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Dissertations / Theses on the topic 'Capteur à pixels CMOS'
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Vanstalle, Marie. "Dosimétrie électronique et métrologie neutrons par capteur CMOS a pixels actifs." Phd thesis, Université de Strasbourg, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00630288.
Full textAbstract:
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 si-mulations 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 ob-tenus ont montré une très bonne efficacité de détection (allant jusqu'à 6×10-3 pour un convertisseur do-pé au 10B) en très bon accord avec GEANT4.
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Vanstalle, Marie. "Dosimétrie électronique et métrologie neutrons par capteur CMOS à pixels actifs." Strasbourg, 2010. https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2010/VANSTALLE_Marie_2010.pdf.
Full textAbstract:
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
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Heymes, Julian. "Depletion of CMOS pixel sensors : studies, characterization, and applications." Thesis, Strasbourg, 2018. http://www.theses.fr/2018STRAE010/document.
Full textAbstract:
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
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Lauga-Larroze, Estelle. "Contribution à la conception de capteurs de vision CMOS à grande dynamique." Grenoble INPG, 2007. http://www.theses.fr/2007INPG0078.
Full textAbstract:
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
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Domengie, Florian. "Etude des défauts électriquement actifs dans les matériaux des capteurs d'image CMOS." Thesis, Grenoble, 2011. http://www.theses.fr/2011GRENT002/document.
Full textAbstract:
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
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Suler, Andrej. "Développement d’un pixel photogate éclairé par la face arrière." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019GREAT025.
Full textAbstract:
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
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Reidel, Claire-Anne. "Applications for CMOS pixel sensors in ion-beam therapy." Thesis, Strasbourg, 2020. https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2020/REIDEL_Claire-Anne_2020_ED182.pdf.
Full textAbstract:
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 < 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 < 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
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Place, Sébastien. "Elaboration d’une technologie de pixels actifs à détection de trous et évaluation de son comportement en environnement ionisant." Thesis, Toulouse, ISAE, 2012. http://www.theses.fr/2012ESAE0037/document.
Full textAbstract:
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
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Amhaz, Hawraa. "Traitement d'images bas niveau intégré dans un capteur de vision CMOS." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00838399.
Full textAbstract:
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.
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Ea, Thomas. "Etude d'un capteur d'images stéréoscopique panoramique couleur : conception, réalisation, validation et intégration." Paris 6, 2001. http://www.theses.fr/2001PA066421.
Full text
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Fu, Yunan. "Développement de capteurs à pixels CMOS pour un détecteur de vertex adapté au collisionneur ILC." Phd thesis, Université de Strasbourg, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00869940.
Full textAbstract:
Le travail de thèse a consisté, en priorité, à s'approprier les technologies d'intégration verticale en usage dans l'industrie pour réaliser des mémoires à plusieurs étages, et à en évaluer l'apport pour les capteurs à pixel CMOS (CPS). Cette approche s'appuie sur la capacité de l'industrie à interconnecter des puces amincies empilées les unes sur les autres. Elle ouvre la perspective d'associer plusieurs microcircuits superposés à un même pixel, en dépits de sa taille réduite. L'interconnexion est donc réalisée au niveau du pixel. Ce saut technologique permet de lever la majorité des obstacles à l'obtention de performances optimales des CPS. On peut en particulier combiner des puces réalisées dans des technologies CMOS très différentes, chacune optimale pour une fonctionnalité précise. La collection des charges du signal peut ainsi être réalisée dans une couche dédiée, les microcircuits de conditionnement analogique des signaux peuvent être concentrés dans une autre couche, une troisième couche pouvant héberger les parties numériques assurant la compression puis la transmission des signaux, etc. Ce progrès se traduit notamment par la possibilité de combiner haute résolution spatiale et lecture rapide, avec une amélioration probable de la tolérance aux rayonnements intenses.On s'affranchit de cette manière des limitations provenant des paramètres de fabrication des fondeurs, qui ne permettent pas à l'heure actuelle, de pleinement exploiter le potentiel des CPS à l'aide d'une technologie CMOS unique.
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Cohen, Muriel. "Caractérisation des modes de défaillance des capteurs d'images CMOS à pixels actifs en environnement spatial." Toulouse, ENSAE, 2000. http://www.theses.fr/2000ESAE0019.
Full text
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Coudrain, Perceval. "Contribution au développement d'une technologie d'intégration tridimensionnelle pour les capteurs d'images CMOS à pixels actifs." Toulouse, ISAE, 2009. http://www.theses.fr/2009ESAE0005.
Full textAbstract:
Durant la dernière décennie, le marché des capteurs d'images électroniques a connu un essor considérable, appuyé par la démocratisation des applications nomades. Si le domaine a longtemps été dominé par les dispositifs CCD, les capteurs APS (Active Pixel Sensors) se sont depuis largement imposés, aidés par la pénétration des technologies CMOS. Une miniaturisation soutenue de la taille des pixels a conduit à des résolutions d'images élevées, mais a fait émerger des limitations sur les performances électro-optlques. Si celles-ci ont pu être partiellement compensées par des adaptations de la technologie, la perspective de pixels sub-microniques nécessite en revanche l'introduction d'architectures innovantes. Un pixel tridimensionnel est ici étudié, permettant de dissocier verticalement les fonctions de photo-détection et de lecture sur deux niveaux actifs. En plus de tirer les bénéfices d'une illumination par la face arrière, cette configuration permet une large augmentation de la surface photosensible et de la charge à saturation. Malgré l'engouement rencontré ces dernières années pour les technologies tridimensionnelles, la réalisation d'un pixel CMOS fortement miniaturisé (<2 µm) en 3D révèle une difficulté majeure, liée au micro-dimensionnement des interconnexions 3D entre les deux niveaux de circuit, incompatible avec les performances d'alignement lors du collage de circuits. Une construction séquentielle est ici proposée pour contrecarrer cette limitation. Les briques technologiques associées dans cette approche sont étudiées à partir de pixels de 1. 4 µm : transfert de couche SOI sur circuit par collage moléculaire, fabrication de transistors FDSOI à faible budget thermique (<700°C), gravure de contacts à fort facteur de forme. Les performances en bruit basse fréquence sont comparées à celles de technologies planaires sur la base de mesures de transistors élémentaires. Plusieurs solutions technologiques alternatives sont finalement investiguées.
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Heini, Sébastien Hu Yann Winter Marc. "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." Strasbourg : Université de Strasbourg, 2009. http://eprints-scd-ulp.u-strasbg.fr:8080/1128/01/HEINI_Sebastien_2009_restrict.pdf.
Full text
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Zhao, Wei. "Development of CMOS sensor with digital pixels for ILD vertex detector." Thesis, Strasbourg, 2015. http://www.theses.fr/2015STRAE004/document.
Full textAbstract:
La thèse présente le développement de CPS (CMOS Pixel Sensors) intégré avec CAN au niveau du pixel pour les couches externes du détecteur de vertex de l’ILD (International Large Detector). Motivé par la physique dans l’ILC (International Linear Collider), une précision élevée est nécessaire pour les détecteurs. La priorité des capteurs qui montre sur les couches externes est une faible consommation d’énergie en raison du rapport élevé de couverture de la surface sensible (~90%) dans le détecteur de vertex. Le CPS intégré avec CAN est un choix approprié pour cette application. L’architecture de CAN de niveau colonne ne fournit pas une performance optimisée en termes de bruit et la consommation d’énergie. La conception de CAN au niveau du pixel a été proposée. Bénéficiant des sorties de pixels tout-numérique, CAN au niveau des pixels présentent les mérites évidents sur le bruit, la vitesse, la zone sensible et la consommation d’énergie. Un prototype de capteur, appelé MIMADC, a été implémenté par un processus de 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor). L’objectif de ce capteur est de vérifier la faisabilité du CPS intégré avec les CAN au niveau des pixels. Trois matrices sont incluses dans ce prototype, mais avec deux types différents de CAN au niveau de pixel: une avec des CAN à registre à approximations successives (SAR), et les deux autres avec des CAN à une seule pente (Single-Slope, SS) CAN. Toutes les trois possédant les pixels de la même taille de 35×35 μm2 et une résolution de 3-bit. Dans ce texte, des analyses théoriques et le prototype sont présentés, ainsi que la conception détaille des circuits<br>This thesis presents the development of CMOS pixel sensors (CPS) integrated with pixel-level ADCs for the outer layers of the ILD (International Large Detector) vertex detector. Driven by physics in the ILC (International Linear Collider), an unprecedented precision is required for the detectors. The priority of the sensors mounted on the outer layers is low power consumption due to the large coverage ratio of the sensitive area (~90%) in the vertex detector. The CPS integrated with ADCs is a promising candidate for this application. The architecture of column-level ADCs, exists but do not provide an optimized performance in terms of noise and power consumption. The concept of pixel-level ADCs has been proposed. Benefiting from the all-digital pixel outputs, pixel-level ADCs exhibit the obvious merits on noise, speed, insensitive area, and power consumption. In this thesis, a prototype sensor, called MIMADC, has been implemented by a 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor) process. The target of this sensor is to verify the feasibility of the CPS integrated with pixel-level ADCs. Three matrices are included in this prototype but with two different types of pixel-level ADCs: one with successive approximation register (SAR) ADCs, and the other two with single-slope (SS) ADCs. All of them feature a same pixel size of 35×35 μm2 and a resolution of 3-bit. In this thesis, the prototype is presented for both theoretical analyses and circuit designs. The test results of the prototype are also presented
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Maëstre, Stéphan. "Étude de courants parasites dans les imageurs CMOS à pixels actifs et de leurs effets induits." Toulouse, ENSAE, 2003. http://www.theses.fr/2003ESAE0019.
Full textAbstract:
Ce travail effectué au sein du laboratoire CIMI (Conception d'lmageurs Matriciels Intégrés) de SUPAERO porte sur l’étude de différents courants parasites dans les capteurs d'images CMOS à pixels actifs (APS). La première partie s’axe sur l’étude du courant thermique et son origine. Le comportement de différents types de pixels vis-à-vis de ce courant ainsi que l'influence de la température y sont présentés. La deuxième partie s’axe plus particulièrement sur un phénomène jusqu’à maintenant peu étudié dans les capteurs d’images CMOS : l'impact des porteurs chauds. L’intérêt pour ce phénomène est né de l'observation de phénomènes parasites concernant le temps de rétention de la capacité de jonction intra pixel. Nous avons en effet constaté que la décroissance de la tension aux bornes de la photodiode se comportait de façon anormale lorsque le pixel était sélectionné. Il est montré que toutes les technologies étudiées (CMOS 0,7um, CMOS 0,5 um, CMOS 0,35um, CMOS O,25um) présentent le même phénomène parasite. Notre intérêt s’est donc porté sur ce phénomène parasite et nous montrons qu’une production de porteurs chauds par l'électronique du pixel est à son origine. Il est mis en évidence que le circuit de lecture à l'intérieur même du pixel génère des porteurs minoritaires supplémentaires lorsque celui-ci est sélectionné (la collection de ces charges parasites par les zones photosensibles dégradant la réponse des pixels). Parmi les paramètres influents sur la production de ces charges on peut noter le temps de sélection des pixels, les tensions de polarisation ou encore les courants de polarisation. Des simulations physiques grâce à l'outil ISE-TCAD mettent en évidence que le transistor à l'origine de ces phénomènes est le transistor suiveur intra-pixel. De plus, la présence d'émission de lumière (électroluminescence) exposée dans la dernière partie de cette thèse le confirme. L’impact de porteurs minoritaires supplémentaires générés par ionisation par impact secondaire ou par électroluminescence (intervenant principalement à fort niveau de signal) est ainsi montré sur la réponse des pixels. De plus, les précautions à prendre pour minimiser cet impact sont exposées.
