CMOS Monolithic Pixel Sensors based on the Column-Drain Architecture for the HL-LHC Upgrade
耗尽型单片有源像素传感器（DMAPS）构成了ATLAS实验内部跟踪器（ITk）外层的一种有前途的低成本替代品。现代高电阻率CMOS技术的实现通过实现感测体积的实质性耗尽来增强其辐射耐受性。两个DMAPS原型，使用相同的“列漏”读出架构，并基于不同的传感器实现的概念命名为LF-Monopix和TJ-Monopix已开发的大型哈登对撞机（HL-LHC）的高亮度升级。LF-Monopix采用LFoundry 150 nm技术制造，具有$50x250~μm^{2}$的像素尺寸和大收集电极，选择了高辐射耐受性。辐照$1\cdot10^{15}~n_{eq}/cm^{2}$后，检测效率可达99%. TJ-Monopix是一种大规模$(1x2~cm^{2})$原型，具有$36x40~μm^{2}$大小的像素。它是在一个新的TowerJazz 180 nm的修改过程中，使敏感层的完全耗尽，同时采用一个小的收集电极，是不太敏感的串扰制造。由此产生的小传感器电容（$<=3~fF$）被一个紧凑、低功耗的前端利用，该前端经过优化以满足25 ns的时序要求。测量结果表明，传感器的等效噪声电荷（ENC）$\approx11e^{-}$，阈值$\approx300~e^-$，阈值分散$\approx30~e^-$和总功耗低于$120~mW/cm^2$。
2018-09-10 physics.ins-det
Studies of irradiated AMS H35 CMOS detectors for the ATLAS tracker upgrade
基于HV-CMOS技术的硅探测器正在被研究作为高亮度LHC的ATLAS像素探测器外层的可能候选者。在此框架下，H35 Demo ASIC采用350 nm AMS技术（H35）生产。H35 Demo芯片具有大面积（$18.49 \times 24.40 \, \mathrm{mm^2}$），包括四种不同的像素矩阵和三种测试结构。本文利用边缘TCT技术研究了测试结构的抗辐射性能，特别是耗尽区随注量的变化。从不同的衬底电阻率的芯片上的测试结构的测量显示为非辐照和辐照器件高达$2 \cdot 10^{15} \, \mathrm{1\,MeV\, n_{eq} / cm^{2}}$的累积能量密度。
2017-01-09 hep-ex physics.ins-det
Active Pixel Sensors in ams H18/H35 HV-CMOS Technology for the ATLAS HL-LHC Upgrade
深亚微米HV-CMOS工艺为采用行业标准技术构建的传感器提供了机会，同时具有HV耐受性，使其成为基于漂移的快速收集，因此是抗辐射像素探测器的良好候选者。为了使ATLAS像素探测器更好地满足HL-LHC的要求，对HV-CMOS工艺中的有源像素传感器进行了研究。这些直接在绝缘深n阱中实现放大器和放大器级，其也用作收集电极。深n阱允许高达150 V的偏置电压，导致几个10 μ m的耗尽深度。采用艾迈斯半导体H18 180 nm和H35 350 nm HV-CMOS工艺的原型传感器已经制造完成，可作为当前ATLAS Pixel传感器的潜在替代品，从而将触发处理等更高级别的处理留给专用读出芯片。传感器在实验室测量以及测试束实验中进行了全面测试。用X射线和质子照射显示对1Grad的电离剂量的耐受性。从Edge-TCT研究中推断出，由于受主去除效应，辐照后的耗尽区厚度可达100 μ m。在1e15n_eq cm-2中子辐照实验中，该传感器表现出很高的探测效率。一个完整的标线尺寸的演示芯片，在H35过程中实施正在提交，以证明大规模的HV-CMOS概念的可行性。
2016-02-09 hep-ex physics.ins-det
Two low-power optical data transmission ASICs for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter readout upgrade
ATLAS液氩量热计第一阶段升级中，前端光学数据传输需要串行化ASIC和VCSEL驱动ASIC。基准ASIC是串行器LOCx 2和VCSEL驱动器LOCld，采用0.25 μm硅蓝宝石（SoS）CMOS技术设计，功耗分别为843 mW和320 mW。基于130 nm CMOS工艺，我们设计了两个引脚到引脚兼容的备份ASIC，LOCx 2 -130和LOCld-130。它们的功耗比同类产品低得多，而其他性能，如延迟，数据速率和辐射耐受性，满足第一阶段升级的要求。我们提出了LOCx 2 -130和LOCld-130的设计。最后给出了LOCx 2 -130的测试结果。
2020-09-14 physics.ins-det
Testbeam results of irradiated ams H18 HV-CMOS pixel sensor prototypes
HV-CMOS像素传感器是LHC ATLAS实验跟踪器升级的一个很有前途的选择，也是未来其他大面积跟踪应用的一个很有前途的选择。我们展示了采用艾迈斯半导体H18 HV-CMOS工艺生产的$4^{\mathrm{th}}$代电容耦合像素探测器（CCPDv 4）的测试束表征结果，这些探测器采用不同粒子（反应堆中子和18 MeV质子）进行辐照，辐照通量介于$1\cdot 10^{14}$和$5\cdot 10^{15}$ 1-MeV-n $_\textrm{eq}$ /cm $^2$之间。传感器被粘到ATLAS FE-I4像素读出芯片上，并使用FE-I4光束望远镜在CERN SPS H8光束线上进行测量。所有注量的结果都是非常令人鼓舞的，对于$85\,$ V的偏置电压，所有命中效率都优于97%。照射到注量为$1\cdot 10^{15}$ n $_\textrm{eq}$ /cm $^2$的样品-对于大体积的升级跟踪器的相关值-表现出99.7%的平均命中效率。这些结果为HV-CMOS传感器的辐射耐受性及其作为实验性HL-LHC升级和未来高辐射环境中大面积硅基跟踪探测器的传感器的适用性提供了强有力的证据。
2017-11-28 physics.ins-det
Upgrade of the ALICE ITS detector
欧洲核子研究中心的ALICE实验在2019-2021年LHC的长周期2期间进行了重大升级。一个关键要素是安装新的内部跟踪系统2（ITS 2）。基于CMOS单片有源像素传感器的新型ITS 2将显著提高碰撞参量分辨率和跟踪效率，特别是对于低横向动量的颗粒，以及读出速率能力。在下文中，将概述升级及其调试状态以及安装状态。
2022-03-04 physics.ins-det
