Academic literature on the topic 'Capteur à pixels CMOS'

Ce travail vise à démontrer la faisabilité d’un dosimètre opérationnel neutrons basé sur la technologie CMOS. Le capteur utilisé (MIMOSA-5) doit pour cela être transparent aux γ et pouvoir détecter les neutrons sur une large gamme d’énergie en gardant évidemment une bonne efficacité de détection. La réponse du système de détection, constitué du capteur CMOS adjoint d’un matériau convertisseur (polyéthylène pour les neutrons rapides, 10B pour les neutrons thermiques), a été confrontée à des simulations Monte Carlo effectuées avec MCNPX et GEANT4. Un travail de validation de ces codes a préalablement été effectué pour justifier leur utilisation dans le cadre de notre application. Les expériences nous permettant de caractériser le capteur ont été menées au sein de l’IPHC ainsi qu’à l’IRSN/LMDN (Cadarache). Les résultats de l’exposition du capteur à des sources de photon pures et à un champ mixte n/γ (source 241AmBe) montrent la possibilité d’obtenir un système transparent aux γ par application d’une coupure appropriée sur le dépôt d’énergie (aux alentours de 100 keV). L’efficacité de détection associée est très satisfaisante avec une valeur de 10-3, en très bon accord avec MCNPX et GEANT4. La réponse angulaire du capteur a été étudiée par la suite à l’aide de la même source. La dernière partie de cette étude traite de la détection des neutrons thermiques (de l’ordre de l’eV). Les expériences ont été menées à l’IRSN sur une source de 252Cf modérée à l’eau lourde. Les résultats obtenus ont montré une très bonne efficacité de détection (allant jusqu’à 6×10-3 pour un convertisseur dopé au 10B) en très bon accord avec GEANT4<br>This work aims at demonstrating the possibility to use active pixel sensors as operational neutron dosemeters. To do so, the sensor that has been used has to be γ-transparent and to be able to detect neutrons on a wide energy range with a high detection efficiency. The response of the device, made of the CMOS sensor MIMOSA-5 and a converter in front of the sensor (polyethylen for fast neutron detection and 10B for thermal neutron detection), has been compared with Monte Carlo simulations carried out with MCNPX and GEANT4. These codes have been beforehand validated to check they can be used properly for our application. Experiments to characterize the sensor have been performed at IPHC and at IRSN/LMDN (Cadarache). The results of the sensor irradiation to photon sources and mixed field (241AmBe source) show the γ-transparency of the sensor by applying an appropriate threshold on the deposited energy (around 100 keV). The associated detection efficiency is satisfactory with a value of 10-3, in good agreement with MCNPX and GEANT4. Other features of the device have been tested with the same source, like the angular response. The last part of this work deals with the detection of thermal neutrons (eV-neutrons). Assays have been done in Cadarache (IRSN) with a 252Cf source moderated with heavy water (with and without cadmium shell). Results asserted a very high detection efficiency (up to 6×10-3 for a pure 10B converter) in good agreement with GEANT4

Une architecture de capteurs à pixels CMOS permettant la désertion du volume sensible par polarisation via la face avant du circuit est étudiée à travers la caractérisation en laboratoire d’un capteur prototype. Les performances de collection de charge confirment la désertion d‘une grande partie de l’épaisseur sensible. De plus, le bruit de lecture restant modeste, le capteur présente une excellente résolution en énergie pour les photons en dessous de 20 keV à des températures positives. Ces résultats soulignent l’intérêt de cette architecture pour la spectroscopie des rayons X mous et pour la trajectométrie des particules chargées en milieu très radiatif. La profondeur sur laquelle le capteur est déserté est prédite par un modèle analytique simplifié et par des calculs par éléments finis. Une méthode d’évaluation de cette profondeur par mesure indirecte est proposée. Les mesures corroborent les prédictions concernant un substrat fin, très résistif, qui est intégralement déserté et un substrat moins résistif et mesurant 40 micromètres, qui est partiellement déserté sur 18 micromètres mais détecte correctement sur la totalité de l’épaisseur. Deux développements de capteurs destinés à l’imagerie X et à la neuro-imagerie intracérébrale sur des rats éveillés et libres de leurs mouvements sont présentés<br>An architecture of CMOS pixel sensor allowing the depletion of the sensitive volume through frontside biasing is studied through the characterization in laboratory of a prototype. The charge collection performances confirm the depletion of a large part of the sensitive thickness. In addition, with a modest noise level, the sensor features an excellent energy resolution for photons below 20 keV at positive temperatures. These results demonstrate that such sensors are suited for soft X-ray spectroscopy and for charged particle tracking in highly radiative environment. A simplified analytical model and finite elements calculus are used to predict the depletion depth reached. An indirect measurement method to evaluate this depth is proposed. Measurements confirm predictions for a thin highly resistive epitaxial layer, which is fully depleted, and a 40micrometers thick bulk less resistive substrate, for which depletion reached 18 micrometers but which still offers correct detection over its full depth. Two sensor designs dedicated to X-ray imaging and in-brain neuroimaging on awake and freely moving rats are presented

