根據(jù)Mymes Consulting的報(bào)告，索尼最近宣布已開(kāi)發(fā)出業(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(shí)間（dToF）傳感器，用于汽車(chē)激光雷達(dá)（LiDAR）。 。
結(jié)果在2021年2月13日開(kāi)幕的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上得到了證明。索尼的SPAD基于像素的堆疊式dToF傳感器除了像相機(jī)和毫米波雷達(dá)這樣的傳感器外，激光雷達(dá)是成為檢測(cè)和識(shí)別道路狀況，車(chē)輛和行人等物體的形狀和位置的高精度方法。
越來(lái)越重要。這種趨勢(shì)是由高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的普及和自動(dòng)駕駛（AD）的興起所驅(qū)動(dòng)的。
SPAD是一種像素結(jié)構(gòu)，利用雪崩倍增效應(yīng)放大從單個(gè)入射光子產(chǎn)生的電子，從而形成像雪崩一樣的級(jí)聯(lián)，可以檢測(cè)弱光。使用SPAD作為激光雷達(dá)dToF傳感器中的檢測(cè)單元，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離，高精度的深度測(cè)量。
dToF傳感器根據(jù)從光源發(fā)出并在被物體反射后返回檢測(cè)單元的光的飛行時(shí)間（時(shí)間差）來(lái)測(cè)量物體。距離。
現(xiàn)在，通過(guò)使用自己的背照式像素結(jié)構(gòu)，3D堆疊和在CMOS圖像傳感器開(kāi)發(fā)中積累的Cu-Cu連接技術(shù)，索尼成功開(kāi)發(fā)了緊湊型高分辨率dToF傳感器。該芯片實(shí)現(xiàn)了SPAD像素與測(cè)距處理電路的集成。
這使激光雷達(dá)可以在長(zhǎng)達(dá)300米的工作范圍內(nèi)（反射率為10％的物體）以15厘米的分辨率執(zhí)行高精度，高速測(cè)距。新型dToF傳感器還將幫助檢測(cè)和識(shí)別惡劣條件，例如汽車(chē)行駛時(shí)面臨的各種溫度變化和天氣條件，從而幫助提高激光雷達(dá)的可靠性。
同時(shí)，單個(gè)芯片的實(shí)現(xiàn)還有助于降低激光雷達(dá)的成本。 SPAD像素和測(cè)距處理電路的單芯片集成索尼還利用這一新技術(shù)開(kāi)發(fā)了MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）激光雷達(dá)系統(tǒng)，以評(píng)估dToF傳感器的性能，現(xiàn)已向客戶(hù)和合作伙伴提供。
索尼使用新型堆疊式dToF傳感器來(lái)開(kāi)發(fā)MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)。索尼MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)最多可以檢測(cè)300米。
索尼MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)效果表明了SPAD像素的原理。 dToF傳感器中的SPAD可以檢測(cè)單個(gè)光子。
向SPAD像素的電極施加擊穿電壓（VBD），并以比擊穿電壓高得多的電平施加反向偏置電壓（VEX），因此注入到耗盡層的單個(gè)載流子是由事件光子的原因觸發(fā)了自我維持的雪崩。雪崩電流脈沖的前沿標(biāo)記了檢測(cè)到的光子的到達(dá)時(shí)間。
當(dāng)電極之間的電壓下降到擊穿電壓或低于擊穿電壓時(shí)，雪崩倍增停止。在通過(guò)雪崩倍增產(chǎn)生的電子放電并返回到擊穿電壓（猝滅效應(yīng)）之后，電極之間的電壓再次設(shè)置為較大的偏置電壓，以便可以檢測(cè)到下一個(gè)光子（再充電效應(yīng)）。
由光子的到達(dá)觸發(fā)的這種電子倍增效應(yīng)稱(chēng)為蓋革模式。 SPAD像素原理（電流/電壓）雪崩倍增效應(yīng)主要特征：（1）高精度測(cè)量，分辨率為15 cm，最大范圍可達(dá)300米。
這項(xiàng)新技術(shù)使用了背照式SPAD像素結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用Cu-Cu連接通過(guò)測(cè)距處理電路實(shí)現(xiàn)了像素芯片（頂部）和邏輯芯片（底部）之間的信號(hào)傳導(dǎo)。這使得除了邏輯芯片上的光敏像素以外的所有電路都可以集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)了高開(kāi)口率和22％的高光子檢測(cè)效率。
即使采用緊湊的芯片尺寸，也可以使用10μm的像素實(shí)現(xiàn)約110,000有效像素（189像素x 600像素）的高分辨率。這使得高精度距離測(cè)量可以執(zhí)行15厘米，最大300米的分辨率的高精度距離測(cè)量，從而有助于改善激光雷達(dá)的檢測(cè)和識(shí)別性能。
光子檢測(cè)效率和波長(zhǎng)使用索尼新型堆疊的dToF傳感器激光雷達(dá)點(diǎn)云的傳統(tǒng)激光雷達(dá)點(diǎn)云（2）使用索尼的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）和無(wú)源淬滅/充電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)索尼開(kāi)發(fā)了自己的Time-數(shù)模轉(zhuǎn)換器（TDC）將檢測(cè)到的光子飛行時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字值和無(wú)源淬滅/充電電路，并通過(guò)Cu-Cu將其與每個(gè)像素相連，