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Estribeau, Magali. "Analyse et modélisation de la fonction de transfert de modulation des capteurs d'images à pixels actifs CMOS." École nationale supérieure de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 1972-2007), 2004. http://www.theses.fr/2004ESAE0014.
Full textAbstract:
Cette thèse est consacrée à l'analyse et à la modélisation de la Fonction de Transfert de Modulation (FTM) des capteurs d'images à pixels actifs (APS) CMOS. La FTM, indicateur de la qualité de l’image fournie par le système optique ou électo-optique, représente le contraste restitué par le système à une résolution donnée. Après avoir vérifié les conditions d’applicabilité de cette notion aux capteurs d'images, nous nous intéressons au modèle analytique de FTM issu du monde des CCD. Il tient compte, de façon simplifiée, de la géométrie des pixels et des mécanismes de diffusion des charges photogénérées. Ce modèle n'est pas suffisamment représentatif des pixels CMOS dont la topologie et, par conséquent, les phénomènes de diffusion sont beaucoup plus complexes. La FTM de tels pixels ne peut donc être facilement modélisée ce qui rend nécessaire de pouvoir la mesurer et de mener des investigations afin d'identifier les facteurs qui l'influencent. Plusieurs méthodes de mesure de la FTM sont étudiées et comparées grâce à la mise en place d’un banc de caractérisation dédié. Les nombreux avantages liés à l'utilisation de la méthode normalisée ISO 12233 sont ainsi démontrés. Dans un but de modélisation de la FTM, deux détecteurs matriciels spécifiques ont été développés. Ils permettent ainsi d'identifier et de quantifier les phénomènes entrant en jeu dans la dégradation de l'image: la participation de la zone active au signal, la dissymétrie de la diaphonie. . . Ces résultats, dont la pertinence est confrontée aux mesures de FTM, permettent d'identifier des solutions tendant à améliorer la FTM des pixels des capteurs CMOS : masquage optique, utilisation de micro-lentilles. . .
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Taforeau, Julien. "Un spectromètre à pixels actifs pour la métrologie des champs neutroniques." Phd thesis, Université de Strasbourg, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01065781.
Full textAbstract:
La métrologie fondamentale est la garante de la pérennité des systèmes de mesure et est en charge de fournir les étalons de références. En ce qui concerne la métrologie des rayonnements ionisants et, en particulier la métrologie des neutrons, des détecteurs étalons sont utilisés pour caractériser les champs de références, en énergie et en fluence. Les dosimètres ou détecteurs de particules sont étalonnés. Cette thèse présente le développement d'un spectromètre neutron candidat au statut d'étalon primaire pour la caractérisation de champs neutroniques dans la gamme 5-20 MeV. Le spectromètre utilise le principe du télescope à protons de recul comme moyen de détection ; la technologie CMOS, au travers de trois capteurs de positions, est mise à profit pour réaliser la trajectographie du proton de recul. Un détecteur Si(Li) est en charge de la mesure de l'énergie résiduelle du proton. Les simulations des dispositifs, réalisées sous MCNPX, ont permis d'estimer les performances du dispositif et de valider la procédure de reconstruction de l'énergie des champs neutroniques. Une étape essentielle de caractérisation des éléments du télescope et en particulier des capteurs CMOS est également proposée afin de garantir la validité de mesures expérimentales postérieures. Les tests réalisés aussi bien en champs mono-énergétiques qu'en champs étendus témoignent des très bonnes performances du système. La quantification des incertitudes indiquent une mesure de l'énergie avec une précision de plus de 1.5 % pour une résolution de moins de 6 %. La mesure de la fluence neutronique est quand a elle réalisée avec une incertitude de 4 à 6 %.
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Heini, Sébastien. "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." Strasbourg, 2009. http://www.theses.fr/2009STRA6045.
Full textAbstract:
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<br>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
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Monnier, Nicolas. "Amélioration du traitement amont de pixels térahertz, monolithiquement intégrés en technologie CMOS, pour des systèmes d'imagerie en temps réel." Thesis, Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire, 2018. http://www.theses.fr/2018IMTA0070/document.
Full textAbstract:
Cette thèse s’inscrit dans le développement d’imageurs térahertz en technologie intégrée CMOS avec pour volonté de rendre ces derniers fiables et robustes, de permettre de réaliser de l’imagerie en temps réel, à température ambiante et à bas coût de production. L’ensemble doit être mené en parallèle de l’amélioration des réponses et sensibilités des capteurs actuels dans le but de rendre l’imageur fonctionnel et industrialisable. La caractérisation d’un imageur THz précédent réalisée au cours de la thèse a permis de redéfinir avec plus de rigueur cette caractérisation ainsi qu’une méthodologie de conception de la partie amont du pixel térahertz. Cette partie amont inclut l’antenne réceptrice et son environnement électromagnétique ainsi qu’un transistor à effet de champ redressant le signal THz reçu. Différentes parties amont de pixels THz, sensibles autour de 300 GHz, ont été développées. L’ensemble est monolithiquement intégré à l’aide du procédé CMOS standard dans un circuit complet et l’antenne est co-conçue avec le MOSFET de redressement afin de réaliser l’adaptation d’impédance. Chaque pixel inclut une antenne intégrée au niveau métallique supérieur avec un plan de masse parfois couplé à une métasurface afin d’isoler cette antenne du circuit de traitements du signal (non traité dans cette thèse) et du substrat de silicium localisés aux niveaux inférieurs du circuit. Finalement, 17 cas de test croisés (16 de 3 x 3 pixels et une matrice de 9 x 9 pixels) intégrant différentes topologies d'antenne et configurations de surfaces électromagnétiques (plan de masse et métasuface) ainsi que différents transistors de redressement sont conçus et fabriqués en fonderie CMOS<br>This thesis deals with the development of terahertz imager in CMOS technology with the objectives to make it robust and reliable, with real-time imaging capacity at ambient temperature and with low-cost production. These objectives has to be developed at the same time as the improvement of responses and sensibilities to get the imager functional and ready for industrialization. The characterization of a previous THz imager, done during this thesis, brought the possibility to redefine in a more rigorous way this characterization and to develop a methodology for designing the THz front-end pixel. This front-end includes the reception antenna and its electromagnetic environment and a field effect transistor (FET) rectifying the received THz signal. Various front-end of THz pixels, design for 300 GHz reception, were developed. The whole structure has to be monolithically integrated with the standard CMOS process in a complete circuit and the antenna is co-design with the rectifying MOSFET in order to satisfy the impedance matching. Every pixel includes an antenna, integrated in higher metal levels with a ground plan sometimes coupled with a metasurface. This is in order to isolate the antenna from the signal processing circuit (not investigated in this thesis) and the silicon substrate botth located at the lower levels of the circuit. Finally, 17 crossed test cases (16 of 3 x 3 pixels and one matrix of 9 x 9 pixels) which integrate various antenna topologies and various configurations of electromagnetic surfaces (ground plane and metasurface) with various rectifying transistor were designed and manufactured in CMOS foundry
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Degerli, Yavuz. "Étude, modélisation des bruits et conception des circuits de lecture dans les capteurs d'images à pixels actifs CMOS." École nationale supérieure de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 1972-2007), 2000. http://www.theses.fr/2000ESAE0009.
Full textAbstract:
Ce travail porte sur l'amélioration des performances en bruit et sur la conception de circuits de lecture de capteurs d'images à pixels actifs CMOS à destination des applications scientifiques. La première partie est consacrée à l'étude et à la modélisation du bruit temporel de la chaîne de lecture du capteur. Cette étude nous permet de définir des règles de conception réduisant le bruit de ces circuits. Des circuits de test ont été réalisés sur une technologie CMOS 0. 7µm, afin de valider les résultats obtenus. Le deuxième axe porte sur la conception de circuits analogiques de lecture et de traitement du signal effectuant l'extraction du signal utile, l'amplification, et la correction de bruit spatial fixe de colonnes, intégrés sur la même puce que la matrice photosensible ainsi que l'analyse de leurs performances. Trois circuits ont été réalisés sur une technologie CMOS 0. 7µm : le premier est un amplificateur à capacités commutées (c. C. ) élémentaire, le second un amplificateur à c. C. à compensation de la tension de décalage, et le troisième un filtre passe-bande actif commutable. Ils permettent des vitesses de lecture jusqu'à 10Mpixel/sec. Une analyse théorique détaillée de la réponse des circuits au bruit blanc et au bruit en 1/f[exposant α], en considérant la nature non-stationnaire des signaux de sortie, est présentée. Les résultats expérimentaux et théoriques sont comparés. Finalement un nouveau circuit de lecture du signal des colonnes est proposé et développé afin de réduire le bruit spatial fixe de colonnes. Il nécessite un seul amplificateur de colonne commun à toute une matrice de pixels. Les effets des non-idéalités des composants réels sur les performances de ce circuit sont étudiés et des solutions sont proposées et discutées afin de les minimiser. Les résultats expérimentaux ainsi que les problèmes rencontrés sur un circuit de test, comprenant 128x128 pixels et réalisé sur une technologie CMOS 0. 6µm, sont présentés.
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Leyris, Cédric. "Etude de bruit basse fréquence de type R. T. S dans les capteurs d'images à pixels actifs CMOS." Montpellier 2, 2006. http://www.theses.fr/2006MON20028.
Full text
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Ahmed, Nayera. "MOS Capacitor Deep Trench Isolation (CDTI) for CMOS Image Sensors." Thesis, Lyon 1, 2015. http://www.theses.fr/2015LYO10048.