Upgrade of the Belle II Vertex Detector with Depleted Monolithic CMOS Active Pixel Sensors
Marietta Blau Institute for Particle Physics, Austrian Academy of Sciences（玛丽亚·布劳粒子物理研究所，奥地利科学院）；Department of Engineering and Applied Sciences, University of Bergamo（贝加莫大学工程与应用科学学院）；Department of Electrical, Computer and Biomedical Engineering, University of Pavia（帕维亚大学电气、计算机和生物医学工程系）；Dipartimento di Fisica “E. Fermi”, Università di Pisa（比萨大学“E. 费米”物理系）；INFN Sezione di Pisa（意大利国家核物理研究所比萨分部）；Aix Marseille Univ, CNRS IN2P3, CPPM（艾克斯-马赛大学，法国国家科学研究中心，法国国家核物理与粒子物理研究所，普罗旺斯粒子物理中心）；Laboratoire de Physique des 2 infinis Irène Joliot-Curie – IJCLab, Université Paris-Saclay, CNRS IN2P3（巴黎-萨克雷大学，法国国家科学研究中心，法国国家核物理与粒子物理研究所，伊雷娜·约里奥-居里双无限物理实验室）；Université de Strasbourg, CNRS, IPHC UMR 7178（斯特拉斯堡大学，法国国家科学研究中心，高能物理研究所）；Physikalisches Institut, Rheinische（莱茵（威斯特法伦）联邦工业大学物理学院）
Belle II实验为应对更高的亮度，计划升级顶点探测器，采用耗尽单片主动像素传感器，设计高辐射容忍度和低功耗性能。
2026-08-18 physics.ins-det
Charged particle detection performances of CMOS pixel sensors produced in a 0.18 um process with a high resistivity epitaxial layer
欧洲核子研究中心的ALICE实验设备将在2017/18年LHC（LS 2）第二次长时间关闭期间进行升级。这次升级的一个主要动机是将魅力粒子和美丽粒子的物理范围扩展到低横动量。这就要求大大提高ALICE内部跟踪系统（ITS）的空间分辨率和数据速率能力。为了实现这一目标，新的ITS将配备50 um薄CMOS像素传感器（CPS），覆盖探测器的最内层3层或所有7层。IPHC（斯特拉斯堡）为ITS升级开发的CPS源自RHIC为STAR-PXL实现的MIMOSA 28传感器，采用0.35 um CMOS工艺。为了满足ITS在读出速度和辐射耐受性方面的升级要求，应开发具有减小的特征尺寸和高电阻率外延层的CMOS工艺。在这方面，借助首款原型芯片MIMOSA 32，研究了TowerJazz 0. 18 um CMOS工艺的带电粒子探测性能和抗辐射性。在CERN-SPS用120 GeV/c的负π介子进行的束测试允许测量未照射芯片的信噪比（SNR），其范围在22和32之间，取决于像素设计。当冷却剂温度从15 ℃变化到30 ℃时，观察到用1兆拉德和10^13 n_eq/cm ^2的组合剂量辐照的芯片产生的SNR在11和23之间。测量这些SNR值，导致照射前后粒子探测效率分别高于99.5%和98%。这些令人满意的结果允许验证TowerJazz 0.18 um CMOS工艺的ALICE ITS升级。
2013-03-07 hep-ex physics.ins-det
The Monopix chips: Depleted monolithic active pixel sensors with a column-drain read-out architecture for the ATLAS Inner Tracker upgrade
设计并测试了两种完全同步列漏读出结构的耗尽型单片CMOS有源像素传感器（DMAPS）原型：LF-Monopix和TJ-Monopix。这些芯片是研发工作的一部分，旨在为HL-LHC ATLAS内部跟踪器适当实现CMOS DMAPS。LF-Monopix采用150 nm CMOS工艺在高阻衬底（>2 k $Ω\,$ cm）上开发，而TJ-Monopix采用改进的180 nm CMOS工艺制造，具有1 k $Ω\,$ cm外延层用于耗尽。这些芯片在其前端设计、偏置方案、像素间距、收集电极相对于像素尺寸的尺寸（分别为大电极设计和小电极设计）以及读出电子器件在这种电极内的放置方面不同。在减薄至100 $\mathrmμ$ μ m并在LF-Monopix中进行额外的背面处理以实现总体积耗尽之后，两个芯片都可以运行。在这项工作中的结果包括测量其泄漏电流，噪声，阈值色散，响应最小电离粒子和效率在测试束运动。此外，中子辐照后的测量结果与剂量的$1\times10^{15}\,\mathrm{n_{eq} / cm}^{2}$和其对未来设计的影响进行了讨论。
2019-04-25 physics.ins-det
Development of a modular test system for the silicon sensor R&D of the ATLAS Upgrade
高压CMOS传感器是对撞机实验中用于跟踪探测器的一种很有前途的技术。ATLAS协作组正在进行广泛的研发研究，以便在内部跟踪器探测器的高亮度LHC升级中可能使用HV-CMOS。CaRIBOu（Control and Readout Itk BOard）是一个模块化测试系统，用于测试硅基探测器。它目前包括五个定制设计的板，一个Xilinx ZC 706开发板，FELIX（前端Link eXchange）PCIe卡和一个主机。已经用Python开发了一个软件程序来控制CaRIBOu硬件。CaRIBOu已用于CERN的HV-CMOS传感器CCPDv 4的测试束。初步结果表明，该测试系统是非常通用的。进一步的开发正在进行中，以适应不同的传感器，并使其可用于各种实验室测试台。
2016-10-17 hep-ex physics.ins-det
Upgrade of Belle II Vertex Detector with CMOS Pixel Technology
针对 SuperKEKB 高亮度带来的高本底问题，Belle II 计划 2027 年采用 OBELIX MAPS 的 5 层全单片 CMOS 像素顶点探测器，本文报告其前身 TJ-Monopix2 的实验室与测试束性能。
