Ao longo dos anos, a série de filmes "Star Wars" sempre chocou os corações de inúmeros cinéfilos: sejam os cavaleiros Jedi que lutaram contra as forças malignas apesar do sinistro, ou a coragem e sacrifício da organização de resistência diante da opressão, e finalmente através da excelente estratégia para vencer... Além disso, os brilhantes duelos de sabre de luz no filme, bem como as ações de dróides como R2-D2, C-3PO e BB-8, são impressionantes. Sem esses dróides, Star Wars pode não ter tido um final tão incrível.
Robôs e o metaverso são um dos tópicos mais quentes da International Consumer Electronics Show (CES) de 2022. Hoje, máquinas não humanoides que trabalham para nós são comuns, como robôs de entrega, carros autônomos, robôs varrendo e drones aéreos. Dado o impacto da CES, podemos estar à beira de uma nova era: cada casa terá pelo menos um robô de uma cena de filme de ficção científica como Star Wars.
Por outro lado, à medida que os serviços sem contato continuam a acelerar durante a pandemia COVID-19, os serviços metaversos que combinam virtual e realidade estão ganhando popularidade e a demanda por esses serviços está crescendo exponencialmente. Muitas pessoas começam a usar a tecnologia de Realidade Aumentada (AR, Realidade Aumentada) ou Realidade Virtual (VR, Realidade Virtual). Em breve, os dispositivos AR e VR serão transportados como smartphones. Isso iniciará uma nova era onde os serviços estarão disponíveis a qualquer hora, em qualquer lugar, o que significa que não precisamos mais visitar bancos ou fabricantes, e podemos manter os produtos sem entrar na fábrica.
Figura 1: Robô de entrega de Ocado
Olho da Máquina (Visão da Máquina)
Suportada por avanços surpreendentes no processamento de semicondutores e na tecnologia de processamento de sinais de imagem (ISP, Processamento de Sinal de Imagem), preços em queda e excelente alto desempenho de alta resolução, a tecnologia CMOS image sensor (CIS) tornou-se a base de vários dispositivos, como smartphones. "Olho". Pixels são o que determina o desempenho da câmera, e a concorrência ao seu redor levou a tecnologia da câmera a 600 megapixels além do olho humano.
Mas imagens de alta resolução são necessariamente adequadas para a visão da máquina? Para os olhos das máquinas de ponta responsáveis pela segurança e segurança, mesmo os dados de imagem bidimensionais (2D) mais nídimensionados não são suficientes para que eles funcionem no lugar dos humanos. Tal máquina pode não ser capaz de realizar missões em operações táticas como a R2-D2. Mas para carros autônomos e drones, é necessário identificar com precisão o momento de frenagem durante a condução em alta velocidade; para dispositivos de reconhecimento facial, é necessário digitalizar com precisão rostos em vez de imagens planas; para dispositivos AR, digitalize grandes espaços em tempo real para realidade aumentada. Essas máquinas requerem não apenas dados de imagem 2D, mas também suporte técnico tridimensional (3D). Uma máquina pode obter dados 3D através de um processo computacional complexo sem câmera, com auxílios como ultrassom ou equipamento a laser. No entanto, uma máquina com tantos componentes adicionais seria rejeitada pelos consumidores em termos de design e preço.
Figura 2: Características necessárias do olho da máquina
Com a cooperação dos olhos e do cérebro, as pessoas podem ver objetos estereoscopicamente e reconhecer profundidade e distância. Através de um mecanismo semelhante, as máquinas também podem identificar objetos multidimensionais e medir distâncias através da triangulação. Por exemplo, a visão estéreo usa duas câmeras e um processador para obter o efeito de reconhecimento. No entanto, tais mecanismos também sofrem de desvantagens como complexidade computacional, falta de precisão na medição de distâncias de plano e baixa precisão em locais relativamente escuros, que estreitam o escopo de tais mecanismos. Recentemente, o método Time-of-Flight (ToF) foi colocado em uso prático como um método alternativo para superar essas deficiências. ToF é uma maneira simples de medir a distância calculando o tempo necessário para a luz saltar de um objeto. Este método é fácil e rápido de ser executado, e tem a vantagem adicional de medir distâncias com precisão, independentemente do ambiente de iluminação, porque usa uma fonte de luz separada.
ToF: a distância é obtida medindo o tempo de ida e volta da luz emitida
Visão estereoscópica: dois sistemas ópticos visualizando o mesmo objeto de dois pontos diferentes em relação à mesma linha de base
Figura 3: Comparação da Visão Estéreo e métodos de reconhecimento de objetos ToF
tempo de método de voo
O ToF pode ser dividido em duas categorias: ToF direto (d-ToF, ToF direto) e ToF indireta (i-ToF, tof indireto). A distância é calculada utilizando-se a diferença de fase da luz devolvida. A SK hynix desenvolveu essas duas tecnologias de sensores ToF para utilizá-las em vários produtos. Possivelmente, os robôs do futuro terão um olho que usa i-ToF para reconhecer objetos à queima-roupa, e o outro olho que usa d-ToF para explorar objetos distantes.