Full textAbstract:
The development of high-resolution image sensors with smaller pixel sizes is facing critical issues, such as optical and electrical crosstalk, dark current and dynamic range. As part of this thesis, we addressed this issue by proposing the integration of MOS capacitor deep trench isolation (CDTI). Our studies focus on the validation of the proposal with the aim of improving performances compared to the state of the art. First, we modeled interface states Si/SiO2 and the charge in the oxide. By TCAD simulations, using our model, we were able to evaluate the main characteristics of a pixel. We have validated this approach by comparison between simulations and measurements on a 1.4μm DTI pixel. Then, we developed manufacturing processes for integrating CDTI and defined the associated key parameters. With TCAD simulations of process type, we could achieve the desired performances while keeping a short development cycle and cost. Finally, we have designed, manufactured and tested a 1.4μm CDTI pixel ; we got a very low dark current: ~ 1 aA/pixel at 60°C, which is 6 times less than the DTI pixel, and doubled saturation charge up to 12000e-. Other performances are comparable between the two types of pixels. We have demonstrated the validity of the proposed CDTI solution CDTI
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Feng, Zhenfu. "Fast scalable and variability aware CMOS image sensor simulation methodology." Phd thesis, Ecole Centrale de Lyon, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01066786.
Full textAbstract:
The resolution of CMOS image sensor is becoming higher and higher, while for identifying its performance, designers need to do a series of simulations, and this work consumes large CPU time in classical design environment. This thesis titled "Fast Scalable and Variability Aware CMOS Image Sensor Simulation Methodology" is dedicated to explore a new simulation methodology for improving the simulation capability. This simulation methodology is used to study the image sensor performance versus low level design parameter, such as transistor size and process variability. The simulation methodology achieves error less than 0.4% on 3T-APS architecture. The methodology is tested in various pixel architectures, and it is used in simulating image sensor with 15 million pixels, the simulation capability is improved 64 times and time consumption is reduced from days to minutes. The potential application includes simulating array-based circuit, such as memory circuit matrix simulation.
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Bachaalany, Mario. "Utilisation de capteurs CMOS rapides pour l'imagerie X à très haute sensibilité." Phd thesis, Université de Strasbourg, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00955895.
Full textAbstract:
Cette étude évalue le potentiel, comme détecteur de rayons X, des capteurs à pixel CMOS conçus pour la trajectométrie des particules chargée. Nous démontrons l'intérêt de la construction d'une image par comptage de photons uniques pour la définition de celle-ci. Un dispositif exploitant une source X est développé pour mesurer la résolution spatiale sur l'impact des photons. Une simulation complète sous GEANT4 montre que le système permet d'estimer cette résolution avec une incertitude de 2 µm. L'application du protocole caractérise la détection directe des rayons X de basse énergie (< 10 keV) par un capteur CMOS avec une résolution de 52 lp/mm. Une méthode de détection indirecte, couplant un cristal de CsI(Tl) finement segmenté au capteur CMOS, est employée pour les énergies supérieures à 10 keV. La résolution spatiale dans ces conditions atteint 15 lp/mm. Une simulation détaillée explique cette performance limitée par les caractéristiques d'émission de lumière du cristal employé.
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Deveaux, Michael. "Development of fast and radiation hard Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) optimized for open charm meson detection with the CBM experiment." Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008), 2008. https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2008/DEVEAUX_Michael_2008.pdf.
Full textAbstract:
L'expérience CBM (Compressed Baryonic Matter) a pour objet d'explorer le diagramme des phases de la matière nucléaire dans la région des hautes densités baryoniques au moyen de collisions d'ions lourds à des énergies de faisceau comprises entre 10 et 40 AGeV. Dans le but d'étudier le charme ouvert (D0 et D+) avec CBM, un détecteur de vertex (MVD) présentant à la fois un faible budget de matière, une excellente résolution spatiale et une bonne tolérance aux radiations est requis. Cette étude vise à déterminer dans quelle mesure un MVD constitué de capteurs CMOS (MAPS) peut garantir de telles performances. Dans cette optique le cahier des charges du MVD a été établi. Les mécanismes de dégradation par irradiation des MAPS ont été étudiés pour en améliorer la tolérance d'un ordre de grandeur. Les résultats de ces études ont permis de réaliser des simulations avec GEANT, et de démontrer la faisabilité du programme de physique portant sur le charme ouvert avec un tel concept de détecteur<br>The Compressed Baryonic Matter experiment (CBM) will investigate heavy ion collisions at beam energies between 10 and 40 AGeV in order to explore the nuclear matter phase diagram in the high baryon density region. For a first time, open charm mesons (D0 and D±) will be used as probe for the nuclear fireball. Reconstructing them requires a very thin (few 0. 1 % X0 per layer) micro vertex detector (MVD) with pixel sensors featuring excellent spatial resolution (few µm) and substantial radiation hardness. This work studies whether (and how) an MVD based on the novel Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) can the reach the performance needed. For this purpose, the precise requirements on the MVD in terms of material budget, cooling, time resolution and radiation hardness were estimated. Extensive R&D studies on MAPS allowed establishing their performances in particular in the field of radiation tolerance and to improve this tolerance by one order of magnitude. The information obtained was used as input for a GEANT simulation which demonstrated the feasibility of open charm physics with the proposed detector concept
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Raymundo, Luyo Fernando Rodolfo. "Apport de la technologie d’intégration 3D à forte densité d’interconnexions pour les capteurs d'images CMOS." Thesis, Toulouse, ISAE, 2016. http://www.theses.fr/2016ESAE0018.
Full textAbstract:
Ce travail a montré que l’apport de la technologie d’intégration 3D, permet de surmonter les limites imposées par la technologie monolithique sur les performances électriques (« coupling » et consommation) et sur l’implémentation physique (aire du pixel) des imageurs. Grâce à l’analyse approfondie sur la technologie d’intégration 3D, nous avons pu voir que les technologies d’intégration 3D les plus adaptées pour l’intégration des circuits dans le pixel sont : 3D wafer level et 3D construction séquentielle. La technologie choisie pour cette étude, est la technologie d'intégration 3D wafer level. Cela nous a permis de connecter 2 wafers par thermocompression et d’avoir une interconnexion par pixel entre wafers. L’étude de l’architecture CAN dans le pixel a montré qu’il existe deux limites dans le pixel : l’espace de construction et le couplage entre la partie analogique et numérique « digital coupling ». Son implémentation dans la technologie 3D autorise l’augmentation de 100% l’aire de construction et la réduction du « digital coupling » de 70%. Il a été implémenté un outil de calcul des éléments parasites des structures 3D. L’étude des imageurs rapides, a permis d’étendre l’utilisation de cette technologie. L’imageur rapide type « burst » a été étudié principalement. Cet imageur permet de dissocier la partie d’acquisition des images de la sortie. La limite principale, dans la technologie monolithique, est la taille des colonnes (pixels vers mémoires). Pour une haute cadence d’acquisition des images, il faut une grande consommation de courant. Son implémentation dans la technologie 3D a autorisé à mettre les mémoires au-dessous des pixels. Les études effectuées pour ce changement (réduction de la colonne à une interconnexion entre wafers), ont réduit la consommation totale de 90% et augmenté le temps d’acquisition des images de 184%, en comparaison à son pair monolithique<br>This work has shown that the contribution of 3D integration technology allows to overcome the limitations imposed by monolithic technology on the electrical performances (coupling and consumption) and on the physical implementation (area of the pixel) of imagers. An in-depth analysis of the 3D integration technology has shown that the most suitable 3D integration technologies for the integration of the circuits at the pixel level are: 3D wafer level and 3D sequential construction. The technology chosen for this study is the 3D wafer level integration technology. This allows us to connect 2 wafers by thermocompression bonding and to have an interconnection or “bonding point” par pixel between wafers. The study of the architecture CAN at the pixel level showed that there are two limits in the pixel: the construction area and the coupling between the analog and digital part «digital coupling». Its implementation in 3D technology allows the construction area to be increased by 100% and the digital coupling reduced by 70%. It has been implemented a tool for computing the parasitic elements of 3D structures. The study of high speed imagers has allowed the use of this technology to be extended. The "burst" imager was mainly studied. This kind of imager’s architecture can dissociate the image acquisition from the output part. The main limit, in monolithic technology, is the size of the columns (pixels to memories). For a high rate of image acquisition, a high current consumption is required. Its implementation in 3D technology allowed to put the memories below the pixels. The studies carried out for this change (reduction of the column to an interconnection between wafers) reduced the total consumption by 90% and increased the acquisition time of the images by 184%, compared to its monolithic peer
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Higueret, Stéphane. "Développement d'un dosimètre électronique compact à base de capteurs CMOS pour la mesure du radon." Phd thesis, Université Louis Pasteur - Strasbourg I, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00391848.
Full textAbstract:
L'exposition du public au gaz radon 222Rn fait l'objet d'une attention croissante. Les méthodes traditionnelles de détection de radon étant soit peu flexibles, soit très chères, cette thèse présente le développement d'un dispositif électronique compact et autonome qui s'appuie sur les progrès récents en microélectronique pour la physique des particules. Le coeur du dispositif est un circuit intégré CMOS original (basse tension, faible consommation) qui assure à la fois les fonctions de capteur et de traitement. Les premiers tests, d'efficacité et en sources de particules alpha, s'appuient sur des simulations détaillées (TRIM, GEANT IV). Différents prototypes de cartes électroniques ont été développés pour d'une part la détection passive de radon à différentes concentrations et d'autre part la détection supplémentaire des descendants sur aérosols 218Po et 214Po qui contribuent de façon importante à l'irradiation α interne".Le système final est une carte miniaturisée au format CB, qui comprend quatre circuits pour la détection simultanée de radon et de ses descendants solides. Une excellente linéarité a été obtenue jusqu'à 80 kBq.m-3 sur le banc de test BACCARA au Laboratoire de Mesure des Aérosols de l‘IRSN à Saclay. Un circuit de deuxième génération est également proposé
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Brochard, Nicolas. "Intégration 3D : vers des capteurs d'image innovants à haute performance." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2017. http://www.theses.fr/2017UBFCK020/document.
