意法半导体如何把控ToF风口？

【卫报的评论】意法半导体在ToF技术上做了很大的努力。其ToF传感器出货量达到10亿，并被一百多部智能手机采用。未来，ToF将在近程探测传感器、人类存在探测和激光自动聚焦的应用中发挥不可估量的作用。

当ToF技术首次安装在智能手机上时，它并没有引起特别大的轰动。但随着各厂商的推进，这项技术逐渐成为半导体行业的“新星”，并成功站上了风口浪尖。与此同时，意法半导体后来居上，为150多种智能设备提供ToF传感器。

在三维图像的场景中，TOF传感器包括TOF像素单元阵列，用于测量场景中每个像素单元和与该像素单元相关联的点之间的距离。这提供了传感器和场景中与像素元素相关联的不同点之间的距离映射，并且可以根据该距离映射来重建场景的三维图像。然而，现有TOF像素单元的大尺寸不利于该技术的实际应用和便携式开发。

为解决上述问题，意法半导体早在2017年就申请了一项名为“飞行时间探测像素和图像传感器”的实用新型专利，申请人为意法半导体公司(意法半导体与法国政府共同建立的研究基地)。

图1飞行时间传感器的飞行时间视图

图1是TOF传感器的简化俯视图。传感器1由TOF像素元件的阵列3、行解码器7、列解码器9以及控制和处理单元15组成。其中阵列3与行/列解码器相关联，行解码器7传送信号11，使得可以选择阵列中的某一行，并且列解码器9可以从所选行中的像素单元读取信息。此外，行/列解码器由信号13控制，信号13由控制和处理单元15传送。

光源17主要用于照明需要三维图像的场景，并且它还连接到控制和处理部分15，使得施加到阵列3的TOF像素元件的控制信号与光源17同步。

图2 TOF像素元件实现示例

上图显示了由该专利提出的TOF像素元件的例子，其中晶体管Tmemi和TresPD的栅极布置在像素元件的光敏区域上。在电荷从感光区域PD转移期间，这些栅极面对这些像素元件的表面，并吸引感光区域PD中光电产生的电荷。由于电荷转移时间短，光敏区域PD中光电产生的电荷应该在短时间内被吸引到晶体管Tmemi或TresPD的相应栅极下。因此，期望光敏区域具有小的表面积，以限制光敏区域PD中的电荷路径。

由于TOF像素元件90中的光敏区域PD具有小的表面积，并且存储区域的尺寸相对较小，因此该像素元件可以比传统的TOF像素元件占据更小的表面积。

意法半导体在ToF技术上颇有建树，近日官网意法半导体宣布其ToF传感器出货量达到10亿，被100多款智能手机采用。虽然目前ToF技术多用于智能手机，但在未来，ToF在接近检测传感器、人体存在检测、激光自动对焦等方面的应用将不可估量。

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