2023-12-12 hep-ex physics.ins-det
Development of a time-to-digital converter ASIC for the upgrade of the ATLAS Monitored Drift Tube detector
ATLAS μ子光谱仪的升级为高亮度LHC需要新的触发器和读出电子的各种元素的检测器。我们提出了一个时间-数字转换器（TDC）ASIC原型的ATLAS超导漂移管（MDT）探测器的设计。该芯片采用GlobalFoundries 130 nm CMOS技术制造。研究表明，其时序和功耗特性满足设计要求，48个通道的时序变化为40 ps，每个通道的功耗约为6.5 mW。
2017-08-11 physics.ins-det
Dose rate dependence of TID damage to 65 nm CMOS transistors in X-ray irradiations of the ATLAS ITk Pixel ASIC (ITkPix)
针对ATLAS ITk升级用耐辐射像素读出芯片的需求，研究了65 nm CMOS工艺ITkPix ASIC中环形振荡器的TID损伤剂量率依赖性，发现低剂量率下损伤更显著，且与晶体管尺寸类型相关。
2024-04-17 physics.ins-det
Update on the high speed serializer ASIC development for ATLAS Liquid Argon calorimeter upgrade
基于商用0.25 μm蓝宝石上硅（SOS）CMOS工艺，我们一直在开发一种串行化专用集成电路（ASIC），用于ATLAS液氩量热计前端电子系统的升级。第一个原型，一个5 Gbps的16：1串行器已设计，制造，并在实验室环境中进行测试，并在200 MeV的质子束。试验结果表明，第一台样机达到了设计目标。第二个原型，双通道，每通道8 Gbps串行器正在开发中。布局后的模拟表明，8 Gbps是可以实现的。在本文中，我们提出的第一个原型的设计和测试结果和第二个原型的设计和状态。
2022-02-10 physics.ins-det
LOCx2, a Low-latency, Low-overhead, 2 x 5.12-Gbps Transmitter ASIC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Trigger Upgrade
本文介绍了ATLAS液氩量热仪触发器升级的发射机专用集成电路LOCx 2的设计和测试结果。LOCx 2由两个通道组成，每个通道编码ADC数据的开销为14.3%，并以5.12 Gbps的速率传输串行数据，延迟小于27.2 ns。LOCx 2采用商用0.25 μ m硅/蓝宝石CMOS技术制造，采用100引脚QFN封装。LOCx 2的功耗约为843 mW。
2020-09-18 physics.ins-det
Radiation tolerant, thin, passive CMOS sensors read out with the RD53A chip
研究了采用150 nm LFoundry工艺制作的无源CMOS像素传感器的抗辐射性能。CMOS工艺生产线对于大规模硅探测器特别有意义，因为它们以相对较低的成本提供高产量。此外，还提供多晶硅电阻器、MIM电容器和多个金属层等多种功能，有助于增强传感器设计。一个100 $\mathrmμ$ m薄无源CMOS传感器的性能与像素间距为50 $\mathrmμ$ m在不同的照射水平，5 $\times$ 10 $^{15}$ n $_{\mathrm{eq}}$ cm $^{-2}$和1 $\times$ 10 $^{16}$ n $_{\mathrm{eq}}$ cm $^{-2}$，提出。将传感器进行凸点键合，并使用RD53A读出芯片进行读出。在最高能量密度后，测得最小电离粒子的命中检测效率大于99%。所测得的等效噪声电荷与传统的平面像素传感器相当。因此，无源CMOS传感器对于在辐射恶劣环境中工作的硅探测器来说是一个有吸引力的选择，例如LHC实验的升级。
2021-05-09 physics.ins-det
Characterization and Verification Environment for the RD53A Pixel Readout Chip in 65 nm CMOS
RD 53合作目前正在设计一个65 nm CMOS技术的大规模原型像素读出芯片，用于HL-LHC的第二阶段升级。RD 53 A芯片将于2017年底上市，并将进行广泛的测试，以确认电路和架构是否为HL-LHC实验的最终像素读出芯片奠定了坚实的基础。RD 53 A芯片的测试和数据采集系统目前正在开发中，以执行单芯片和多芯片模块测量。此外，RD 53 A设计的验证是在专用的仿真环境中进行的。在这项工作中，测试和数据采集系统和仿真环境，这是基于一个模块化的数据采集和系统测试框架的概念和实施。
2018-02-01 physics.ins-det
First measurements with monolithic active pixel test structures produced in a 65 nm CMOS process
针对ALICE实验ITS3升级需求，研究人员用65 nm CMOS工艺制备三种测试传感器开展MLR1批次测试，验证了该工艺制备的晶圆级单片有源像素传感器在预期辐照水平下的带电粒子探测性能可行性。
2023-12-13 physics.ins-det
Upgrading the Inner Tracking System and the Time Projection Chamber of ALICE
欧洲核子研究中心的ALICE实验正在2019-2020年LHC的长周期2（LS 2）期间进行重大升级。关于中央枪管的关键要素是安装新的内部跟踪系统（ITS）和升级大型时间投影室（TPC）。TPC目前正在升级一个新的读出系统，包括新的基于GEM的读出室和新的前端电子设备，使我们能够在连续模式下操作它。基于CMOS单片有源像素传感器的新型ITS将显著提高碰撞参量分辨率和跟踪效率，特别是对于低横向动量的颗粒，以及读出速率能力。在下文中，将概述升级及其组装和调试状态。此外，还将对预计在2025-2026年LHC第三次长时间关闭的ITS升级计划进行展望。对于这次升级，最里面的三层可以用圆柱形探测器层代替，由弯曲的晶圆级CMOS传感器制成，以进一步降低材料预算并提高指向分辨率。
2020-02-02 hep-ex physics.ins-det
From Hybrid to CMOS Pixels ... a possibility for LHC's pixel future?
