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Techniques

Un capteur de distance SPAD empilé pour les applications LiDAR automobiles

Publication: 3 novembre

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Sony Semiconductor Solutions Corporation a annoncé la sortie prochaine du capteur de distance SPAD empilé IMX459 pour les applications LiDAR automobiles utilisant la méthode de temps de vol direct (dToF), une première dans l’industrie[1]...
 

Ce produit intègre les minuscules pixels[2] carrés (de 10 μm de côté) de la diode à avalanche à photon unique (SPAD) ainsi que le circuit de mesure de distance sur une seule et même puce qui renferme dans un facteur de forme compact de type 1/2,9, un moyen ultrarapide de mesurer la distance avec une précision élevée.

Le nouveau capteur contribue à rendre le futur de la mobilité plus sûr en améliorant les performances de détection et de reconnaissance LiDAR automobiles requises avec la généralisation des systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS) et de la conduite autonome (AD).

En plus des dispositifs habituels de détection tels que les caméras automobiles et les radars à ondes millimétriques, le LiDAR continue de s’imposer comme méthode de prédilection pour la détection et la reconnaissance haute précision des conditions routières ; en particulier lorsqu’il s’agit de détecter l’emplacement d’objets (voitures, piétons…) et de reconnaître leur forme. Cependant, pour que le LiDAR se développe et insère notre marché, des obstacles techniques restent à surmonter, notamment le besoin d’accélérer encore les performances de mesure de distance, d’offrir une sécurité et une fiabilité accrues quels que soient l’environnement et les conditions d’utilisation, et le passage à une conception solid-state[3] pour obtenir une forme plus compacte à un coût inférieur. Diverses initiatives sont en cours pour relever ces défis.

Parmi les différentes méthodes utilisées pour la mesure de distance LiDAR, les pixels SPAD sont utilisés comme détecteurs dans un capteur dToF, qui mesure la distance d’un objet en relevant le temps de vol (différence de temps) de la lumière émise par une source jusqu’à son retour au capteur après avoir été réfléchi par l’objet. En tirant parti de ses technologies propriétaires (structures de pixels rétro-éclairées, configurations empilées et connexions Cu-Cu[4]) mises au point lors du développement de capteurs d’image CMOS, Sony a réussi à créer un design de circuit unique qui inclut des pixels SPAD et un circuit de traitement de mesure de distance sur une seule puce. Cette conception permet d’obtenir des pixels carrés minuscules de 10 μm, permettant une forme compacte et une haute résolution (environ 100 000 pixels effectifs) dans un format de type 1/2,9. Elle offre également une détection de photons plus efficace et une réactivité améliorée, permettant une mesure de distance ultrarapide et précise avec une résolution de 15 centimètres, à longue et courte portée. Le produit est conforme aux normes de sécurité fonctionnelle pour les applications automobiles, ce qui contribue à améliorer la fiabilité du LiDAR, et la construction sur puce unique autorise la mise au point de systèmes LiDAR plus compacts et économiques.

Caractéristiques principales :

1. Mesure de distance ultrarapide et haute précision grâce à l’empilement de pixels SPAD carrés (10 μm de côté) et d’un circuit de traitement de mesure de distance

Ce produit utilise une configuration empilée, où une connexion Cu-Cu est utilisée pour réaliser la conduction entre chaque pixel de la puce SPAD rétro-éclairée (en haut) et la puce logique équipée d’un circuit de traitement de mesure de distance (en bas). Ceci permet de placer le circuit logique en-dessous de la puce de pixel, maintenant un rapport d’ouverture élevé[5] tout en offrant des pixels carrés de petite taille (10 μm). Le produit utilise également un plan d’incidence de la lumière présentant des irrégularités de surface pour réfracter la lumière incidente, améliorant ainsi le taux d’absorption. Ces caractéristiques se traduisent par une efficacité élevée de détection des photons (24 %) dans la longueur d’onde de 905 nm couramment utilisée pour les sources de lumière laser LiDAR automobiles. Par exemple, il est possible de détecter des objets éloignés avec un faible taux de réflexion et ce, en haute résolution. De plus, un circuit de charge actif est inclus dans la zone du circuit logique, lequel est doté d’une connexion Cu-Cu pour chaque pixel, permettant un temps de réponse, en fonctionnement normal, d’environ 6 nanosecondes[6] pour chaque photon. Cette construction empilée unique permet une mesure de distance ultrarapide et de haute précision avec une résolution de 15 centimètres aussi bien à longue que courte distance, contribuant ainsi à améliorer les performances de détection et de reconnaissance LiDAR des véhicules.

2. Respect des normes de sécurité fonctionnelle pour les applications automobiles afin d’améliorer la fiabilité du LiDAR

Ce produit sera certifié conforme aux exigences des tests de fiabilité des composants électroniques automobiles AEC-Q100 Grade 2. Sony a également introduit un processus de développement conforme aux normes de sécurité fonctionnelle automobile ISO 26262 et prenant en charge le niveau d’exigence de sécurité fonctionnelle ASIL-B(D) pour des fonctionnalités telles que la détection, la notification et le contrôle des pannes. Autant de points qui contribuent à améliorer la fiabilité du LiDAR.

Conception de référence pour une détection LiDAR à balayage mécanique

Sony a également développé un design de référence LiDAR à balayage mécanique[7] équipé de ce nouveau produit, qui est désormais proposé aux clients et partenaires. En fournissant ce modèle, Sony aide ses clients et partenaires à économiser des heures de travail consacrées au développement LiDAR et à réduire leurs coûts en optimisant la sélection des appareils.

Le capteur de distance SPAD ToF IMX459 type 1/2,9 (6,25 mm de diagonale) avec environ 100 000 pixels effectifs[8] pour les applications LiDAR automobiles sera disponible dès mars 2022.

- [1] En tant que capteur de distance SPAD empilé pour les applications LiDAR automobiles. En date du 6 setembre 2021

- [2] Une structure de pixels qui utilise la multiplication par avalanche pour amplifier les électrons d’un seul photon incident, provoquant une cascade comme une avalanche.

- [3] Composants et appareils électroniques sans pièces écaniques mobiles qui utilisent la technologie des semi conducteurs.

- [4] Technologie qui fournit une continuité électrique via des pastilles de Cu (cuivre) connectées lors de l’empilement de la section de pixels (puce supérieure) et des circuits logiques (puce inférieure). Par rapport une connexion à travers le silicium via (TSV), où le contact est réalisé par des électrodes insérées en bordure de la zone de pixel, cette méthode donne plus de liberté dans la conception, améliore la productivité, permet une taille plus compacte et augmente les performances.

- [5] Rapport de la section d’ouverture (section autre que les sections de blocage de la lumière) vu du côté de la lumière incidente au niveau de chaque pixel.

- [6] Dans un environnement présentant une température de 85 °C.

- [7] La méthode propose un balayage horizontal obtenu en envoyant un faisceau laser sur un miroir polygonal tournant à grande vitesse.

- [8] Basé sur la méthode de spécification des pixels effectifs du capteur d’image.

https://www.sony-semicon.co.jp/

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