Conception et intégration d’un capteur à pixels actifs monolithiques et de son circuit de lecture en technologie CMOS submicronique pour les détecteurs de position du futur

Design and integration of a monolithic active pixel sensor and its readout circuit using a CMOS submicronic technology for future vertex detectors

• Auteur / Autrice : Sébastien Heini
• Direction : Yann Hu, Marc Winter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, optoélectronique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs analogique-numérique

Traitement du signal

Imagerie médicale

MOS complémentaires

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Détecteur de Vertex

CAN à double rampe

Résumé

Le travail de thèse présenté dans ce mémoire a été réalisé dans le cadre du développement des capteurs CMOS devant équiper le futur détecteur de vertex de l’expérience CBM à FAIR (GSI, Darmstadt). Premièrement, nous présentons de nouveaux circuits de détection de particules ionisantes en mode courant : les PhotoFETs. Ils ont été développés pour améliorer les performances des capteurs CMOS, notamment en termes de sensibilité et de vitesse de lecture. Deuxièmement, nous présentons une nouvelle architecture de Convertisseur Analogique-Numérique de 4 bits à double rampe. Leur intégration dans les capteurs CMOS impose des critères d’encombrement inhabituels et des contraintes sévères sur la consommation et le temps de conversion. Cette contribution a abouti à des résultats expérimentaux satisfaisants qui ouvrent des perspectives intéressantes pour l’intégration des PhotoFETs et des CAN à double rampe dans des capteurs CMOS, notamment en exploitant des technologies profondément submicroniques et la technologie 3D.

The thesis work, presented in this manuscript, was carried out for the development of the CMOS sensors which are foreseen to equip future vertex detector of the CBM experiment at FAIR (GSI, Darmstadt). First, we present new ionising particles detection circuits working in current mode: PhotoFETs. They were developed in order to improve the performances of the CMOS sensors, in particular the sensitivity and readout speed. Second, we present a new architecture of Double ramp Analogue-to-Digital Converter (ADC) with 4 bits resolution. Its integration into the CMOS sensors imposes specific constraints on the design of ADC: minimal material budget (layout size), severe limits on the power consumption and the conversion time. This contribution succeeded in good experimental results which open interesting perspectives for the integration of PhotoFETs and Double Ramp ADC in to CMOS sensors, in particular by using Very Deep Submicronic technologies and 3D technology.