索尼開發(fā)了 業(yè)界首款采用SPAD像素的用于汽車LiDAR的堆疊式直接飛行深度傳感器* 1

日本東京-索尼公司今天宣布已開發(fā)出業(yè)界首款采用單光子雪崩二極管（SPAD）像素的用于汽車LiDAR的堆疊式直接飛行時(shí)間（dToF）深度傳感器。* 1此成就是在2021年2月13日開幕的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上宣布的。

• * 1在用于汽車激光雷達(dá)的堆疊式深度傳感器中。截至2021年2月18日宣布。

除了諸如攝像機(jī)和毫米波雷達(dá)之類的傳感設(shè)備之外，LiDAR作為一種高精度檢測(cè)和識(shí)別方法，不僅對(duì)道路狀況而且對(duì)諸如車輛和行人之類的物體的位置和形狀也越來越重要。高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的普及以及自動(dòng)駕駛（AD）對(duì)該技術(shù)的需求正在推動(dòng)這一趨勢(shì)。

SPAD是一種像素結(jié)構(gòu)，它使用雪崩倍增來放大單個(gè)入射光子中的電子，引起像雪崩一樣的級(jí)聯(lián)，甚至可以檢測(cè)到弱光。通過將SPAD用作dToF傳感器中的檢測(cè)器，可以完成長(zhǎng)距離，高精度的距離測(cè)量，該dToF傳感器根據(jù)從光源發(fā)出的光的傳播時(shí)間（時(shí)間差）來測(cè)量到物體的距離。直到被物體反射后返回傳感器。現(xiàn)在，通過利用索尼的技術(shù)，例如背照式像素結(jié)構(gòu)，堆疊配置和Cu-Cu連接* 2索尼致力于CMOS圖像傳感器的開發(fā)，并在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)SPAD像素和測(cè)距處理電路，因此，索尼成功開發(fā)出了緊湊而高分辨率的傳感器。這樣就可以以15厘米的范圍分辨率進(jìn)行高精度，高速的測(cè)量，最大距離為300米* 3。新的開發(fā)還將幫助實(shí)現(xiàn)在惡劣條件下的檢測(cè)和識(shí)別，例如汽車設(shè)備所需的各種溫度和天氣，從而有助于提高LiDAR的可靠性。實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片還有助于降低LiDAR的成本。

索尼還開發(fā)了一種配備有這項(xiàng)新技術(shù)的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）* 4 LiDAR系統(tǒng)，用于評(píng)估目的，現(xiàn)已提供給客戶和合作伙伴。

• * 2當(dāng)堆疊像素部分（頂部芯片）和邏輯電路（底部芯片）時(shí)，可通過連接的Cu（銅）焊盤提供電連續(xù)性的技術(shù)。與貫通硅通孔（TSV）布線相比，在這種情況下，連接是通過圍繞像素區(qū)域周圍插入的電極實(shí)現(xiàn)的，該方法提供了更多的設(shè)計(jì)自由度，提高了生產(chǎn)率，允許更緊湊的尺寸并提高了性能。
• * 3在陰天條件下使用6 x 6像素（H x V）的加法模式測(cè)量高度為1米，反射率為10％的物體時(shí)。
• * 4“ MEMS”是使用微制造技術(shù)將各種組件集成在單個(gè)基板上的設(shè)備。該LiDAR使用一種利用MEMS反射鏡掃描從光源發(fā)出的光的方法。

SPAD像素原理

在dToF深度傳感器上，SPAD能夠檢測(cè)單個(gè)光子。向SPAD像素中的電極施加擊穿電壓（VBD）* 5，并讓設(shè)置超過擊穿電壓的過量偏置電壓（VEX）* 6的光子放大，從而通過雪崩倍增放大光電轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的電子。當(dāng)電極之間的電壓下降到擊穿電壓時(shí)，雪崩倍增停止。在通過雪崩倍增產(chǎn)生的電子被放電并返回到擊穿電壓（淬滅作用）之后，電極之間的電壓再次被設(shè)置為過量的偏置電壓，從而能夠檢測(cè)下一個(gè)光子（再充電作用）。由光子的到達(dá)觸發(fā)的電子的這種倍增作用被稱為蓋革模式。

• * 5雪崩倍增開始時(shí)的電壓
• * 6超過擊穿電壓（VBD）的電壓

SPAD像素原理（電流/電壓）

雪崩乘法的插圖

主要特點(diǎn)

1）在15厘米范圍內(nèi)的高分辨率測(cè)量，最大距離為300 m

這項(xiàng)新技術(shù)采用了背照式SPAD像素結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用Cu-Cu連接來實(shí)現(xiàn)像素芯片（頂部）和配備測(cè)距處理器電路（底部）的邏輯芯片之間每個(gè)像素的導(dǎo)通。這允許將除摻入光的像素以外的所有電路都放置在底部的配置，從而導(dǎo)致高開口率* 7和高22％* 8光子檢測(cè)效率。即使具有緊湊的芯片尺寸，在10μm的像素尺寸下仍可實(shí)現(xiàn)約110,000個(gè)有效像素（189 x 600像素）的高分辨率。這使得能夠以15厘米的距離分辨率進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)300米的高精度距離測(cè)量，從而有助于提高LiDAR的檢測(cè)和識(shí)別性能。

• * 7從光入射側(cè)觀察的每個(gè)像素的開口部分（遮光部分以外的部分）的比率。
• * 8當(dāng)普通汽車激光雷達(dá)中使用的905 nm波長(zhǎng)激光投射在物體上時(shí)。

光子檢測(cè)效率和波長(zhǎng)

2）使用索尼原裝的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）和無源淬滅/充電電路實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)

索尼開發(fā)了其原始的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），該轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)到的光子飛行時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并開發(fā)了原始的無源淬滅/充電電路，并將其與每個(gè)像素的Cu-Cu連接一起使用，從而使其成為可能。在正常條件下，可以將每個(gè)光子的響應(yīng)速度提高到6納秒* 9。高速測(cè)距處理通過實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別周圍環(huán)境，有助于提高駕駛安全性。

• * 9在60°C的溫度環(huán)境中。

3）惡劣條件下穩(wěn)定的光子檢測(cè)效率和響應(yīng)速度

索尼獨(dú)有的SPAD像素結(jié)構(gòu)即使在-40℃至125℃的嚴(yán)酷條件下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光子檢測(cè)效率和響應(yīng)速度，從而有助于提高LiDAR的可靠性。

光子檢測(cè)效率和工作溫度

響應(yīng)速度和工作溫度

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