索尼发布业界首款面向汽车dToF激光雷达应用的堆叠式SPAD深度传感器

原创 MEMS 2021-09-09 00:00

据麦姆斯咨询报道，近日，索尼半导体解决方案公司（Sony Semiconductor Solutions Corporation）宣布即将发布业界首款堆叠式单光子雪崩二极管（SPAD）深度传感器IMX459，可应用于基于直接飞行时间（dToF）方案的汽车激光雷达（LiDAR）。

这款新产品将仅为10平方微米的SPAD像素阵列和测距处理电路封装在一颗芯片上，实现了紧凑的1/2.9型外形尺寸，可提供高精度的高速测距能力。

高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶（AD）应用逐渐普及，这款新产品有助于提高车载激光雷达的探测和识别性能，从而有助于实现未来更安全的移动出行。

索尼面向汽车激光雷达应用的SPAD深度传感器IMX459，样品预计将于2022年3月提供，含税价格预计为15000日元

除了车载摄像头和毫米波雷达，激光雷达作为道路交通状况、车辆及行人等障碍物位置、形状探测及识别的重要传感器，正变得越来越重要。与此同时，阻碍激光雷达进一步发展和市场普及的技术障碍仍然存在，例如，要求不断提升的测距性能，无论何种使用环境和条件的更高安全性和可靠性，以及固态化设计，以实现更紧凑的外形和更低的成本等。目前，业界正在探索各种手段来应对这些挑战。

在各种激光雷达测距方案中，基于SPAD像素的dToF传感器，通过检测光源从发射光到被物体反射返回传感器的飞行时间（时差）来测量到物体的距离。索尼通过利用在CMOS图像传感器开发过程中积累的背照式像素结构、堆叠结构以及Cu-Cu互连等技术，成功实现了在一颗芯片上集成SPAD像素和测距处理电路的独特器件结构。

这种器件结构设计实现了仅10平方微米的像素尺寸，并在微型化的1/2.9型尺寸上实现了约10万有效像素的高分辨率。它还提供了增强的光子探测效率和改进的响应性能，能够以15厘米的距离分辨率从长距离到短距离进行高速、高精度的距离测量。这款产品符合汽车应用的功能安全标准，单芯片架构有助于实现更紧凑、更低成本且更高可靠性的激光雷达。

IMX459主要特点

■ 得益于仅10平方微米SPAD像素阵列和测距处理电路的堆叠式结构，实现了高精度的高速测距性能

IMX459采用堆叠式结构，通过Cu-Cu互连实现背照式SPAD像素芯片（顶部）和配备测距处理电路的逻辑芯片（底部）之间每个像素的传导。这可以使电路置于像素芯片底部，保持高开口率，同时实现仅10平方微米的更小像素尺寸。这款产品还采用表面不规则的光入射面来折射光线，从而提高吸收率。

对于车载激光雷达常用的905 nm波长激光器，这些特性可使其光子探测效率高达24%。这项优势可以使激光雷达以更高的分辨率和距离分辨率探测低反射率的远距离物体。此外，其电路部分还包括一个有源充电电路，为每个像素提供一个Cu-Cu连接，使每个像素在正常工作时的单光子响应速度约为6纳秒（在85℃的环境温度中）。

这种独特的堆叠式结构使其能够以15厘米的距离分辨率提供覆盖短距离到长距离的高精度、高速距离测量，从而有助于提高汽车激光雷达的探测和识别性能。

索尼的堆叠式SPAD ToF深度传感器结构

索尼SPAD深度传感器IMX459成像样张（点云图）

■ 符合汽车应用的功能安全标准，有助于提高激光雷达的可靠性

IMX459经认证符合AEC-Q100 2级汽车电子元件可靠性的测试要求。索尼还引入了符合ISO 26262汽车功能安全标准的开发流程，支持功能安全要求ASIL-B（D）级，用于故障检测、通知和控制等功能。所有这些特性都有助于提高激光雷达的可靠性。