25 Juin 2012  |  Optoélectronique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 06/2012

De nouveaux capteurs optiques CMOS à haute vitesse

Les capteurs d’image CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) traditionnels sont efficaces, mais peu utilisables dans des situations de lumière faible ou de fluorescence. Ainsi, de gros pixels, même disposés dans une matrice, ne permettent pas des vitesses de lecture rapide. Un nouveau composant optoélectronique accélère ce processus.
 
Les capteurs d’image CMOS ont longtemps été utilisés dans le marché de la photographie numérique. Au niveau de la production, ils sont nettement moins chers que les autres capteurs existants, et même supérieurs en termes de consommation d’énergie et de maniabilité. Par conséquent, les grands fabricants de téléphones mobiles et d’appareils photo numériques utilisent presque exclusivement des puces CMOS dans leurs produits, lesquelles permettent également de réduire la taille des composants.

La luminosité et la vitesse
Toutefois, les semi-conducteurs optiques rencontrent parfois des limites: bien que la miniaturisation de l’électronique grand public conduise à des tailles de pixels plus petites, d’environ 1 micron, dans certaines applications, des pixels de plus de 10 microns sont nécessaires. Particulièrement dans les zones où peu de lumière est disponible, comme dans la photographie aux rayons X, ou en astronomie, une plus grande surface de pixel peut compenser un manque de lumière.
Pour la conversion des signaux lumineux en impulsions électriques, on utilise des photodiodes PIN (Positive Intrinsic Negative diode). Ces composants optoélectroniques, essentiels pour le traitement d’images, sont intégrés dans les puces CMOS. «Mais, si les pixels dépassent une certaine taille, les photodiodes PIN rencontrent un gros problème de vitesse», déclare Werner Brockherde, chercheur à l’Institut Fraunhofer pour les circuits et systèmes microélectroniques IMS à Dresde (D). Le défi, presque insoluble, est que la plupart des applications situées en faible luminosité (donc à signal faible) nécessitent un taux de traitement et de rafraîchissement élevé.
 

Un photodétecteur de champ à dérive latérale
Pour résoudre ce problème, les chercheurs du Fraunhofer IMS ont développé un nouveau dispositif d’optoélectronique, déjà breveté, nommé LDPD (pour Lateral drift field photodetector, ou photodétecteur de champ à dérive latérale). Dans celui-ci, «les porteurs de charge, générés par la lumière incidente, circulent vers la cathode à grande vitesse», explique Werner Brockherde.
Dans les photodiodes PIN traditionnelles, les électrons diffusent seuls vers le nœud de lecture. C’est un processus relativement lent, mais suffisant pour de nombreuses applications. Dans le LDPD, «en intégrant un courant électrique dans la zone photoactive de l’appareil, nous pouvons accélérer ce processus jusqu’à une centaine de fois.»
Pour réaliser ce nouveau composant, les chercheurs de l’IMS adaptent et élargissent le procédé de fabrication des puces optiques de 0,35 micron, actuellement disponibles. Un prototype de cette nouvelle puce optique à grande vitesse est déjà disponible. Sa production en série devrait commencer en 2013, selon Werner Brockherde.
Ces capteurs CMOS à grande vitesse sont de bons candidats pour les applications qui nécessitent une grande surface de pixels et une vitesse de lecture élevée. On pourrait les utiliser, non seulement en astronomie, mais en spectroscopie et en radiographie moderne. Ils sont également remarquables en tant que capteurs 3D, puisqu’ils travaillent sur la méthode des temps de réflexion de la lumière (transmission des signaux à partir de sources de lumière de courtes impulsions, qui sont réfléchies par les objets). Basés sur le temps d’exécution de la lumière réfléchie, ces capteurs peuvent détecter un environnement tridimensionnel avec plus de précision et générer des images virtuelles 3D de manière plus rapide et plus fiable.
 
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS
D - 01109 Dresden
Tél: +49 3 51 88 230
www.ipms.fraunhofer.de


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