Projet pluridisciplinaire CURVACE CURVed Artificial Compound Eyes Godiot

Projet pluridisciplinaire CURVACE CURVed Artificial Compound Eyes Godiot Stéphanie, Menouni Mohsine – CPPM – juin 2010

Projet pluridisciplinaire CURVACE n Contexte / Acteurs n Présentation du projet / Objectifs n Principe de détection utilisé n Détail du photorécepteur 2

CURVACE CURVed Artificial Compound Eyes n Réalisation de rétines artificielles incurvées qui reproduisent le système de vision d’un insecte (par détection du mouvement). n Pluridisciplinarité : neuro-optique, microélectronique, mécanique des surfaces, bio-robotique. n Projet européen : n EPFL (Suisse) coordinateur n Département Bio-robotique (LMP) de UNIVMED (France) n FRAUNHOFER (Allemagne) n Eberhard-Karls-Universität Tübingen UTUB (Allemagne) n Le CPPM valorise son expérience dans les capteurs d’image auprès du LMP. n Historique : 1 er projet en partenariat avec le LMP en 2004 (projet « Rétine de mouche » ) 3

Intérêt de la vision chez les insectes Œil d’un vertébré : Œil d’un insecte : n Image fidèle à l’environnement n Nécessité d’algorithmes pour en n Pas d’image de l’environnement n Une détection directe des extraire les objets et leurs mouvements n Champ visuel plus étendu n Faible taille et poids è Outil de navigation précis et rapide 4

Structure d’une rétine artificielle Surface incurvée de micro-lentilles qui focalisent les photons vers des photo-récepteurs. Traitement de l’information : filtrage et post-processing (sens de déplacement et vitesse de l’objet) 5

Réalisation d’une rétine incurvée N Une Rétine « cylindrique » Bias Bias + + + + Dig. Matrice de N circuits « colonne » individuels 6

2 designs CURVACE n Technologie : XFAB 0, 35µm n Deux designs demandés au CPPM : n 2 D : 42 colonnes de 15 pixels n 1 D : 34 colonnes de 1 pixel 2 D 1 D n Circuit-colonne du design 2 D : n n Bias + Dig. 15 photodiodes + photorécepteurs Plots d’E/S aux extrémités Système de lecture Dimensions d’une colonne : 253µm x 6765µm 7

gnd Vdda Vddd Architecture d’un circuit-colonne column of 15 photoreceivers Ph 0 -Ph 14 Ref Analog MUX Sample and hold Vin Start 10 bit ADC EOC Sel<0: 15> Data out Bandgap Reference General Bias Output shift register Addr decoder Control and Counter sync clock data 8

Le pixel photo-récepteur La photodiode n Courant de fuite : Photodiode Nwell/Psubstrate : n Courant de fuite : Area Ileakage 4. 10 -4 f. A/µm² Sidewall Ileakage 2. 10 -3 f. A/µm => Courant de fuite # 0, 6 f. A n Courant de back-ground (luminosité ambiante) : Sensibilité attendue # 0, 25 A/W n 1 W/m² # 683 lux ( à 550 nm ) n Plage d’utilisation : 1 lux → 105 lux # 0, 36 p. A → 36 n. A n 30µm n Capacité : Cph. D # 160 f. F 9

Le pixel photorécepteur Principe Élément adaptatif RMP 0 VB Qfb sous le seuil : On parle de détecteur logarithmique. Vfb Qfb C 1 Vph IPH Photodiode IPH proportionnel à la luminosité reçue Qp C 2 Feed-back Elément adaptatif (réalisé par un transistor) n R très élevée en DC n R s’adapte en VOUT fonction du signal AC Qn Amplificateur source commune 10

Le pixel photo-récepteur Equations n Un « bon » détecteur de mouvement doit être peu sensible aux variations « lentes » de la luminosité ambiante (passage d’un nuage) et très sensible aux variations rapides de contraste (passage d’un objet). n Les gains AC et DC sont différents : n Gain DC : n Gain AC : avec : coefficient de back-gate ( # 0, 7) et (C 1 + C 2) / C 2 = 16 11

Le pixel photorécepteur Quelques résultats préliminaires de simulations Résistance équivalente du transistor adaptatif Gain en fonction de Ibg 1 lux 105 lux Un filtrage sera fait à 100 Hz 12

Le pixel photorécepteur Quelques résultats préliminaires de simulations Réponse du photo-récepteur 105 lux 13

CURVACE : un projet en cours…. n Projet en cours… n Run prévu en septembre 2010 n Sujet de réflexion en cours : n n Les tests en 2004 ont montré quelques difficultés à détecter de très faibles contrastes pour des Ibg élevés. Un filtrage avant la discrétisation du signal par le MUX+ADC serait peut-être préférable…. . 14