LiDAR-Sensoren für Automobil- und Mobilitätssysteme

LiDAR-Systeme (Light Detection and Ranging) müssen die Umgebung schnell und zuverlässig erfassen und ein möglichst detailliertes Bild der unmittelbaren Umgebung und der Straße vor Ihnen erstellen. Weit voraus: Systeme, die in schnell fahrende Autos eingebaut werden, müssen mindestens 150 Meter weit sehen und kleine Objekte bis zu einer Höhe von 10 Zentimetern erkennen.

All dies stellt hohe technische Anforderungen an die Sensoren der Systeme.

Diese Aufgabe erfordert komplementäre, aber unabhängige Sensorsysteme mit garantierter Funktionssicherheit und Umweltqualifikation. Beispielsweise sollten die Geräte für Betriebstemperaturen von –40 bis 125 °C ausgelegt sein, um sowohl die Erwärmung durch die Umgebung als auch die Wärme von anderen Systemkomponenten zu berücksichtigen. Die LiDAR-Sensoren müssen ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen, um das Signal durch jeden störenden Hintergrund hindurch „sehen“ zu können. Und da optische Detektoren auf unterschiedliche Umgebungslichtstärken vorbereitet sein müssen, sollten die Sensoren über einen großen Dynamikbereich verfügen.

(Es ist zu beachten, dass sich der Begriff „Detektor“ nur auf das fotoelektrische Erkennungselement beziehen kann, während „Sensor“ den Detektor sowie die angrenzende Elektronik umfasst, die Funktionen wie z. B. die Konnektivität bereitstellt. Die Begriffe werden manchmal synonym verwendet.) 

Im Zuge des Fortschritts in der Branche setzen die Konstrukteure verschiedene Sensortechnologien für LiDAR-Mobilitätssysteme ein. Jede hat Vor- und Nachteile, wie unten beschrieben.

Silizium-PIN-Dioden-Detektoren

Diese auf Silizium basierenden Detektoren besitzen eine Struktur, bei der drei Halbleitertypen übereinander geschichtet sind: P-Typ / Intrinsisch / N-Typ.

Sie verfügen über einen guten Dynamikbereich und können mit sehr unterschiedlichen Lichtmengen umgehen. Sie können zum Beispiel die Reflexion eines weit entfernten Objekts erkennen, selbst wenn es direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Und sie sind relativ preiswert.

Sie können jedoch nicht die hohe Bandbreite oder das hohe Signal-Rausch-Verhältnis liefern, das die meisten modernen LiDAR-Systeme für die Mobilität benötigen. Schließlich sind sie weder sehr empfindlich noch sehr schnell.

Silizium-Photomultiplier (SiPM) und Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) Detektoren

Ihre Hersteller haben diese Festkörpersensoren auf Siliziumbasis ursprünglich für kleine, spezielle wissenschaftliche und medizinische Anwendungen entwickelt. In jüngerer Zeit haben sie versucht, sie auf dem größeren LiDAR-Markt auszuprobieren.

Diese Sensoren funktionieren ähnlich wie die APDs (siehe unten), sind aber für eine sehr hohe interne Verstärkung optimiert, so dass sie kleinste Lichtmengen erkennen können. Sie sind auch sehr schnell. Und schließlich sind sie mit der gängigen CMOS-Technologie kompatibel und können daher mit zugehöriger Elektronik auf demselben Chip gepaart werden.

Die Empfindlichkeit ihrer Einzelphotonenzähler ist jedoch viel geringer als die von APDs. Sie müssen sich also auf eine sehr hohe Multiplikation verlassen. Leider fügt der Multiplikationsprozess Rauschen hinzu, das das Signal-Rausch-Verhältnis oft erheblich verschlechtert. Ihr Verstärkungsmechanismus ist auch anfällig für Fehlauslösungen, die durch hohe Temperaturen verursacht werden. Der vielleicht gravierendste Nachteil dieser Sensoren ist, dass ihre hohe Verstärkung mit Sättigungsproblemen einhergeht.

