CN105979178A

CN105979178A - 一种用于环境监控的自供电图像传感器

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Publication number: CN105979178A
Application number: CN201610488901.9A
Authority: CN
Inventors: 严媚; 余浩; 刘旭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2016-09-28

Abstract

本发明公开了一种用于环境监控的自供电图像传感器，包括一种既可采集并利用光能又可图像传感的双模式像素单元电路和对应的电源管理电路,这种CMOS图像传感器芯片能够在光能收集模式和图像传感成像模式之间切换,电源管理电路能够高效率控制传感器的电源电压和辅助切换传感器的工作模式，根据收集到的电能多少选择片内或片外电源，实现了图像传感器的自供电。这种可采集并利用光能的低功耗图像传感器可以显著提高器件的工作寿命，并且与CMOS工艺兼容，成本低。

Description

一种用于环境监控的自供电图像传感器

技术领域

本发明具体涉及一种用于环境监控的自供电图像传感器，属于图像传感器技术领域。

背景技术

过去几十年的气候变化和人类的工业化活动直接或间接引起了地球环境变化和环境污染。持续监测环境污染，例如定期检测环境和空气中危害人类健康的颗粒物、沙尘、和观测能见度等变得非常必要。图像传感器可以对环境进行监控，获取环境数据并进行存储和传送。但是，如何增加这种传感器的使用寿命是环境监控的一个挑战，因为传感器大多被安装放置在郊区或高空等不方便人工更换电池的地方。在环境长期监控的过程中，传感器会不断消耗电能，而经常检查和更换电池会使人工成本增高，特别是偏远地区的传感器人工维护成本大大提高。因此，提高电源使用效率并延长电源使用寿命是必需的。CMOS图像传感器中的集成光电二极管既可以传感光信号也可以从周围光源中收集能量，因此可以把环境中的光能转为电能存储起来并给芯片提供电能。一个基于这种光电二极管复用的可以收集周围光能的图像传感器可以显著提高传感器的电源使用寿命。目前，传统的基于PN结的传感器像素设计虽然可以实现采集图像和收集光能，但是，PN结上的漏电很大程度上降低了能量收集的效率。本发明提出的基于CMOS的图像传感器在像素单元电路中利用额外的CMOS光电二极管和开关控制，实现图像传感模式和光能收集模式的切换，并且采用背照式CMOS工艺进行像素单元电路设计，使图像传感器不但可以自供电，还提高了收集能量的光电转换效率。本发明提出的这种包含双模式像素单元电路的自供电图像传感器可以增加环境监控器件的使用寿命，避免频繁电源检查和更换操作，降低了成本。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对郊外或不便于更换图像传感器电源的情况，用发明的可自供电的图像传感器吸收光能，从而延长传感器的电源使用寿命。发明主要包括一个适用于图像传感和吸收光能的双模式像素单元电路，在传感器处于空闲状态时通过吸收光能来转化成电路所需的电能；还包括一个电源管理电路，实现供电模式的切换。因此，提出的自供电式CMOS图像传感器能很大程度的增加电源使用寿命，并降低成本，实现在郊外或偏远地区对于环境数据的长期监控。

技术方案

本发明的目的是通过如下的措施来达到的：

A.双模式像素单元电路

图1为可进行图像采集和能量收集的双模式像素单元电路。复位晶体管103、源极跟随晶体管104、第一开关晶体管105和第一光电二极管101组成一个传统的3T结构像素单元电路，即第一开关晶体管105的栅极与行选择控制信号SEL相连，其源极与列位线COL相连,复位晶体管103的栅极与复位信号RST相连，其漏极与电源信号VAA相连，其中第一开关晶体管105的源极节点即为图像传感的信号输出端。在此传统的3T结构上加入一个额外的采能光电二极管102和第二开关晶体管106，形成了新的双模式像素单元电路。电源管理电路100的输入端通过第一能量采集使能开关晶体管107与所有双模式像素单元电路中的采能光电二极管102的正极相连。电路工作状态由双模式像素单元电路内的第二开关晶体管106和传感器第一能量采集使能开关晶体管107和第二能量采集使能开关晶体管108的状态来决定，通过使能控制信号EH可实现传感器光能采集模式和图像传感模式的切换。

