2021.02.20

索尼首创堆叠式直接飞行时间测距传感器,可用于SPAD像素车载激光雷达

       日本,东京-索尼公司(下称:索尼)宣布开发出了一个全新的交替式直接飞行时间(dToF)测距传感器,可用于采用单光子雪崩二极管(SPAD)的车载激光雷达,这在某些尚属首次*。该成果于2021年2月13日开幕的国际固态电路大会(ISSCC)上进行了发布。

* 1个车载激光雷达的堆叠式测距传感器领域,终止2021年2月18日。

       除了摄像头和毫米波雷达等传感设备外,激光雷达作为一种高精度检测和识别道路状况以及车辆和行人等物体的位置和形状的方法,正变得越来越重要。高级驾驶辅助系统( ADAS)的普及和自动驾驶(AD)对这一技术的需求推动了这一趋势。

       SPAD是利用雪崩倍增技术将分段入射光子的电子放大,从而形成雪崩式叠加的相对结构,即使是微弱的光线也能检测到。通过采用SPAD作为dToF传感器中的探测器,可以实现远距离,精密的距离测量,该传感器根据来自光源发出的光被物体反射后返回到传感器的飞行时间(时间差)来测量与物体的距离。现在,索尼利用CMOS图像传感器开发过程中积累的背照式误差结构,,堆叠结构,铜-铜连接* 2等技术,在拆分芯片上实现了SPAD时序和测距处理电路,成功开发出了分离但精度的传感器。如此就可以以15厘米为单位间隔实现先进,高速度的测量,测距可达300米* 3。新型传感器还可以实现各种温度和天气等恶劣条件下的检测和识别,提高激光雷达的可靠性,这对于汽车设备而言至关重要。单芯片的实现还有助于降低激光雷达的成本。

       索尼还开发了配备了这种新技术的MEMS(微机电系统*)。4激光雷达系统,刹车进行评估,目前已向客户及合作伙伴提供。

*2在像素部分(上层芯片)和逻辑电路(下层芯片)堆叠时,通过连接的Cu(铜)焊盘提供电气连续性的技术。与通过在像素区域周围嵌入电极实现连接的TSV(硅穿孔)布线相比,这种方法可以提高设计的自由度,提高生产效率,实现更紧凑的尺寸,同时提高性能。

*3在阴天环境下,使用6×6像素(水平×垂直)的加法模式测量高度为1米、反射率为10%的物体时。

*4 "MEMS "是指利用微细加工技术将各种元件集成在一块基板上的设备。这种激光雷达采用的是依靠MEMS镜扫描光源发出的光的方法



新开发产品结构图

SPAD像素原理

       在dToF深度/距离传感器上,SPAD能够检测单个光子。在SPAD像素的电极上施加击穿电压(VBD)*5,并令大于击穿电压的超额偏压 (VEX)*6中的光子进入,雪崩倍增效应会增加光电转换中产生的电子。当电极间的电压降到击穿电压值时,雪崩倍增会停止。当雪崩倍增产生的电子被放电并回到击穿电压后(淬灭作用),电极间的电压再次被设定为超额偏压(VEX),以便能够检测到下一个光子(再充电作用)。这种由光子的到达而触发的电子倍增作用被称为盖革模式。

*5 雪崩倍增开始时的电压。

*6超过击穿电压(VBD)的电压。


SPAD像素原理(电流/电压)


雪崩乘法图示

主要优势

1) 以15厘米为单位间隔进行高精度测量,测距可达300米。

       新技术采用了背照式SPAD像素结构,利用铜-铜连接方式,在像素芯片(顶部)和配备测距处理器电路的逻辑芯片(底部)之间实现各像素的导通。这样一来,可以将除光合像素以外的所有电路都放在底部,从而实现高开口率*7和22%*8的高光子检测效率。即使是小型的芯片,也能在10μm的像素尺寸下实现约11万有效像素(189×600像素)的高分辨率。这就可以实现以15厘米为单位间隔进行高精度测量,测距最远可达300米,从而有助于提高激光雷达的检测和识别性能。

*7从每个像素的入射面看,光圈部分(除遮光部分外的部分)的比率。

*8当普通车载激光雷达中使用的905nm波长的激光投射到物体上时。


光子检测效率和波长



点云(左:传统激光雷达,右:新开发的激光雷达)

2) 使用索尼独创的时间数字转换器(TDC)和无源淬灭/充电电路,实现高速响应

       索尼独创性地开发了将检测到的光子飞行时间转换为数字值的时间数字转换器(TDC)和无源淬灭/充电电路,并将其与每个像素的铜-铜连接在一起,使每个光子在正常情况下的响应速度提高到6纳秒*9。高速测距处理通过实时检测和识别周围的情况,为安全驾驶做出贡献。

*9在60℃的温度环境下。

3) 恶劣条件下稳定的光子检测效率和响应速度

       索尼独创的SPAD像素结构,即使在-40℃至125℃的恶劣条件下,也能实现稳定的光子探测效率和响应速度,有助于提高激光雷达的可靠性。


光子检测效率和运行温度


响应速度和运行温度

关键参数

SPAD像素总数

189 x 600像素(H x V) 约110,000像素

图像尺寸

对角长度6.25 mm(1/2.9型)

建议光源波长

905 nm

SPAD单元尺寸

10 µm x 10 µm

单元尺寸(ToF像素单位)

3 x 3像素(H x V)

消耗功率

1,192 mW

光子检测效率

22%

响应速度

6 ns

饱和信号量(最大计数率)

60,000,000 cps

最大检测距离

300 m

300米测距时的距离精度

3 x 3像素(H x V)加法模式:30cm

6 x 6像素(H x V)加法模式:15cm

(本文译自英文原文,供参考)

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