高能物理實驗中低噪聲頂層金屬CMOS像素傳感器設(shè)計.pdf

1、隨著核物理和粒子物理研究的不斷推進，以無中微子雙貝塔衰變0vββ和暗物質(zhì)尋找為典型代表的低本底（低事件率、低電荷漂移速率）、低噪聲實驗逐漸成為高能物理領(lǐng)域未來的研究主流和熱點。沒有氣體電荷雪崩增益且以氣體或高壓低溫下的液體為媒介的時間投影室被視為低本底、低噪聲實驗研究的理想探測器。能夠滿足該應(yīng)用需求且具有更高靈敏度的時間、空間及能量分辨率的低噪聲、高密度、大陣列像素傳感器是未來高能物理實驗研究迫切需要的。
　　本文主要研究工作是針

2、對低本底、低噪聲的電荷讀出背景，研究開發(fā)出集直接電荷收集與信號處理于一體的像素傳感器芯片，旨在解決無氣體電荷雪崩增益的時間投影室中直接收集和測量電荷的問題。其具體研究內(nèi)容和創(chuàng)新點體現(xiàn)在如下幾個方面:
　　1.提出了全新的直接電荷收集像素陣列的傳感器結(jié)構(gòu):將芯片最頂層的金屬層開窗成裸露的電極(Topmetal)，并在其周圍設(shè)計隔離的同層金屬環(huán)（Guardring）結(jié)構(gòu)。裸露電極用來直接收集電荷，金屬環(huán)與裸露電極之間的電勢差可形成聚焦

3、電場，提高電荷收集效率。用這種傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的Topmetal-Ⅱ-芯片進行了單個Alphatrack的物理實驗，結(jié)果表明:該芯片能夠在室溫空氣環(huán)境下，直接觀測到由241Am Alpha電離周圍空氣產(chǎn)生的單條電荷徑跡。并且，在77K液氮環(huán)境下也觀測到芯片能直接收集電荷。
　　2.解決了模擬讀出過程中行列選擇切換對電荷靈敏放大器(CSA)輸出干擾的關(guān)鍵技術(shù)問題:模擬讀出時行列選擇切換會引入電荷注入導(dǎo)致CSA輸出震蕩，為此，在CSA與

4、行列選擇開關(guān)之間設(shè)計了一級源跟隨電路，有效隔離了電荷注入干擾。通過優(yōu)化單個像素版圖寄生參數(shù)，減小了CSA輸入及反饋電容，增大了電荷轉(zhuǎn)換增益，從而提高了模擬讀出的信噪比。采用該技術(shù)的Topmetal-Ⅱ-芯片在室溫空氣環(huán)境和77K液氮環(huán)境下的電學(xué)測試結(jié)果表明:模擬讀出工作穩(wěn)定，且等效電荷噪聲(ENC)分別為13.9e-和12.6e-。
　　3.提出了片內(nèi)閾值補償方法，提高了像素間閾值電壓的一致性:在像素內(nèi)部增設(shè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，

5、獨立補償每個像素的比較器閾值電壓，減小了像素間因CSA輸出噪聲、比較器輸出失調(diào)噪聲以及工藝誤差共同導(dǎo)致的閾值電壓的離散度。Topmetal-Ⅱ-閾值掃描測試結(jié)果表明:采用該補償后，像素陣列閾值電壓基準(zhǔn)電平的離散度減小了7.5倍，即從35.9mV減小至4.8mV。且在Topmetal-Ⅱ-的光學(xué)成像實驗中，觀察到了良好的成像效果，從而驗證了數(shù)字讀出通道設(shè)計的正確性。
　　4.提出了通過可調(diào)截止頻率濾波器降低CSA偏置電壓噪聲，從而進

6、一步提高信噪比的方法。在Topmetal-Ⅱ-的基礎(chǔ)上，采用此方法設(shè)計了多像素的Topmetal-Ⅱa和單點大像素的Topmetal-S芯片。Topmetal-Ⅱa和Topmetal-S在室溫空氣環(huán)境下的初步電學(xué)測試結(jié)果表明:Topmetal-Ⅱa模擬讀出ENC相比于Topmetal-Ⅱ-減小了1.5e-，即從13.9e-減小至12.4e-;模擬讀出的直流電平波動噪聲減小了22％，即從1.2mV減小至0.936mV;Topmetal-S

7、模擬讀出ENC為28.7e-，達到了預(yù)期的30e-以內(nèi)。
　　目前，Topmetal-Ⅱ-芯片已在蘭州重離子加速器和伯克利88-inch回旋加速器上成功實現(xiàn)了無損傷、高位置分辨和高精度時間分辨的束流監(jiān)控系統(tǒng)，它即將被應(yīng)用于下一代癌癥治療和加速器儲存環(huán)上的束流監(jiān)控;噪聲更低的Topmetal-Ⅱa芯片將會進一步提升該束流監(jiān)控系統(tǒng)的性能;Topmetal-S單顆芯片的電學(xué)測試已近尾聲，由127顆1mm電極尺寸的Topmetal-S芯片