Characterization of a CMOS pixel sensor for charged particle tracking
一个原型的CMOS像素传感器命名为SUPIX-1已被制造和测试，以调查的可行性，像素化的希格斯工厂，即圆形电子-正电子对撞机（CEPC）的跟踪器。该传感器采用180 nm CMOS图像传感器（CIS）工艺，由9个不同的像素阵列组成，像素间距、二极管尺寸和几何形状各不相同，以研究放大像素的粒子探测性能。该试验是用Fe-55放射源进行的。观察到的两个软X射线峰用于校准传感器的电荷电压因子。评价了逐像素等效噪声电荷、电荷收集效率和信噪比。提出了一种信号像素聚类的重构方法，并研究了其聚类性能。测试结果表明，$21μ$ m $\times 84μ$ m的像素具有良好的噪声水平和电荷收集性能，满足像素传感器的一般要求。这一贡献表明，CMOS像素传感器与扩大间距，使用CIS技术，可用于跟踪即将到来的碰撞探测器类似的CEPC。
2021-11-30 physics.ins-det
A Cryogenic Readout IC with 100 KSPS in-Pixel ADC for Skipper CCD-in-CMOS Sensors
Skipper CCD-in-CMOS并行读出电路（SPROCKET）是一款混合信号前端设计，用于Skipper CCD-in-CMOS图像传感器的读出。SPROCKET采用65 nm CMOS工艺制造，每个像素占用50 $μ$ m $\times$ 50 $μ$ m的占地面积。SPROCKET旨在与Skipper-in-CMOS传感器阵列异质集成，使得一个读出像素连接到九个Skipper-in-CMOS像素的多路复用阵列，以实现大规模并行读出。前端包括一个可变增益ADC、一个相关双采样电路和一个10位串行逐次逼近寄存器（SAR）ADC。该电路可实现100 ksps的采样速率，ADC输入端的等效噪声为0.48 $\mathrm{e^-_{rms}}$。SPROCKET在最低增益设置下实现9，000 $e^-$的最大动态范围（或在最低噪声设置下实现900 $e^-$的最大动态范围）。该电路工作在100开尔文，功耗为每像素40 $μW$。2022年9月提交了SPROCKET测试芯片，测试结果将在大会上公布。
2023-02-07 physics.ins-det
CMOS Pixel Sensor Response to Low Energy Electrons in Transmission Electron Microscopy
本文介绍了一种测试CMOS传感器与耐辐射的像素单元设计的80 keV和100 keV的电子的响应的研究结果。对于20微米像素，测量的点扩散函数在100 keV下为（13.0+/- 1.7）微米，在80 keV下为（12.1 +/- 1.6）微米。结果与Geant-4和专用电荷收集模拟预测的值吻合良好。
2009-04-03 physics.ins-det
CMOS Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) for future vertex detectors
本文综述了用于未来顶点检测器的CMOS单片有源像素传感器（MAPS）的发展。MAPS采用标准CMOS技术开发。在该技术首次应用的成像领域，它们也被称为CMOS图像传感器。使用MAPS作为粒子物理学的探测器是在1999年底首次提出的。从那时起，它们在空间分辨率，效率，辐射硬度方面的良好性能已经得到证明，现在正在努力提供第一个基于MAPS的顶点探测器。
2006-05-29 physics.ins-det
Subpixel Mapping and Test Beam Studies with a HV2FEI4v2 CMOS-Sensor-Hybrid Module for the ATLAS Inner Detector Upgrade
高亮度大型强子对撞机的升级将对所有实验的跟踪系统提出前所未有的挑战。在CMOS工艺中设计的有源像素检测器的最新进展为使用无源传感器的成熟混合设计提供了有吸引力的替代方案。本文介绍了一个高压CMOS有源像素传感器的ATLAS跟踪器升级设计的研究。传感器被粘在可插入B层的读出芯片上。被测器件的像素比所附读出芯片的像素更小，输出信号中编码有关于命中CMOS像素的信息（子像素编码）。描述了将读出芯片中记录的命中映射到CMOS像素的测试光束测量，从而验证子像素编码。
2017-02-06 physics.ins-det
A cryogenic readout integrated circuit with analog pile-up and in-Pixel ADC for high frame rate Skipper CCD-in-CMOS Sensors
Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）
该研究开发了一款带模拟堆积和像素内ADC的低温读出集成电路SPROCKET2，适配高帧频Skipper CCD-in-CMOS传感器，实现低噪声、低功耗与高吞吐量。
2026-08-19 physics.ins-det
A Rad-hard CMOS Active Pixel Sensor for Electron Microscopy
单片CMOS像素传感器通过透射电子显微镜中的直接电子检测为快速纳米成像提供了前所未有的机会。我们提出的设计和一个完整的CMOS像素测试结构的特性，能够承受超过1兆拉德的剂量。收集的数据与电子束在不同的能量感兴趣的电子显微镜进行比较，预测的模拟和1.5 GeV的电子数据disentagle的多重散射的影响。用300 keV电子测量的点扩散函数对于10微米像素为（8.1 +/- 1.6）微米，对于20微米像素为（10.9 +/- 2.3）微米，这与我们模拟预测的值8.4微米和10.5微米吻合得很好。
2008-11-18 physics.ins-det
Tracking and Vertexing with a Thin CMOS Pixel Beam Telescope