当EH信号为逻辑高电平，第二开关晶体管106导通，与采能光电二极管102正端相连的第一能量采集使能开关晶体管107也导通，第一光电二极管101两端短接到地(GND)，此时为能量收集模式。在能量收集模式下，采能光电二极管102接收光照产生反向电流经过第一能量采集使能开关晶体管107为电源管理电路100中的储能电容充电，这部分收集和储存的电能将代替电池给传感器供电。当电源管理电路中的储能电容被充满后，控制信号EH变为逻辑低电平，第二开关晶体管106和第一能量采集使能开关晶体管107截止，此时电路被切换到图像传感模式。在图像传感模式下，第一光电二极管101和采能光电二极管102同时检测光信号强弱，并把反向光生电流在这两个光电二极管的共同正端节点上转换成的电压通过源极跟随晶体管104和第一开关晶体管105输出到COL总线，通过外接模数转换器进行数据转换输出。输出电压的大小与这个像素点的光强成正比。

B.电源管理电路

与双模式像素单元电路相连的电源管理电路100如图2所示，包括最大电源点跟踪模块304、泵压器模块309、调节器模块311和电源管理决策模块317。

当传感器中所有像素单元切换到能量收集模式后，传感器上的所有采能光电二极管102组成了一个大的光生电流源，通过最大电源点跟踪模块304中的第一迟滞比较器303的正输入端口(V_SOLAR)向电源管理电路100进行充电。最开始电感308上的电流为0，V_SOLAR电压等于最大电源点跟踪模块304中第一迟滞比较器303负输入端的通过分压电阻301连接到的导航电压源提供的参考电压V_PILOT。V_PILOT在分压电阻301和可调电阻302分压后，最大电源点跟踪模块304中第一迟滞比较器303的负端节点V_MPP的电压小于正端电压V_SOLAR，第一迟滞比较器303输出电压V_CNT为逻辑高电平，从而控制泵压器模块309中的第四开关晶体管305和第五开关晶体管306导通，第六开关晶体管307截止。此时所有光生电流通过泵压器模块309中的电感308流到地(GND)，当电感308中通过电流后，V_SOLAR电压慢慢下降。当V_SOLAR电压下降到低于V_MPP+V_h(V_h是迟滞比较器303的迟滞电压)时，比较器输出V_CNT变为逻辑低电平并控制第四开关晶体管305和第五开关晶体管306截止、第六开关晶体管307导通。由于电感308中的电流不能突变，此时电感上的电流将流向泵压器模块309的输出端(V_OUT)，即第六开关晶体管307的漏极，并存储在储能电容312中。由于第四开关晶体管305截止，V_SOLAR端的电压因为像素单元电路中光电二极管的电流继续充电而慢慢上升，当电压V_SOLAR大于V_MPP+V_h时，第一迟滞比较器303的输出又变为高电平，第四第五开关晶体管305和306导通、第六开关晶体管307截止，此时光生电流又通过电感308流到地。就这样不断重复上述过程，储能电容312不断被充电，电容上的电压(V_OUT)逐渐升高，当V_OUT电压大于电源管理决策模块317中第二迟滞比较器314的正极输入端的电池电压V_BATT+V_h(V_h是第二迟滞比较器314的迟滞电压)时，第二迟滞比较器314输出逻辑低电平，通过电源管理决策模块317中的第一反相器318使V_STRT信号变为逻辑高电平，此时第七开关晶体管316截止、第八开关晶体管315导通，传感器电源管理决策模块317的供电电压(V_AA)短接到储能电容312上。这样，储能电容312上收集的电能将为图像传感器电路供电。