混合像素探测器已经为LHC发明，使跟踪和顶点在LHC的辐射强烈的环境中成为可能。同时，LHC像素探测器非常成功地实现了他们的承诺，计划中的HL-LHC升级的研发工作正在全面展开，目标是更高的电离剂量和非电离通量。在速率和辐射耐受性方面，混合像素是无与伦比的。但它们也有缺点，最明显的是材料厚度，生产复杂性和成本。与此同时，有源像素传感器（DEPFET，MAPS）也已成为真正的像素探测器，但它们远不能承受来自HL-LHC的速率和辐射。新的MAPS开发，所谓的DMAPS（耗尽MAPS），其是在耗尽区域中具有电荷收集的全CMOS像素结构，已经成为高速率/辐射水平下像素的研发焦点。这个目标也许可以利用HV技术、高欧姆衬底和/或基于SOI的技术来实现。本文涵盖了原型研究的主要思想和一些令人鼓舞的结果，而不是隐藏的困难。
2015-09-30 physics.ins-det
Time performance of Analog Pixel Test Structures with in-chip operational amplifier implemented in 65 nm CMOS imaging process
面向ALICE ITS3升级，研究表征TPSCo 65 nm CMOS APTS-OA像素原型，最佳变体达到63 ps时间分辨率、99%以上探测效率和2 μm空间分辨率。
2024-10-30 physics.ins-det
Neutron irradiation test of depleted CMOS pixel detector prototypes
采用Edge-TCT方法研究了在初始电阻率为2 k $Ω$ cm的p型衬底上（LFoundry 150 nm工艺）制作的耗尽型CMOS像素探测器原型在中子辐照前后的电荷收集特性。该测试结构是为HL-LHC升级实验中CMOS工艺跟踪探测器的研究而设计的。测量与被动探测器结构，其中电流脉冲上引起的电荷收集电极可以直接观察到。估算并研究了中子辐照注量对贫化层厚度的影响。在前两个照射步骤后观察到耗尽厚度增加至1 $\cdot$ 10 $^{13}$ n/cm $^{2}$和5 $\cdot$ 10 $^{13}$ n/cm $^{2}$，并归因于初始受体去除。在较高的注量下，由于辐照诱导的缺陷对有效空间电荷浓度有贡献，在给定电压下的耗尽层厚度随注量的增加而减小。该行为与用于标准粒子探测器的高电阻率硅的行为一致。在用1 $\cdot$ × 10 $^{15}$ n/cm $^{2}$照射后，在100 V偏压下测量的耗尽层的厚度大于50 $μ$ m。这足以保证HL-LHC实验中像素跟踪器外层的满意信号/噪声性能。
2017-01-18 physics.ins-det
Design and performance of a TDC ASIC for the upgrade of the ATLAS Monitored Drift Tube detector
我们提出了一个时间-数字（TDC）ASIC的原型的ATLAS超导漂移管（MDT）探测器的高亮度LHC操作的升级。该ASIC基于先前提交的用于时序性能评估的演示ASIC，包括各种操作模式所需的所有功能，以及迁移到TSMC 130 nm CMOS技术。我们提出了TDC的设计，重点增加的功能和性能优化。时序性能测试表明，该ASIC满足设计要求。TDC具有约780 ps的仓大小，并且对于具有前沿和后沿数字化的所有24个通道，定时仓变化在40 ps内，而功耗被限制为250 mW，对应于每个边沿测量约5.2 mW的功耗。
2019-05-24 physics.ins-det
Characterization of CMOS SPADs for future RICH Detectors
University of Ljubljana（卢布尔雅那大学）；Jožef Stefan Institute（约瑟夫斯蒂芬研究所）；École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；University of Maribor（马里博尔大学）
本文研究了适用于未来RICH探测器的CMOS SPAD光电探测器的特性，重点在于其在高辐射环境下的性能和低温操作能力。
2026-02-27 physics.ins-det
Performance and Quality Control of a Radiation-Hard 12-bit 40 MSPS ADC for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Trigger Readout Electronics Phase-I Upgrade at the LHC
为欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机ATLAS液氩量能器的触发读出电路第一阶段升级设计了一个抗辐射的四通道12位40 MSPS流水线模数转换器（ADC）。定制设计的最终版本，在商业130 nm CMOS工艺制造，提出并发现，以满足系统的模拟性能和辐射耐受性的要求。描述了17200 ADC的质量控制程序，并给出了结果。
2020-03-06 hep-ex physics.ins-det
Charge collection properties of irradiated depleted CMOS pixel test structures
介绍了在初始电阻率超过3 k $Ω$ cm的p型衬底上采用LFoundry 150 nm CMOS工艺制造的无源测试结构的边缘TCT和电荷收集测量。在用高达2 $\cdot$ 10 $^{15}$ n $_{\mathrm{eq}}$ /cm $^2$的反应堆中子辐照之前和之后进行测量。研究了两组器件：未减薄的（700 $μ$ m），其衬底通过顶部的注入物偏置;减薄的（200 $μ$ m），其背板经过处理和金属化。耗尽深度用Edge-TCT估计，收集的电荷用$^{90}$ Sr源使用具有25 ns成形时间的外部放大器测量。耗尽深度在给定的偏置电压随着中子注量的增加而减小，但在最高注量后，在250 V时仍然大于70 $μ$ m。在辐照后，用具有经处理的背板的减薄的检测器测量到高得多的收集电荷，尽管用Edge-TCT观察到相同的耗尽深度。在照射到2 $\cdot$ 10 $^{15}$ n $_{\mathrm{eq}}$ /cm $^2$后，也测量了超过5000个电子的收集电荷的最可能值。这足以确保这些探测器在升级后的HL-LHC的ATLAS实验中在像素探测器的外层成功运行。
2018-01-22 physics.ins-det
Characterization, Simulation and Test Beam Data Analysis of Stitched Passive CMOS Strip Sensors
本研究通过拼接工艺制造大面积无源CMOS条带传感器，结合模拟与实验室及束流测试，验证了其辐射硬度，为LHC升级提供可行方案。
