Conjunto de Sensores Infravermelhos de Curta Onda CMOS – Interpretando o Invisível

Em um novo estudo, os pesquisadores criaram um novo sensor de imagem SWIR de alto desempenho baseado em pontos quânticos coloidais não tóxicos. Infravermelho de curta onda ou SWIR é uma faixa de comprimento de onda de luz entre 900 nm e 2500 nm, muito além do espectro visível que varia entre 400 nm e 700 nm. A imagem SWIR requer sensores capazes de operar nessa faixa. 

Enquanto os sistemas convencionais que utilizam dispositivos de carga acoplada (CCD) e sensores de imagem de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) podem capturar imagens dentro do espectro visível da luz de forma bastante eficaz, aqueles que utilizam a tecnologia SWIR podem capturar imagens em comprimentos de onda mais profundos dentro do espectro infravermelho. Isso permite que os sistemas vejam detalhes mesmo fora do espectro visível.

Comprimentos de onda mais longos que os visíveis só podem ser vistos por sensores dedicados. E embora a luz na região do infravermelho de curta onda (SWIR) seja invisível ao olho, essa luz interage com os objetos de maneira semelhante aos comprimentos de onda visíveis. 

Assim como a luz visível, a luz SWIR reflete nos objetos e é luz refletida, e, como resultado, apresenta sombras e contraste em suas imagens. Como as imagens SWIR não são coloridas, mas apenas em preto e branco, facilitam o reconhecimento de objetos e permitem a identificação individual. A imagem SWIR também tem a capacidade de visualizar através do vidro.

Portanto, o SWIR tem muito potencial devido ao seu pequeno tamanho, baixo consumo de energia, alta sensibilidade e resolução, e lentes de espectro visível de baixo custo, além da capacidade de detectar faróis e lasers que são ocultos e na luz da radiação do céu noturno.

Assim, a imagem infravermelha de onda curta possibilita muitas coisas em aplicações industriais e científicas, incluindo inspeção de wafers de silício, perfilamento de feixes de laser, imagem médica, visão de máquina, detecção química e de plásticos, sensoriamento agrícola, sistemas de vigilância e imageamento hiperespectral, além de ser usada para anti-falsificação, detecção de umidade e classificação. Além disso, também encontra aplicação em sensores de reconhecimento facial usados por celulares, para identificação de alvos e detecção de camuflagem na defesa, e por veículos autônomos em ambientes sombreados.

Normalmente, sensores InGaAs são usados em imageamento SWIR. InGaAs, ou arseneto de índio e gálio, é uma liga usada na fabricação de certos semicondutores para uso fotônico. Esses sensores são usados em aplicações que requerem comprimentos de onda na faixa de 900-1700 nm. No entanto, são caros e enfrentam desafios em relação a arrays de alta resolução, sensibilidade a variações de temperatura e alcance espectral limitado.

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Sensores de Imagem SWIR baseados em Pontos Quânticos Não Tóxicos

Assim, o novo estudo desenvolveu um novo sensor de imagem SWIR de alto desempenho baseado em pontos quânticos coloidais não tóxicos. Sensores de imagem com sensibilidade SWIR podem não apenas operar de forma confiável sob condições adversas como nevoeiro, luz solar intensa, névoa e fumaça, mas também seu alcance fornece uma fonte de iluminação segura para os olhos. Dessa forma, o SWIR abre a possibilidade de determinar as qualidades do material através de imageamento molecular.

A tecnologia de sensores de imagem baseada em pontos quânticos coloidais (CQD) oferece aqui uma plataforma tecnológica promissora para fornecer sensores de imagem compatíveis em alta volume no infravermelho próximo.

Pontos quânticos são partículas minúsculas ou cristais nanoscópicos fabricados pelo homem, descobertos pela primeira vez em 1980, e exibem propriedades eletrônicas e ópticas únicas. Isso inclui a capacidade de transportar elétrons e produzir cores distintas. Esses nanopartículas semicondutoras sintetizadas artificialmente têm tamanho entre 2 a 10 nanômetros, cerca de 10-50 átomos de diâmetro, e têm uma ampla gama de aplicações, incluindo células solares, LEDs e iluminação de estado sólido, displays, fotovoltaicos, transistores, comutadores ópticos ultrarrápidos, portas lógicas, marcação biológica fluorescente, computação quântica, imageamento médico, biossensores e mais.

