第一个基于单光子雪崩二极管像素的堆叠式直接飞行时间传感器

根据Mymes Consulting的报告,索尼最近宣布已开发出业界首款基于单光子雪崩二极管(SPAD)像素的堆叠式直接飞行时间(dToF)传感器,用于汽车激光雷达(LiDAR)。

结果在2021年2月13日开幕的国际固态电路会议(ISSCC)上得到了证明。

索尼的SPAD基于像素的堆叠式dToF传感器除了像相机和毫米波雷达这样的传感器外,激光雷达是成为检测和识别道路状况,车辆和行人等物体的形状和位置的高精度方法。

越来越重要。

这种趋势是由高级驾驶员辅助系统(ADAS)的普及和自动驾驶(AD)的兴起所驱动的。

SPAD是一种像素结构,利用雪崩倍增效应放大从单个入射光子产生的电子,从而形成像雪崩一样的级联,可以检测弱光。

使用SPAD作为激光雷达dToF传感器中的检测单元,可以实现长距离,高精度的深度测量。

dToF传感器根据从光源发出并在被物体反射后返回检测单元的光的飞行时间(时间差)来测量物体。

距离。

现在,通过使用自己的背照式像素结构,3D堆叠和在CMOS图像传感器开发中积累的Cu-Cu连接技术,索尼成功开发了紧凑型高分辨率dToF传感器。

该芯片实现了SPAD像素与测距处理电路的集成。

这使激光雷达可以在长达300米的工作范围内(反射率为10%的物体)以15厘米的分辨率执行高精度,高速测距。

新型dToF传感器还将帮助检测和识别恶劣条件,例如汽车行驶时面临的各种温度变化和天气条件,从而帮助提高激光雷达的可靠性。

同时,单个芯片的实现还有助于降低激光雷达的成本。

SPAD像素和测距处理电路的单芯片集成索尼还利用这一新技术开发了MEMS(微机电系统)激光雷达系统,以评估dToF传感器的性能,现已向客户和合作伙伴提供。

索尼使用新型堆叠式dToF传感器来开发MEMS激光雷达系统。

索尼MEMS激光雷达系统最多可以检测300米。

索尼MEMS激光雷达系统的检测效果表明了SPAD像素的原理。

dToF传感器中的SPAD可以检测单个光子。

向SPAD像素的电极施加击穿电压(VBD),并以比击穿电压高得多的电平施加反向偏置电压(VEX),因此注入到耗尽层的单个载流子是由事件光子的原因触发了自我维持的雪崩。

雪崩电流脉冲的前沿标记了检测到的光子的到达时间。

当电极之间的电压下降到击穿电压或低于击穿电压时,雪崩倍增停止。

在通过雪崩倍增产生的电子放电并返回到击穿电压(猝灭效应)之后,电极之间的电压再次设置为较大的偏置电压,以便可以检测到下一个光子(再充电效应)。

由光子的到达触发的这种电子倍增效应称为盖革模式。

SPAD像素原理(电流/电压)雪崩倍增效应主要特征:(1)高精度测量,分辨率为15 cm,最大范围可达300米。

这项新技术使用了背照式SPAD像素结构,该结构使用Cu-Cu连接通过测距处理电路实现了像素芯片(顶部)和逻辑芯片(底部)之间的信号传导。

这使得除了逻辑芯片上的光敏像素以外的所有电路都可以集成在一起,从而实现了高开口率和22%的高光子检测效率。

即使采用紧凑的芯片尺寸,也可以使用10μm的像素实现约110,000有效像素(189像素x 600像素)的高分辨率。

这使得高精度距离测量可以执行15厘米,最大300米的分辨率的高精度距离测量,从而有助于改善激光雷达的检测和识别性能。

光子检测效率和波长使用索尼新型堆叠的dToF传感器激光雷达点云的传统激光雷达点云(2)使用索尼的时间数字转换器(TDC)和无源淬灭/充电电路来实现高速响应索尼开发了自己的Time-数模转换器(TDC)将检测到的光子飞行时间转换为数字值和无源淬灭/充电电路,并通过Cu-Cu将其与每个像素相连,

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