当传感器进入图像传感模式，储能电容312中收集的电能被慢慢消耗，电容312上的电压(V_OUT)慢慢下降。一旦V_OUT降低到小于V_BATT-V_h，电源管理决策模块317中的第二迟滞比较器314输出变为逻辑高电平，第七开关晶体管316导通、第八开关晶体管315截止，此时传感器的电源线(V_AA)又被短接到电池电压(V_BATT)，暂时由电池电压(V_BATT)供电。电源管理决策模块317等待下次储能电容312再被充满时将会再次切断电池(V_BATT)并由电容312上存储的电能给图像传感器供电。

电源管理电路中的调节器模块311是为了调节储能电容312上的电压(V_OUT)大小。在传感器收集光能并转化成光生电流充电时，电容312上的电压(V_OUT)不断提高，当V_OUT大于调节器模块311中调节P型晶体管310的栅极电压(V_REF)和其阈值电压(V_t)之和时，多余的光电电流将通过调节器模块311中的调节P型晶体管310流向地。这样通过晶体管310的电流电压调节，使储能电容312上的电压(V_OUT)稳定在(V_REF+V_t)左右，所以可以进一步通过改变晶体管310的栅极电压(V_REF)来调节传感器期望的供电电压值。

C.背照式CMOS工艺

在普通的CMOS工艺中，用于制作光电二极管的硅衬底和N型掺杂井位于器件的最底层，二氧化硅和金属走线分布在中间层，位于最上方的传感器表面是氮化硅钝化层。光线通过层层折射和反射，到达底层光电二极管时已经损失了很多能量，因此光电转换效率较低。本发明使用的背照式CMOS工艺如图3所示，光电二极管B5所在的硅衬底B4和N井B10置于器件的表面顶层，二氧化硅和金属层B8在底部。这种背照式CMOS工艺制作的接触式图像传感器可以使入射光B1直接照在器件靠近表面的光电二极管上，从而可以吸收更多的光能，更高效地转化为电能，增加传感器电源的使用寿命。

有益效果

针对用于环境监控的图像传感器，本发明的自供电图像传感器提高了光电转换效率。图像传感器中包含的一种既可以传感光强信号又可以收集光能的双模式像素单元电路，使传感器可以收集并利用周围环境中的光能，从而大大延长了传感器的电源使用寿命。同时，本发明采用背照式CMOS工艺设计的图像传感器具有更高的光电转换效率，可以让传感器以更高的效率把光能并转化成电能，进一步延长了传感器的电源使用寿命。因此，发明的背照式自供电CMOS图像传感器可以放置在偏远的郊区或高空进行环境长期监控，不需要频繁的人工检测或人工维护，降低了成本，易于操作。

此外，自供电图像传感器不仅仅局限于应用在环境监控，还可以使用在其他的应用领域例如生物细胞观测、交通监控等。

附图说明

1、图1为双模式像素单元电路图：进行光能收集和图像传感；

2、图2为传感器中的电源管理电路图；

3、图3为传感器制造工艺：背照式(BSI)CMOS工艺示意图。

4、图4为自供电图像传感器***框图。

其中：100为传感器中与双模式像素单元电路相连的电源管理电路模块；101为传感器双模式像素单元电路中的第一光电二极管；102为额外增加的采能光电二极管；103为电压复位晶体管；104为源极跟随晶体管；105为第一开关晶体管；106为第二开关晶体管；107为第一能量采集使能开关晶体管；108为第二能量采集使能开关晶体管；

301为分压电阻；302为可调电阻；303为第一迟滞比较器；304为最大电源点跟踪模块；305为第四开关晶体管；306为第五开关晶体管；307为第六开关晶体管；308为电感；309为泵压器模块；310为调节P型晶体管；311为调节器模块；312为储能电容；313为接地电阻；314为第二迟滞比较器；315为第八开关晶体管；316为第七开关晶体管；317为电源管理决策模块；318为第一反相器；319为第二反相器；320为缓冲器；