2023-11-15 physics.ins-det
A radiation-hard dual-channel 12-bit 40 MS/s ADC prototype for the ATLAS liquid argon calorimeter readout electronics upgrade at the CERN LHC
欧洲核子研究中心大型强子对撞机ATLAS液氩量热计的读出电子升级需要抗辐射ADC。介绍了一种抗辐射双通道12位40 MS/s流水线ADC的设计。该设计包括两个流水线A/D通道，每个通道有四个乘法数模转换器，后面是8位逐次逼近寄存器模数转换器。该定制设计采用商用130 nm CMOS工艺制造，在10 MHz下，单通道40 MS/s时的SNDR性能为67.9 dB，延迟为87.5 ns（到第一位读出），而总功耗为50 mW/通道。该芯片使用两种电源电压：1.2和2.5 V。测量并确定辐照期间对单粒子效应的灵敏度，以满足系统要求。
2017-06-05 physics.ins-det
From vertex detectors to inner trackers with CMOS pixel sensors
使用CMOS像素传感器（CPS）进行高分辨率和低材料顶点探测器已在RHIC/BNL的STAR-PXL探测器的2014年和2015年物理运行中得到验证。这打开了CPS用于内部跟踪设备的大门，其具有10-100倍的敏感区域，因此需要一种节省功率、响应均匀性和鲁棒性的传感器设计。用于STAR-PXL传感器的350 nm CMOS技术被认为太不适合即将到来的应用，如升级的ALICE内部跟踪系统（ITS），该系统要求传感器在读出速度和辐射耐受性上有一个数量级的改进。这引发了对更深的亚微米CMOS技术（Tower-Jazz 180 nm）的探索，以设计适应新ALICE-ITS运行条件的CPS。本文报道了一种适用于ALICE-ITS的CPS概念的研究与开发结果。
2016-04-11 hep-ex physics.ins-det
Electrical characterization of AMS aH18 HV-CMOS after neutrons and protons irradiation
鉴于ATLAS高亮度LHC（HL-LHC）升级的跟踪探测器应用，我们开发了新一代的高压CMOS（HV-CMOS）单片像素传感器原型，采用AMS aH 18（180 nm）商用CMOS技术。通过将模拟和数字读出电路完全集成在同一颗粒检测基板上，解决了混合传感器技术的当前挑战，即，较大的读出输入电容、较低的生产成品率以及较高的生产和集成成本可以缩小规模。使用高电阻率衬底的大电极设计积极地帮助减轻电荷捕获效应，使这些芯片抗辐射。在高辐照环境中引起的表面和体损伤改变了器件的有效掺杂浓度，从而随着反向偏置电压的增加调制高电场。这种效应会导致高漏电流和过早的电击穿，由碰撞电离驱动。为了评估重度辐照样品的特性，我们对ATLASPix 1芯片进行了专门的活动，其中包括在不同设施制造的中子和质子辐照。在这里，我们报告在不同的环境条件下的辐照样品的电特性，也比较其预辐照性能。结果表明，强子辐照的设备可以安全地运行在一个电压足够高，以允许高效率，高达2 E15 neq/cm 2的通量，超出预期的辐射水平（TID和NIEL）在最外层的像素层的新的ATLAS跟踪HL-LHC。
2020-05-29 physics.ins-det
Characterization of a gigabit transceiver for the ATLAS inner tracker pixel detector readout upgrade
我们提出了一个千兆收发器原型专用集成电路（ASIC），GBCR，ATLAS内部跟踪器（ITk）像素检测器读出升级。GBCR采用65 nm CMOS技术设计，由四个上行接收器通道、一个下行发射器通道和一个内部集成电路（I2C）从机组成。上行通道通过5米34美国线规（AWG）双轴（Twinax）电缆以5.12 Gbps的速率接收数据，对其进行均衡，使用恢复的时钟对其重新计时，然后驱动光发射机。下行通道以2.56 Gbps的速率从光接收器接收数据，并与上行通道一样驱动电缆。当时钟数据恢复（CDR）模块打开时，上行信道输出的抖动被测量为35 ps（峰-峰），并且在电缆之后下行信道输出的抖动为138 ps（峰-峰）。当CDR模块开启时，每个上行通道的功耗为72 mW，下行通道的功耗为27 mW。GBCR在200 kGy的总电离剂量下存活。
2020-08-22 physics.ins-det
Radiation hard DMAPS pixel sensors in 150nm CMOS technology for operation at LHC
单片有源像素传感器（MAPS）自20世纪90年代后期以来已经开发，其采用具有薄外延层的硅衬底，其中沉积的电荷通过无序扩散而不是通过电场中的漂移来收集。因此，信号小而慢，辐射耐受性低于LHC实验要求的100至1000倍。我们开发了全耗尽（D）MAPS像素传感器采用150 nm CMOS技术，并使用高电阻率衬底以及高偏置电压。开发已经进行了三次后续迭代，从原型到大型像素矩阵，包括适合LHC操作的完整读出架构。全CMOS电子器件嵌入在大的深n阱中，同时用作收集节点（大电极设计）。这些器件在辐照前后采用实验室测试和粒子束进行了深入的表征。这些设备可以处理LHC pp实验最里面的像素探测器或计划中的HL-LHC升级的外部像素层所看到的粒子速率。它们是至少$10^{15}~\mathrm{n_{eq}/cm^2}$的难以辐射粒子注量和至少50 Mrad的总电离剂量。
2020-05-25 physics.ins-det
ALICE ITS Upgrade for LHC Run 3: Commissioning in the Laboratory
ALICE是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）实验，它是为研究重离子碰撞中产生的强相互作用物质而优化的，并致力于表征夸克-胶子等离子体。为了实现LHC Run 3的物理计划，正在对实验装置进行重大升级。升级的一个关键要素是用全新的硅基探测器（ITS 2）取代内部跟踪系统（ITS），其功能将允许重建以前布局无法访问的稀有物理通道。实现这种性能提升的技术是采用定制设计的CMOS单片有源像素传感器作为检测元件。在本会议记录中，将概述所采用的技术以及探测器调试的状态。
2020-11-30 hep-ex physics.ins-det
LF-MightyPix: A second HV-MAPS prototype for the {LHCb} Mighty-Tracker
Institute for Data Processing and Electronics, Karlsruhe Institute of Technology（数据处理与电子研究所，卡尔斯鲁厄理工学院）；Physikalisches Institute, University of Heidelberg（物理研究所，海德堡大学）