Full textAbstract:
Aujourd’hui, les capteurs d’image CMOS sont quasi exclusivement architecturés autour de pixels analogiques. Une transition vers des pixels purement numériques permettrait d’améliorer significativement les performances des imageurs. Malheureusement, une telle approche est difficilement envisageable car elle entraine un pixel surdimensionné et inutilisable pour le marché grand public. Une des voies prometteuses pour résoudre ce problème d’intégration des pixels est de réfléchir non plus en deux dimensions (2D), mais en trois dimensions (3D), en répartissant les différentes fonctionnalités sur plusieurs wafers interconnectés.Ainsi, les travaux présentés dans ce manuscrit décrivent la conception d’un capteur d’image purement numérique en technologie CMOS 3D-IC 130 nm Tezzaron. Ce capteur est architecturé autour d’un pixel numérique intégrant une modulation sigma delta du premier ordre sur 10 bits de résolution maximale. L’étude exhaustive des différents blocs constituant le pixel nous a permis de proposer au final une solution garantissant une surface maitrisée de silicium : taille finale de pixel de 32,5 μm × 32,5 μm pour un facteur de remplissage de plus de 80 %. Au niveau des performances brutes, la simulation du pixel a révélé de bons résultats : consommation de 11 μA/pixel, rapport signal sur bruit de 60 dB, nombre effectif de bits d'environ 7,2 bits, non linéarité différentielle maximale et minimale de +1,37 /-0,73 (pour 10 bits) et une non linéarité intégrale maximale et minimale de +2,447/-3,5 (pour 10 bits)<br>Nowadays, CMOS image sensors are almost exclusively architectured around analog pixels. A transition to purely digital pixels would significantly improve the performances of imagers. Unfortunately, such an approach is difficult to consider because it causes an oversized and unusable pixel for the consumer market. One of the promising ways to solve this problem of pixel integration is to think not only in 2D dimensions, but in 3D dimensions by distributing the different functionalities on several interconnected wafers.Thus, the work presented in this manuscript describes the design of a purely digital image sensor in CMOS 3D-IC 130 nm Tezzaron technology. This sensor is architectured around a digital pixel integrating a first order sigma delta modulation on 10 bits of maximum resolution. The exhaustive study of the different blocks constituting the pixel allowed us to finally propose a solution guaranteeing a contained surface of silicon: final pixel size of 32.5 μm × 32.5 μm with a fill factor of at least 80 %. Regarding performances, the pixel simulations showed good results: 11 μA/pixel consumption, 60 dB signal-to-noise ratio, 7.2 effective number of bits, maximum and minimum differential nonlinearity of +1,37/-0,73 (for 10 bits) and a maximum and minimum integral nonlinearity of + 2,447/-3,5 (for 10 bits)
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Zhao, Ruiguang. "Development of a CMOS pixel sensor with on-chip artificial neural networks." Thesis, Strasbourg, 2019. http://www.theses.fr/2019STRAE050.
Full textAbstract:
Dans le détecteur de vertex de l'ILC (International Linear Collider), un nombre élevé d'impacts supplémentaires seront générés par des électrons résultant de processus liés au bruit de fond des faisceaux. Leur impulsion se trouve typiquement est inférieure à celle des particules issues d'événements associés à des processus physiques. Notre groupe à l'IPHC a proposé d'explorer le concept d'un capteur à pixels CMOS avec des ANNs intégrés pour marquer et supprimer les pixels touchés (hits) générés par ces électrons.Au cours de ma thèse de doctorat, je me suis concentré sur l'étude d'un capteur à pixels CMOS avec des ANNs intégrés portant sur les aspects suivants :1. L'implémentation de modules de prétraitement et d'un ANN dans un composant FPGA pour l'étude de faisabilité ; 2. Un algorithme pour la recherche de clusters, qui fait partie des modules de prétraitement, a été proposé en vue d'être intégré dans la conception de l'ASIC<br>In the vertex detector of the ILC (International Linear Collider), a large number of extra hits will be generated by electrons coming from the beam background. Momenta of these background electrons typically are lower than particles coming from physics events. Our group in IPHC has proposed the concept of a CMOS pixel sensor with on-chip ANNs to tag and remove hits generated by background particles.During my PhD thesis, I focused on the study of a CMOS pixel sensor with on-chip ANNs from the following aspects :1. The implementation of preprocessing modules and an ANN in an FPGA device for the feasibility study ;2. An on-chip algorithm for cluster search which is a part of preprocessing modules has been proposed to integrate into the ASIC design
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Dahoumane, Mokrane. "Conception, réalisation et caractérisation de l’électronique intégrée de lecture et de codage des signaux des détecteurs de particules chargées à pixels actifs en technologie CMOS." Strasbourg, 2009. http://www.theses.fr/2009STRA6236.
Full textAbstract:
Les futures grandes expériences de l’exploration des lois fondamentales de la Nature (e. G. ILC) exigent des détecteurs de vertex de résolution spatiale et de granularité poussées, très minces et radio-tolérants, qui sont hors de portée des technologies de détections actuelles. Ce constat est à l’origine du développement des Capteurs CMOS à Pixels Actifs. La résolution spatiale du capteur est une performance clé. Elle résulte de la répartition des charges libérées par une particule chargée traversant, et ionisant, le volume sensible. L’encodage de la charge collectée par chaque pixel repose sur un CAN (Convertisseur Analogique Numérique) intégrable à même le substrat abritant le volume sensible du capteur. Ce CAN doit être précis, compact, rapide et de faible consommation. L’objectif de cette thèse a donc été de concevoir un CAN répondant à ces exigences conflictuelles. D’abord, plusieurs architectures d’un échantillonneur-bloqueur-amplificateur ont été étudiées pour conditionner le faible signal des pixels. Une architecture originale de cet étage a été conçue. L’architecture pipeline du CAN a été choisie. La configuration de base de 1,5 bit/étage a été implémentée pour tester la validité du concept, puisqu’elle permet de minimiser les contraintes sur chaque étage. Nous avons optimisé l’architecture en introduisant le concept du double échantillonnage dans un premier temps sur une configuration de 2,5 bits/étage, ceci a permis de minimiser les dimensions et la puissance. Le double échantillonnage combiné avec la résolution de 1,5 bit/étage a constitué une seconde amélioration. Une nouvelle architecture du CAN adapté à la séquence des commandes des pixels a été proposée<br>The future big experiments for exploring the fundamental laws of the Nature (e. G. International Linear Collider, ILC) require Vertex Detectors of high spatial resolution and granularity, very thin and radio-tolerant, which are out of reach of the current detection technologies. This observation is at the origin of the development of a novel technology, CMOS Active Pixel Sensors. The spatial resolution of the sensor is a major performance. It results from the sharing of the charges created by a charged particle when it crosses -and ionizes- the sensitive volume. The encoding of the charge collected by each pixel bases on an ADC (Analog-to-Digital Converter), which must be integrated on the substrate sheltering the sensitive volume of the sensor. This ADC must be precise, compact, fast and dissipating low power. The objective through this thesis was to design an ADC fulfilling these conflicting requirements. First, several architectures of a sample-hold-amplifier were studied for conditioning the low signal coming from the pixel. An original architecture of this stage was designed. The pipelined architecture was chosen to develop the ADC. The basic configuration 1. 5 bit/stage was implemented to test the validity of the concept, because it allows minimizing the constraints of each single stage. We optimized the ADC pipelined architecture by introducing the double sampling concept on a configuration of 2. 5 bits/stage, this allowed to minimize the dimensions and the power. The double sampling combined with the 1. 5 bit inter-stage resolution constituted a second improvement of the ADC architecture. A new architecture of the ADC adapted to the pixel command sequence was proposed
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Liu, Qingyuan. "Development of a CMOS pixel based inner tracker for the BES-III experiment at BEPC-II." Thesis, Strasbourg, 2017. http://www.theses.fr/2017STRAE021/document.
Full textAbstract:
La thèse se place dans le contexte du programme de physique prévu auprès du collisionneur Beijing Electron Positron Collider II, pour lequel l'expérience BESIII (Beijing Electron Spectrometer III) doit subir une jouvence. Mon travail concerne l'amélioration des performances de la trajectométrie centrale de l'expérience, en explorant une nouvelle approche utilisant les capteurs à pixels CMOS (CPS) en remplacement partiel de la chambre à dérive actuelle. Il est validé, qu'un pixel de 39.0X50.8 µm2 permet d'atteindre une résolution spatiale ~10 µm. Cette confirmation ouvre la voie pour le développement d'échelle de grande longueur. Un logiciel générique proposant une stratégie d'optimisation pour un trajectomètre pixellisé a été mis au point et appliqué au cas particulier du BESIII. Il a permis de montrer qu'une configuration à trois couches optimise la résolution sur les trajectoire alors qu'une option incluant une couche double-face atteint une efficacité de reconstruction supérieure<br>The thesis addresses the upcoming particle physics program foreseen at the Beijing Electron Positron Collider II, for which the Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) is being upgraded. The work presented focused on the upgrade of the central tracker of the experiment by exploring the possibilities offered by a new approach using CMOS Pixel Sensors (CPS) instead of the present gas drift chamber. The performance of CPS with a larger pixel (39.0X50.8 µm2) and a lower power consumption has been validated, which will help to develop long ladders. A general strategy and software to optimise the design of a barrel pixelated tracker has also been developed, and its application on the BESIII silicon tracker indicates that the layout of three evenly placed single-sided layers is favoured by BESIII physics for the best momentum resolution, with an option using one double-sided ladder to achieve a higher tracking efficiency
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Voutsinas, Georgios. "Optimisation of the ILC vertex detector and study of the Higgs couplings." Thesis, Strasbourg, 2012. http://www.theses.fr/2012STRAE053/document.
Full textAbstract:
Cette thèse est une contribution au document intitulé "Detector Baseline Document (DBD)" décrivant le conceptde détecteur ILD envisagé auprès du collisionneur linéaire international électron-positon ILC (acronyme del'anglais International Linear Collider).Les objectifs de physique de l'ILD nécessitent un détecteur de vertex (VXD) particulièrement léger, rapide et trèsgranulaire permettant d'atteindre une résolution sans précédent sur le paramètre d'impact des trajectoiresreconstruites des particules produites dans les interactions étudiées. Le principal objectif de cette thèse est demontrer comment optimiser les paramètres du VXD dans le cas ou il est composé de Capteurs à Pixels Actifsfabriqués en technologie industrielle CMOS (CAPS). Ce travail a été réalisé en étudiant la sensibilité desperformances d'étiquetage des saveurs lourdes et de la précision sur les rapports d'embranchement hadroniquedu boson de Higgs aux différents paramètres du VXD.Le cahier des charges du VXD, particulièrement ambitieux, a nécessité le développement d'une nouvelletechnologie de capteurs de pixels de silicium, les CAPS, dont le groupe PICSEL de l'IPHC est à l'origine. Lavitesse de lecture et l'influence des paramètres qui régissent la fabrication des capteurs en fonderie ont étéétudiées dans cette thèse, et des prototypesde CAPS ont été caractérisés sur faisceau de particules. Enfin, les performances de trajectométrie d'un VXDcomposé de CAPS a été évalué avec des études de simulation<br>This thesis is a contribution to the " Detector Baseline Document ", describing the ILD detector which is intendedfor the International Linear Collider (ILC).The physics goals of the ILD call for a vertex detector (VXD) particularly light, rapid and very granular allowing toreach an unprecedented resolution on the impact parameter of the tracks that reconstruct the particles producedin the studied interactions. The principle goal of this thesis is to show how to optimise the parameters of the VXDin the case that is composed of Active Pixel Sensors manufactured in industrial CMOS technology (CAPS). Thiswork has been realised by studying the sensitivity of the performance of the heavy flavour tagging and theprecision on the hadronic branching fractions of the Higgs boson as a function of different sets of VXDparameters.The specifications of the VXD, particularly ambitious, call for the development of a novel silicon pixel sensorstechnology, the CAPS, which was pioneered by the PICSEL group of IPHC. The readout speed and the influenceof the fabrication parameters have been studied in this thesis, and CAPS prototypes have been characterised intest beams. Finally, the tracking performance of a CAPS based VXD has been evaluated with simulation studies
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Ursule, Marie-Cécile. "Compréhension des mécanismes physiques à l'origine des dégradations électriques extrêmes des pixels dans les capteurs d'images irradiés." Thesis, Toulouse, ISAE, 2017. http://www.theses.fr/2017ESAE0014/document.
