一項新的研究發現，通過為大多數數碼相機中的原子薄型 CMOS 傳感器提供計算能力，原型傳感器陣列可以使用比傳統傳感器少數千到數百萬倍的功耗來捕獲圖像。

CMOS 傳感器是一種有源像素傳感器，它將光檢測器與一個或多個晶體管組合在一起。盡管科學家們在更節能的光探測器方面取得了穩步進展，但有源像素傳感器的信號轉換和數據傳輸能力目前的能源效率極低，賓夕法尼亞州立大學電子工程師Akhil Dodda 表示，該研究的共同主要作者研究期間在賓夕法尼亞大學公園。

在這項新研究中，研究人員試圖將傳感器內處理添加到有源像素傳感器中，以減少它們的能量和尺寸。他們對二維材料二硫化鉬進行了實驗，該材料由夾在兩層硫原子之間的一片鉬原子制成。使用這種光敏半導體材料，他們旨在將圖像捕捉傳感器和圖像處理組件結合在一個設備中。

科學家們開發了一種二維有源像素傳感器陣列，其中每個像素都擁有一個可編程的光電晶體管。這些光傳感器每個都可以執行自己的電荷到電壓轉換，而無需任何額外的晶體管。“我們經常對這種納米厚材料的研究結果感到驚訝，”該研究的共同主要作者、賓夕法尼亞大學公園分校賓夕法尼亞州立大學的電子工程師Darsith Jayachandran說。

原型陣列包含 9 平方毫米的 900 個像素，每個像素約 100 微米 (μm) 大。相比之下，來自 Omnivision 和三星的最先進的 CMOS 傳感器尺寸已達到約0.56 μm。然而，Dodda 說，商業 CMOS 傳感器還需要額外的電路來檢測低光照水平，從而增加它們的總面積，而新陣列則不需要。

此外，Jayachandran 說，新設備每個像素只需要幾十皮瓦——萬億分之一瓦。他說，相比之下，傳統的 CMOS 傳感器每個像素可能需要大約數千到 上千萬萬倍的功率。

與商業鍺傳感器相比，新設備證明對光的響應大約高出一百萬倍，并且可以檢測到大約弱一千倍的信號。它們還具有高動態范圍，并且在不同波長的光和整個陣列中以統一的方式執行。

新傳感器還具有快速重置的能力，以幫助消除陣列捕獲的圖像中的噪聲。研究人員還通過這種新的傳感器技術實現了更高的制造產量。

“我們相信，在未來幾年開發智能相機時，我們的低功耗 2D 有源像素傳感器平臺將起到顯著推動作用，”Dodda 說。“通過這項技術，我們可以用最少的電池消耗進一步提高圖像質量。”

這項研究面臨的一個主要障礙是成功地將 2D 光電晶體管轉移到構成該設備的其他電子設備上。Jayachandran 說，改進傳輸過程將有助于實現“我們開發智能、低功耗相機的宏偉愿景”。

編輯：黃飛

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