O estudo mais recente foi publicado na Nature Photonics e envolveu pesquisadores do ICFO, Instituto de Ciências Fotônicas, que realiza experimentos em sistemas de comunicação clássica e quântica, e da QURV, spin-off do ICFO que desenvolve tecnologias de sensores de imagem de amplo espectro para possibilitar aplicações avançadas de visão computacional.

O estudo apresentou um novo método para fabricar pontos quânticos coloidais não tóxicos que são funcionais, de alta qualidade e integráveis com a tecnologia CMOS. CMOS é a tecnologia mais amplamente usada hoje na chip ou microchip indústria para formar circuitos integrados (ICs). Essa tecnologia de semicondutor é usada pelos CPUs e smartphones mais recentes.

Ao integrar CQDs com CMOS, a faixa SWIR pode ser acessada, embora haja uma barreira para transformar esses pontos quânticos sensíveis ao SWIR em uma tecnologia que possa ser usada comercialmente. Isso se deve à presença de metais pesados como chumbo ou mercúrio, que estão sujeitos a regulamentações pela Restrição de Substâncias Perigosas (RoHS), uma norma europeia que regula o uso desses materiais em aplicações comerciais de eletrônicos de consumo.

Enquanto a equipe explorava maneiras de sintetizar nanocristais de AgBiTe2 ou telureto de prata e bismuto para ampliar a cobertura da tecnologia AsBiS2 com o objetivo de aumentar o desempenho de dispositivos fotovoltaicos, eles adquiriram um subproduto durante o processo, que era telureto de prata (Ag2Te).

Ag2Te demonstrou uma forte absorção confinada quântica, muito semelhante a pontos quânticos, que é ajustável. Quando a equipe percebeu o potencial do telureto de prata para fotodetectores e sensores de imagem SWIR, eles mudaram seu foco e esforços para desenvolver um novo processo de síntese de versões sem fósforo desses pontos quânticos de Ag2Te. O fósforo foi na verdade encontrado como prejudicial às propriedades optoeletrônicas dos pontos quânticos relevantes para a fotodetecção.

Para sintetizar pontos quânticos de Ag2Te ou telureto de prata que não contenham fósforo e sejam ajustáveis em tamanho, o estudo utilizou um novo método que também manteve as propriedades vantajosas dos equivalentes de metais pesados tradicionais, o que lançou as bases para a tecnologia de pontos quânticos coloidais SWIR para produção em larga escala.

No novo método sintético, os pesquisadores usaram complexos sem fósforo, como precursores de prata e telúrio. Isso permitiu obter pontos quânticos com distribuição de tamanho bem controlada e picos excitônicos em uma faixa muito ampla do espectro. Esses pontos quânticos mostraram desempenhos notáveis. Comparado à fabricação anterior de pontos quânticos usando técnicas baseadas em fósforo, a equipe alcançou um feito sem precedentes na forma de picos excitônicos distintos acima de 1500 nm.

Usando esses pontos quânticos sem fósforo, a equipe então criou um fotodetector simples em escala de laboratório sobre um substrato de vidro coberto com Óxido de Estanho Indiano (ITO), que é um padrão comum, a fim de avaliar suas propriedades e desempenho. 

A equipe então teve uma “tarefa desafiadora” de reverter a configuração do dispositivo, já que os dispositivos em escala de laboratório operam iluminando a partir da parte inferior.

“Para pilhas de CQD integradas em CMOS, a luz vem de cima, enquanto a parte inferior do dispositivo é ocupada pela eletrônica CMOS.” 

