Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
Durch die fortschreitende Entwicklung von autonom agierenden Einheiten für die mobile autonome Fertigung werden zunehmend hochdynamische, effiziente und verlässliche Sensoren zur dreidimensionalen Erfassung der Umgebung benötigt. Die vom Fraunhofer IMS entwickelten CSPAD Detektoren vereinen hochsensitive und schnelle 3D-Bildgebung mit sicheren Algorithmen für den leistungsfähigen Einsatz in 3D-Vision bzw. LiDAR-Anwendungen. Zentrales Ziel dabei ist, anwendungsspezifische Reichweiten auch bei hoher Sonnenlichtintensität und gleichzeitig geringen Systemkosten zu erreichen.
Die CSPAD-Technologie basiert auf der Integration der SPAD-Detektoren (SPAD, engl. für single photon avalanche diode) in den für optoelektronische Anwendungen optimierten und zertifizierten 0,35 µm CMOS-Prozess. Dies erlaubt es, SPAD-Detektoren und Auswerteelektronik auf demselben Chip unterzubringen. Ein Beispiel hierfür ist der Doppelzeilensensor SPADeye2 mit 2x192 Pixeln und einem Time-to-Digital-Converter pro Pixel. Darüber hinaus können mit Hilfe der 3D-Integration in Wafer-zu-Wafer- und Chip-zu-Wafer-Bondverfahren rückseitenbeleuchtete CSPAD-Detektoren (BSI CSPADs) realisiert werden. Die gestapelte Anordnung von Bildsensor und Auswerteelektronik macht den Detektor nochmals effizienter und kompakter. Auf diese Weise können CSPAD-Flächensensoren mit tausenden von Pixeln für den Einsatz in Solid-State LiDAR Systemen mit hoher Auflösung realisiert werden.
Die am Fraunhofer IMS entwickelten CSPAD-Detektoren zeichnen sich insbesondere durch die in die Pixel integrierten adaptiven Photonkoinzidenzschaltungen zur Hintergrundlichtunterdrückung aus. Nur dadurch kann eine Steigerung der Reichweite bei hoher Sonnenlichteinstrahlung und die zuverlässige Abstandsmessung auch bei wechselnden Wetterbedingungen gewährleistet werden.
Dadurch wurde ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung von intelligenten CMOS Photodetektoren erreicht. Mit der nun neuen Generation der CSPADs zeigt das Fraunhofer IMS neue Integrationsformen von Single-Photon Avalanche Dioden (SPAD) in CMOS, die sehr gut in 3D-Vision-Anwendungen einsetzbar sind.
Der CSPAD αlpha kombiniert erstmalig die hochempfindlichen Photodetektoren mit ihrer Elektronik in Form eines dreidimensionalen Chipstapels. Durch die im Haus entwickelte Wafer-zu-Wafer Verbindungstechnologie können hochauflösende Pixelmatrizen mit einer schnellen Ausleseelektronik auf kleinstem Raum integriert werden. CSPAD αlpha demonstriert mit seinen LiDAR-Fähigkeiten dabei die Qualität dieser neuen Verbindungsmethode und bildet die Basis für weitere Chipdesigns.
Mit 32 x 24 Pixeln lassen sich Distanzmessungen mittels nur einer Beleuchtung (Flash-LiDAR) bei 26 kHz Ausleserate durchführen. Die TDCs (Time to Digital Converter) sind on‑Chip in der Ausleseelektronik integriert und ermöglichen eine Zeitauflösung von 312,5 ps respektive eine Distanzauflösung von etwa 4,6 cm.
Abgesehen von dem typischen Anwendungsgebiet LiDAR kann der CSPAD αlpha auch unter anderem in den Bereichen Spektroskopie, in der Quantentechnologie und Datenverschlüsselung eingesetzt werden.
Über die Entwicklung und Fertigung neuer, auch kundenspezifischer, 3D-Sensoren hinaus stellt das Fraunhofer IMS eine breite Palette von Leistungen im Bereich 3D-Vision zur Verfügung. So werden sowohl Evaluationsboards für CSPAD-Chips als auch komplette LiDAR-Kameras mit entsprechender Software angeboten, mit denen die Sensoren in realistischen Messszenarien evaluiert werden können. Des Weiteren werden am Fraunhofer IMS Systemsimulationen durchgeführt und ständig neue Methoden zur Signalverarbeitung untersucht mit denen eine zusätzliche Steigerung der Reichweite erzielt wird.
Die Fraunhofer IMS CSPAD Technologie lässt sich darüber hinaus mit weiteren Fraunhofer Technologien wie MEMS Mikrospiegel zur Realisierung von scannenden Systemen kombinieren. Hierzu finden sich weitere Informationen auf der Seite der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland: