Development of a CMOS pixel sensor for embedded space dosimeter with low weight and minimal power dissipation

par Yang Zhou

Thèse de doctorat en Instrumentation et microélectronique

Sous la direction de Yann Hu et de Jérôme Baudot.

Le président du jury était Michel Paindavoine.

Le jury était composé de Rémi Barbier, Olivier Dorvaux.

Les rapporteurs étaient Martin Pohl.

  • Titre traduit

    Développement d'un capteur à pixels CMOS pour un dosimètre spatial embarqué de faible poids et avec une dissipation de puissance minimale


  • Résumé

    Cette thèse porte sur le développement d'un capteur de pixel monolithique CMOS utilisé pourl’identification et le comptage des particules ionisés dan l’espace avec un flux élevé. Un nouveauconcept pour l’identification de l’espèce des particules proposé dans la présente étude, est basésur l'analyse des amas de particules déclenchés. Pour valider ce nouveau concept, un capteur detaille complet, qui comprend la matrice de pixel sensible aux particules ionisés signal, une chaînede traitement du signal analogique, un convertisseur analogue numérique de 3 bits, et untraitement du signal numérique a été conçu dans un processus de 0.35 μm. Le capteur sortiedirectement des informations de flux à travers 4 canaux avec un débit de données très faible(80 bps) et dissipation d’énergie minimale (~ 100 mW). Chaque canal représente particules avecdifférentes espèces et les énergies. La densité maximum de flux mesurable est jusqu'à 108particules/cm2/s (coups s'accumulent < 5%). Un prototype à échelle réduite a été fabriqué et testéavec trois types d'illumination de rayonnement (rayons X, les électrons et laser infrarouge). Tousles résultats obtenus valident le nouveau concept proposé. Un moniteur de rayonnement spatialtrès miniaturisé basé sur un capteur de pixel CMOS peut être prévu. Le moniteur peut présente lesmêmes performances que les compteurs actuels, mais avec une dissipation de puissance réduited'un ordre de grandeur qu'un poids, un volume d'encombrement et un coût moindre. En outre, enraison de ses sorties de haut niveau et faible débit de données, aucune traitement supplémentairedu signal dehors du capteur est nécessaire, ce qui le rend particulièrement attrayant pour desapplications dan les petits satellitaires.


  • Résumé

    This thesis focuses on the development of a CMOS monolithic pixel sensor used for space ionizingparticles identification and counting in high flux. A new concept for single particle identification isproposed in this study, which is based on the analysis of particle triggered clusters. To validate thisnew concept, a full size sensor including the sensitive pixel matrix, an analogue signal processingchain, a 3-bit analogue to digital converter, and a digital processing stage was designed in a 0.35μm process. The sensor directly output particles flux information through 4 channels with a verylow data rate (80 bps) and minimal power dissipation (~ 100mW). Each channel representsparticles with different species and energies. The highest measurable flux density is up to 108particles/cm2/s (hits pile up < 5%). A reduced scale prototype was fabricated and tested with 3types of radiation illumination (X-ray, electrons and infrared laser). All the results obtained validatethe proposed new concept and a highly miniaturized space radiation monitor based on a singleCMOS pixel sensor could be foreseen. The monitor could provide measurements of comparable orbetter quality than existing instruments, but at around an order of magnitude lower powerconsumption, mass and volume and a lower unit cost. Moreover, due to its high level and low datarate outputs, no signal treatment power aside the sensor is required which makes it especiallyattractive for small satellite application.


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