Zunächst müssen die Sensoren mit Laserlicht umgehen, das von Objekten vor ihnen reflektiert wird. Darüber hinaus sind viele LiDAR-Systeme mit Scannern ausgestattet, die ein großes Sichtfeld haben. Dadurch wird eine ziemlich große Menge an zusätzlichem Licht auf einen SIPM- oder SPAD-Sensor geleitet. Und einige Phänomene, die in LiDAR-Mobilitätsumgebungen routinemäßig auftreten – wie etwa helles Sonnenlicht, Scheinwerfer mit Fernlicht oder andere LiDAR-Systeme – können den Sensor mit höheren Lichtstärken sättigen, als er bewältigen kann, selbst wenn optische Filter verwendet werden. Da die Entwicklungsarbeit zur Kompensation ihrer Nachteile weitergeht, werden diese Sensoren häufig für verschiedene LiDAR-Anwendungen in Betracht gezogen. Aber bis heute verhindern ihre Sättigungsprobleme und andere oben erwähnte Probleme, dass sie die bevorzugten Detektoren für LiDAR-Scans mit großer Reichweite werden.




 

Diese Sensoren werden häufig in kleinen Größen in Telekommunikations-Glasfasern eingesetzt, sind aber Neulinge im LiDAR-Bereich, außer für spezielle Anwendungen im Militär oder in der Luft- und Raumfahrt. Bei dieser Technologie wird die herkömmliche Konstruktion auf Siliziumbasis durch InGaAs-Material ersetzt.

Mit Lasersystemen, die speziell für das höhere Spektrum (1550 nm, im Gegensatz zu 905 nm bei den anderen hier besprochenen Sensoren) gebaut wurden, sollte dieses Design empfindlicher sein und mehr Leistung abgeben können. Somit kann ein LiDAR-System für Fahrzeuge mit einer größeren Reichweite als die meisten anderen Sensoren ausgestattet werden.

Die Leistung von InGaAs-Detektoren kann jedoch schon bei geringfügig höheren als den normalen Umgebungstemperaturen erheblich beeinträchtigt werden. Der Sensor benötigt unter Umständen ein externes Kühlsystem, selbst in gemäßigten Klimazonen.

Außerdem ist das Basismaterial deutlich teurer als die weit verbreiteten Siliziumsubstrate. Und die Herstellung von InGaAs-Sensoren in großen Größen für den LiDAR-Einsatz würde eine viel komplexere Fertigung erfordern als Silizium-Designs. Bis heute ist es nicht gelungen, sie in großen Mengen kommerziell herzustellen.

Da diese Technologie in der Welt der LiDAR-Systeme für Automobile neu ist, müssten die OEMs bereit sein, viel Zeit, Mühe und Geld in die Entwicklung eines neuen LiDAR-Systems mit einem InGaAs-Detektor zu investieren.

Diese Fotodetektoren auf Siliziumbasis, die ursprünglich für industrielle und militärische Anwendungen entwickelt wurden, funktionieren, indem sie eintreffenden Photonen ermöglichen, eine Ladungslawine auszulösen, die die Verstärkung durch ihren internen Verstärkungsmechanismus vervielfacht. Ihre für die Absorption optimierte Struktur wandelt mindestens 80 % des reflektierten 905-nm-Laserlichts in photoelektrischen Strom um. Ergebnis: stark erhöhte Empfindlichkeit.

Neben ihrer bemerkenswerten Empfindlichkeit haben APDs ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis, eine minimale Sättigung und eine sehr gute Geschwindigkeit. Sie gehören außerdem zu den kostengünstigsten Sensortechnologien, die es gibt.

Ein möglicher Nachteil: APDs verwenden eine spezielle bipolare Technologie, die nicht mit der üblichen CMOS-Fertigung kompatibel ist. Sie können also nur von einer kleinen Anzahl von Lieferanten bezogen werden. Und sie können nicht auf demselben Chip mit der zugehörigen CMOS-Elektronik gepaart werden.

