Tecnologia originalmente desenvolvida para missões espaciais agora parte integrante da vida cotidiana

Na década de 1980, os sensores usados ​​para produzir imagens de alta qualidade para a ciência espacial (incluindo as incríveis imagens do Telescópio Espacial Hubble da NASA) e outras aplicações empregavam tecnologia de dispositivo de carga acoplada (CCD). Eric Fossum foi originalmente contratado no JPL em 1990 para desenvolver a tecnologia CCD para uso em missões espaciais interplanetárias, mas acabou desenvolvendo outra tecnologia chamada tecnologia complementar de semicondutor de óxido metálico (CMOS) para esse propósito e muito mais. Enquanto estava no JPL, Fossum aproveitou uma técnica comumente usada para CCDs e aplicou-a a sensores CMOS para desenvolver o primeiro sensor de imagem de pixel ativo CMOS. Este desenvolvimento deu início a uma cadeia de eventos que levou ao uso atual da tecnologia CMOS não apenas em missões científicas espaciais, mas também em bilhões de câmeras em smartphones, webcams, automóveis e dispositivos médicos utilizados em todo o mundo.

Uma nova tecnologia surge…

Em 1990, os CCDs eram a principal tecnologia utilizada para gerar imagens de alta qualidade. Os sensores CCD consistem em matrizes de pixels que convertem luz em cargas elétricas. A carga de cada pixel é transferida passo a passo para um amplificador de saída no canto do sensor e convertida em uma tensão que representa o brilho da luz recebida no pixel correspondente. Os dados de todos os pixels são então agregados para gerar uma imagem. Embora as câmeras CCD possam produzir imagens de altíssima qualidade adequadas para uso científico, elas requerem muita energia e um processo de transferência de carga eficiente para serem eficazes.

Os sensores CMOS, por outro lado, possuem amplificadores de sinal dentro de cada pixel e os sinais podem ser lidos diretamente de cada pixel, em vez de serem transferidos por longas distâncias para um amplificador para conversão. Os sensores CMOS, portanto, requerem menos tensão para operar do que os CCDs e os problemas com o processo de transferência de carga, como a suscetibilidade à radiação, são bastante reduzidos. Embora os sensores CMOS existissem na década de 1990, eles produziam muito ruído para produzir imagens de alta qualidade necessárias para aplicações científicas.

Para reduzir o ruído do sinal típico dos sensores CMOS da época, Fossum aplicou uma técnica que era frequentemente usada em dispositivos CCD. Esta técnica – chamada “transferência de carga intra-pixel com amostragem dupla correlacionada” – permite uma medição dupla da tensão de um pixel sem e com a carga gerada pela luz. Subtrair os valores dessas duas amostras permite suprimir o ruído, melhorando a relação sinal-ruído.

Os próximos passos

Logo várias empresas assinaram acordos de cooperação tecnológica com o JPL e fizeram parceria com Fossum e seus colegas para desenvolver a nova tecnologia promissora. Em 1995, Fossum e sua colega Dra. Sabrina Kemeny licenciaram a tecnologia da CalTech e fundaram uma empresa chamada Photobit para desenvolver sensores CMOS. Em 1996, Fossum deixou o JPL para trabalhar em tempo integral na Photobit. A equipe da Photobit refinou ainda mais a tecnologia CMOS para aproximá-la das capacidades CCD, reduzir os requisitos de energia e tornar a fabricação mais barata.

Pouco tempo depois, as câmeras CMOS começaram a ser usadas em webcams, “pill cams” ​​(pequenos dispositivos que podem ser engolidos que incorporam uma pequena câmera para capturar milhares de imagens de alta resolução do trato digestivo) e outras aplicações. Em 2001, a Photobit foi adquirida pela Micron Technology, uma empresa maior que dedicou ainda mais recursos ao desenvolvimento da tecnologia CMOS. Com a subsequente explosão da indústria de telefonia celular, em 2013, mais de um bilhão de sensores CMOS foram fabricados a cada ano, e hoje esse número cresceu para cerca de sete bilhões por ano.

Onde estão esses sensores agora?

A tecnologia CMOS desenvolvida originalmente pelo Dr. Fossum não apenas possibilitou a ciência espacial, mas também foi infundida em dispositivos dos quais dependemos todos os dias, transformando dramática e positivamente muitos aspectos de nossas vidas. Praticamente todas as câmeras fotográficas e de vídeo digitais, incluindo aquelas de telefones celulares, os utilizam. Além disso, a tecnologia CMOS é usada em eletrônicos automotivos, webcams, câmeras esportivas, equipamentos industriais, câmeras de segurança, incluindo campainhas, e câmeras cinematográficas, e para imagens médicas e odontológicas, entre muitas outras aplicações.

Além de dominar o mercado comercial e de consumo, os imageadores CMOS têm sido usados ​​como câmeras de engenharia para permitir a entrada, descida e pouso do rover Perseverance Mars da NASA, na câmera a bordo da missão OCO-3 (Orbiting Carbon Observatory-3) que monitora a distribuição de dióxido de carbono na Terra, e como imageadores científicos na missão Parker Solar Probe da NASA que está revolucionando nossa compreensão do Sol. Os geradores de imagens CMOS estão a caminho da lua de Júpiter, Europa, na missão Europa Clipper da agência, e uma versão ultravioleta dopada com delta com resposta personalizada está em desenvolvimento para uso na próxima missão UVEX (UltraViolet EXplorer), que fornecerá informações sobre como as galáxias e as estrelas evoluem.

Os geradores de imagens CMOS são usados ​​rotineiramente no monitoramento do lançamento e implantação de CubeSats e SmallSats. Eles foram recentemente usados ​​para monitorar a implantação de Pandora, um pequeno satélite que caracterizará as atmosferas dos exoplanetas e suas estrelas hospedeiras; BLACKCAT (Black Hole Coded Aperture Telescope), um pequeno telescópio de raios X; e a missão SPARCS (Star-Planet Activity Research CubeSat) projetada para monitorar e caracterizar as erupções estelares de estrelas de baixa massa em ultravioleta para fornecer contexto para a habitabilidade de exoplanetas em seu sistema. A NASA também está desenvolvendo descendentes desta tecnologia para uso em missões que irão procurar vida fora da Terra, como o seu Observatório de Mundos Habitáveis.

Em reconhecimento do impacto que esta tecnologia CMOS teve, a Academia Nacional de Engenharia (NAE) nomeou o Dr. Fossum como ganhador do Prêmio Charles Stark Draper de Engenharia de 2026 “pela inovação, desenvolvimento e comercialização do sensor de imagem de pixel ativo semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) ‘camera-on-a-chip’”. A NAE concede este prêmio a cada dois anos para homenagear um engenheiro “cuja realização impactou significativamente a sociedade, melhorando a qualidade de vida, proporcionando a capacidade de viver livre e confortável e/ou permitindo o acesso à informação”.

Organizações patrocinadoras: Os esforços originais do JPL para desenvolver esta tecnologia CMOS foram financiados pelo JPL e pela NASA.