Cette thèse, effectuée dans le cadre du projet Européen MEDEA+, PICS, porte sur la conception d’imageurs CMOS destinés aux applications de sécurité automobile et de surveillance. Le travail s’est focalisé sur l’amélioration de la dynamique de fonctionnement des imageurs CMOS tout en conservant des valeurs de bruit spatial fixe, une consommation et une surface de pixel minimales. Plusieurs solutions ont été explorées, les pixels à compresseur logarithmique, les pixels à temps d’intégration et les pixels intégrant une adaptation aux conditions lumineuses. Ces études ont abouties à la conception et la fabrication de quatre imageurs CMOS. Ces capteurs ont été testés et ont permis de valider les approches choisies<br>This thesis, carried out within the MEDEA + European project PICS, dealt with the design of CMOS imagers for automotive safety, security and professional broadcast applications. During this thesis, work was focused on improving the CMOS imager dynamic range while keeping minimal values for the fixed spatial noise, the power consumption and the pixel area. Several pixel architectures were investigated such as logarithmic architecture pixels, integration pixels and integration with light adaptive system. These studies resulted in the design of four CMOS imagers. Two circuits have been prototyped. The sensors performances obtained by test validate the proposed pixel architectures

La taille des pixels des capteurs d’image CMOS approche aujourd’hui lemicron. Dans ce contexte, le courant d’obscurité reste un paramètrecritique. Il se superpose au courant photogénéré en affectant la qualité del’image par l’apparition de pixels blancs. La contamination métalliqueintroduite au cours du procédé de fabrication joue un rôle prépondérant dansla création des défauts à l’origine de ce courant d’obscurité. Cette étude apermis d’établir les seuils de dangerosité de différents élémentsmétalliques sur la technologie imageur. L’origine de contaminationsaccidentelles a été identifiée lors de crises de rendement. Pour cela, untravail sur les techniques de détection a été mené par µPCD, DLTS, pompagede charge, SIMS, TEM et photoluminescence. La spectroscopie de courantd’obscurité (DCS), particulièrement efficace dans ce contexte, a étédéveloppée pour l’identification de contaminations en or, tungstène etmolybdène, avec des limites de détection qui atteignent 108 à 1010 at/cm3.Nous observons la quantification du courant d’obscurité et étudionsl’amplification du champ électrique sur le taux de génération afin demodéliser les pics de courant d’obscurité obtenus. Le comportement decertains métaux dans le silicium est précisé par ces expériences, et nousévaluons l’efficacité de piégeage de plusieurs substrats imageur. Ce travailconduit à la mise en place de protocoles de contrôle de la contaminationmétallique en salle blanche<br>Pixels size of CMOS image sensors is now decreasing towards one micron. Inthat context, dark current is a critical parameter. It superimposes with thecurrent generated by photons and affects the image quality with whitepixels. The metallic contamination introduced during the fabrication processplays an important role in the generation of defects that induce this darkcurrent. This study has allowed to determine dangerousness thresholds ofseveral metals on the imager technology. The origin of some accidentalcontaminations has been identified during yield crisis. Some work withdetection techniques has been performed with µPCD, DLTS, charge pumping,SIMS, TEM and photoluminescence. Dark current spectroscopy (DCS),particularly adapted to this situation, has been developped for theidentification of gold, tunsgten and molybdenum contaminations, withdetection limits that reach 108 to 1010 at/cm3. We have observed the darkcurrent quantization and studied the electric field enhancement ofgeneration rate to model the dark current peaks obtained. The behavior ofsome metals in silicon is confirmed by these experiments and we haveevaluated the getter efficiency of different substrates for image sensors.This work has lead to the application of protocols for the metalliccontamination control in clean room

