Development of a CMOS pixel sensor for the outer layers of the ILC vertex detector

par Liang Zhang

Thèse de doctorat en Instrumentation et microélectronique

Sous la direction de Yann Hu.

Le président du jury était Wilfried Patrick Uhring.

Les rapporteurs étaient Michel Paindavoine, Jean-François Genat.

  • Titre traduit

    Développement d'un capteur de pixels CMOS pour les couches externes du détecteur de vertex ILC


  • Résumé

    Le sujet de cette thèse est de concevoir un prototype de capteur à pixel CMOS adapté aux couches extérieures du détecteur de vertex de l'International Linear Collider (ILC).Il est le premier prototype de capteur CMOS intégrant un ADC en bas de colonne de 4-bit et une matrice de pixels, dédié aux couches externes. L'architecture du prototype nommé MIMOSA 31 comprend une matrice de pixels de 48 colonnes par 64 lignes, des ADC en bas de colonne. Les pixels sont lus ligne par ligne en mode d'obturation roulant. Les ADCs reçoivent la sortie des pixels en parallèle achève réalisent la conversion en effectuant une approximation de multi-bit/step. Sachant que dans les couches externes de l'ILC, la densité de pixels touchés est de l'ordre de quelques pour mille, !'ADC est conçu pour fonctionner en deux modes (actifs et inactifs) afin de minimiser la consommation d'énergie. Les résultats indiquent que MIMOSA 31 répond aux performances nécessaires pour cette couche de capteurs.


  • Résumé

    This work deals with the design of a CMOS pixel sensor prototype (called MIMOSA 31) for the outer layers of the International Linear Collider (ILC) vertex detector. CMOS pixel sensors (CPS) also called monolithic active pixel sensors (MAPS) have demonstrated attractive performance towards the requirements of the vertex detector of the future linear collider. MIMOSA 31developed at IPHC-Strasbourg is the first pixel sensor integrated with 4-bit column-level ADC for the outer layers. It is composed of a matrix of 64 rows and 48 columns. The pixel concept combines in-pixel amplification with a correlated double sampling (CDS) operation in order to reduce the temporal and fixed pattern noise (FPN). At the bottom of the pixel array, each column is terminated with an analog to digital converter (ADC). The self-triggered ADC accommodating the pixel readout in a rolling shutter mode completes the conversion by performing a multi-bit/step approximation. The ADC design was optimized for power saving at sampling frequency. Accounting the fact that in the outer layers of the ILC vertex detector, the hit density is inthe order of a few per thousand, this ADC works in two modes: active mode and inactive mode. This thesis presents the details of the prototype chip and its laboratory test results.


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