Full textAbstract:
Les capteurs d'images sont utilisés dans diverses applications spatiales : observation spatiale, calcul d'attitude etc. Ces capteurs évoluent dans l’environnement spatial dont les rayonnements entraînent une dégradation de leurs performances. Parmi les paramètres impactés, nous nous intéressons au courant d'obscurité des pixels. Ce courant parasite correspond à la génération de porteurs de charges sans lumière par simple excitation thermique, induisant l'augmentation du bruit de fond des images. Les pixels fortement dégradés sont particulièrement pénalisants pour les missions spatiales. Cet effet pousse donc la communauté spatiale à développer des méthodes de prédiction performantes. L'ONERA a développé une méthode originale de prédiction des courants d'obscurité basée sur la méthode de Monte Carlo et la librairie GEANT4. L’objectif de la thèse est d’améliorer la prédiction de l’outil. Dans un premier temps, nous avons modifié l'outil numérique pour des cas extrêmes de modélisations pour lesquels les modélisations Monte Carlo sont trop longues. Pour cela, nous avons développé des méthodes utilisant des simplifications statistiques. Dans un second temps, nous avons étudié l’influence de la géométrie du pixel sur le courant d'obscurité. L’idée est de suivre les cascades de dégradations générées par les particules spatiales et de déterminer si ces cascades restent confinées au sein du pixel impacté ou si elles se propagent dans les pixels voisins. Enfin, nous avons élaboré dans notre outil un modèle simulant les mécanismes liés au champ électrique potentiellement responsables des dégradations les plus élevées, les effets Poole-Frenkel et tunnel assisté par phonons<br>Image sensors are used in various space applications: space and earth observations, attitude calculation etc. Those sensors are very sensitive to the space environment whose radiations lead to a degradation of their performances. Among the different impacted parameters, we are interested in the increase of dark current in the pixels. This parasitic current is caused by the thermal generation of charge carriers without any light excitation inducing the increase of the background noise on the images. Some pixels exhibiting the highest degradation are particularly disadvantageous for space missions. They can be critical for some missions and impose to the space community to develop effective prediction methods. ONERA developed an original method to predict dark current induce by the space radiations, based on a Monte Carlo method and the GEANT4 library. The objective of the PhD is to improve the performances of the tool. The approach of this work is first to modify the numerical tool for extreme cases of modelling (i.e. high fluencies or huge pixel volume) for which the Monte Carlo simulations are too long. In order to reduce this computation time, we developed calculation methods using statistical simplifications. In a second part, we studied the influence of the pixel geometry on the dark current. The idea is to follow the degradation cascades created by space particles and to determine if those cascades are contained in the impacted pixel or if they reach neighbor pixels. Finally, we modelled in our tool the physical mechanisms potentially responsible of the highest degradations linked to the electric field, the Poole-Frenkel effect and the phonon assisted tunneling
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Dahoumane, Mokrane. "Conception, Réalisation et Caractérisation de l'Electronique Intégrée de Lecture et de Codage des Signaux des Détecteurs de Particules Chargées à Pixels Actifs en Technologie CMOS." Phd thesis, Université de Strasbourg, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00475421.
Full textAbstract:
Les futures grandes expériences de l'exploration des lois fondamentales de la Nature (e.g. ILC) exigent des détecteurs de vertex de résolution spatiale et de granularité poussées, très minces et radio-tolérants, qui sont hors de portée des technologies de détections actuelles. Ce constat est à l'origine du développement des Capteurs CMOS à Pixels Actifs. La résolution spatiale du capteur est une performance clé. Elle résulte de la répartition des charges libérées par une particule chargée traversant, et ionisant, le volume sensible. L'encodage de la charge collectée par chaque pixel repose sur un CAN (Convertisseur Analogique Numérique) intégrable à même le substrat abritant le volume sensible du capteur. Ce CAN doit être précis, compact, rapide et de faible consommation. L'objectif de cette thèse a donc été de concevoir un CAN répondant à ces exigences conflictuelles. D'abord, plusieurs architectures d'un échantillonneur-bloqueur-amplificateur ont été étudiées pour conditionner le faible signal des pixels. Une architecture originale de cet étage a été conçue. L'architecture pipeline du CAN a été choisie. La configuration de base de 1,5 bit/étage a été implémentée pour tester la validité du concept, puisqu'elle permet de minimiser les contraintes sur chaque étage. Nous avons optimisé l'architecture en introduisant le concept du double échantillonnage dans un premier temps sur une configuration de 2,5 bits/étage, ceci a permis de minimiser les dimensions et la puissance. Le double échantillonnage combiné avec la résolution de 1,5 bit/étage a constitué une seconde amélioration. Une nouvelle architecture du CAN adapté à la séquence des commandes des pixels a été proposée.
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Fougeron, Denis. "Etude et mise en oeuvre de cellules résistantes aux radiations dans le cadre de l'évolution du détecteur à pixels d'Atlas technologie CMOS 65 nm." Electronic Thesis or Diss., Toulon, 2020. http://www.theses.fr/2020TOUL0005.
Full textAbstract:
Cette étude s’inscrit dans le cadre d’une collaboration internationale, RD53, et qui vise à fournir à la communauté scientifique un ASIC « Front-End » de lecture du futur détecteur pixels courant 2022. La technologie 65 nm choisie par la communauté scientifique devra fonctionner dans un environnement extrêmement radioactif (10 MGray) pendant cinq ans d’exploitation sans maintenance possible.Deux approches expérimentales sont décrites dans ce mémoire : 1. Des études en irradiation ont été réalisées afin d'estimer la tolérance à la dose (TID) du process 65 nm pour fixer des règles de conception qui peuvent être respectées pour les cellules numériques et analogiques implantées dans le circuit final. Des véhicules de test (PCM) ont été définis pour être irradiés à l’aide d’une source de rayons X (10 keV – 3 kW) afin d'estimer les effets de dose. Les résultats obtenus sont synthétisés dans les chapitres concernés. 2. Dans le but d'optimiser l'immunité des points mémoires aux effets des SEU, plusieurs circuits prototypes ont été conçus. Ils incluent différentes architectures en vue d’être irradiées. Plusieurs campagnes d'irradiation ont été menées en utilisant un faisceau d'ions lourds et un faisceau de protons à dessein de comparer leur comportement et d’en extraire une cross-section la plus précise possible<br>This study is inside an international collaboration context, RD53, which its goal is to provide to the scientific community an electronic front-end for the readout of the future pixel detector in 2022. The 65 nm technology chosen by the collaboration will have to be operational in a highly radioactive environment (10 MGray) for five years without maintenance operation.Two experimental approaches are described in this thesis: 1. Irradiation studies were carried out to estimate the dose tolerance (TID) of the 65 nm process to fix all essentials design rules for digital and analog cells implanted in the final circuit. Test vehicles (PCM) were defined for irradiation using an X-ray source (10 keV - 3 kW) to estimate dose effects. The results we obtained are summarized in the document. 2. In order to optimize the tolerance of memories to the SEE effects, several ASIC prototypes havebeen designed. These prototypes include different architectures for irradiation characterization. Several irradiation campaigns have been carried out using a heavy ion beam and a proton beam in order to a cross-section as accurate as possible
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Zhang, Liang. "Development of a CMOS pixel sensor for the outer layers of the ILC vertex detector." Phd thesis, Université de Strasbourg, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01068494.
Full textAbstract:
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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Wang, Jia. "Design of a low noise, limited area and full on-chip power management for CMOS pixel sensors in high energy physics experiments." Phd thesis, Université de Strasbourg, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00758209.
Full textAbstract:
What are the elementary particles and how did the universe originate are the main driving forces in the high energy physics. In order to further demonstrate the standard model and discover new physics, several detectors are built for the high energy physics experiments. CMOS pixel sensors (CPS) can achieve an attractive tradeoff among many performance parameters, such as readout speed, granularity, material budget, power dissipation, radiation tolerance and integrating readout circuitry on the same substrate, compared with the hybrid pixel sensors and charge coupled devices. Thus, the CPS is a good candidate for tracking the charged particles in vertex detectors and beam telescopes.The power distribution becomes an important issue in the future detectors, since a considerable amount of sensors will be installed. Unfortunately, the independent powering has been proved to fail. In order to solve the power distribution challenges and to provide noiseless voltages, this thesis focuses on the design of a low noise, limited area, low power consumption and full on-chip power management in CPS chips. The CPS are firstly introduced drawing the design requirements of the power management. The power distribution dedicated to CPS chips is then proposed, in which the power management is utilized as the second power conversion stage. Two full on-chip regulators are proposed to generate the analog power supply voltage and the reference voltage required by correlated double sampling operation, respectively. Two prototypes have verified these regulators. They can meet the requirements of CPS. Moreover, the power management techniques and the radiation tolerance design are also presented in this thesis.
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Mamdy, Bastien. "Nouvelle architecture de pixel CMOS éclairé par la face arrière, intégrant une photodiode à collection de trous et une chaine de lecture PMOS pour capteurs d’image en environnement ionisant." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSE1197/document.