为LHCb实验未来高亮度运行，Mighty-Tracker升级引入硅像素探测器MightyPix。LF-MightyPix原型采用150nmCMOS工艺，具备3.5mm×4.0mm尺寸和0.1mm×0.1mm像素，记录每个像素的到达时间和阈值过时间以确保40MHz束流交叉识别。
2026-06-24 physics.ins-det
Characterization of Stitched Prototypes Chip for the ALICE ITS3 Upgrade
University of Padova（帕多瓦大学）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所，帕多瓦分部）
ALICE ITS3升级采用缝合单片传感器技术，通过测试束验证其高探测效率和优异空间分辨率。
2026-02-03 physics.ins-det
Neutron and proton tests of different technologies for the upgrade of cold readout electronics of the ATLAS Hadronic Endcap Calorimeter
与LHC的设计目标相比，HL-LHC的总积分亮度的预期增加为10倍，基本上消除了ATLAS强子端盖量热计（HEC）当前冷放大器实现的辐射硬度的安全系数。新的更难辐射的技术已经被研究：SiGe双极、Si CMOS FET和GaAs FET晶体管已经被中子辐照，其积分通量高达2.2 \cdot 10^{16} n/cm 2，并且被200 MeV质子辐照，其积分通量高达2.6 \cdot 10^{14} p/cm 2。晶体管参数的比较，如两种类型的照射的增益。
2012-08-09 hep-ex physics.ins-det
FATALIC: A novel CMOS front-end readout ASIC for the ATLAS Tile Calorimeter
本文介绍了一种新的ASIC架构，在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的高亮度阶段的ATLAS瓦热量计升级计划的背景下设计的。该架构基于耐辐射的130 nm互补金属氧化物半导体技术，嵌入了探测器信号的模拟和数字处理。ASIC的详细描述给出的动机，设计特点和模拟和测量性能。实验研究，在真实粒子束条件下的24个原型单位的基础上，为了证明作为一个可靠的前端读出电子解决方案的架构的潜力。
2018-12-11 hep-ex physics.ins-det
Characterization and quality control test of a gigabit cable receiver ASIC (GBCR2) for the ATLAS Inner Tracker Detector upgrade
我们提出了一个千兆电缆接收器ASIC原型，GBCR 2，ATLAS内部跟踪器像素检测器升级的表征和质量控制测试。GBCR 2通过6 m Twinax AWG 34电缆对从RD 53 B到lpGBT的上行链路电信号进行均衡和重新定时。GBCR 2还通过从lpGBT到RD 53 B的相同电连接预加重下行链路命令信号。GBCR 2有七个上行链路信道，每个信道的速率为1.28 Gbps，两个下行链路信道，每个信道的速率为160 Mbps。原型是在65 nm CMOS工艺制造。GBCR 2的特性已经被证明，输出信号的总抖动在非重定时模式下为129.1 ps（峰-峰），在重定时模式下为79.3 ps（峰-峰），并且满足lpGBT的要求。所有上行链路信道的总功耗在非重定时模式下为87.0 mW，在重定时模式下为101.4 mW，低于174 mW的规范。两个下行链路信道的功耗小于53 mW。提出了一种质量控制测试程序，并对169个原型芯片进行了测试。产率约为97.0%。
2021-08-06 physics.ins-det
Overview of the ALICE ITS3 Upgrade
Department of Physics and Astronomy, Sejong University（世宗大学物理与天文学系）
ALICE将在LHC第三次停机期间用ITS3替换最内三层跟踪探测器，采用65nm CMOS工艺的弯曲单片有源像素传感器，实现无支撑结构、空气冷却，材料预算低于0.09%X$_0$每层。
2026-06-06 physics.ins-det
A gigabit transceiver for the ATLAS inner tracker pixel detector readout upgrade
本文介绍了一个千兆收发器专用集成电路（ASIC）称为GBCR的ATLAS内部跟踪器（ITk）像素检测器读出升级的设计和仿真结果。GBCR具有四个上行接收器通道和一个下行发射器通道。每个上行信道以5.12 Gbps运行，而下行信道以2.56 Gbps运行。在每个上行通道中，GBCR均衡通过5米34美国线规（AWG）双轴电缆接收的信号，用恢复的时钟对数据重新定时，并驱动光发射机。在下行通道中，GBCR从光接收器接收数据，并驱动与上行通道相同类型的电缆。上行信道的输出抖动是26.5ps，并且在电缆之后的下行信道的抖动是33.5ps。每个上行通道消耗78 mW，每个下行通道消耗27 mW。上行测试信道的仿真结果表明，除了基线信道的线性均衡之外，还可以通过使用前馈均衡器（FFE）+判决反馈均衡（DFE）来以最小的功耗增加来实现显著的抖动减小。GBCR采用65 nm CMOS工艺设计。
2020-09-14 physics.ins-det
Optimisation of CMOS pixel sensors for high performance vertexing and tracking
CMOS像素传感器往往与不断增长的带电粒子探测仪器相关。这主要来自于它们的高粒度和低材料预算。然而，几个潜在的应用需要比基于0.35微米特征尺寸技术的可用器件所实现的更高的读出速度和辐射容限。本文显示了在0.18微米工艺中制造的基于相当大厚度的高电阻率外延层的新原型传感器的初步测试结果。基于这些观察到的性能，我们讨论了在未来几年的发展战略，以达到一个完整的规模传感器匹配的规格的升级版本的内部跟踪系统（ITS）的ALICE实验在欧洲核子研究中心，其中一个敏感的区域可达约10平方米配备像素传感器。
2013-05-03 hep-ex physics.ins-det
Neutron and proton tests of different technologies for the upgrade of the cold readout electronics of the ATLAS Hadronic End-cap Calorimeter
