索尼首創(chuàng)堆疊式直接飛行時(shí)間測(cè)距傳感器，可用于SPAD像素車載激光雷達(dá)

 日本，東京-索尼公司（下稱：索尼）宣布開發(fā)出了一個(gè)全新的交替式直接飛行時(shí)間（dToF）測(cè)距傳感器，可用于采用單光子雪崩二極管（SPAD）的車載激光雷達(dá)，這在某些尚屬首次*。該成果于2021年2月13日開幕的國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)（ISSCC）上進(jìn)行了發(fā)布。

* 1個(gè)車載激光雷達(dá)的堆疊式測(cè)距傳感器領(lǐng)域，終止2021年2月18日。

       除了攝像頭和毫米波雷達(dá)等傳感設(shè)備外，激光雷達(dá)作為一種高精度檢測(cè)和識(shí)別道路狀況以及車輛和行人等物體的位置和形狀的方法，正變得越來(lái)越重要。高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ ADAS）的普及和自動(dòng)駕駛（AD）對(duì)這一技術(shù)的需求推動(dòng)了這一趨勢(shì)。

       SPAD是利用雪崩倍增技術(shù)將分段入射光子的電子放大，從而形成雪崩式疊加的相對(duì)結(jié)構(gòu)，即使是微弱的光線也能檢測(cè)到。通過(guò)采用SPAD作為dToF傳感器中的探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離，精密的距離測(cè)量，該傳感器根據(jù)來(lái)自光源發(fā)出的光被物體反射后返回到傳感器的飛行時(shí)間（時(shí)間差）來(lái)測(cè)量與物體的距離?，F(xiàn)在，索尼利用CMOS圖像傳感器開發(fā)過(guò)程中積累的背照式誤差結(jié)構(gòu)，，堆疊結(jié)構(gòu)，銅-銅連接* 2等技術(shù)，在拆分芯片上實(shí)現(xiàn)了SPAD時(shí)序和測(cè)距處理電路，成功開發(fā)出了分離但精度的傳感器。如此就可以以15厘米為單位間隔實(shí)現(xiàn)先進(jìn)，高速度的測(cè)量，測(cè)距可達(dá)300米* 3。新型傳感器還可以實(shí)現(xiàn)各種溫度和天氣等惡劣條件下的檢測(cè)和識(shí)別，提高激光雷達(dá)的可靠性，這對(duì)于汽車設(shè)備而言至關(guān)重要。單芯片的實(shí)現(xiàn)還有助于降低激光雷達(dá)的成本。

       索尼還開發(fā)了配備了這種新技術(shù)的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)*）。4激光雷達(dá)系統(tǒng)，剎車進(jìn)行評(píng)估，目前已向客戶及合作伙伴提供。

*2在像素部分（上層芯片）和邏輯電路（下層芯片）堆疊時(shí)，通過(guò)連接的Cu（銅）焊盤提供電氣連續(xù)性的技術(shù)。與通過(guò)在像素區(qū)域周圍嵌入電極實(shí)現(xiàn)連接的TSV（硅穿孔）布線相比，這種方法可以提高設(shè)計(jì)的自由度，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)更緊湊的尺寸，同時(shí)提高性能。

*3在陰天環(huán)境下，使用6×6像素（水平×垂直）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 "是指利用微細(xì)加工技術(shù)將各種元件集成在一塊基板上的設(shè)備。這種激光雷達(dá)采用的是依靠MEMS鏡掃描光源發(fā)出的光的方法

新開發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

SPAD像素原理

       在dToF深度/距離傳感器上，SPAD能夠檢測(cè)單個(gè)光子。在SPAD像素的電極上施加擊穿電壓（VBD）*5，并令大于擊穿電壓的超額偏壓 （VEX）*6中的光子進(jìn)入，雪崩倍增效應(yīng)會(huì)增加光電轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的電子。當(dāng)電極間的電壓降到擊穿電壓值時(shí)，雪崩倍增會(huì)停止。當(dāng)雪崩倍增產(chǎn)生的電子被放電并回到擊穿電壓后（淬滅作用），電極間的電壓再次被設(shè)定為超額偏壓（VEX），以便能夠檢測(cè)到下一個(gè)光子（再充電作用）。這種由光子的到達(dá)而觸發(fā)的電子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(guò)擊穿電壓（VBD）的電壓。

SPAD像素原理（電流/電壓）

雪崩乘法圖示

主要優(yōu)勢(shì)

1） 以15厘米為單位間隔進(jìn)行高精度測(cè)量，測(cè)距可達(dá)300米。

       新技術(shù)采用了背照式SPAD像素結(jié)構(gòu)，利用銅-銅連接方式，在像素芯片（頂部）和配備測(cè)距處理器電路的邏輯芯片（底部）之間實(shí)現(xiàn)各像素的導(dǎo)通。這樣一來(lái)，可以將除光合像素以外的所有電路都放在底部，從而實(shí)現(xiàn)高開口率*7和22%*8的高光子檢測(cè)效率。即使是小型的芯片，也能在10μm的像素尺寸下實(shí)現(xiàn)約11萬(wàn)有效像素（189×600像素）的高分辨率。這就可以實(shí)現(xiàn)以15厘米為單位間隔進(jìn)行高精度測(cè)量，測(cè)距較遠(yuǎn)可達(dá)300米，從而有助于提高激光雷達(dá)的檢測(cè)和識(shí)別性能。

*7從每個(gè)像素的入射面看，光圈部分（除遮光部分外的部分）的比率。
 

*8當(dāng)普通車載激光雷達(dá)中使用的905nm波長(zhǎng)的激光投射到物體上時(shí)。

光子檢測(cè)效率和波長(zhǎng)

點(diǎn)云（左：傳統(tǒng)激光雷達(dá)，右：新開發(fā)的激光雷達(dá)）

2） 使用索尼獨(dú)創(chuàng)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）和無(wú)源淬滅/充電電路，實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)

       索尼獨(dú)創(chuàng)性地開發(fā)了將檢測(cè)到的光子飛行時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）和無(wú)源淬滅/充電電路，并將其與每個(gè)像素的銅-銅連接在一起，使每個(gè)光子在正常情況下的響應(yīng)速度提高到6納秒*9。高速測(cè)距處理通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別周圍的情況，為安全駕駛做出貢獻(xiàn)。

*9在60℃的溫度環(huán)境下。

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)創(chuàng)的SPAD像素結(jié)構(gòu)，即使在-40℃至125℃的惡劣條件下，也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光子探測(cè)效率和響應(yīng)速度，有助于提高激光雷達(dá)的可靠性。
 

光子檢測(cè)效率和運(yùn)行溫度

響應(yīng)速度和運(yùn)行溫度

關(guān)鍵參數(shù)

（本文譯自英文原文，供參考）

********************************************************************************************