Full textAbstract:
Grâce à l'explosion du marché grand public des smartphones et tablettes, les capteurs d'image CMOS ont bénéficiés de développements technologiques majeurs leur permettant de rivaliser voir même de devancer les performances des capteurs CCD. En parallèle, dans les domaines de l'aérospatial ou de l'imagerie médicale, des capteurs CMOS ont également été développés pour des applications à fortes valeurs ajoutées avec des technologies reconnues pour leur robustesse en environnement ionisant. Le travail de cette thèse a pour but de réunir dans une même architecture de pixel les dernières avancées technologiques développées pour les capteurs grands publics avec une solution novatrice de durcissement aux rayonnements ionisants récemment développée chez STMicroelectronics. Pour la première fois, cette nouvelle architecture de pixel de 1,4µm de côté et éclairée par la face arrière intègre une photodiode pincée verticale à collection de trous, une chaine de lecture composée de transistors PMOS et des tranchées d'isolation profondes à passivation passive ou active. Ce type de pixel a été conçu à l'aide de simulations TCAD en trois dimensions qui ont permis d'optimiser l'intégration de procédés pour sa fabrication. Il a été caractérisé et comparé à un pixel équivalent de type N avant et après irradiation par rayonnement gamma. Le pixel développé au cours de cette thèse présente intrinsèquement un plus faible courant d'obscurité que son homologue de type N et une meilleure résistance aux radiations. La passivation active des tranchées d'isolation profondes permet d'atténuer fortement l'impact des dégradations habituellement observées au niveau des interfaces Si/SiO2 et s'avère donc prometteuse en environnement ionisant. Des mécanismes intrinsèquement différents de formation de pixels blancs sous irradiation ont été mis en évidence pour les pixels de type P et de type N. Enfin, les technologies de l'éclairement par la face arrière et de la photodiode verticale contribuent chacune à la bonne efficacité quantique du pixel ainsi qu'à sa capacité de stockage importante<br>Thanks to the growing smartphones and tablets consumer markets, CMOS image sensors have benefited from major technology developments and are able to rival with and even outperform CCD sensors. In parallel, for spatial and medical imaging applications, CMOS sensors have been developed using technologies recognized for their robustness in harsh ionizing environment. This Ph.D. thesis work aims at combining in one single pixel architecture the latest technology developments driven by consumer applications with a novel solution for radiation hardening recently developed at STMicroelectronics. For the first time, this innovative back-side illuminated pixel architecture integrates within a 1.4µm pitch a vertical pinned photodiode based on hole-collection, a PMOS readout chain and deep trench isolation with either passive or active interface passivation. This pixel has been developed using 3D-TCAD simulations allowing fast and efficient optimization of its fabrication process. Through a series of electro-optical characterizations, we have compared its performances to its N-type equivalent before and after irradiation with gamma rays. The pixel developed during this thesis exhibits intrinsically lower level of dark current than its N-type counterpart and improved radiation hardness. Active passivation of deep trench isolation greatly decreases the impact of degradations usually observed at Si/SiO2 interfaces and therefore shows very promising results in ionizing environment. Evidence of intrinsically different mechanisms of white pixel formation under irradiation for N-type and P-type pixels have been presented. Finally, back-side illumination technology and the vertical photodiode both contribute to the pixel’s high full well capacity and good quantum efficiency
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Michelot, Julien. "Développement d'une photodiode à stockage de charges vertical pour les capteurs d'image CMOS éclairés par la face arrière." Thesis, Grenoble, 2012. http://www.theses.fr/2012GRENT127.
Full textAbstract:
L’augmentation continue de la résolution des capteurs d’image CMOS entraîne une réduction de la taille du pixel avec pour effet une diminution du nombre de charges stockables dans la photodiode et une limitation de la dynamique du pixel. L’objectif de cette étude est de proposer une nouvelle architecture de photodiode, dédiée à la technologie des capteurs d’image éclairés par la face arrière et qui préserve la charge stockable malgré la réduction de la taille des pixels. La solution envisagée consiste à réaliser une photodiode pincée qui stocke les charges verticalement dans le volume du silicium. La mise en place d’un modèle analytique unidimensionnel de photodiode pincée aux jonctions symétriques, permet de comprendre l’influence des paramètres physiques de la photodiode (dopages de la cathode et de l’anode, distance séparant les jonctions métallurgiques) sur la charge à saturation. Par ailleurs, grâce à l’introduction d’un drain non auto-aligné à la grille de transfert, la rémanence inhérente à l’architecture de la grille de transfert a été supprimée. L‘optimisation des étapes technologiques propres à la photodiode verticale et à la grille de transfert de charges a été réalisée par le biais de simulations à éléments finis conjuguées à des essais technologiques dédiés. La faisabilité d’une photodiode pincée stockant 11000 électrons dans un pixel d’une taille de 1,4 μm est ainsi démontrée.Mots clés : Capteur d’image CMOS, Photodiode pincée verticale, Stockage de charges en volume, Eclairement par la face arrière<br>The continuous improvement of CMOS image sensor resolution leads to pixel size downscaling that degrades the amount of storable charges in the photodiode and the pixel’s dynamic range. Purpose of this study is to evaluate new photodiode architecture, dedicated to backside illuminated image sensor technology that maintains the same amount of storable charges despite the pixel size shrink. The disclosed solution consists in realizing a vertical pinned photodiode with silicon in-depth charge storage. The setup of a one-dimensional, pinned photodiode with symmetric junctions, analytical model allows the understanding of the physical parameters impact – cathode and anode doping concentration, distance from junction to junction – on full well capacity. On the other hand, the development of a non-self-aligned drain to the transfer gate eliminates the charge lag due to the transfer gate architecture. The optimization of technological process steps specific to vertical pinned photodiode and to transfer gate was conducted through finite elements simulations and dedicated technological trials. Finally, the feasibility of a pinned photodiode with a full well capacity of 11000 electrons has been demonstrated for a 1.4 μm pixel pitch.Keywords : CMOS Image Sensor, Vertical Pinned Photodiode, In-depth Charge Storage, Backside Illumination
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Belloir, Jean-Marc. "Spectroscopie du courant d’obscurité induit par les effets de déplacement atomique des radiations spatiales et nucléaires dans les capteurs d’images CMOS à photodiode pincée." Thesis, Toulouse, ISAE, 2016. http://www.theses.fr/2016ESAE0029/document.
Full textAbstract:
Les imageurs CMOS représentent un outil d’avenir pour de nombreuses applications scientifiques de haut vol, tellesque l’observation spatiale ou les expériences nucléaires. En effet, ces imageurs ont vu leurs performancesdémultipliées ces dernières années grâce aux avancées incessantes de la microélectronique, et présentent aussi desavantages indéniables qui les destinent à remplacer les CCDs dans les futurs instruments spatiaux. Toutefois, enenvironnement spatial ou nucléaire, ces imageurs doivent faire face aux attaques répétées de particules pouvantrapidement dégrader leurs performances électro-optiques. En particulier, les protons, électrons et ions présents dansl’espace ou les neutrons de fusion nucléaire peuvent déplacer des atomes de silicium dans le volume du pixel et enrompre la structure cristalline. Ces effets de déplacement peuvent former des défauts stables introduisant des étatsd’énergie dans la bande interdite du silicium, et ainsi conduire à la génération thermique de paires électron-trou. Parconséquent, ces radiations non-ionisantes produisent une augmentation permanente du courant d’obscurité despixels de l’imageur et donc à une diminution de leur sensibilité et de leur dynamique. L’objectif des présents travauxest d’étendre la compréhension des effets de déplacement sur l’augmentation du courant d’obscurité dans lesimageurs CMOS. En particulier, ces travaux se concentrent sur l’étude de la forme de la distribution de courantd’obscurité en fonction du type, de l’énergie et du nombre de particules ayant traversé l’imageur, mais aussi enfonction des caractéristiques de l’imageur. Ces nombreux résultats permettent de valider physiquement etexpérimentalement un modèle empirique de prédiction de la distribution du courant d’obscurité pour une utilisationdans les domaines spatial et nucléaire. Une autre partie majeure de ces travaux consiste à utiliser pour la première foisla technique de spectroscopie de courant d’obscurité pour détecter et caractériser individuellement les défautsgénérés par les radiations non-ionisantes dans les imageurs CMOS. De nombreux types de défauts sont détectés etdeux sont identifiés, prouvant l’applicabilité de cette technique pour étudier la nature des défauts cristallins généréspar les effets de déplacement dans le silicium. Ces travaux avancent la compréhension des défauts responsables del’augmentation du courant d’obscurité en environnement radiatif, et ouvrent la voie au développement de modèles deprédiction plus précis, voire de techniques permettant d’éviter la formation de ces défauts ou de les faire disparaître<br>CMOS image sensors are envisioned for an increasing number of high-end scientific imaging applications such asspace imaging or nuclear experiments. Indeed, the performance of high-end CMOS image sensors has dramaticallyincreased in the past years thanks to the unceasing improvements of microelectronics, and these image sensors havesubstantial advantages over CCDs which make them great candidates to replace CCDs in future space missions.However, in space and nuclear environments, CMOS image sensors must face harsh radiation which can rapidlydegrade their electro-optical performances. In particular, the protons, electrons and ions travelling in space or thefusion neutrons from nuclear experiments can displace silicon atoms in the pixels and break the crystalline structure.These displacement damage effects lead to the formation of stable defects and to the introduction of states in theforbidden bandgap of silicon, which can allow the thermal generation of electron-hole pairs. Consequently, nonionizingradiation leads to a permanent increase of the dark current of the pixels and thus a decrease of the imagesensor sensibility and dynamic range. The aim of the present work is to extend the understanding of the effect ofdisplacement damage on the dark current increase of CMOS image sensors. In particular, this work focuses on theshape of the dark current distribution depending on the particle type, energy and fluence but also on the imagesensor physical parameters. Thanks to the many conditions tested, an empirical model for the prediction of the darkcurrent distribution induced by displacement damage in nuclear or space environments is experimentally validatedand physically justified. Another central part of this work consists in using the dark current spectroscopy techniquefor the first time on irradiated CMOS image sensors to detect and characterize radiation-induced silicon bulk defects.Many types of defects are detected and two of them are identified, proving the applicability of this technique to studythe nature of silicon bulk defects using image sensors. In summary, this work advances the understanding of thenature of the radiation-induced defects responsible for the dark current increase in space or nuclear environments. Italso leads the way to the design of more advanced dark current prediction models, or to the development ofmitigation strategies in order to prevent the formation of the responsible defects or to allow their removal
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Li, Yan. "Recherche et Développement de Capteurs Actifs Monolithiques CMOS pour la Détection de Particules Elémentaires." Paris 11, 2007. http://www.theses.fr/2007PA112118.