Les capteurs d’images cherchent de nos jours non seulement à être performant mais également à être adaptés à leur environnement et à de nouvelles utilisations. On peut évoquer le cas des machines et véhicules autonomes par exemple. En raison de la qualité d’image et son coût, une vaste majorité des applications ont aujourd’hui adopté l’usage des pixels CMOS actifs à photodiodes pincées et à illumination par la face arrière.L’originalité de la solution proposée dans ce manuscrit repose l’intégration d’une photogate, utilisée par les capteurs CCD, au sein d’un pixel CMOS. Son utilisation optimise alors l’espace disponible dans le pixel et diminue le nombre d’implantation nécessaire à sa réalisation. Ce développement a également conduit à l’emploi d’une grille de transfert spécifique. Ces deux nouvelles structures auront toutes les deux été élaborées durant cette thèse notamment à l’aide de simulations et de structures de test.La caractérisation de ce nouveau pixel aura démontré de nombreux atouts : entre autres, l’augmentation de la charge à saturation et la réduction du courant d’obscurité. De plus, l’étude détaillée du courant d’obscurité indique une distribution davantage centrée. Celle-ci permet l’identification de contaminants et une meilleure tenue en température en comparaison à une photodiode classique.De nombreuses perspectives s’offrent à la structure telle que la réduction du pas du pixel ou son utilisation dans un environnement contraint en température<br>Nowadays image sensors look neither to be efficient, but rather to be adapted to their environment or to new uses. Autonomous machines and vehicles can be mentioned for instance. Because of image quality and cost, a large majority of applications employs CMOS pixels and pinned back-side illuminated photodiodes.The originality of the solution proposed in this manuscript relies on the integration of a photogate, used by CCD sensors, inside a CMOS pixel. Its use optimize the available space inside the pixel and decrease the number of implantation needed to its realization. This development has also led to the use of specific transfer gate. Both structures have been created during this thesis and designed using simulation and specific test structures.The characterization of the developed pixel demonstrate many assets such as an increase of saturation charges and a reduction of dark current. Furthermore, a detailed study of the dark currant indicates a more gathered pixel distribution, allowing the identification of contaminants and a better temperature handling in comparison to a classical photodiode.The proposed structure offers many perspectives such as reduction of the pixel pitch or its potential use in an environment with a temperature constraint

En hadronthérapie, des mesures de haute précision sont essentielles pour avoir une base de données robuste et délivrer le traitement prescrit au patient. Dans ce travail, un système de trajectométrie, composé de capteurs à pixels MIMOSA-28, a été utilisé pour différentes applications cliniques. Plusieurs améliorations ont été implémentées au niveau matériel et logiciel résultant à une résolution spatiale de trace &lt; 10 μm. Les expériences ont été menées avec succès dans différents centres médicaux et de recherche. Les profils de faisceaux ont été mesurés et la largeur du faisceau le long de l'axe a pu être calculée grâce à un code de transport basé sur la diffusion. Un outil en ligne de suivi de faisceau a été développé pour avoir une information rapide de son profil. D'autre part, les perturbations de la fluence dues à des marqueurs de repères pour un faisceau 12C ont été évaluées. Après reconstruction et extrapolation de chaque trace, une distribution 3D de la fluence a pu être établie et la perturbation maximale de la fluence et sa position ont pu être quantifiées. Les points froids mesurés varient entre moins de 3% à 9.2% pour un marqueur et une énergie de faisceau définis<br>In ion-beam therapy, high precision measurements are essential for having robust basic data to deliver the prescribed treatment to the patient. In this study, MIMOSA-28 pixel sensors were used as a tracker system for different medical applications. Several hardware and software improvements were implemented leading to a spatial track resolution &lt; 10 μm. The experiments were conducted with success in different medical and research facilities. In this work, beam profiles were measured along the beam axis and the width of the beam along the axis could be calculated with a transportation code based on multiple Coulomb scattering. Moreover, an online beam monitoring was developed in order to have fast information about the beam profile. In another study, the fluence perturbation of 12C ion beams due to small fiducial markers was investigated. After reconstruction and extrapolation of single track, a 3D fluence distribution could be performed and the maximum perturbation and its position along the beam axis could be quantified. In this work, the measured cold spot varied between less than 3% up to 9.2% for a defined marker and a defined primary energy beam

