據麥姆斯咨詢報道，近日，索尼（Sony）宣布其研發出一種用于汽車激光雷達（LiDAR）的業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（ADAS）的普及和自動駕駛（AD）的興起而推動發展的。

SPAD是一種像素結構，其利用雪崩倍增效應放大來自單個入射光子產生的電子，造成類似雪崩一樣的級聯，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，可以實現遠距離、高精度的深度測量，dToF傳感器根據從光源發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圖像傳感器開發過程中積累的背照式像素結構、3D堆疊和Cu-Cu連接等技術，索尼成功地開發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，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

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

索尼利用新款堆疊式dToF傳感器開發的MEMS激光雷達系統

索尼MEMS激光雷達系統最遠可以探測300米

索尼MEMS激光雷達系統探測效果展示

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的電子倍增效應稱為蓋革模式。

SPAD像素原理（電流/電壓）

雪崩倍增效應

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

這項新技術采用背照式SPAD像素結構，該結構使用Cu-Cu連接實現像素芯片（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-數字轉換器（TDC）和無源淬火/充電電路實現高速響應

索尼開發了自己的時間-數字轉換器（TDC）——將探測到的光子飛行時間轉換為數字值，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境，有助于提高汽車駕駛的安全性。

（3）惡劣環境下穩定的光子探測效率和響應速度

索尼獨創的SPAD像素結構，即使在-40℃至125℃的惡劣環境下，也能實現穩定的光子探測效率和響應速度，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系

響應速度和工作溫度的關系

關鍵參數：

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