O fotodiodo inicialmente demonstrou baixo desempenho na detecção de luz SWIR, então a equipe fez ajustes para incluir uma camada de buffer, o que melhorou significativamente seu desempenho. O redesign resultou em um fotodiodo SWIR demonstrando uma faixa espectral de 350 nm a 1600 nm. Enquanto isso, a faixa dinâmica linear ultrapassou 118 dB, e a largura de banda de -3 dB excedeu 110 kHz. O fotodiodo SWIR também apresentou uma detectividade em temperatura ambiente da ordem de 1012 Jones.

“Até onde sabemos, os fotodiodos relatados aqui foram, pela primeira vez, fotodiodos de infravermelho de curta onda processados por solução e não tóxicos, com métricas comparáveis às de outros equivalentes contendo metais pesados.”

– disse o Prof. ICREA do ICFO, Gerasimos Konstantatos. 

Adicionando mais, ele disse:

“Esses resultados reforçam ainda mais o fato de que os pontos quânticos de Ag2Te surgem como um material promissor compatível com RoHS para aplicações de fotodetectores SWIR de baixo custo e alto desempenho.”

Casos de Uso Reais Potenciais dos Sensores de Imagem SWIR

Após os pesquisadores do ICFO Lucheng Peng, Aditya Malla e Wang, liderados por Konstantatos, desenvolverem com sucesso um fotodetector baseado em pontos quânticos livre de metais pesados, eles colaboraram com os pesquisadores da Qurv Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black e Julien Schreier para criar um sensor de imagem SWIR.

Falando sobre o desenvolvimento de fotodetectores infravermelhos de alto desempenho e um sensor de imagem SWIR baseado em pontos quânticos coloidais não tóxicos operando à temperatura ambiente, os pesquisadores observaram que então integraram o fotodetector redesenhado com um ROIC (circuito integrado de leitura) baseado em CMOS (componente principal das câmeras e posicionado atrás dos fotodetectores) FPA.

Para comprovar o funcionamento do sensor no SWIR, ele foi testado tirando várias fotos da transmissão de wafers de silício sob a luz. A equipe também conseguiu ver o conteúdo de garrafas plásticas que não eram observáveis no espectro de luz visível.

Isso não é tudo, porém. No próximo passo, a equipe está interessada em melhorar o desempenho do fotodiodo engenheirando as diferentes camadas do dispositivo. Além disso, os pesquisadores pretendem investigar novas químicas de superfície para pontos quânticos de telureto de prata para não apenas amplificar seu desempenho, mas também melhorar sua estabilidade ambiental.

Por enquanto, porém, a capacidade do sensor de acessar o SWIR com uma tecnologia de baixo custo para eletrônicos de consumo, segundo Konstantatos:

“Desencadeará o potencial desta faixa espectral com uma enorme variedade de aplicações, incluindo sistemas de visão aprimorados para a indústria automotiva (carros) permitindo visão e condução sob condições climáticas adversas.”

Além das aplicações automotivas, ele observou que também poderia fornecer uma janela segura para os olhos, livre de luz de fundo tanto em condições diurnas quanto noturnas, possibilitando LiDAR e imageamento 3D para aplicações de realidade aumentada (AR) e realidade virtual (VR) também.

No campo da robótica, esses sensores podem ser particularmente úteis para detecção de objetos e navegação devido à sua capacidade de capturar imagens através de certos materiais e em condições de baixa luminosidade. Dessa forma, podem melhorar a percepção do ambiente para robôs, permitindo que naveguem de forma mais eficaz. Além disso, esses sensores também podem ser usados para evitar obstáculos mesmo em completa escuridão, ajudando ainda mais a garantir navegação segura.

Desenvolvimento e Integração de Tecnologias Infravermelhas

FLIR Systems, que faz parte da Teledyne Technologies (TDY ), é uma empresa que tem trabalhado no desenvolvimento e integração de tecnologias infravermelhas como sensores SWIR em robótica. No final de 2023, a Teledyne revelou o ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) na exposição Defence Security and Equipment International em Londres. 

