據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，索尼（Sony）宣布其研發(fā)出一種用于汽車激光雷達（LiDAR）的業(yè)界首款基于單光子雪崩二極管（SPAD）像素的堆疊式直接飛行時間（dToF）傳感器。該成果在2021年2月13日開幕的國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上進行了展示。

索尼基于SPAD像素的堆疊式dToF傳感器

除了諸如攝像頭和毫米波雷達之類的傳感器之外，激光雷達作為一種高精度探測和識別道路狀況、車輛和行人等物體形狀和位置的方法，正在變得越來越重要。這一趨勢是由高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）的普及和自動駕駛（AD）的興起而推動發(fā)展的。

SPAD是一種像素結(jié)構(gòu)，其利用雪崩倍增效應(yīng)放大來自單個入射光子產(chǎn)生的電子，造成類似雪崩一樣的級聯(lián)，從而可以探測微弱的光。利用SPAD作為激光雷達dToF傳感器中的探測單元，可以實現(xiàn)遠距離、高精度的深度測量，dToF傳感器根據(jù)從光源發(fā)出的光在被物體反射后回到探測單元的飛行時間（時差）來測量到物體的距離。

如今，通過利用自身在CMOS圖像傳感器開發(fā)過程中積累的背照式像素結(jié)構(gòu)、3D堆疊和Cu-Cu連接等技術(shù)，索尼成功地開發(fā)出一款體積緊湊且分辨率高的dToF傳感器，在單顆芯片上實現(xiàn)SPAD像素和測距處理電路集成。這使得激光雷達能夠在最長距離可達300米（反射率為10%的物體）的工作范圍內(nèi)，以15厘米的分辨率進行高精度、高速測距。新款dToF傳感器還將有助于在惡劣條件下進行探測和識別，例如汽車行駛時面臨的各種溫度變化和天氣狀況，從而有助于提高激光雷達的可靠性。與此同時，實現(xiàn)單顆芯片也有助于降低激光雷達的成本。

SPAD像素和測距處理電路單片集成

索尼還開發(fā)了一款采用這項新技術(shù)的MEMS（微機電系統(tǒng)）激光雷達系統(tǒng)，用于評估dToF傳感器性能，現(xiàn)已提供給客戶和合作伙伴。

索尼利用新款堆疊式dToF傳感器開發(fā)的MEMS激光雷達系統(tǒng)

索尼MEMS激光雷達系統(tǒng)最遠可以探測300米

索尼MEMS激光雷達系統(tǒng)探測效果展示

SPAD像素原理

dToF傳感器中的SPAD能夠探測到單個光子。在SPAD像素的電極上施加擊穿電壓（VBD），并在遠高于擊穿電壓的電平下施加反向偏置電壓（VEX），使得注入到耗盡層中的單個載流子由于入射光子的原因觸發(fā)自持雪崩。雪崩電流脈沖的前沿標志著檢測到的光子的到達時間。當(dāng)電極之間的電壓降至或低于擊穿電壓時，雪崩倍增停止。在通過雪崩倍增產(chǎn)生的電子放電并返回到擊穿電壓（猝滅作用）之后，電極之間的電壓再次設(shè)置為很大的偏置電壓，以便能夠檢測下一個光子（再充電作用）。這種由光子到達而觸發(fā)的電子倍增效應(yīng)稱為蓋革模式。

SPAD像素原理（電流/電壓）

雪崩倍增效應(yīng)

主要特點：

（1）以15厘米的分辨率進行高精度測量，最大測距可達300米

這項新技術(shù)采用背照式SPAD像素結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用Cu-Cu連接實現(xiàn)像素芯片（頂部）與具有測距處理電路的邏輯芯片（底部）之間的信號導(dǎo)通。這允許在邏輯芯片上集成除感光像素之外的所有電路，從而產(chǎn)生高孔徑比和22%的高光子探測效率。即使采用緊湊的芯片尺寸，在像素尺寸為10μm的情況下也可實現(xiàn)約110000個有效像素（189像素 x 600像素）的高分辨率。這使得高精度的距離測量能夠以15厘米的分辨率進行高精度距離測量，最遠可達到300米，從而有助于提高激光雷達探測和識別性能。

光子探測效率和波長

傳統(tǒng)激光雷達點云

采用索尼新款堆疊式dToF傳感器的激光雷達點云

（2）利用索尼的時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）和無源淬火/充電電路實現(xiàn)高速響應(yīng)

索尼開發(fā)了自己的時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）——將探測到的光子飛行時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，以及無源淬滅/充電電路，并將其與每個像素通過Cu-Cu連接起來，從而使得在正常條件下可以將每個光子的響應(yīng)速度（時間）提高到6納秒。高速測距處理通過實時檢測和識別周圍環(huán)境，有助于提高汽車駕駛的安全性。

（3）惡劣環(huán)境下穩(wěn)定的光子探測效率和響應(yīng)速度

索尼獨創(chuàng)的SPAD像素結(jié)構(gòu)，即使在-40℃至125℃的惡劣環(huán)境下，也能實現(xiàn)穩(wěn)定的光子探測效率和響應(yīng)速度，從而提高了汽車激光雷達的可靠性。

光子探測效率和工作溫度的關(guān)系

響應(yīng)速度和工作溫度的關(guān)系

關(guān)鍵參數(shù)：

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