图 16. SPAD 器件结构。(a) FI SPAD。(b) BI-stacked SPAD。

据报道，2021 年，一种使用了 BI 堆叠 SPAD， 189 × 600 SPAD 直接飞行时间 (ToF) 传感器 用于汽车 LiDAR 系统。所有的像素前端电路都在SPAD阵列下的底层芯片中实现，如图17所示。在 LiDAR 系统中，当接收到反射的激光脉冲时，SPAD 会在 6 ns 的死区时间内产生一个触发脉冲，并将其传送到时间数字转换器 (TDC)。顶部和底部芯片分别使用具有 10 个铜层的 90-nm SPAD 和 40-nm CMOS 工艺。由于采用堆叠结构，传感器包括重合检测电路、TDC 和数字信号处理器 (DSP) 作为深度感测的构建模块。直接 ToF 传感器在高达 200 m 的扩展范围内表现出 30 cm 的距离精度，使其能够在 117k 勒克斯的阳光条件下检测具有 95% 反射率的物体。

图 17. 带有直接 ToF 深度传感器的 BI 堆叠 SPAD。

BI堆叠SPAD结构是基于SPAD的成像和深度传感的突破，具有改进的特性。与将电路放置在每个 SPAD 旁边的传统像素相比，BI 堆叠结构提高了量子效率，并将 SPAD 和电路分成最佳硅层。因此，堆叠实现克服了 SPAD 传感器的传统限制，适用于更广泛的应用。

B. 时间对比传感

基于事件的视觉传感器 (EVS) 检测超过预设相对阈值的单个像素时间对比度，以跟踪相对光变化的时间演变，并为绝对强度的无帧像素级测量定义采样点。自 2006 年首次报告 EVS以来，已经提出了许多使用 EVS 的应用，例如由于记录数据的时间精度导致的高速低功耗机器视觉、对时间冗余的固有抑制导致减少后处理成本和广泛的场景内 DR 操作 。尽管像素尺寸在 2019 年通过 BI 结构减小到 9 µm 的间距，但由于大量像素级模拟信号处理，EVS 遭受了大像素尺寸和通常小分辨率的困扰。因此，EVS 特别受益于具有像素级 Cu-Cu 连接的堆叠器件结构的进步。

2020 年报道了 1280 × 720 4.86-µm 像素间距 BI 堆叠 EVS。图 18 显示了对比度检测 (CD) 功能的像素框图以及像素内异步读出接口和状态逻辑块的示意图。光电流被转换为电压信号 Vlog，然后通过使用电平交叉比较器检测的异步增量调制 (ADM) 获得对比度变化。图 19(a) 中的 BI-stacked EVS 实现了 1-µs 行级时间戳、每秒 10.66 亿个事件 (eps) 的最大事件率，以及 35 nW/像素和 137 pJ/事件的数据格式化流水线 用于高速低功耗机器视觉应用。图 19(b) 显示了一些示例应用的传感器操作。大约 1 勒克斯的交通场景记录展示了低光对比敏感度。低延迟像素和高速读出操作带来的高时间精度允许传感器在 3D 深度传感应用中解码时间编码的结构光图案。图 20 显示了 EVS 中像素间距的趋势。由于堆叠设备技术，对于百万像素的实际使用案例EVS 的像素尺寸现在低于 5 µm 间距。

图 18. EVS 的像素框图

图 19. BI-stacked EVS 及其应用示例。(a) 芯片显微照片。(b) 应用实例。