【摘要】：CMOS像素探測器芯片是高能物理實驗、空間物理探測和智能數(shù)字醫(yī)療領(lǐng)域中探知粒子存在、探測粒子徑跡、研究粒子性質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)。這些基本科學(xué)問題的研究將幫助我們理解宇宙萬物存在的奧秘并影響未來數(shù)十年科學(xué)的發(fā)展。本文對CMOS像素探測器芯片中的像素陣列進(jìn)行了深入研究,設(shè)計了像素陣列電路及版圖。對商用180nm CIS(CMOS Image Sensor)工藝的電荷敏感器件進(jìn)行建模與仿真,綜合考慮關(guān)鍵工藝參數(shù)對電荷收集效率、時間以及等效電容的影響,確定電荷敏感器件最佳結(jié)構(gòu)及偏置電壓。以此結(jié)構(gòu)仿真~(12)C~(6+)不同入射位置的收集電荷范圍,為像素電路設(shè)計提供輸入電流。采用低功耗高靈敏度結(jié)構(gòu)設(shè)計像素電路,其中模擬前端電路具有放大和比較的功能,閾值電荷為325e~-,且為外部可調(diào),功耗(電流)為100nA/pixel,輸出持續(xù)時間為1-3μs,填充因子可達(dá)100%。數(shù)字存儲電路用于存儲擊中信息以便輸出擊中像素地址,可配置為正常、屏蔽和測試三種工作模式。單個像素版圖尺寸為25.76μm×24.76μm。為了正確輸出擊中像素地址信息,采用優(yōu)先級編碼電路結(jié)構(gòu)設(shè)計低功耗快速地址讀出電路,該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于只讀出被擊中像素的地址而忽略未擊中像素,以此大大提高讀取速度并降低功耗,可實現(xiàn)單個時鐘周期(25ns)輸出單個擊中像素原始地址。對外圍讀出控制模塊進(jìn)行RTL設(shè)計及后端實現(xiàn),用于配置像素的不同工作模式,控制并輸出擊中像素完整地址信息。最后對像素電路、地址讀出電路及外圍讀出控制模塊進(jìn)行混合仿真驗證,并設(shè)計像素陣列整體版圖,尺寸為2609.76μm×3391.97μm。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文的低噪聲前端電路，提高探測精度及效率[19]，并提出 OrthoPix 和 AERD（Address-Encoder and Reset-Decoder）兩種新型芯片陣列讀出結(jié)構(gòu)，從而提高事例讀出速率，減小積分時間，提高抗輻射能力[20,21]。2012 年 ， PLAC 以 低 本 底 、 低 噪 聲 為 設(shè) 計 要 求 ， 提 出 了 “ 頂 層 金屬”( Topmetal )結(jié)構(gòu)，利用開窗的頂層金屬收集外界電荷[22]，并設(shè)計了一系列芯片。Topmetal-I 是該系列的第一代芯片，其結(jié)構(gòu)如圖 1-1[3]所示，主要包括像素陣列、DAC、數(shù)字控制電路、模擬讀出和數(shù)字讀出電路等。流片結(jié)果表明該芯片具備直接收集電荷的能力，，驗證了頂層金屬理論的可行性。但是由于其內(nèi)部沒有電荷敏感放大器，頂層金屬收集的電荷直接通過源跟隨器輸出，等效電荷噪聲 ENC（Equivalent Noise Charge）為 330e-，相比較于頂層金屬收集的電荷，該噪聲較大，因此只適用于對噪聲要求不高的高能物理實驗，未達(dá)到低本底、低噪聲的基本要求[23]。

圖 1-2 Topmetal-II 整體結(jié)構(gòu)框圖[3]國外的高能物理實驗發(fā)展較早，技術(shù)成熟，具有代表性的有：歐洲核子中心 CERN 的大型強子對撞機(jī) LHC 相關(guān)實驗；美國布魯克海文國家實驗L (Brookhaven National Laboratory) 中 相 對 論 重 離 子 對 撞 機(jī) Relativistic Heavy Ion Collider)上的 STAR(Solenoidal Tracker at RHIC)實驗反質(zhì)子與離子研究裝置 FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research)上縮重子物質(zhì) CBM (Compressed Baryonic Matter)實驗等等[2]。目前，最為著名的是世界上規(guī)模最大、能量最高的歐洲核子研究中RN 的大型強子對撞機(jī) LHC，由數(shù)十個國家（包括中國）參與建造，包ICE、ATLAS（A Toroidal LHC Apparatus）、CMS（Compact Muon Soleno LHCb（LHC-beauty）四個實驗，是國際先進(jìn)水準(zhǔn)粒子探測器的典型代表[ICE 主要研究夸克一膠子等離子體 QGP (Quark-Gluon Plasma)的特性，91 年開始研發(fā)，經(jīng)過了 17 年的研究和建造，于 2008 年正式運行。AL的內(nèi)部徑跡系統(tǒng) ITS(Inner Tracking System)是最靠近碰撞頂點的探測系
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN402

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