Full textAbstract:
Les capteurs Actifs Monolithiques CMOS rapides (MAPS) ont été étudiés au cours de ce travail dans le but d’étudier le futur détecteur de vertex du futur collisionneur linéaire ILC. Deux prototypes (MIMOSA 8 et MIMOSA 16), avec la même architecture micro-électronique, ont été développés avec deux technologies CMOS différentes et avec des épaisseurs de la couche epitaxial différentes. La taille de la matrice de pixels est 32x128: 8 colonnes de pixels en lecture directe analogique et les 24 autres colonnes sont connectées aux discriminateurs de colonne auto-zéro. La structure à Double Echantillonnage Corrélé (CDS : Correlated Double Sampling) est intégrée à l’intérieur du pixel et du discriminateur. Les pixels du type photo diode (avec tailles de diode différentes) sont utilisés. A l’aide d’une source radioactive de 55Fe, les paramètres importants du pixel, tel que Bruit Temporel, le Bruit Fixe (FPN : Fixed Pattern Noise), le rapport Signal sur Bruit (SNR : Signal-to-Noise Ratio), le facteur de conversion de charge (CVF : Charge-to-Voltage conversion Factor) et l’Efficacité de Collection de Charge (CCE), ont été étudiés en fonction de la vitesse de lecture et de la taille de la diode du pixel. L’effet de l’irradiation aux neutrons rapides a été aussi étudié. Deux campagnes de tests en faisceaux (électrons de 5 GeV et pions de 180 GeV) ont été réalisées sur MIMOSA 8. L’Efficacité de Détection et la Résolution Spatiale sont étudiées en variant le seuil du discriminateur. Pour ces deux paramètres, les influences de la taille de pixel et du niveau de SNR sur le pixel central du cluster sont aussi étudiées. Afin d’améliorer la résolution spatiale, un ADC très compact (25 µm x 1 mm) est développé sur la technologie AMS 0. 35 µm OPTO. Basée sur une architecture dite à approximation successive, des structures CDS sont aussi intégrées dans l’ADC. Les résultats préliminaires ont été obtenus. Un nouveau discriminateur de colonne auto-zéro, utilisant un latch statique, a été développé sur la même technologie. Les résultats préliminaires des tests sont également présentés<br>In order to develop high spatial resolution and readout speed vertex detectors for the future International Linear Collider (ILC), fast CMOS Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) are studied on this work. Two prototypes of MAPS, MIMOSA 8 and MIMOSA 16, based on the same micro-electronic architecture were developed in CMOS processes with different thickness of epitaxial layer. The size of pixel matrix is 32x128: 8 columns of the pixel array are readout directly with analog outputs and the other 24 columns are connected to the column level auto-zero discriminators. The Correlated Double Sampling (CDS) structures are successfully implemented inside pixel and discriminator. The photo diode type pixels with different diode sizes are used in these prototypes. With a 55Fe X ray radioactive source, the important parameters, such as Temporal Noise, Fixed Pattern Noise (FPN), Signal-to-Noise Ratio (SNR), Charge-to-Voltage conversion Factor (CVF) and Charge Collection Efficiency (CCE), are studied as function of readout speed and diode size. For MIMOSA 8, the effect of fast neutrons irradiation is also. Two beam tests campaigns were made: at DESY with a 5 GeV electrons beam and at CERN with a 180 GeV pions beam. Detection Efficiency and Spatial Resolution are studied in function of the discriminator threshold. For these two parameters, the influences of diode size and SNR of the central pixel of a cluster are also discussed. In order to improve the spatial resolution of the digital outputs, a very compact (25µmx1mm) and low consumption (300 µW) column level ADC is designed in AMS 0. 35 µm OPTO process. Based on successive approximation architecture, the auto-offset cancellation structure is integrated. A new column level auto-zero discriminator using static latch is also designed
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Rodrigues, Gonçalves Boris. "Développement d'un pixel innovant de type "temps de vol" pour des capteurs d'images 3D-CMOS." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSE1173.
Full textAbstract:
Dans l'objectif de développer des nouveaux capteurs d'image 3D pour des applications émergeantes, nous avons étudié un pixel de mesure de distance de type « temps de vol ». Nous avons proposé une nouvelle architecture de pixel basée sur la méthode « Continuous-Wave modulation » à trois échantillons par pixel. Cette méthode repose sur la mesure d'un déphasage entre la source lumineuse modulée en amplitude envoyée (source proche infrarouge) et le signal réfléchi par la scène à capturer. Le pixel de dimensions 6,2μm x 6,2μm intègre une photodiode pincée, trois chemins de transfert de charges pour l'échantillonnage successif du signal modulé reçu, et d'un quatrième chemin pour évacuer les charges excédentaires. Les différents chemins de transfert sont constitués d'une grille de transfert de charges de la photodiode vers une mémoire de stockage à canal enterré pour améliorer le rendement et la vitesse de transfert de charges; d'une mémoire à stockage en volume à base de tranchées capacitives profondes afin d'augmenter la dynamique; d'un substrat dont l'épaisseur et le profil de dopage ont été optimisés afin de collecter efficacement les charges photogénérées et ainsi augmenter les performances de démodulation. Un véhicule de test constitué d'une matrice de résolution de 464x197 pixels (QVGA) a été fabriqué, différentes variantes de pixels et différents essais technologiques ont été étudiées et analysées. La fonctionnalité du pixel a été vérifiée pour des fréquences de démodulation de 20MHz à 165MHz, utilisant une source laser de longueur d'onde 850nm ou 950nm. Une première image de profondeur acquise utilisant une matrice de test est une validation du pixel proposé<br>In order to develop new 3D image sensors for emerging applications, we studied “time of flight” pixel for distance measurement. We have proposed a new pixel architecture based on the "Continuous-Wave Modulation" method with three samples per pixel. This method is based on the measurement of a phase shift between the transmitted amplitude modulated light source (near-infrared source) and the signal reflected by the scene to be captured. The pixel of dimensions 6.2 μm x 6.2 μm integrates a pinned photodiode, three charge transfer paths for successive sampling of the received modulated signal, and a fourth path for anti-blooming purpose. The different paths are controlled by a buried-channel transfer gate for charges transfer from the photodiode to memory in order to improve the efficiency and speed of the charge transfer; A fully depleted memory based on capacitive deep trenches is used to increase the memory storage capacitance; thickness and doping profile of the substrate have been optimized to efficiently collect photogenerated and increase demodulation performance. The designed 464x197-pixel (QVGA) test chip has been fabricated, different pixel variants and different technology trials have been studied and analyzed. Pixel functionality has been verified for demodulation frequencies from 20 to 165MHz, using a laser source of wavelength 850nm or 950nm. A first acquired depth image using the test chip made is a validation of the proposed pixel
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Petitdidier, Nils. "Système d'imagerie pour la caractérisation en couches de la peau par réflectance diffuse." Thesis, Strasbourg, 2018. http://www.theses.fr/2018STRAD048/document.
Full textAbstract:
Les travaux effectués au cours de cette thèse concernent le développement d’un instrument à faible coût et porté sur la personne permettant le suivi quantitatif des paramètres physiologiques de la peau in vivo et de manière non invasive. L’instrument est fondé sur la technique de Spectroscopie de Réflectance Diffuse résolue spatialement (srDRS). Cette technique fournit une quantification absolue des propriétés optiques endogènes d’absorption et de diffusion du tissu sondé et possède un potentiel pour la caractérisation de ces propriétés en couches de la peau.Afin de maximiser ce potentiel, notre approche repose sur l’utilisation d’un capteur matriciel placé en contact avec le tissu et permettant l’imagerie de réflectance diffuse à haute résolution spatiale. Les travaux présentés ici comprennent la spécification et la validation d’une architecture innovante permettant la mise en œuvre de l’approche proposée, l’implémentation d’un système porté sur la personne et bas coût basé sur cette architecture et l’évaluation des performances de ce système au travers d’expérimentations à la fois sur fantômes de peau et in vivo. Les résultats obtenus valident le potentiel de l’instrument développé pour le suivi quantitatif et non-invasif des propriétés de la peau. L’approche proposée est prometteuse pour l’analyse de milieux en couches tels que la peau et ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération d’instruments portés sur la personne et bas coûts pour le suivi en continu des propriétés optiques des tissus<br>This work presents the development of a low-cost, wearable instrument for quantitative monitoring of skin physiological parameters toward non-invasive diagnostics in vivo. The instrument is based on the spatially resolved Diffuse Reflectance Spectroscopy (srDRS) technique, which provides absolute quantification of absorption and scattering endogenous properties of the probed tissue volume with a potential to discriminate between properties of individual skin layers. In the developed instrument, this potential is maximized by the use of a multi-pixel image sensor to perform contact, high resolution imaging of the diffuse reflectance. This study comprises the specification and validation of a novel srDRS system architecture based on the proposed approach, the implementation of this architecture into a low-cost, wearable device and the evaluation of the device performance both on tissue-simulating phantoms and in vivo. Results validate the potential of the instrument for the non-invasive, quantitative monitoring of tissue properties. The described approach is promising for addressing the analysis of layered tissue suchas skin and paves the way for the development of low-cost, wearable devices for continuous, passive monitoring of tissue optical properties
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Martin-Gonthier, Philippe. "Contributions à l'amélioration de la dynamique des capteurs d'image CMOS à la réponse linéaire." Toulouse, ISAE, 2010. http://www.theses.fr/2010ESAE0019.
Full textAbstract:
Ce travail porte sur la dynamique des capteurs d’image CMOS à réponse linéaire dédiés aux applications spécifiques afin d’explorer les voies d’amélioration amenant à l’obtention de dynamiques importantes. La définition détaillée de la dynamique des capteurs d’image CMOS a permis de mettre en évidence deux voies d’amélioration : l’extension de l’excursion en tension en sortie de la chaîne de lecture et la minimisation du bruit du capteur. L’extension de l’excursion en tension en sortie de la chaîne de lecture nous a amené à travailler, en collaboration avec le fondeur, sur le procédé de la technologie UMC CIS 0,35μm ce qui a conduit à la modification des implantations ioniques de contrôle des tensions de seuil des transistors intra-pixel. Cela a permis d’augmenter l’excursion en tension en sortie de l’imageur. L’utilisation d’une technologie profondément submicronique permettant l’utilisation de plusieurs types de tension de seuil des transistors (standard, faible ou nulle) a également été analysée. Là encore, l’augmentation de l’excursion en tension en sortie de l’imageur amène une augmentation de la dynamique. La seconde voie d’amélioration a montré les différentes techniques de réduction existantes des contributeurs majoritaires de bruit dans les pixels de type photodiode 3T et 4T. La réduction de ces sources de bruit a mis en évidence le bruit basse fréquence de type RTS (Random Telegraph Signal). L’impact de ce bruit se traduit par une augmentation conséquente du nombre de pixels bruyants de l’imageur dégradant ainsi la performance globale en dynamique du capteur d’image. L’origine et des techniques de réduction originales de ce type de bruit ont été explorées.
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Abbass, Hassan. "Contrôle adaptatif local dans un capteur de vision CMOS." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENT057.