Em desenvolvimento por quase cinco anos, frequentemente em cooperação com o Ministério da Defesa da Noruega, o dispositivo foi projetado para ser lançado autonomamente. Ele envia imagens ao vivo e informações de alvo de volta às equipes dos veículos e pode ser usado para varredura de minas, inspeções sob pontes e dispositivos explosivos improvisados. Também possui reconhecimento de alta precisão, vigilância e aquisição de alvos e pode realizar operações sem GPS. Para garantir precisão “muito alta”, o dispositivo usa um sistema de rastreamento proprietário que utiliza tecnologia LED com uma câmera SWIR.

Outras empresas que lideram o setor incluem Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group e Sony.

Agora, em Veículos Elétricos (EVs), o sensor de imagem SWIR pode melhorar seus sistemas de visão ao fornecer imagens confiáveis para permitir condução mais eficiente e segura sob condições adversas. Esses sensores também podem contribuir para o desenvolvimento de sistemas de visão noturna e ajudar a reconhecer e distinguir objetos em diferentes cenários de iluminação, sendo benéfico para sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS), que estão sendo cada vez mais usados em veículos autônomos (AVs) para melhorar a segurança nas estradas.

Tecnologias de Detecção para a Indústria Automotiva

Luminar Technologies é uma empresa que trabalha com tecnologias de detecção para a indústria automotiva, especialmente tecnologia LiDAR. O fabricante de LiDAR dos EUA planeja lançar 1 milhão de carros equipados com Luminar na China nos próximos cinco anos.

A empresa pública tem um valor de mercado de 1,657 bilhões, com suas ações negociando a $3.23, queda de cerca de 3% no ano. A empresa tem uma receita (TTM) de $58.791 milhões, EPS (TTM) de -1.50 e P/E (TTM) de -2.17.

Enquanto isso, empresas como Tesla (TSLA ), Grupo VW, GM, Grupo BMW e Hyundai Motor lideram a indústria de EVs.

Realidade Aumentada e Realidade Virtual

Agora, no mundo da AR e VR, onde a percepção de profundidade precisa e o reconhecimento de objetos são essenciais, esses sensores SWIR podem ser muito benéficos para proporcionar experiências de AR e VR mais imersivas. Eles podem ainda ser utilizados para manter a qualidade da imagem em ambientes desafiadores e permitir que aplicações de AR sobreponham informações digitais à visão do usuário mesmo quando os objetos não são diretamente visíveis no espectro de luz visível. Sendo uma tecnologia de baixo custo, ao integrar sensores de imagem SWIR em dispositivos de consumo, eles podem ser disponibilizados a um amplo público, levando a novas aplicações e experiências.

Sony é um nome de destaque no mundo da realidade aumentada e utiliza sensores de imagem, incluindo a tecnologia CMOS. Há alguns meses, Sony anunciou o sensor de imagem SWIR IMX992 com 5.32 megapixels efetivos e tamanho de pixel de 3.45 μm para equipamentos industriais. Para capturar luz de forma eficiente, o sensor vem com uma estrutura de pixel otimizada que permite imageamento em alta definição em todo o espectro. 

Com um valor de mercado de $115 bln, as ações da SONY estão negociando a $91.22. A empresa registrou receita (TTM) de $84.834 bln e tem EPS (TTM) de 4.72, P/E (TTM) de 19.33 e ROE (TTM) de 12.45%. A Sony também paga um rendimento de dividendos de 0.61%.

Outros nomes proeminentes neste campo incluem Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ) e Unity.

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Conclusão

Como vimos, a sensibilidade dos sensores CMOS SWIR à luz no espectro infravermelho de curta onda permite que capturem imagens além do alcance dos sensores de luz visível tradicionais, o que os torna valiosos em aplicações onde a visibilidade através de certos materiais ou em condições de baixa iluminação é crítica. 

Dessa forma, pode proporcionar desempenho e confiabilidade sem precedentes em aplicações de visão computacional em grande volume em diferentes indústrias, como automotiva, robótica de serviço, AR, VR e mercados de eletrônicos de consumo. No futuro, à medida que a tecnologia continua a avançar, a integração desses sensores pode se expandir para outras áreas, como a exploração espacial, também.