能量收集图像传感器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种传感器系统。传感器系统包括像素阵列、DC/DC转换器和光电二极管堆叠。像素阵列被配置成在图像捕获模式或能量收集模式下操作。DC/DC转换器被配置成在处于能量收集模式时转换由像素阵列捕获的能量。光电二极管堆叠邻近于像素阵列定位，并被配置成向DC/DC转换器供电。DC转换器供电。DC转换器供电。

【技术实现步骤摘要】
能量收集图像传感器系统
[0001]相关申请的交叉引用本申请要求2019年8月20日提交的美国临时申请序列号62/889,487的的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。


[0002]本专利技术总体上涉及一种经由图像传感器系统来收集能量的系统和方法。

技术介绍

[0003]在具有图像传感器的能量收集系统中，自供电图像传感器的电源轨必须在其可以开始捕获图像之前被充电到所需的操作电压。期望使用DC-DC转换器来从入射光生成供电轨。然而，操作DC-DC转换器也需要稳定的供电轨。常常使用小型可充电电池、电容器或其他电荷存储装置来冷启动系统。

技术实现思路

[0004]传感器系统包括像素阵列、DC/DC转换器和光电二极管堆叠。像素阵列被配置成在图像捕获模式或能量收集模式下操作。DC/DC转换器被配置成在处于能量收集模式时转换由像素阵列捕获的能量。光电二极管堆叠邻近于像素阵列定位，并被配置成向DC/DC转换器提供功率。
[0005]传感器系统包括像素阵列和光电二极管堆叠。像素阵列被配置成在图像捕获模式或能量收集模式下操作。光电二极管堆叠与像素阵列以单片的方式集成，并且邻近于像素阵列定位。光电二极管堆叠被配置成提供电压以向DC/DC转换器供电，该DC/DC转换器被配置成在处于能量收集模式时转换由像素阵列捕获的能量。
[0006]传感器系统包括图像区域，该图像区域包括被配置成在图像捕获模式或能量收集模式下操作的像素阵列，以及被配置成提供电压以给DC/DC转换器供电的一个或多个辅助光电二极管，该DC/DC转换器被配置成在处于能量收集模式时转换由像素阵列捕获的能量。
附图说明
[0007]图1是电池供电的传感器节点的框图。
[0008]图2是能量收集传感器节点的框图。
[0009]图3是示例性能量收集图像传感器节点的框图。
[0010]图4是由图像传感器像素供电的能量收集系统的框图。
[0011]图5是使用带有乒乓迟滞控制的开关电容器（SC）升压转换器的输出电压调节器的框图。
[0012]图6是用于图5所示的SC升压转换器的乒乓迟滞控制的控制信号的图形图示。
[0013]图7是非重叠时钟相位发生器的框图。
[0014]图8是图7的非重叠时钟相位发生器的控制和中间信号的图形图示。
[0015]图9是使用带有功率门控缓冲器的交错振荡器的时钟发生器的框图。
[0016]图10是缓冲高速环形振荡器的框图。
[0017]图11是缓冲高速电流饥饿型环形振荡器的框图。
[0018]图12A是具有频率无关延迟的第一示例性非重叠两相时钟发生器的框图。
[0019]图12B是具有频率无关延迟的第二示例性非重叠两相时钟发生器的框图。
[0020]图13是具有交错环形振荡器的两相时钟发生器的框图。
[0021]图14是具有功率门控缓冲器的交错电流饥饿型环形振荡器的框图。
[0022]图15是具有功率门控缓冲器和非门控缓冲器的交错电流饥饿型环形振荡器的框图。
[0023]图16是基于状态机的多个非重叠时钟相位发生器的框图。
[0024]图17是能量收集系统的框图。
[0025]图18是控制开关频率或占空比的最大输出功率跟踪调节器的框图。
[0026]图19是控制开关频率或占空比的最大输入功率跟踪调节器的替代实施例的框图。
[0027]图20是开关频率调节器的系统模型示意图。
[0028]图21是带有开关电容器转换器、最大输出功率跟踪调节器和乒乓迟滞控制器的调节器的框图。
[0029]图22是带有开关电容器转换器和乒乓迟滞控制的调节器的输出电压相对于时间的图形表示。
[0030]图23A是迟滞控制器的示意图。
[0031]图23B是输出电压和控制信号相对于时间的图形表示。
[0032]图24A是乒乓迟滞控制器的示意图。
[0033]图24B是输出电压和控制信号相对于时间的图形表示。
[0034]图25是用以最小化输出电容器充电时间的爬山算法的流程图。
[0035]图26是充电时间和开关频率相对于时间的图形表示。
[0036]图27是异步最大输出功率跟踪电路的框图。
[0037]图28是使用最大功率点跟踪的系统的测量峰值效率和跟踪效率相对于时间的图形表示。