O objetivo deste artigo é esclarecer a tecnologia i-ToF da SK hynix.
Figura 4: Análise comparativa do ToF indireto e tof direto
O método i-ToF calcula a diferença de fase da fonte de luz com a razão das cargas acumuladas em mais de duas memórias diferentes dentro de um pixel, e mede a distância de acordo. Comparado ao d-ToF, este mecanismo tem algumas limitações na medição da distância, pois quando a luz retorna à distância, há menos sinais que podem ser separados devido à intensidade reduzida. No entanto, em comparação com d-ToF, ele tem a vantagem de maior resolução, por causa de seu circuito simples, o pixel pode separar o sinal por si só, e é fácil encolher o pixel. Para compensar as limitações do i-ToF e maximizar suas vantagens, uma grande quantidade de pesquisas está sendo feita agora para melhorar a relação sinal-ruído (SNR), aumentar a eficiência quântica (QE) de fontes de luz infravermelha ou empregar técnicas para remover a luz de fundo (BGL). e expandir.
A atual estrutura de pixels i-ToF pode ser aproximadamente dividida em uma estrutura de portão e uma estrutura de difusão. O método de estrutura do portão gera uma diferença potencial aplicando uma tensão modulada na grade para coletar elétrons circundantes. A estrutura de difusão, por outro lado, atua como um demodulador fotônico assistido pela corrente (CAPD) para coletar elétrons usando a corrente gerada pela aplicação de uma tensão modulada ao substrato. Em comparação com o primeiro, este último pode detectar rapidamente elétrons gerados em regiões mais profundas, tornando a transferência mais eficiente, mas requer mais dissipação de energia porque usa uma corrente inferior de várias cargas. Além disso, à medida que os pixels se tornam menores e o número de pixels aumenta devido à alta resolução, o consumo de energia aumenta ainda mais.
A fim de maximizar as vantagens do CAPD e reduzir suas limitações, a SK hynix desenvolveu a tecnologia de pixels classe 10um QVGA e 5um VGA, usando uma nova estrutura chamada VFM (Vertical Field Modulator). Em seguida, vamos dar um mergulho profundo na tecnologia VFM e seus benefícios.
Vantagens da tecnologia VFM Pixel
Existem vários critérios para julgar um bom sensor de medição de distância, mas antes de mais nada, ele deve ser capaz de detectar com precisão a distância e reduzir os problemas de aquecimento através de menor consumo de energia. Em outras palavras, um bom sensor deve detectar sinais rapidamente com alta eficiência e baixo consumo de energia, enquanto também deve separar com precisão os sinais com base em diferenças de fase.
1. Tecnologia e combinação de CIS (BSI) da SK Hynix
Como o CIS, o processamento retroiluminado traz uma série de vantagens para o design ou desempenho do sensor ToF. A fonte de luz usada para calcular o tempo de voo é a luz infravermelha (IR) porque deve ser invisível ao olho humano. E calcula distâncias precisas mesmo em ambientes com pouca luz. O infravermelho tem um comprimento de onda mais longo em comparação com a luz visível, o que significa que sem usar um wafer mais grosso do que o CIS, a maior parte da luz é penetrada, resultando em níveis de sinal extremamente baixos nos pixels. Mas isso não significa que a espessura possa crescer infinitamente. É difícil coletar rapidamente elétrons produzidos em regiões mais profundas, assim como a pesca em alto mar é mais difícil do que pescar em pontos de pesca. Quando a iluminação traseira é usada em vez de iluminado frontal (FSI), o sinal pode ser detectado rapidamente porque a iluminação traseira permite que a luz seja coletada mais próxima, onde o campo elétrico, que atua como uma linha de pesca, também é projetado do lado oposto, tomando-se mais forte com a luz.
Figura 5: Comparação de iluminados dianteiros e iluminados (permeabilidade e coleta de luz por espessura)
O desempenho do i-ToF depende de sua capacidade de separar sinais de acordo com a taxa de acúmulo de carga. Nesse sentido, sensores iluminados frontalmente podem causar erros de distância, pois quando a luz passa pela superfície do pixel, é mais provável que entre diretamente no nó de detecção, ignorando a diferença de fase. É como se houvesse outros alunos na sala de aula quando a chamada está acontecendo. Na frente iluminada, há também muitas restrições na fiação metálica para garantir um fator de enchimento maior, enquanto o back-illuminated permite uma escolha mais ampla de fiação metálica, como tirar água do solo do que cortar árvores em uma floresta densa Coletar água da chuva é mais eficiente (Figura 6).