Erfahrene Lieferanten können jedoch Gehäuse mit Sensoren und Elektronik auf eng benachbarten Chips herstellen. Beide können für eine erstklassige Leistung optimiert werden, ohne Kompromisse einzugehen. Ein APD-Sensorarray kann beispielsweise durch speziell entwickelte Transimpedanzverstärker (TIAs) – mit kundenspezifischen Verstärkungen und Bandbreiten – ergänzt werden, um den Fotostrom in Spannung umzuwandeln und das in das System eingehende Signal für eine hohe Verstärkung aufzubereiten. Dies kann die Leistung maximieren, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen.

APDs werden mit etablierten, hochproduktiven kommerziellen Herstellungsverfahren produziert und haben sich in einer Vielzahl von Systemen bewährt, die bereits im Einsatz sind.

Im Grunde genommen kombinieren sie, wenn sie richtig gemacht werden, bewährte Leistung mit einem attraktiven Preis. Die APDs sind derzeit die bevorzugten Detektoren für LiDAR mit großer Reichweite und sind entscheidende Komponenten in einer Reihe der modernsten Mobilitätssysteme von heute.

Sobald die richtige Sensortechnologie bestimmt ist, stehen die Entwickler von LiDAR-Systemen vor der Herausforderung, den richtigen Sensorlieferanten zu wählen.

Die Kandidaten müssen einer sorgfältigen Bewertung unterzogen werden. Verfügen sie über die Technologie, die Kapazitäten und die Expertise, um ihre Sensoren und Systeme an die individuellen Anforderungen und Märkte der OEMs anzupassen? Werden sie eng mit dem OEM-Team bei Design, Fertigung und Terminplanung zusammenarbeiten, um eine erfolgreiche Markteinführung zu gewährleisten?

Wenn ein Sensorhersteller Zeit aufwenden muss, um seine Entwicklungs-, Fertigungs-, Automobilqualifizierungs- und anderen Prozesse auf den neuesten Stand zu bringen, wird der LiDAR-Mobilitäts-OEM das Rennen um die schnellste Markteinführung verlieren.

Sensorlieferanten sammeln die Erfahrung, indem sie die Arbeit machen. Ein guter Kandidat wird seine Sensor-/Detektortechnologie bereits für Mobilitätsanwendungen eingesetzt haben. Dazu gehören das Design von Standard- und kundenspezifischen APDs, die Entwicklung und Fertigung von Standard- und kundenspezifischen Matrizen, Gehäusen und Modulen sowie die beste Elektronik ihrer Klasse.

Ein idealer Lieferant hat eine nachgewiesene Erfolgsbilanz, mit Produkten wie etwa APDs in Automobilqualität und zugehöriger Elektronik, die bereits von großen LiDAR-OEMs verwendet werden.

 

Designer sollten einem Lieferanten mit relevanten technischen Vorteilen den Vorzug geben, z. B. mit dem geringsten Rauschen und der höchsten Empfindlichkeit. Sie sollten aber auch nach einem Sensorhersteller Ausschau halten, der die ganzheitliche Kontrolle über seinen Bereich behält.

Der gesamte Produktionsprozess sollte als zusammenhängendes Ganzes realisiert werden – von der Verarbeitung der Chips bis zur Vorfertigung der Sensorsysteme. Durch die Fertigung aller zentralen Komponenten im eigenen Haus stellt ein Anbieter die lange Verfügbarkeit aller OEM-Produkte für die Serienproduktion und den Ersatzteilmarkt sicher.

Um als Hersteller von LiDAR-Systemen erfolgreich zu sein, ist es wichtig, das beste Preis-Leistungs-Verhältnis zu erzielen. Das kann dazu beitragen, ein bestimmtes System vom Rest des überfüllten Marktes zu unterscheiden. Sensoren von der Stange sind möglicherweise nicht die richtige Wahl. Stattdessen müssen die Bauelemente oft genau an das gewählte Systemdesign angepasst werden.