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L'avancement de la technologie durant ces dernières années a permis aux imageurs d'atteindre de très hautes résolutions. Ceci a rendu les images plus riches en détails. D'un autre côté, une autre limitation se présente à ce niveau; celle du nombre de bits limité après la conversion analogique numérique. De ce fait, la qualité de l'image peut être affectée. Pour remédier à cette limitation et garder une meilleure qualité de l'image en sortie de son système d'acquisition, l'information lumineuse doit être codée sur un grand nombre de bits et conservée durant tout le flot de traitement pour éviter l'intervention du bruit et la génération des artefacts en sortie du système. En outre, le traitement numérique de chaque pixel sera coûteux en consommation d'énergie et en occupation de surface silicium.Le travail effectué dans cette thèse consiste à étudier, concevoir et implémenter plusieurs fonctions et architectures de traitement d'image en électronique analogique ou mixte. L'implémentation de ces fonctions en analogique permet de décaler la conversion de l'information lumineuse en numérique vers une étape ultérieure. ceci permet de conserver un maximum de précision sur l'information traitée. Ces fonctions et leurs architectures ont un but d'améliorer la dynamique de fonctionnement des imageurs CMOS standard (à intégration), en utilisant des techniques à temps d'intégration variable, et des "tone mapping" locaux qui imitent le système de vision humaine.Les principes de fonctionnement, les émulations sous MATLAB, la conception et les simulations électriques ainsi que les résultats expérimentaux des techniques proposées sont présentés en détails dans ce manuscrit<br>The technology progress in recent years has enabled imagers to reach a very high resolutions. This allows images to be more detailed and rich in information. On the other hand, the limited number of bites after the digital analogue conversion may drastically affect the quality of the image. To maintain the quality of the output image of the acquisition system, the luminous information should be (1) encoded on a large number of bits and (2) maintained throughout the processing flow so that to avoid noise interference and generating artifacts system output. However, the digital processing of each pixel will be energy consuming will occupy more surface silicon.The goal of this thesis is to study, design and implement several image processing functions as well as their architectures using analog and mixed electronic. Implementation of these functions shifts the analog to digital conversion to a subsequent step. This allows a maximum precision of the processed information. The proposed functions and their architectures improve the operational dynamics Standard CMOS imagers using (1) variable integration time techniques, and (2) "tone mapping" which mimics the human vision system.The experimental results based on emulations in Matlab and the electrical design show the novelty and the efficiency of the proposed method
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Bhat, Siddharth. "Design and characterization in depleted CMOS technology for particle physics pixel detector." Thesis, Aix-Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019AIXM0267.
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L’expérience ATLAS commencera à fonctionner avec l’accélérateur LHC à hauteluminosité (HL-LHC) en 2026 pour augmenter la probabilité de nouvelles découvertes. La technologie du détecteur de pixels monolithiques en "depleted" CMOS a été une des options envisagées pour la couche externe du détecteur pixel d’ATLAS mis a niveau et est une technologie à fort potentiel pour les futurs détecteurs a pixels. Dans cette thèse, plusieurs prototypes ont été développés utilisant différentes technologies CMOS appauvries, par exemple, LFoundry (LF) 150 nm, TowerJazz (TJ) à 180 nm et Austriamicrosystems AG (AMS) à 180 nm. Dans un environnement à haute énergie, tel que HL-LHC, les événements uniques (SEU), qui deviennent un sujet de préoccupation pour le bon fonctionnement des circuits. Plusieurs puces de test dans les technologies AMS, TowerJazz et LFoundry avec différentes structures tolérantes au SEU ont été prototypées et testées. Un schéma d’alimentation alternatif appelé schéma d’alimentation série est prévu pour le futur détecteur Inner Tracker (ITk) de l’expérience ATLAS. Pour répondre aux exigences de l’expérience ATLAS concernant l’environnement d’une couche pixélisée dans un environnement de collisionneur à rayonnement élevé, de nouveaux développements avec des capteurs "depleted" CMOS ont été développés dans le régulateur Shunt-LDO et la polarisation de capteur conçus dans la technologie d’imagerie CMOS TowerJazz 0,18 um modifiée. Dans le processus TowerJazz modifié, deux niveaux de tension différents sont utilisés pour l'épuisement du capteur. Polarisation les tensions sont générées à l'aide d'un circuit de pompe à charge négative<br>The ATLAS experiment will start operating at the High Luminosity LHC accelerator (HL-LHC) in 2026 to increase the probability of new discoveries. Depleted CMOS monolithic pixel detector technology has been one of the options considered for the outer layer of an upgraded ATLAS pixel detector and is a high potential technology for future pixel detectors. In this thesis, several prototypes have been developed using different depleted CMOS technologies, for instance, LFoundry (LF) 150 nm, TowerJazz (TJ) 180 nm and austriamicrosystems AG (AMS) 180 nm. In a high-energy environment like HL-LHC, Single Event Upsets (SEU), which become of concern for reliable circuit operation. Several test-chips in AMS, TowerJazz and LFoundry technologies with different SEU tolerant structures have been prototyped and tested. The SEU tolerant structures were designed with appropriate electronics simulations using Computer Aided Design (CAD) tools in order to study the sensitivity of injected charge to upset a memory state. An alternative powering scheme named Serial Powering scheme is foreseen for the future Inner Tracker (ITk) detector of the ATLAS experiment. To meet the requirements ofthe ATLAS experiment to the environment of a pixelated layer in a high radiation collider environment, new developments with depleted CMOS sensors have been made in Shunt-LDO regulator and sensor biasing which are designed in modified TowerJazz 180 nm CMOS imaging technology. In the TowerJazz modified process, two different voltage levels are used for the purpose of sensor depletion. The bias voltages are generated by using a negative charge pump circuit
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Zimouche, Hakim. "Capteur d'images CMOS à réponse insensible aux variations de température." Phd thesis, Université de Grenoble, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00656594.
Full textAbstract:
Les capteurs d'images CMOS sont de plus en plus utilisés dans le domaine industriel : la surveillance, la défense, le médical, etc. Dans ces domaines, les capteurs d'images CMOS sont exposés potentiellement à de grandes variations de température. Les capteurs d'images CMOS, comme tous les circuits analogiques, sont très sensibles aux variations de température, ce qui limite leurs applications. Jusqu'à présent, aucune solution intégrée pour contrer ce problème n'a été proposée. Afin de remédier à ce défaut, nous étudions, dans cette thèse, les effets de la température sur les deux types d'imageurs les plus connus. Plusieurs structures de compensation sont proposées. Elles reprennent globalement les trois méthodes existantes et jamais appliquées aux capteurs d'images. La première méthode utilise une entrée au niveau du pixel qui sera modulée en fonction de l'évolution de la température. La deuxième méthode utilise la technique ZTC (Zero Temperature Coefficient). La troisième méthode est inspirée de la méthode de la tension de référence bandgap. Dans tous les cas, nous réduisons de manière très intéressante l'effet de la température et nous obtenons une bonne stabilité en température de -30 à 125°C. Toutes les solutions proposées préservent le fonctionnement initial de l'imageur. Elles n'impactent également pas ou peu la surface du pixel.
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Wang, Tianyang. "Development of CMOS pixel sensors for the inner tracking system upgrade of the ALICE experiment." Thesis, Strasbourg, 2015. http://www.theses.fr/2015STRAE026/document.
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Ce travail contribue au programme de recherche et de développement d'un capteur CMOS à pixel qui pourrait satisfaire pleinement les spécifications du nouvel ITS (Inner Tracking System : trajectomètre interne) de l'expérience ALICE. Afin de briser les limites de la CPS de pointe, une technologie CMOS 0.18 µm à quatre puits a été explorée. Les capteurs fabriqués dans cette nouvelle technologie ont montré une meilleure tolérance aux radiations que les capteurs réalisés dans une technologie CMOS 0.35 µm plus ancienne. En outre, cette nouvelle technologie offre la possibilité d’implémenter des transistors de type P dans chaque pixel sans dégrader la capacité de collection de la diode. Il devient donc possible d’intégrer un discriminateur dans chaque pixel et obtenir un pixel à sortie binaire. En conséquence, la consommation sera largement réduite. De plus, le temps de traitement de la ligne peut être potentiellement réduit. Un premier prototype de petite taille, intitulé AROM-0, a été conçu et fabriqué afin d’étudier la faisabilité de la discrimination de signal dans un petit pixel. Dans ce prototype, chaque pixel de surface 22 × 33 µm2 contient une diode de détection, un préamplificateur et un discriminateur à tension d’offset compensée. La performance de bruit des différentes versions de pixels dans le capteur AROM-0 a été évaluée. Ensuite sera détaillé le développement des capteurs AROM-1. Ce sont les capteurs intermédiaires vers le capteur final proposé par notre groupe. Ils ont deux objectifs principaux, l’un est de valider les optimisations de conception du pixel et l’autre est de mettre en place une architecture du capteur évolutive intégrant l’intelligence nécessaire dans le circuit. Cette thèse présente en détail la conception et les résultats de mesure de ces capteurs AROM<br>This work is part of the R&D program aimed for a CMOS pixel sensor (CPS) complying with the requirements of the upgrade of the inner tracking system (ITS) of the ALICE experiment. In order break the limitations of the state-of-the-art CPS, a 0.18 µm quadruple-well CMOS process was explored. Besides an enhanced radiation tolerance, with respect to the former sensors fabricated in a 0.35 µm process, the sensor based on this new process allows for full CMOS capability inside the pixel without degradation of the detection efficiency. Therefore, the signal discrimination, which was formerly performed at the column level, can be integrated inside the pixel. As a result, the readout speed and power consumption can be greatly improved as compared to the CPS with column-level discrimination. This work addresses the feasibility study of achieving the signal discrimination withina small pixel (i.e. 22 × 33 µm2), via the prototype named AROM-0. The pixel of AROM-0 contains a sensing diode, a pre-amplifier and an offset compensated discriminator. The noise performance of the various pixel versions implemented in AROM-0 was evaluated. The study was further pursued with the AROM-1 prototypes, incorporating the optimized pixel designs and the necessary on-chip intelligence to approach the final sensor we have proposed for the ALICE-ITS upgrade. This thesis presents in detail the design and the measurement results of these AROM sensors
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Zimouche, Hakim. "Capteur de vision CMOS à réponse insensible aux variations de température." Phd thesis, Université de Grenoble, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00656381.
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Les capteurs d'images CMOS sont de plus en plus utilisés dans le domaine industriel : la surveillance, la défense, le médical, etc. Dans ces domaines, les capteurs d'images CMOS sont exposés potentiellement à de grandes variations de température. Les capteurs d?images CMOS, comme tous les circuits analogiques, sont très sensibles aux variations de température, ce qui limite leurs applications. Jusqu'à présent, aucune solution intégrée pour contrer ce problème n'a été proposée. Afin de remédier à ce défaut, nous étudions, dans cette thèse, les effets de la température sur les deux types d'imageurs les plus connus. Plusieurs structures de compensation sont proposées. Elles reprennent globalement les trois méthodes existantes et jamais appliquées aux capteurs d'images. La première méthode utilise une entrée au niveau du pixel qui sera modulée en fonction de l'évolution de la température. La deuxième méthode utilise la technique ZTC (Zero Température Coefficient). La troisième méthode est inspirée de la méthode de la tension de référence bandgap. Dans tous les cas, nous réduisons de manière très intéressante l'effet de la température et nous obtenons une bonne stabilité en température de -30 à 125°C. Toutes les solutions proposées préservent le fonctionnement initial de l'imageur. Elles n'impactent également pas ou peu la surface du pixel