B1为环境周围光源；B2为环境中需要监控的物体或颗粒；B3为物体阴影；B4为背照式工艺中的硅衬底层；B5为形成光电二极管所在区域；B6为N型掺杂扩散区；B7为晶体管栅极区域；B8为金属层；B9为N型重掺杂区；B10为N井；B11为N型重掺杂区；

200为像素阵列；201为寄存器与数字控制模块；202为行译码器；203为偏置电路和斜坡发生器模块；204为上方读出电路；205为电源管理电路；206为下方读出电路；207为列偏置和列选择模块；208为列解码和灵敏放大器模块；209为列级模数转换器；

210为比较器；211为计数器；212为静态存储器；213为双模式像素单元电路。

具体实施方式

根据前述发明内容，通过台湾积体电路制造股份有限公司(TSMC)的背照式(BSI)CMOS工艺，即光电二极管所在的硅衬底和N井置于器件的表面顶层，二氧化硅和金属层在底部，流片制造一块大阵列的图像传感器芯片。自供电图像传感器的电路设计可以采用图4中的***结构框图。

结构图的中间部分200是上万个双模式像素单元电路213组成的大阵列。电源管理电路205决定传感器的工作模式，分别控制图像传感器进行光能吸收存储或图像传感。在光能存储模式下，阵列中所有双模式像素单元电路213都将光电二极管产生的光电流传输到电源管理电路205实现电能采集存储和自供电。将在图像传感模式下，所有的像素在行解码器202和列解码器207控制下被逐行读取。行解码器和行驱动器202循序地处理每一行，列解码器207循序地控制扫描2056列像素的输出。上下读取电路204和206中每一列对应有一个10位的单斜式的模数转换器209将结果转换成数字编码的输出，和图像中像素点的光强大小值相对应。这个模数转换器209由比较器210、计数器211、静态存储器212和斜坡发生器203组成。201是一个全局静态寄存器，可以设置传感器的工作模式。电源管理电路205给芯片提供需要的电源电压。传感器芯片通过外部FPGA或集成的数字电路实现控制传感器芯片的电路时序，从而决定整个***的工作模式和调整电路的所有组成。

其中，***结构框图中双模式像素单元电路213和电源管理电路205相结合实现能量收集和图像传感的工作原理如下：

在图1的双模式像素单元电路中，复位晶体管103、源极跟随晶体管104、第一开关晶体管105和第一光电二极管101组成一个传统的3T结构像素单元电路，第一开关晶体管105的源极节点即为图像传感的信号输出端。在此传统的3T结构上加入一个额外的采能光电二极管102和第二开关晶体管106，形成了新的双模式像素单元电路。电源管理电路100的输入端通过第一能量采集使能开关晶体管107与所有双模式像素单元电路中的采能光电二极管的正极相连。电路工作状态由双模式像素单元电路内的第二开关晶体管106、第一能量采集使能开关晶体管107、和第二能量采集使能开关晶体管108的状态来决定，通过使能控制信号EH可实现传感器光能采集模式和图像传感模式的切换。

当EH信号为逻辑高电平，第二开关晶体管106和第一能量采集使能开关晶体管107导通，第一光电二极管101两端短接到地(GND)，此时为能量收集模式。在能量收集模式下，采能光电二极管102接收光照产生反向电流为电源管理电路100中的储能电容充电，这部分收集和储存的电能将代替电池给传感器供电。当电源管理电路中的储能电容被充满后，控制信号EH变为逻辑低电平，第二开关晶体管106和第一能量采集使能开关晶体管107截止，此时电路被切换到图像传感模式。在图像传感模式下，第一光电二极管101和采能光电二极管102同时检测光信号强弱，并把反映光强的电压通过源极跟随晶体管104和第一开关晶体管105输出到COL总线，通过外接模数转换器进行数据转换输出。输出电压的大小与这个像素点的光强成正比。

