Feasibility study and microelectronic design of a new readout for digital SiPMs for LiDAR application

Negli ultimi anni il mondo della guida autonoma è diventato uno dei più importanti ambiti della ricerca elettronica ed informatica. 3D Light Detection And Ranging (LiDAR) è una tecnologia chiave per quanto riguarda gli sviluppi futuri in questo ambito. I veicoli autonomi dovranno infatti essere dotati di sensori 3D veloci in grado di monitorare la scena circostante per gestire situazioni di traffico normali ed anomale. Per fare ciò è necessario avere a disposizione informazioni di profondità con risoluzione nell'ordine di pochi centimetri a centinaia di metri di distanza. Tipicamente questi sistemi utilizzano luce nella gamma dell’infrarosso, per queste lunghezze d’onda la luce ambientale comporta serie difficoltà in quanto la sua intensità è paragonabile a quella della sorgente Laser. Perciò ridurre l’influenza della luce di fondo è una parte fondamentale della ricerca e progettazione di questi sistemi. Recentemente la tecnologia per produrre SPAD è diventata accessibile anche per questo genere di applicazioni grazie all’alta sensibilità, compattezza, robustezza e facilità d’uso che garantisce. La possibilità di integrare gli SPAD su chip microelettronici consente di avere delle migliori prestazioni di timing e di eseguire una pre-elaborazione del segnale direttamente in-chip al costo di peggiori performance ottiche rispetto a tecnologie custom. Questo lavoro di tesi è parte di un progetto che mira alla valutazione e sviluppo di sensori LiDAR sfruttando rivelatori basati su SPAD. A tal fine è stato effettuato uno studio preliminare riguardo la possibilità di usare questa tecnologia date le specifiche richieste. Il lavoro di tesi si concentra principalmente sulla progettazione microelettronica di un nuovo digital SiPM (Silicon Photomultiplier) anche se è stato necessario acquisire una comprensione generale del sistema di ricezione per dimensionare correttamente il sensore stesso. Per questo motivo questo lavoro si è basato su un approccio top-down a partire dalle specifiche fino al progetto di circuiti analogici. Per prima cosa è stato sviluppato un modello probabilistico per valutare le prestazioni di SiPM digitali in condizioni di forte luce ambientale. Questo modello è stato poi applicato per paragonare sensori composti da un singolo pixel che scansiona il campo visivo con architetture multi-pixel più complesse. Infine è stato progettato (a livello schematico) un singolo SiPM digitale che sfrutta un’innovativa lettura analogica del segnale per la ricerca del picco.

Negli ultimi anni il mondo della guida autonoma è diventato uno dei più importanti ambiti della ricerca elettronica ed informatica. 3D Light Detection And Ranging (LiDAR) è una tecnologia chiave per quanto riguarda gli sviluppi futuri in questo ambito. I veicoli autonomi dovranno infatti essere dotati di sensori tridimensionali veloci in grado di monitorare la scena circostante per gestire situazioni di traffico normali ed estemporanee. Per fare ciò è necessario avere a disposizione informazioni di distanza con risoluzione nell'ordine di pochi centimetri a centinaia di metri di distanza. Tipicamente questi sistemi utilizzano luce nella gamma dell’infrarosso, per queste lunghezze d’onda la luce ambientale comporta serie difficoltà in quanto la sua intensità è paragonabile a quella della sorgente Laser. Perciò ridurre l’influenza della luce di fondo è una parte fondamentale della ricerca e progettazione di questi sistemi. Recentemente la tecnologia per produrre SPAD è diventata accessibile anche per questo genere di applicazioni grazie all’alta sensibilità, compattezza, robustezza e facilità d’uso che garantisce. La possibilità di integrare gli SPAD su chip microelettronici consente di avere delle migliori prestazioni di timing e di eseguire una pre-elaborazione del segnale direttamente in-chip al costo di peggiori performance ottiche rispetto a tecnologie custom. Questo lavoro di tesi è parte di un progetto che mira alla valutazione e sviluppo di sensori LiDAR sfruttando rivelatori basati su SPAD. A tal fine è stato effettuato uno studio preliminare riguardo la possibilità di usare questa tecnologia date le specifiche richieste. Il lavoro di tesi si concentra principalmente sulla progettazione microelettronica di un nuovo digital SiPM (Silicon Photomultiplier) anche se è stato necessario acquisire una comprensione generale del sistema di ricezione per dimensionare correttamente il sensore stesso. Per questo motivo questo lavoro si è basato su un approccio top-down a partire dalle specifiche fino al progetto di circuiti analogici. Per prima cosa è stato sviluppato un modello probabilistico per valutare le prestazioni di SiPM digitali in condizioni di forte luce ambientale. Questo modello è stato poi applicato per paragonare sensori composti da un singolo pixel che scansiona il campo visivo con architetture multi-pixel più complesse. Infine un singolo SiPM digitale che sfrutta un’innovativa lettura analogica del segnale per la ricerca del picco viene proposta.