与LHC的设计目标相比，HL-LHC的总积分亮度的预期增加因子为10，基本上消除了在ATLAS强子端盖量热计（HEC）的当前冷放大器处实现的辐射硬度的安全因子。新的抗辐射技术已经被研究出来：SiGe双极、Si CMOS FET和GaAs FET晶体管已经被中子辐照，其积分注量高达2.2 x 10^{16} n/cm ^2，被200 MeV质子辐照，其积分注量高达2.6 x 10^{14} p/cm ^2。晶体管参数的比较，如两种类型的照射的增益。
2013-01-16 hep-ex physics.ins-det
ALICE ITS upgrade for LHC Run 3: commissioning in the laboratory
ALICE是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）实验，它是为研究重离子碰撞中产生的强相互作用物质而优化的，并致力于表征夸克-胶子等离子体。为了实现LHC Run 3的物理计划，正在对实验装置进行重大升级。升级的一个关键要素是用全新的硅基探测器取代内部跟踪系统（ITS），其功能将允许重建以前布局无法访问的稀有物理通道。实现这种性能提升的技术是采用定制设计的CMOS MAPS作为检测元件。探测器在ALICE洞穴中的安装已经完成，几个月的调试将允许最终集成到中央系统中。在这次演讲中，将概述所采用的技术以及探测器调试的状态。
2021-06-30 hep-ex physics.ins-det
A Radiation-Hard Dual Channel 4-bit Pipeline for a 12-bit 40 MS/s ADC Prototype with extended Dynamic Range for the ATLAS Liquid Argon Calorimeter Readout Electronics Upgrade at the CERN LHC
介绍了一种用于欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机ATLAS液氩量热计读出电路升级的抗辐射双通道12位40 MS/s扩展动态范围流水线ADC的设计。该设计由两个流水线A/D通道和四个乘法数模转换器组成，每个转换器的标称分辨率为12位。该设计采用IBM 130 nm CMOS工艺制造，在2.5 V电源下，单通道SNDR在18 MHz、40 MS/s时的性能为68 dB，而每通道功耗为55 mW，辐照后性能没有下降。各种增益选择算法，以实现扩展的动态范围的实施和测试。
2013-07-31 hep-ex physics.ins-det
Characterization of passive CMOS sensors with RD53A pixel modules
目前升级到基于加速器的HEP探测器（例如ATLAS，CMS）以及未来的项目（例如CEPC，FCC）都具有大面积硅基跟踪探测器。我们正在研究使用CMOS代工厂制造硅辐射探测器的可行性，无论是像素和大面积条形传感器。成功的概念验证将为HEP社区打开CMOS代工厂的市场潜力，这在可用性、吞吐量和成本方面将是最有利的。此外，多层信号路由的可用性将提供优化传感器几何形状和性能的自由度，其中在多晶硅层和MIM电容器中实现的偏置结构允许AC耦合。LFoundry最近采用150 nm CMOS工艺完成了条带测试结构和RD53A兼容像素传感器的原型生产。本报告将重点介绍像素模块的特性，研究在电荷收集，位置分辨率和命中效率方面的性能，并在实验室和束流测试中进行测量。我们将报告对具有25 × 100 μ ^2单元几何形状的RD53A模块的研究。
2021-11-15 hep-ex physics.ins-det
Effect and suppression of parasitic surface damage in neutron irradiated CMOS Monolithic Active Pixel Sensors
CMOS单片有源像素传感器（MAPS）被选为STAR、CBM和升级版ALICE-ITS的顶点探测器的传感器技术。它们也构成了未来电子对撞机跟踪装置的一个有价值的选择。这些应用需要对电离辐射和非电离辐射都具有相当大的耐受性。为了实现辐射耐受性的集中优化，通过使用纯电离辐射（例如软X射线）或可用的最纯非电离辐射源（例如反应堆中子）照射器械来测试原型。在第二种情况下，通常假设在中子束中发现的寄生$γ$射线的影响可以忽略不计。我们通过用$γ$ -射线照射MAPS并将产生的辐射损伤与中子照射传感器中的辐射损伤进行比较来验证这一假设。我们认为，寄生辐射剂量可能会造成不可忽视的辐射损伤。基于这些结果，我们提出了一个程序来识别和抑制相关的寄生电离辐射损伤的影响。
2016-07-26 hep-ex physics.ins-det
Silicon detectors for the LHC Phase-II upgrade and beyond. RD50 status report
预计LHC的亮度将显著增加，以获得最大的物理潜力。特别是预计在2023年进行的第二阶段升级将意味着前所未有的辐射水平，大大超出目前使用的硅跟踪器的限制。ATLAS、CMS和LHCb正在研究全硅中央跟踪器，最内层将采用极抗辐射的硅传感器。在RD 50协作中，一个大型的研发计划已经进行了十多年，跨越了实验边界，为HL-LHC跟踪器开发具有足够辐射耐受性的硅传感器。最近RD 50研究的关键领域包括新的传感器制造技术，如HV-CMOS，与通常在小晶圆上生产粒子探测器的高度专业化的代工厂相比，以极具竞争力的价格利用了半导体行业中CMOS工艺的广泛可用性。我们还寻求更深入地了解宏观传感器性能之间的联系，如辐射引起的漏电流，掺杂浓度和捕获的增加，和缺陷水平的微观性能。另一个重要的活动是开发先进的传感器类型，如3D硅探测器，旨在满足HL-LHC顶点层的极端辐射水平。另一个重点领域是LGAD领域，其中用于创建高场区域的专用倍增层内置于传感器中。LGAD的特点是在辐照后也具有高信号，并且与传统的硅探测器相比具有非常快的信号，这使它们成为HL-LHC中ATLAS和CMS定时层的理想候选者。我们将介绍如上所述的几种硅探测器技术的最新技术，以及对应于HL-LHC注量和部分超出的辐射水平。
2019-10-14 hep-ex physics.ins-det
A Novel Approach for Fault Detection and Failure Analysis of CMOS Copper Metal Stacks
University of Oxford（牛津大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；European Organization for Nuclear Research (CERN)（欧洲核子研究组织（CERN））；Centre National de la Recherche Scientifique（法国国家科学研究中心）；Lund University（隆德大学）；Università degli studi di Cagliari（卡利亚里大学）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)（意大利国家核物理研究所）