当传感器中所有像素单元切换到能量收集模式后，传感器上的所有采能光电二极管组成了一个大的光生电流源，通过图2所示的电源管理电路中最大电源点跟踪模块304的正输入端口(V_SOLAR)向电源管理电路进行充电。最开始电感308上的电流为0，V_SOLAR电压等于最大电源点跟踪模块304负输入端的参考电压V_PILOT。V_PILOT在分压电阻301和可调电阻302分压后，最大电源点跟踪模块304中第一迟滞比较器303的负端节点V_MPP的电压小于正端电压V_SOLAR，第一迟滞比较器303输出电压V_CNT为逻辑高电平，从而控制泵压器模块309中的第四开关晶体管305和第五开关晶体管306导通，第六开关晶体管307截止。此时所有光生电流通过泵压器模块309中的电感308流到地(GND)，当电感308中通过电流后，V_SOLAR电压慢慢下降。当V_SOLAR电压下降到低于V_MPP+V_h(V_h是迟滞比较器303的迟滞电压)时，比较器输出V_CNT变为逻辑低电平并控制第四开关晶体管305和第五开关晶体管306截止、第六开关晶体管307导通。由于电感308中的电流不能突变，此时电感上的电流将流向泵压器模块309的输出端(V_OUT)并存储在储能电容312中。由于第四开关晶体管305截止，V_SOLAR端的电压因为像素单元电路中光电二极管的电流继续充电而慢慢上升，当电压V_SOLAR大于V_MPP+V_h时，第一迟滞比较器303的输出又变为高电平，第四第五开关晶体管305和306导通、第六开关晶体管307截止，此时光生电流又通过电感308流到地。就这样不断重复上述过程，储能电容312不断被充电，电容上的电压(V_OUT)逐渐升高，当V_OUT电压大于电源管理决策模块317的正极输入端的电池电压V_BATT+V_h(V_h是第二迟滞比较器314的迟滞电压)时，第二迟滞比较器314输出逻辑低电平，通过第一反相器318使V_STRT信号变为逻辑高电平，此时第七开关晶体管316截止、第八开关晶体管315导通，传感器电源管理决策模块317的供电电压(V_AA)短接到储能电容312上。这样，储能电容312上收集的电能将为图像传感器电路供电。

在流片制造后，图像传感器芯片进行封装，通过封装模块的引脚插口，把可自供电的图像传感器芯片焊接到一个特别设计的印刷电路板(PCB)上。然后将PCB连接到Xilinx公司Virtex-6FPGA开发板上，该设计的开发版给传感器芯片提供电源和数字时序控制信号。

数据输出过程：在传感器芯片的像素单元电路中，环境监控物体或颗粒图像对应的像素点光强大小的通过光电转换产生的电压需要输出到读取电路。阵列中这些像素点的电压首先一行一行逐次被读取电路中的列级采样电路采集和保持，之后这些电压信号被列级ADC转换成数字信号，数据逐列被读出。每一帧被传感器逐行逐列读出的数据由上万个10位的二进制数组成一个数组，在基于MATLAB的图形用户界面还原成图像。

计算机的基于MATLAB的图形用户界面(GUI)计算并显示出环境图像数据。利用计算机图像识别和算法进一步实现环境数据分析。

在本发明实例中，图像传感器芯片中读取像素单元电路输出电压的模数转换器是列级单斜式模数转换器(ADC)，即每一列对应有一个单斜式ADC。传感器芯片的读取电路还可由其它类型的ADC如过采样式ADC、逐次逼近式ADC等实现。此外，在传感器芯片内部读出***结构上，本实例采用列级读取，也可以使用其它***结构实现读取比如全局ADC，即使用一个ADC完成读取所有像素单元电路的输出数据。

由此，通过使用背照式CMOS工艺制造的自供电图像传感器芯片并利用其中的双模式像素单元电路和电源管理电路，实现图像传感器芯片在郊区或高空进行长期环境监控并吸收周围的光能，避免了频繁地更换电源，降低了人工和维护成本。