Les capteurs d’images CMOS connaissent une croissance rapide vers des applications à fortes valeurs ajoutées. Certains marchés en devenir, comme les applications d’imagerie médicale,sont axés sur la tenue aux rayonnements ionisants. Des solutions de durcissement par dessin existent actuellement pour limiter les effets de ces dégradations. Cependant, ces dernières peuvent contraindre assez fortement certains paramètres du pixel. Dans ce contexte, cette thèse propose une solution novatrice de durcissement aux effets d’ionisation par les procédés.Elle suggère l’utilisation de pixels intégrant une photodiode pincée à collection de trous pour limiter la dégradation du courant d’obscurité : paramètre le plus sévèrement impacté lors d’irradiations ionisantes. Cette étude est donc premièrement centrée sur la modélisation et l’étude du courant d’obscurité sur des capteurs CMOS standards aussi bien avant qu’après irradiation. Ces dernières assimilées, un démonstrateur d’un capteur intégrant des pixels de1.4 μm à détection de trous est proposé et réalisé. Les résultats en courant d’obscurité, induit par la contribution des interfaces, montrent de belles perspectives avant irradiation. Ce capteur a d’ailleurs été utilisé pour effectuer une comparaison directe sous irradiation entre un capteur à détection de trous et d’électrons à design identique. Ces essais montrent une réduction significative du courant d’obscurité aux fortes doses. Des voies d’amélioration sont proposées pour améliorer l’efficacité quantique du capteur, principal point à optimiser pour des applications aussi bien grand public que médicales<br>CMOS image sensors are rapidly gaining momentum in high end applications. Some emerging markets like medical imaging applications are focused on hardening against ionizing radiation. Design solutions currently exist to mitigate the effects of these degradations. However, they may introduce additional limitations on pixel performances. In this context, this thesis proposes an innovative solution of hardening by process against ionization effects. It suggests using hole pinned photodiode pixels to mitigate the dark current degradation: one of the most severely impacted parameter during ionizing radiation. This study is first focused on the modeling and understanding of dark current variation on standard CMOS sensors before and after irradiation. Next, a sensor integrating hole-based 1.4 micron pixels is proposed and demonstrated. Dark current performances induced by interfaces contribution are promising before irradiation. A direct comparison under irradiation between hole and electron based sensors with similar design has been carried out. These experiments show a significant reduction in dark current at high doses. Ways of improvement are proposed to enhance the quantum efficiency of this sensor, the main area for improvement as well consumer as medical applications

Le traitement d'images classique est basé sur l'évaluation des données délivrées par un système à basede capteur de vision sous forme d'images. L'information lumineuse captée est extraiteséquentiellement de chaque élément photosensible (pixel) de la matrice avec un certain cadencementet à fréquence fixe. Ces données, une fois mémorisées, forment une matrice de données qui estréactualisée de manière exhaustive à l'arrivée de chaque nouvelle image. De fait, Pour des capteurs àforte résolution, le volume de données à gérer est extrêmement important. De plus, le système neprend pas en compte le fait que l'information stockée ai changé ou non par rapport à l'imageprécédente. Cette probabilité est, en effet, assez importante. Ceci nous mène donc, selon " l'activité "de la scène filmée à un haut niveau de redondances temporelles. De même, la méthode de lectureusuelle ne prend pas en compte le fait que le pixel en phase de lecture a la même valeur ou non que lepixel voisin lu juste avant. Cela rajoute aux redondances temporelles un taux de redondances spatialesplus ou moins élevé selon le spectre de fréquences spatiales de la scène filmée. Dans cette thèse, nousavons développé plusieurs solutions qui visent contrôler le flot de données en sortie de l'imageur enessayant de réduire les redondances spatiales et temporelles des pixels. Les contraintes de simplicité etd'" intelligence " des techniques de lecture développées font la différence entre ce que nousprésentons et ce qui a été publié dans la littérature. En effet, les travaux présentés dans l'état de l'artproposent des solutions à cette problématique, qui en général, exigent de gros sacrifices en terme desurface du pixel, vu qu'elles implémentent des fonctions électroniques complexes in situ.Les principes de fonctionnement, les émulations sous MATLAB, la conception et les simulationsélectriques ainsi que les résultats expérimentaux des techniques proposées sont présentés en détailsdans ce manuscrit.