結(jié)果在2021年2月13日開(kāi)幕的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上得到了證明。索尼的SPAD基于像素的堆疊式dToF傳感器除了像相機(jī)和毫米波雷達(dá)這樣的傳感器外，激光雷達(dá)是成為檢測(cè)和識(shí)別道路狀況，車(chē)輛和行人等物體的形狀和位置的高精度方法。
越來(lái)越重要。這種趨勢(shì)是由高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的普及和自動(dòng)駕駛（AD）的興起所驅(qū)動(dòng)的。
SPAD是一種像素結(jié)構(gòu)，利用雪崩倍增效應(yīng)放大從單個(gè)入射光子產(chǎn)生的電子，從而形成像雪崩一樣的級(jí)聯(lián)，可以檢測(cè)弱光。使用SPAD作為激光雷達(dá)dToF傳感器中的檢測(cè)單元，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離，高精度的深度測(cè)量。
dToF傳感器根據(jù)從光源發(fā)出并在被物體反射后返回檢測(cè)單元的光的飛行時(shí)間（時(shí)間差）來(lái)測(cè)量物體。距離。
現(xiàn)在，通過(guò)使用自己的背照式像素結(jié)構(gòu)，3D堆疊和在CMOS圖像傳感器開(kāi)發(fā)中積累的Cu-Cu連接技術(shù)，索尼成功開(kāi)發(fā)了緊湊型高分辨率dToF傳感器。該芯片實(shí)現(xiàn)了SPAD像素與測(cè)距處理電路的集成。
這使激光雷達(dá)可以在長(zhǎng)達(dá)300米的工作范圍內(nèi)（反射率為10％的物體）以15厘米的分辨率執(zhí)行高精度，高速測(cè)距。新型dToF傳感器還將幫助檢測(cè)和識(shí)別惡劣條件，例如汽車(chē)行駛時(shí)面臨的各種溫度變化和天氣條件，從而幫助提高激光雷達(dá)的可靠性。
同時(shí)，單個(gè)芯片的實(shí)現(xiàn)還有助于降低激光雷達(dá)的成本。 SPAD像素和測(cè)距處理電路的單芯片集成索尼還利用這一新技術(shù)開(kāi)發(fā)了MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）激光雷達(dá)系統(tǒng)，以評(píng)估dToF傳感器的性能，現(xiàn)已向客戶(hù)和合作伙伴提供。
索尼使用新型堆疊式dToF傳感器來(lái)開(kāi)發(fā)MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)。索尼MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)最多可以檢測(cè)300米。
索尼MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)效果表明了SPAD像素的原理。 dToF傳感器中的SPAD可以檢測(cè)單個(gè)光子。
向SPAD像素的電極施加擊穿電壓（VBD），并以比擊穿電壓高得多的電平施加反向偏置電壓（VEX），因此注入到耗盡層的單個(gè)載流子是由事件光子的原因觸發(fā)了自我維持的雪崩。雪崩電流脈沖的前沿標(biāo)記了檢測(cè)到的光子的到達(dá)時(shí)間。
當(dāng)電極之間的電壓下降到擊穿電壓或低于擊穿電壓時(shí)，雪崩倍增停止。在通過(guò)雪崩倍增產(chǎn)生的電子放電并返回到擊穿電壓（猝滅效應(yīng)）之后，電極之間的電壓再次設(shè)置為較大的偏置電壓，以便可以檢測(cè)到下一個(gè)光子（再充電效應(yīng)）。
由光子的到達(dá)觸發(fā)的這種電子倍增效應(yīng)稱(chēng)為蓋革模式。 SPAD像素原理（電流/電壓）雪崩倍增效應(yīng)主要特征：（1）高精度測(cè)量，分辨率為15 cm，最大范圍可達(dá)300米。
這項(xiàng)新技術(shù)使用了背照式SPAD像素結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用Cu-Cu連接通過(guò)測(cè)距處理電路實(shí)現(xiàn)了像素芯片（頂部）和邏輯芯片（底部）之間的信號(hào)傳導(dǎo)。這使得除了邏輯芯片上的光敏像素以外的所有電路都可以集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)了高開(kāi)口率和22％的高光子檢測(cè)效率。
即使采用緊湊的芯片尺寸，也可以使用10μm的像素實(shí)現(xiàn)約110,000有效像素（189像素x 600像素）的高分辨率。這使得高精度距離測(cè)量可以執(zhí)行15厘米，最大300米的分辨率的高精度距離測(cè)量，從而有助于改善激光雷達(dá)的檢測(cè)和識(shí)別性能。
光子檢測(cè)效率和波長(zhǎng)使用索尼新型堆疊的dToF傳感器激光雷達(dá)點(diǎn)云的傳統(tǒng)激光雷達(dá)點(diǎn)云（2）使用索尼的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）和無(wú)源淬滅/充電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)索尼開(kāi)發(fā)了自己的Time-數(shù)模轉(zhuǎn)換器（TDC）將檢測(cè)到的光子飛行時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字值和無(wú)源淬滅/充電電路，并通過(guò)Cu-Cu將其與每個(gè)像素相連，