索尼開發了 業界首款采用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出業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間（dToF）深度傳感器。* 1此成就是在2021年2月13日開幕的國際固態電路會議（ISSCC）上宣布的。

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

除了諸如攝像機和毫米波雷達之類的傳感設備之外，LiDAR作為一種高精度檢測和識別方法，不僅對道路狀況而且對諸如車輛和行人之類的物體的位置和形狀也越來越重要。高級駕駛員輔助系統（ADAS）的普及以及自動駕駛（AD）對該技術的需求正在推動這一趨勢。

SPAD是一種像素結構，它使用雪崩倍增來放大單個入射光子中的電子，引起像雪崩一樣的級聯，甚至可以檢測到弱光。通過將SPAD用作dToF傳感器中的檢測器，可以完成長距離，高精度的距離測量，該dToF傳感器根據從光源發出的光的傳播時間（時間差）來測量到物體的距離。直到被物體反射后返回傳感器。現在，通過利用索尼的技術，例如背照式像素結構，堆疊配置和Cu-Cu連接* 2索尼致力于CMOS圖像傳感器的開發，并在單個芯片上實現SPAD像素和測距處理電路，因此，索尼成功開發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行高精度，高速的測量，最大距離為300米* 3。新的開發還將幫助實現在惡劣條件下的檢測和識別，例如汽車設備所需的各種溫度和天氣，從而有助于提高LiDAR的可靠性。實現單個芯片還有助于降低LiDAR的成本。

索尼還開發了一種配備有這項新技術的MEMS（微機電系統）* 4 LiDAR系統，用于評估目的，現已提供給客戶和合作伙伴。

• * 2當堆疊像素部分（頂部芯片）和邏輯電路（底部芯片）時，可通過連接的Cu（銅）焊盤提供電連續性的技術。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域周圍插入的電極實現的，該方法提供了更多的設計自由度，提高了生產率，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）的加法模式測量高度為1米，反射率為10％的物體時。
• * 4“ MEMS”是使用微制造技術將各種組件集成在單個基板上的設備。該LiDAR使用一種利用MEMS反射鏡掃描從光源發出的光的方法。

SPAD像素原理

在dToF深度傳感器上，SPAD能夠檢測單個光子。向SPAD像素中的電極施加擊穿電壓（VBD）* 5，并讓設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換中產生的電子。當電極之間的電壓下降到擊穿電壓時，雪崩倍增停止。在通過雪崩倍增產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置為過量的偏置電壓，從而能夠檢測下一個光子（再充電作用）。由光子的到達觸發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

1）在15厘米范圍內的高分辨率測量，最大距離為300 m

這項新技術采用了背照式SPAD像素結構，該結構使用Cu-Cu連接來實現像素芯片（頂部）和配備測距處理器電路（底部）的邏輯芯片之間每個像素的導通。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，從而導致高開口率* 7和高22％* 8光子檢測效率。即使具有緊湊的芯片尺寸，在10μm的像素尺寸下仍可實現約110,000個有效像素（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行長達300米的高精度距離測量，從而有助于提高LiDAR的檢測和識別性能。

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

光子檢測效率和波長

2）使用索尼原裝的時間數字轉換器（TDC）和無源淬滅/充電電路實現高速響應

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

• * 9在60°C的溫度環境中。

3）惡劣條件下穩定的光子檢測效率和響應速度

索尼獨有的SPAD像素結構即使在-40℃至125℃的嚴酷條件下也能實現穩定的光子檢測效率和響應速度，從而有助于提高LiDAR的可靠性。

光子檢測效率和工作溫度

響應速度和工作溫度

關鍵規格