Claims

1.一种用于环境监控的自供电图像传感器，其特征在于，包括双模式像素单元电路和电源管理电路(100),电源管理电路(100)的输入端通过第一能量采集使能开关晶体管(107)与所有双模式像素单元电路中的采能光电二极管(102)的正极相连，其中双模式像素单元电路包括：

(1)在用于图像传感的复位晶体管(103)、源极跟随晶体管(104)、第一开关晶体管(105)，和第一光电二极管(101)所组成的像素读出单元电路基础上，增加采能光电二极管(102)和第二开关晶体管(106),第一开关晶体管(105)的栅极与行选择控制信号SEL相连，其源极与列位线COL相连,复位晶体管(103)的栅极与复位信号RST相连，其漏极与电源信号VAA相连。第一开关晶体管(105)的源极节点即为图像传感的信号输出端。

(2)电路工作状态由双模式像素单元电路内的第二开关晶体管(106)和传感器第一能量采集使能开关晶体管(107)和第二能量采集使能开关晶体管(108)的状态来决定，通过使能控制信号EH可实现传感器光能采集模式和图像传感模式的切换；

(3)采能光电二极管(102)的正极分别通过第一能量采集使能开关晶体管(107)和第二能量采集使能开关晶体管(108)与电源管理电路(100)的输入端和地电位相连；采能光电二极管(102)和第一光电二极管(101)的负极节点相互连接，并与源极跟随晶体管(104)的栅极、第二开关晶体管(106)的漏极相连；在第二能量采集使能开关(108)导通时，采能光电二极管(102)和第一光电二极管(101)共同进行图像传感；

(4)第二开关晶体管(106)和第一能量采集使能开关晶体管(107)的栅极由同一使能信号EH控制，第二能量采集使能开关(108)由使能信号EH的互补信号控制；第二开关晶体管(106)和第一能量采集使能开关晶体管(107)导通时，采能光电二极管(102)产生的光电流进入电源管理电路(100)的输入端进行光能收集。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，电源管理电路(100)把光电流转化成电能的能量存储功能，电源管理电路(100)在电能存满之后把传感器切换到图像传感模式:

(1)电源管理电路(100)包括最大电源点跟踪模块(304)、泵压器模块(309)、调节器模块(311)和电源管理决策模块(317),其中，电源管理电路(100)的输入端V_SOLAR与最大电源点跟踪模块(304)中的第一迟滞比较器(303)的正输入端相连，同时也通过第三开关晶体管(305)与电感(308)输入端(a)相连,第一迟滞比较器(303)的负输入端分别通过分压电阻(301)和可调电阻302连接到导航电压源V_PILOT和地电位；第一迟滞比较器(303)的输出端经过缓冲器(320)连接到泵压器模块(309)中第四开关晶体管(305)、第五开关晶体管(306)、第六开关晶体管(307)的栅极；第五开关晶体管(306)的漏极连接到第六开关晶体管(307)的源极，同时也连接到电感(308)输出端(b)；第六开关晶体管(307)的漏极接入调节器模块(311)中的调节P型晶体管(310)的源极，同时与第二迟滞比较器(314)的负极输入端和储能电容(312)上极板相连；

(2)电源管理电路中的电源管理决策模块(317)中的第二迟滞比较器(314)的输出端通过第一反相器(318)接到第七开关晶体管(316)的栅极，同时也通过接地电阻(313)连接到地电位；第一反相器(318)的输出端也同时接到第二反相器(319)的输入端，第二反相器(319)的输出端连接第八开关晶体管(315)的栅极；第七开关晶体管(316)和第八开关晶体管(315)的源极都接到电源电压(V_AA)；第七开关晶体管(316)的漏极接到第二迟滞比较器(314)的正极输入端(V_BATT)。

3.根据权利要求1中的传感器，其特征在于，图像传感的信号输出端即第一开关晶体管(105)的源极节点通过外接模数转换器进行数据转换输出。