Systemhersteller müssen einen Sensorlieferanten finden, der agil und reaktionsschnell ist. In vielen Fällen muss ein Lieferant mit den OEM-Konstrukteuren zusammenarbeiten, um den Sensor und die zugehörige Elektronik für eine möglichst enge Integration mit dem Rest des Systems – und damit für eine optimale Leistung – anzupassen.

Beispiele: Das Team muss Sensorgeometrien erstellen, die zu einer bestimmten Auswahl von Objektiven passen, die Abmessungen optimieren und sich ansonsten an die Konfigurationen jedes einzelnen optischen Designs anpassen. Das Team muss die optimale Kanalanzahl bestimmen – wie viele Signale parallel empfangen werden –, um die räumliche Auflösung des Scanners zu maximieren. Und es muss die Verpackung so anpassen, dass die Schnittstellen zwischen Sensor und Elektronik so kurz wie möglich sind.

Schließlich sollte ein hervorragender Lieferant Sensoren mit raffinierten technischen Vorteilen wie z. B. Multi-Pixel-Homogenität anbieten. Wenn Fotodioden nicht homogen sind und/oder aus unterschiedlichen Quellen stammen, werden sie im realen Einsatz unterschiedlich auf die Umgebungstemperaturen reagieren. Dies kann die Leistung des LiDAR-Scanners erheblich beeinträchtigen. Im Gegensatz dazu kann die Homogenität von mehreren Pixeln die engstmögliche Verteilung der Signalinformationen bieten, selbst bei Spitzenabständen.

Ein hervorragender Sensorlieferant sollte die „Regeln der Straße“ bereits kennen. Er sollte mit den neuesten Standards und Vorschriften für die Qualifizierung, Robustheitsvalidierung und Charakterisierung in der Automobilindustrie vertraut sein.

Beispiele hierfür sind die nach ISO/TS 16949 für die Automobilindustrie zertifizierte Produktion und Prüfung sowie das nach AEC-Q 102 und 104 für die Automobilindustrie qualifizierte APD-Array-Verpackung. Der Lieferant sollte in der Lage sein, diese und andere relevante Standards auf alle seine Bauelemente und Fertigungseinrichtungen anzuwenden, um die Vorschriften einzuhalten und den System-OEMs zu helfen, Haftung zu vermeiden.

Eine zunehmende Regulierung ist unvermeidlich. Die Lieferanten sollten die Einhaltung der Vorschriften durch dokumentierte Best Practices nachweisen, wie z. B. die strenge Selbstqualifizierung, die die Ford Motor Company mit ihrem Q-Programm eingeführt hat.

Ein Lieferant sollte auch eine nachgewiesene Erfolgsbilanz in Bezug auf Qualität und Liefertreue vorweisen können, sowie ein hohes Maß an Unterstützung, von der anfänglichen Entwicklung bis hin zur Wartung.

Das Design der Sensoren sollte von Anfang an bei der Systementwicklung berücksichtigt werden. Je früher ein Erstausrüster den Sensorlieferanten einbezieht, desto schneller und einfacher wird der gesamte Design-/Fertigungsprozess – und desto besser ist die Leistung des resultierenden LiDAR-Systems.

Schließlich sollte ein Lieferant immer einen Blick auf zukünftige Entwicklungen in diesem sich schnell verändernden Bereich werfen. Der richtige Sensorhersteller verfügt über eine Innovations-Roadmap mit den zu erwartenden regulatorischen, geschäftlichen und technologischen Entwicklungen, die den Systemherstellern helfen, sich in diesem sich schnell verändernden Markt zurechtzufinden.

Dr. Marc Schillgalies, TE Connectivity

Paul Sharman, TE Connectivity