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

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

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

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

5 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)

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

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

8 Architecture d’un circuit-colonne data clock Data out 10 bit ADC VddagndVddd Analog MUX Output shift register Control and Counter Sample and hold Ph0-Ph14 Ref sync Vin Start EOC Addr decoder Sel Bandgap Reference General Bias column of 15 photoreceivers

9 Le pixel photo-récepteur La photodiode Courant de fuite : Area Ileakage fA/µm² Sidewall Ileakage fA/µm Photodiode Nwell/Psubstrate : Courant de fuite : => Courant de fuite # 0,6 fA Courant de back-ground (luminosité ambiante) : Sensibilité attendue # 0,25A/W 1 W/m² # 683 lux ( à 550nm ) Plage d’utilisation : 1 lux → 10 5 lux # 0,36pA → 36nA Capacité : C phD # 160fF 30µm

10 Le pixel photorécepteur Principe Vfb C1C1 C2C2 Qn Qp Photodiode Qfb Vph Élément adaptatif R MP0 V OUT I PH VBVB I PH proportionnel à la luminosité reçue Q fb sous le seuil : On parle de détecteur logarithmique. Amplificateur source commune Feed-back Elément adaptatif (réalisé par un transistor) R très élevée en DC R s’adapte en fonction du signal AC

11 Le pixel photo-récepteur Equations 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). Les gains AC et DC sont différents : Gain DC : Gain AC : avec  : coefficient de back-gate (  # 0,7) et (C1 + C2) / C2 = 16

12 Le pixel photorécepteur Quelques résultats préliminaires de simulations Résistance équivalente du transistor adaptatif Gain en fonction de Ibg 1 lux 10 5 lux Un filtrage sera fait à 100Hz

13 Le pixel photorécepteur Quelques résultats préliminaires de simulations Réponse du photo-récepteur 1 lux 10 5 lux

14 CURVACE : un projet en cours…. Projet en cours… Run prévu en septembre 2010 Sujet de réflexion en cours : 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…..