本文研究了在ITS3升级中为ALICE实验制造大尺寸单片主动像素传感器的工艺问题，通过分析MOSS传感器的良率，探讨了铜金属堆叠的故障特征及改进策略。
2026-03-17 physics.ins-det
Thin n-in-p planar pixel modules for the ATLAS upgrade at HL-LHC
ATLAS实验将对跟踪系统进行重大升级，因为预计LHC（HL-LHC）的高亮度阶段将于2025年左右开始。薄的平面像素模块是有希望的候选人，仪器新的像素系统，由于减少的贡献，材料预算和高电荷收集效率照射后。新的设计的像素单元，具有优化的偏置结构，已实现在n-in-p平面像素生产与传感器厚度为270微米。使用束流测试，在命中效率的增益作为接收到的辐照注量的函数进行了研究。未来的薄平面像素传感器的生产前景将进行讨论，重点是薄传感器的厚度为100和150 μ m和一种新的设计与优化的偏置结构和小像素单元（50 μ m × 50 μ m和25 μ m × 100 μ m）。这些尺寸是预见到的新的ATLAS读出芯片在65纳米CMOS技术和精细分割将代表在HL-LHC的像素系统的前向区域中的跟踪的挑战。为了预测50 μ m × 50 μ m像素在高eta下的性能，在相对于短像素方向的高入射角下的射束测试中，在照射之前和之后研究了FE-I4兼容平面像素传感器。将显示簇形状、电荷收集和命中效率的结果。
2016-05-02 physics.ins-det
Development of CMOS pixel sensors for tracking and vertexing in high energy physics experiments
CMOS像素传感器（CPS）代表了构建带电粒子探测器的新技术途径。CMOS工艺允许将感测体积和读出电子器件集成在单个硅管芯中，从而允许构建每层具有小像素间距（$\sim 20 μm$）和低材料预算（$\sim 0.2-0.3\% X_0$）的传感器。这些特性使CPS成为高能物理实验中顶点和跟踪系统的一个有吸引力的选择。此外，由于用于制造CPS的大规模生产工业CMOS工艺，与更标准的半导体技术相比，制造构造成本可以显著降低。然而，CPS在辐射硬度和读出速度方面的可达到的性能水平主要由市场上可用的CMOS工艺的制造参数而不是由CPS固有潜力决定。商业CMOS工艺朝着更小的特征尺寸和高电阻率外延层的永久演变导致更好的辐射硬度，并允许实现加速读出电路。TowerJazz $0.18 μm$ CMOS工艺是最相关的例子之一，最近引起了几个未来探测器项目的兴趣。这些项目中最紧迫的是LHC ALICE探测器内部跟踪系统（ITS）的升级。随后将在FAIR进行建立信任措施实验的微顶点探测器。其他实验，如ILD，认为CPS是风味标记和跟踪子系统的可行选择之一。
2014-02-10 hep-ex physics.ins-det
Simulations and Performance Studies of a MAPS in 65 nm CMOS Imaging Technology
本研究针对65 nm CMOS成像工艺的单片有源像素传感器（MAPS）开展仿真与束流测试，验证了其作为未来轻子对撞机顶点探测器候选方案的潜力，并为仿真方法优化提供依据。
2024-02-22 physics.ins-det
Characterisation of novel prototypes of monolithic HV-CMOS pixel detectors for high energy physics experiments
计划于2024年对ATLAS实验进行升级，用于LHC的高亮度阶段，并预计将用完全由硅器件制成的新内部跟踪器（ITk）取代现有的内部探测器（ID）。耗尽的有源像素传感器与高电压CMOS（HV-CMOS）技术构建的调查作为一个选项，以覆盖大面积的像素检测器的最外层，是特别感兴趣的单片器件的发展，这将降低生产成本和材料预算相对于本混合组件。为此，H35 DEMO是一款大面积HV-CMOS演示芯片，由KIT、IFAE和利物浦大学设计，并采用AMS 350 nm CMOS技术生产。它由四个像素矩阵和额外的测试结构。两个矩阵包括放大器和放大器级，因此被设计为作为单片检测器操作。在这些装置中，信号主要由通过施加100 V量级的偏置电压获得的小耗尽体积中的电荷漂移产生。此外，为了增强芯片的辐射硬度，该技术允许将电子器件封装在也用作收集电极的相同深N阱中。在这方面的贡献的H35 DEMO芯片的特性和结果的第一束测试测量的单片CMOS矩阵与高能量π介子在欧洲核子研究中心SPS将提交。
2017-05-15 hep-ex physics.ins-det
Qualification of Bump Bonding in CMS Inner Tracker Pixel Modules for the Phase-2 Upgrade
针对 CMS Phase-2 升级像素模块，研究建立凸点键合鉴定流程，综合串扰、偏置测试及 X 射线或 β 源成像识别缺失和缺陷凸点，并基于原型评估各方法优劣。
2025-06-11 hep-ex physics.ins-det
Characterisation of silicon microstrip detectors for the ATLAS Phase-II Upgrade with a micro-focused X-ray beam
计划于2025年建成的HL-LHC（高光度LHC）旨在通过将光度大幅提高至6*10^34 cm^-2 s^-1来最大限度地发挥物理潜力。亮度增加的结果是，在运行10年后，预计在3000 fb^-1时会出现辐射损伤，这就要求跟踪探测器能够承受超过1*10^16 1 MeV n_eq/cm ^2的注量。为了应对随之增加的读出速率，正在开发对当前ATLAS内部探测器（ID）进行完全重新设计的内部跟踪器（ITk）。ITk的ATLAS条带跟踪器区域的两个提议的探测器在具有3 μ m FWHM 15 keV微聚焦X射线束的金刚石光源处被表征。测试中的器件是320 μ m厚的硅立体（Barrel）ATLAS 12条微型传感器，其线键合到130 nm CMOS二进制读出芯片（ABC 130），以及320 μ m厚的全尺寸径向（端盖）条传感器-利用双金属读出层-线键合到250 nm CMOS二进制读出芯片（ABCN-25）。两种探测器的分辨率都优于74.5 μ m条带的条带间距。条带之间的p-停止扩散层的效果进行了详细研究的引线键合焊盘区域。带间电荷收集测量表明，硅传感器上的带的有效宽度由带之间的p-停止区域而不是带间距决定。
2016-07-01 hep-ex physics.ins-det