Figura 6: i-ToF cobra taxas de acumulação para diferentes métodos de iluminação (análogo ao desenho de água subterrânea e corte de árvores em florestas densas)
Essa vantagem da retroescização pode ser alcançada combinando com a tecnologia cis retro-iluminada da SK hynix, que tem a tecnologia para criar pixels menores que 1 mícbrio.
2. Small Lens Array (SLA) & Trench Structure Optical Waveguide and Quantum Efficiency
De acordo com o mecanismo i-ToF usando a taxa de acúmulo de carga, precisamos do nível máximo de sinal para obter dados precisos de distância em distâncias mais longas. Portanto, o alto QE na faixa de comprimento de onda infravermelho é essencial.
Como mencionado acima, devido ao alto poder penetrante da fonte de luz infravermelha, sua intensidade de luz é mais fraca que a da luz visível, de modo que a profundidade da coleta de luz é profunda. Uma maneira de lidar com isso é formar intencionalmente estruturas de microlens (lentes de pequeno porte dispostas de acordo com o tamanho e número de pixels sob a lente da câmera) altas para obter melhor coleta de luz, mas a altura é limitada devido a restrições técnicas. A SK Hynix tomou uma abordagem diferente para superar essa deficiência. Ao colocar várias lentes em cada pixel que são menores do que o tamanho do pixel, este método aumenta a profundidade de coleta de luz, aumentando assim a quantidade total de luz recebida.
Além disso, a SK hynix também escava uma estrutura de padrão especial na parte traseira, para que a luz do incidente toque a estrutura e se reflita com ela, ampliando o caminho de transmissão de luz e focando a luz na área de modulação, reduzindo assim a taxa de perda de luz e melhorando a eficiência de transmissão sob a mesma intensidade de luz alcança o efeito de matar duas aves com uma pedra. Na verdade, isso confirma que o QE é mais do que dobrado sob a fonte de luz de 940nm. Em QE mais alto, ele consegue reduzir o erro entre distâncias reais e medidas em quase 55% em comparação com os métodos anteriores.
Figura 7: SLA (esquerda) e guia óptico estruturado por trincheiras (à direita)
3. Garanta baixo consumo de energia e alto desempenho
Excluindo o consumo de energia da fonte de luz, o sensor ToF consome mais energia no circuito que modula o sinal quando ele opera. A potência do circuito de unidade de modulação é proporcional à corrente que flui através da placa. Em outras palavras, podemos reduzir o consumo de energia reduzindo a corrente de substrato. Além disso, medições precisas e precisas de distância requerem períodos de modulação mais curtos e detecção rápida de sinal. O veículo (fóton) tem que ser acelerado pisando no pedal do acelerador para percorrer a mesma distância (espessura do silício) rapidamente, o que consome muito combustível (ou corrente). Como outro exemplo, tirar água de um poço profundo requer muita força para levantar a polia. Mas e se você pudesse bombear a água subterrânea? Você pode retirar toda a água que precisar com pouco esforço, basta ligar a torneira.
O método VFM aumenta a região de esgotamento otimizando as condições e a estrutura da implantação de íons pixel, permitindo que ele atue como uma bomba e fortalecendo o campo elétrico vertical. Portanto, a força do campo elétrico é adicionada à corrente, que pode efetivamente coletar elétrons, e, ao mesmo tempo, também pode alcançar uma coleta rápida sob a condição de pequena corrente, e aumentar o consumo de energia. Experimentos extensivos têm mostrado que quando a corrente aumenta, o desempenho do pixel VFM é perdido, o que significa que ele é uma estrutura mais adequada para baixa potência, e a corrente não é mais um fator importante. Em outras palavras, o método melhora o desempenho do pixel controlando a corrente através de um design que permite um forte campo elétrico vertical para que ele só atue como um guia. Comparado com o sensor ToF da classe QVGA, o sensor ToF da classe VGA de 5um tem um tamanho de pixel menor e maior resolução, mas a corrente por pixel é reduzida, e o aumento no consumo de energia é quase zero.
Figura 8: Como sensor ToF, a estrutura VFM tem consumo de energia mais eficiente
Resumir
A SK hynix contribui para a criação de valor econômico e social, permitindo que vários fabricantes de módulos entrem em uma ampla gama de mercados de aplicação, fornecendo suporte técnico e sensores próximos ao desenvolver a tecnologia de sensores ToF.
No futuro, poderemos usar equipamentos AR/VR para viajar pelo mundo, usar drones para entregar pacotes, deixar robôs domésticos trazerem pacotes para nós, pedir robôs varredores para limpar para nós, e até mesmo sentar em carros autônomos movidos a reconhecimento facial. Veja as notícias no carro. Esperamos que esses cenários sejam realizados no novo mundo que a tecnologia de soluções profundas da SK Hynix está prestes a se abrir.
