ON Semiconductor(安森美)的 Automotive Sensing Division、Intelligent Sensing Group 的 VP 兼总经理(General manager)——Ross Jatou 先生表示说:“要实现无人驾驶车辆的量产还需要一段时间。不过,为实现无人驾驶车辆的量产,ON Semiconductor(安森美)正竭尽全力研发传感器”!(图 1),同时还表示说:“无人驾驶的首要任务是救人,我们为此付诸激情(Passion),我们不仅专注做图像传感器,还专注于做雷达、LiDAR(Light Detection and Ranging)、融合了雷达和 LiDAR 的 Sensor Fusion”。最后还透露说,ON Semiconductor 目前正在朝车载业务方向发展。

 

图 1:ON Semiconductor 公司的 utomotive Sensing Division、Intelligent Sensing Group 的 VP 兼总经理(General manager)--Ross Jatou 先生。(图片出自:mynavi)

 

要实现无人驾驶技术,需要把安全基准从当前的 Level 2 提高到 Level 4。据预测,至少得到 2022 年以后才能实现 Level 4。然而,要实现 Level 4,用来检测汽车周边环境的传感器是必不可缺的。而且,ON Semiconductor 认为,仅仅依靠 ON Semiconductor 一直以来着手的图像传感器(CMOS)是肯定不够的!所谓“图像传感器(CMOS)”仅仅可以用来感应可见光,雾天、雪天等天气情况恶劣的情况下,就无法使用图像传感器了。为此,ON Semiconductor 开发了代替可见光的 79GHz 波段的毫米(Mili)波雷达 IC、可接收 LiDAR 的 3D ToF(Time of Flight)图像传感器。用雷达监测汽车周围的物体,用 LiDAR 计算物体到汽车的距离,如果物体在汽车前方的话,再进一步判断是否需要刹车。


已经取得雷达的认证

据 Jatou 先生透露,“NR4401”是一款采用了 79GHz SiGe 工艺的车载雷达收发器(Transceiver)(图 2),而且已经获得了日本无线设备认证测试机构 ----TELEC(Telecom Engineering Center)的认证,用它发射 79GHz 的无线电波、并检测返回的无线电波,以此来计算距离。发射的无线电波支持 4 通道(Channel)的高速 Chirped 信号,反射回来的无线电波也支持 4 通道(Channel)。

 


图 2:79GHz 的雷达 IC“NR4401”的概要。(图片出自:ON Semiconductor)

 

在 79GHz 这一毫米波中,无线电波很难发射太远的距离。为此,通过利用 MIMO(Multiple Input Multiple Output)天线和波束成形(Beam Forming),无线电波的发射可以更精确、距离可以更远。在此,通过组合收发器芯片、4*4 MIMO 天线,可在近距离、远距离之间互相切换。用相位和振幅来调整波束(Beam)的扩散,就可以使无线电波发射到较远的距离。但是,5G 毫米波不同,它不需要高度的数字调制,仅仅需要使用简单的高速啁啾(Chirped)进行调制。由于仅仅是进行远近距离的切换,所以雷达仅由 2 个收发器 IC、1 个微控制器组成。

 

图 3:使用 NR4401 的实例,左侧是 Range(距离)和速度(Velocity)的相关图。(图片出自:mynavi)

已开发检测 LiDAR 图像的系统

LiDAR 系统可以检测出距离汽车 3m(近距离)的物体、也可以检测出距离汽车 100m(远距离)的物体。检测近距离物体时,激光的工作方式是:通过镜头(Lens)扩散激光,就像闪光灯一样立即发射光并接收其反射光;这里的 LiDAR 系统是通过 100*400 像素的 SPAD(Single photon Avalanche Photodiodes)的 2D 阵列(Array)来接收反射光。(图 4)

 

图 4:搭载了 SPAD 阵列(Array)的 LiDAR 系统的构成。(图片出自:ON Semiconductor)


那么是如何感应远距离的物体呢?--需要发射激光光束(Laser Beam)进行扫描(Scan)!光束朝上下摆动、朝左右扫描。激光器这一侧安有用来调整光束(Steering Beam)的 MEMS。同样地,在接收激光的地方采用了区域阵列(Area Array)。而且,对激光的波长来说,905nm 的 IR(红外线)最合适。

 

图 5:采用了 SPAD 阵列传感器的实例。可能不太容易看清楚,把近距离、远距离的测试结果放在了一个图片上。(图片出自:mynavi)

 

此外,也使用了 Si 晶元的 CMOS 工艺。除了激光二极管和光束控制 IC 之外,LiDAR 系统中使用的组件还包括激光驱动电路,光接收电路,定时(Timing)控制电路,直方图(Histogram)发生器,点云(Point Cloud)发生器,电源 IC 等(图 6)。其中,安森美公司拥有的技术占一半以上,光学、激光等发射方面的技术由外部供应商提供。

 

图 6:LiDAR 系统和安森美的线路。(图片出自:ON Semiconductor)

 

通过此次开发的 SPAD 阵列图像传感器,可以用二维图像的形式检测物体。还可以通过改变颜色来表示物体的的深度信息。


开始量产具有具有较广动态响应范围(Dynamic Range)的图像传感器

安森美已经开始批量生产“AR0233”,这是 Hayabusa 系列产品中的第一款产品,该产品通过 CMOS 图像传感器控制 LED 灯的闪烁(Flicker)、把动态响应范围扩大到 140dB。同时,该产品还是一款具有 130 万 -460 万像素的 2D SPAD 阵列的通用构架产品。

 

图 7:Hayabusa 系列的首款“AR0233”(左)、以往的 CMOS 图像传感器(右)。按照以往的解决方案,可以看到 LED 产生的闪烁噪声(Flicker noise),而 AR0233 不存在这种现象。(图片出自:mynavi)

 

此外,安森美还提到了 IVEC(In-Vehicle Experience Camera)模组,它可以提醒驾驶员不要瞌睡打盹、看手机。安森美表示说,将会和 3M 公司合作提出一个装有摄像头的系统。因为 94%的事故都是由驾驶员失误引起的,所以驾驶员本身是看不到摄像头的。3M 开发了一种驾驶员无法看到的“隐形薄膜(Camouflage Film)”,并将其放在摄像头上,以便驾驶员看不到它。这真是一项加速车载监控摄像头普及的技术。

 

图 8:安森美的最新的车载传感器芯片系列。(图片出自:mynavi)

 

安森美对自家公司产品的质量有绝对的信心!2010 年至今,芯片出货数量累计达 1,100 亿个,加上这次公布的传感器,还有 LED 前照灯、功率半导体、超声波传感器接口等所有产品的不良率不是 ppm(百万分之一),而是 ppb(十亿分之一)。2015 年为 55ppb,2018 年减少到 30ppb,出货数量增加,不良率却在下降,可以说安森美获得了提高产品良率的“秘诀”(图 9)。未来,不仅致力于实现汽车安全性能的整体解决方案,还要消除因半导体而引起的汽车故障问题,安森美将会以其高质量产品为“武器”,继续扩充市场。

 

图 9:安森美的产品质量逐年改善,不良率达到了 ppb 水平。(图片出自:ON Semiconductor)