Rilevamento all'avanguardia di fotoni con i sensori di Broadcom

Il rilevamento dei fotoni consente ai dispositivi di percepire ciò che normalmente è invisibile e porta ad applicazioni rivoluzionarie nei settori della sicurezza automotive, dell'imaging medico, della robotica e dell'automazione industriale. Il rilevamento di singoli fotoni consente di rilevare in tempo reale i segnali minuti, aprendo nuove possibilità che spaziano dalla misurazione precisa della distanza alla diagnosi precoce di varie malattie.

Inventati negli anni '30, i tubi fotomoltiplicatori (PMT) sono lo standard de facto per il rilevamento di fotoni, ma i fragili tubi a vuoto in vetro erano troppo grandi e difficili da integrare in applicazioni chiave come automobili, droni, apparecchiature portatili o dispositivi consumer. I fotodiodi a valanga (APD) a stato solido sono più pratici, ma non hanno la sensibilità dei PMT.

I progettisti alla ricerca di un'alternativa chip-scale che corrisponda alla sensibilità di un PMT e alla praticità di un APD, possono ricorrere ai fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), la prossima generazione nel rilevamento dei fotoni. La famiglia di SiPM AFBR‑S4 di Broadcom offre il rilevamento all'avanguardia di fotoni in un formato che i progettisti possono facilmente integrare in LiDAR, scanner medici, sensori industriali o altre applicazioni.

Riflettori puntati sull'innovazione

La luce può trasmettere informazioni cruciali attraverso ogni fotone, come distanza, movimento, composizione chimica e radiazione. Il rilevamento di questi fotoni, soprattutto quando sono scarsi o arrivano istantaneamente, è alla base di tecnologie come il LiDAR nelle auto a guida autonoma, negli scanner medici avanzati e nei sensori industriali ultraprecisi.

Il problema è che i fotoni sono incredibilmente piccoli e fugaci, quindi sono necessari rilevatori specializzati per acquisirli e amplificarli in un segnale utilizzabile. I PMT convertono un singolo fotone in un elettrone, amplificandolo attraverso gli elettrodi in un tubo a vuoto per produrre un impulso elettrico misurabile. Sebbene siano sensibili e a basso rumore, non si adattano facilmente ai moderni sistemi compatti.

Gli APD rappresentano un'alternativa più pratica, allo stato solido, che amplifica i fotoni attraverso un processo a valanga interno in un diodo al silicio, per una soluzione più piccola e veloce. Tuttavia, fanno fatica a rilevare in modo affidabile i singoli fotoni in condizioni di luce molto scarsa, quindi una luce debole produce un segnale proporzionalmente debole.

I SiPM rilevano i singoli fotoni come un PMT, ma in un chip compatto, a bassa tensione e robusto che rende misurabile all'istante anche la luce più debole. Sono costituiti da serie di minuscole microcelle, ciascuna funzionante in modalità Geiger, in modo che un singolo fotone produca un impulso elettrico completo e uniforme.

Ogni microcella funziona essenzialmente come un interruttore digitale che si attiva nel momento in cui acquisisce un fotone. Dopo l'attivazione, la cellula si azzera ed è pronta per il fotone successivo, consentendo a un sensore composto da migliaia di celle che lavorano all'unisono di contare i singoli fotoni e gestire segnali luminosi più brillanti.

Rilevamento di fotoni compatto e ad alte prestazioni

La famiglia di SiPM AFBR‑S4 di Broadcom combina sensibilità a singolo fotone, tempi rapidi e prestazioni robuste in un contenitore compatto e pratico per semplificare la sfida di integrare il rilevamento avanzato della luce in prodotti pronti per il mercato.

Il kit di valutazione AFBR‑S4E001 di Broadcom (Figura 1) può aiutare i progettisti ad accelerare l'introduzione di applicazioni basate su SiPM nel mercato. È una piattaforma pronta per l'uso con cui testare, prototipare e integrare i sensori AFBR-S4 senza dover progettare circuiti personalizzati. Ciò riduce il rischio di sviluppo, consentendo l'iterazione sia sull'hardware che sul software prima di impegnarsi in layout PCB personalizzati o progetti per la produzione.

Figura 1: Il kit di valutazione AFBR‑S4E001 include un componente SiPM di fascia media e una scheda preamplificatore con due uscite da 50 Ω. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

Il kit di valutazione include software di supporto e progetti di riferimento, in modo che gli ingegneri possano esplorare il comportamento a livello di sistema, convalidare strategie di accoppiamento ottico e sperimentare configurazioni di array. I progettisti possono collegare l'array SiPM alle interfacce standard, sperimentare con la tensione di polarizzazione e misurare parametri prestazionali chiave come l'efficienza di rilevamento dei fotoni, la temporizzazione e il rumore in condizioni reali.

I progettisti possono inoltre sfruttare i formati flessibili della serie AFBR‑S4, tra cui:

AFBR-S4N22P014M (Figura 2) è un'opzione molto compatta con 2.464 microcelle per elemento di uscita in una superficie array attiva di 2 mm² per applicazioni con vincoli di spazio, come gli scanner palmari o i moduli per paraurti auto.

Figura 2: AFBR-S4N22P014M è un'opzione SiPM compatta per applicazioni con vincoli di spazio e può essere affiancato per coprire aree più ampie. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

AFBR-S4N44P014M (Figura 3) incrementa il numero di microcelle a 8.334 in un'area array attiva di 13,47 mm² per una capacità di conteggio dei fotoni superiore e una sensibilità migliorata. È un'opzione versatile per applicazioni quali LiDAR dall'ingombro compatto, imaging medico e sensori industriali.

Figura 3: Il SiPM AFBR-S4N44PP014M si colloca nella fascia media della famiglia di Broadcom. Uno di questi sensori è incluso nel kit di valutazione AFBR-S4E001. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

AFBR-S4N66P014M (Figura 4) è fornito con 22.428 microcelle in un'area array attiva di 36 mm² che massimizza l'efficienza di rilevamento dei fotoni e le prestazioni di segnale/rumore. È adatto per applicazioni che richiedono sia un'elevata sensibilità sia una superficie di rilevamento più ampia, come l'imaging medico avanzato e la mappatura LiDAR 3D o automotive a lungo raggio.

Figura 4: AFBR-S4N66P014M è il membro più grande della famiglia di Broadcom e fornisce acquisizione di fotoni ad alta risoluzione e lungo raggio. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

Broadcom ha progettato questi dispositivi per ridurre al minimo i conteggi di buio, la diafonia e l'afterpulsing, garantendo che i segnali rimangano puliti anche in ambienti difficili.

Conclusione

I SiPM AFBR-S4 di Broadcom consentono ai progettisti di integrare il rilevamento della luce ad alte prestazioni in varie applicazioni, come i LiDAR per il settore automotive e l'imaging medico. La serie AFBR‑S4 offre varianti di piccole, medie e grandi dimensioni, insieme al kit di valutazione AFBR‑S4E001 per la prototipazione rapida. In questo modo, i progettisti possono ottimizzare sensibilità, velocità e ingombro per innovare nei mercati in cui è fondamentale il rilevamento preciso della luce.