[0038]图29是具有外围二极管的图像传感器的透视图，所述外围二极管被配置成捕获邻近于图像视场的光。
[0039]图30是辅助能量收集二极管的框图，所述二极管被配置成经由带有低频（LF）振荡器的DC-DC转换器为系统加电。
[0040]图31是使用带有高频（HF）振荡器的DC-DC转换器的能量收集模式下的图像传感器的框图。
[0041]图32是邻近于图像传感器布置的二极管堆叠的示意图。
[0042]图33是被配置成捕获光的两个半导体结构的实施例的截面图。
[0043]图34是被配置成捕获光的两个半导体结构的替代实施例的截面图。
[0044]图35是具有外围二极管的图像传感器节点的示意图，所述外围二极管捕获用于自供电能量收集器的冷启动序列的邻近的光。
[0045]图36是具有用于上电复位（POR）的内置参考阈值的比较器的示意图。
[0046]图37是迟滞比较器的示意图，其中参考电压由隔离光电二极管生成。
[0047]图38是使用外围二极管的冷启动图像传感器的测量电压和逻辑电平相对于时间的图形表示。
[0048]图39是基于相对于时间的图像捕获速率的典型图像传感器应用的图形表示。
具体实施方式
[0049]根据需要，本文公开了本专利技术的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本专利技术的示例，本专利技术可以以各种和替代形式来实施。这些图不一定是按比例的；一些特征可能被放大或缩小以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本专利技术的代表性基础。
[0050]术语“基本上”在本文中可用来描述所公开或要求保护的实施例。术语“基本上”可修饰在本公开中所公开或要求保护的值或相对特性。在这种情况下，“基本上”可表示它修饰的值或相对特性在所述值或相对特性的
±
0%、0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%或10%之内。
[0051]使用采用能量收集技术的分布式传感器节点可提高电池寿命和形状因子。使用传感器自身作为能量收集元件是进一步降低这种节点的成本和占地面积的有吸引力的选项。CMOS图像传感器是像素阵列可以被重新配置以收集入射光的一个示例。包括仓库库存跟踪和结构故障检测在内的若干应用可以以慢的速率捕获图像，诸如每2-5分钟一次，并且因此与超低能量收集功率电平兼容。然而，这种电路配置的关键挑战是要确保在很宽的光强范围内的稳健的冷启动和高效的操作。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种传感器系统，包括：像素阵列，其被配置成在图像捕获模式或能量收集模式下操作；DC/DC转换器，其被配置成在处于能量收集模式时转换由所述像素阵列捕获的能量；和邻近于所述像素阵列定位的光电二极管堆叠，其被配置成向所述DC/DC转换器提供功率。2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述光电二极管堆叠和像素阵列被以单片的方式集成。3.根据权利要求2所述的传感器系统，其中，所述光电二极管堆叠具有至少2个串联耦合的二极管。4.根据权利要求3所述的传感器系统，其中，所述光电二极管堆叠是串联耦合的九个二极管。5.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述DC/DC转换器是升压转换器。6.根据权利要求1所述的传感器系统，还包括透镜，所述透镜被配置成将光聚焦到所述像素阵列和光电二极管堆叠上。7.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述光电二极管堆叠围绕所述像素阵列。8.根据权利要求1所述的传感器系统，还包括具有内置参考发生的比较器，所述参考发生被配置成输出指示所述光电二极管堆叠中的二极管两端的电压越过阈值的信号。9.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述像素阵列是4-T像素阵列。10.一种传感器系统，包括：像素阵列，其被配置成在图像捕获模式或能量收集模式下操作；和光电二极管堆叠，其邻近于所述像素阵列定位且与其以单片的方式集成，所述光电二极管堆叠被配置成提供电压以向DC/DC转换器供电，所述DC/DC转换器被配置成在处于能量收集模式时转换由所述像素阵列捕获的能量。11.根据权利要求10所述的传感器系统，其中，所述像素阵列是4-T像素阵列。12.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：