen großen Akku benötigen).

Es gibt zwei Ansätze zur Lösung dieses Problems. Der erste besteht darin, eine Matrix zu erstellen, in der derselbe Raum zum Schießen und zur Energieerzeugung verwendet wird. Dann wird das Gerät klein herauskommen, was ein Plus ist. Das Minus ist jedoch, dass zwischen zwei Modi (Aufnahme und Einschalten) umgeschaltet werden muss, die einen Teil der Energie verbrauchen, und dass die Fotomatrix nicht ohne Unterbrechung aufgenommen werden kann und eine niedrige Bildrate aufweist.

Der zweite Ansatz besteht darin, zwei getrennte Zonen in der Photomatrix zu erzeugen. Einer von ihnen wird abheben, der zweite - um Energie dafür zu erzeugen. Sie können gleichzeitig arbeiten, aber in diesem Fall ist ein wesentlicher Teil jedes Pixels das Solarpanel. Die Fotozelle wird sperriger und die für die Aufnahme verwendete Lichtmenge nimmt erheblich ab.

Die Leistung von Wissenschaftlern der University of Michigan - zum ersten Mal kann ihr Photosensor gleichzeitig Energie und Aufnahmen erzeugen (mit einer Frequenz von bis zu 15 Bildern / Sek.). Ihre Arbeit heißt "Simultane Bildgebung und Energiegewinnung in CMOS-Bildsensorpixeln" ("Simultane Erfassung und Sammlung von Energie im aktiven CMOS-Pixel"). Fast die gesamte Pixelfläche in ihrer Fotozelle bewältigt zwei Aufgaben gleichzeitig.

Yu Sik Yun, Sang Yoon Pak und ihr Team stellten fest, dass die lichtempfindlichen Dioden in den Kameras auf mikroskopischer Ebene ziemlich transparent sind. Ein erheblicher Teil des Lichts geht durch ihre aktiven Elemente. Wenn Sie also das "Solarpanel" unter solchen Fotosensoren platzieren, erhält es immer noch einen Teil der Energie.

Das ist die Idee. Die neue Fotozelle besteht aus zwei untereinander angeordneten Fotodioden. Das obere sammelt einen Teil der Löcher (Ladungsträger, die gebildet werden, nachdem die Photonen die Elektronen aus ihren Positionen herausgeschlagen haben) und empfängt somit ein Signal, um ein Bild zu erzeugen. Und der untere nimmt die verbleibenden Photonen auf und erzeugt daraus Energie.

Es stellt sich heraus, dass es sich um einen neuen Kameratyp handelt, der mikroskopisch klein und autark ist und unter allen Bedingungen bei Beleuchtung funktioniert, ohne anzuhalten und ohne dass die Batterien aufgeladen oder ausgetauscht werden müssen. Ein ideales Gerät für Spione oder für eine Regierung, die die Aktivitäten ihrer Bürger kontrollieren will. Wir erwarten einen Anstieg der Folienverkäufe bei Kappen.

Nach den Tests des Teams der University of Michigan machen die obere Diode, die das Signal bildet, 26% des gesamten Lochstroms und die Photovoltaikzelle, die Energie sammelt, 74% aus. Bei anderen Sensoren wird diese Energie einfach nicht genutzt.

Basierend auf ihrer Entwicklung erstellten die Ingenieure einen Prototyp einer Photomatrix mit einer Auflösung von 100 x 90 Pixel und einer aktiven Fläche von 0,86 x 0,66 mm. Es kann 30 μW Energie bei einer Beleuchtung von 120 Kilo Lux (strahlend sonniger Tag) erzeugen. Gleichzeitig verbraucht die Aufnahme mit einer Frequenz von 15 Bildern / Sek. Nur 10 μW Energie - obwohl die Bilder natürlich nicht sehr klar sind. Bei dieser Frequenz kann der neue Sensor theoretisch auch bei 60 Kilo-Lux (normale direkte Sonneneinstrahlung) ohne Aufladung kontinuierlich aufnehmen. Die Schöpfer der Photomatrix stellen fest, dass sie die höchste Leistungsdichte unter allen vorhandenen aufweist.

In ihrem Artikel für IEEE stellen Ingenieure fest, dass ihr Sensor leicht Bilder mit höherer Qualität erzeugen kann, wenn er „untergraben“ wird. Der Stromverbrauch im Chip ist ebenfalls nicht optimiert. Möglicherweise kann die Kamera mit höheren Bildraten und weniger Licht arbeiten.

Yu Sik Yun sagt, dass ihre Entwicklung am besten für das Internet der Dinge geeignet ist. Intelligente Sensoren sind wichtige Komponenten von IoT-Plattformen, und neue Fotosensoren können im kleinsten Formfaktor und ohne Energieverbrauch betrieben werden.

Zwar hindert auch nichts die Verwendung der Kamera für Spionage- oder verdeckte Aufnahmen. Der Millimeter-Sensor ist in der Tat unsichtbar und arbeitet unbegrenzt, ohne dass eine Aufladung erforderlich ist. In diesem Fall benötigt das Gerät natürlich nicht nur Fotozellen, sondern auch Mittel zum Speichern und Übertragen der empfangenen Bilder. Mikroskopische Versionen solcher Komponenten befinden sich noch in der Entwicklung .

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