我们目前的带电粒子轨道和顶点重建的研究结果与光束望远镜制成的四层50微米薄的CMOS单片像素传感器使用120 GeV的质子在FNAL介子试验束设施。我们比较我们的结果的性能要求，未来的电子+电子直线对撞机的粒子轨道外推和顶点重建精度。
2008-05-11 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
Characterization of irradiated RD53A pixel modules with passive CMOS sensors
我们正在研究使用CMOS代工厂制造硅探测器的可行性，无论是像素和大面积条形传感器。多层布线的可用性将提供优化传感器几何形状和性能的自由度，其中多晶硅层中的偏置结构和MIM电容器允许AC耦合。LFoundry最近采用150 $\,$ nm CMOS工艺完成了条带测试结构和RD 53 A兼容像素传感器的原型生产。本文将集中在辐照和非辐照像素模块，由CMOS无源传感器互连到RD53A芯片的表征。传感器被设计成在DC耦合器件的情况下具有$25\times100\,μ\mathrm{m}^2$的像素单元，并且在AC耦合器件的情况下具有$50\times50\,μ\mathrm{m}^2$的像素单元。他们的性能方面的电荷收集，位置分辨率和命中效率进行了研究，在实验室中进行的测量和束流测试。对带有LFoundry硅传感器的RD 53 A模块进行辐照，辐照通量高达$1.0\times10^{16}\,\frac{\mathrm{n}_\mathrm{eq}}{\mathrm{cm}^2}$。
2022-03-21 physics.ins-det
Radiation Tolerance of CMOS Monolithic Active Pixel Sensors with Self-Biased Pixels
CMOS单片有源像素传感器（MAPS）被提出作为核物理和粒子物理中各种顶点探测器的技术。我们讨论了电离辐射对无死时间的MAPS（即所谓的自偏置像素）的损伤机制。此外，我们还讨论了辐射硬化传感器设计，该设计允许在将探测器暴露于1 Mrad以上的辐射剂量后操作探测器
2009-08-28 nucl-ex physics.ins-det
A Low-Noise CMOS Pixel Direct Charge Sensor, Topmetal-II-
我们报告的CMOS像素直接电荷传感器，Topmetal-II-，在一个标准的0.35微米CMOS集成电路工艺制造的设计和表征。传感器利用每个像素顶部暴露的金属贴片直接收集电荷。每个像素都包含一个低噪声电荷敏感型ADC，用于建立模拟信号，以及一个具有可调阈值的ADC，用于生成命中。来自每个像素的模拟信号可通过整个阵列上的分时复用来访问。命中通过基于列的优先级逻辑结构以数字方式读出。测试表明，该传感器实现了<15 e-模拟噪声和200 e-每像素数字读出的最小阈值。该传感器能够检测气体中漂移的电子和离子。这些特性使得它可以作为未来时间投影室的电荷读出器件，而不需要气体增益机制，在低本底和低速率密度实验中具有独特的优势。
2015-12-22 physics.ins-det
Simulations of CMOS pixel sensors with a small collection electrode, improved for a faster charge collection and increased radiation tolerance
具有小收集电极的CMOS像素传感器将小传感器电容的优点与完全单片设计的优点相结合。小的传感器电容导致大的信噪比和低模拟功耗，而单片设计减少了材料预算、成本和生产工作。然而，这种传感器的像素角中的低电场导致增加的电荷收集时间，这使得照射后的完全有效的操作和纳秒量级的定时分辨率对于大于大约四十微米的像素尺寸具有挑战性。本文提出了一个小的收集电极，以克服这些限制，使用三维技术计算机辅助设计模拟的CMOS传感器的概念的发展。所研究的设计使用0.18微米的高电阻率外延层上实现的过程。
2019-05-07 physics.ins-det
Breakdown Performance of Guard Ring Designs for Pixel Detectors in $150~\mathrm{nm}$ CMOS Technology
本文通过六种无源CMOS测试结构的漏电流测量与TCAD仿真，系统比较了不同浮空保护环设计对像素探测器击穿电压的影响，从而提出面向更高工作电压的设计特征。
2024-03-28 physics.ins-det
Depleted fully monolithic CMOS pixel detectors using a column based readout architecture for the ATLAS Inner Tracker upgrade
耗尽型单片有源像素传感器（DMAPS）利用现代CMOS技术的高电压和/或高电阻率附加来实现感测体积中的实质性耗尽，已被证明在高亮度LHC时代对ATLAS的要求具有高辐射耐受性。具有快速读出架构的耗尽全单片CMOS像素目前正在开发，作为未来ATLAS内部跟踪器的外部像素层的有希望的候选者，该内部跟踪器将在2025年左右的ATLAS第二阶段升级期间安装。在这项工作中，两个DMAPS原型设计，命名为LF-MonoPix和TJ-MonoPix，提出。LF-MonoPix采用LFoundry 150 nm CMOS工艺设计和制作，TJ-MonoPix采用TowerJazz 180 nm CMOS工艺设计。两个芯片采用相同的读出架构，即列漏极架构，而追求不同的传感器实现概念。将描述两个原型的设计。还将显示LF-MonoPix的首次测量结果。
2017-09-29 physics.ins-det
Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) in a quadruple well technology for nearly 100% fill factor and full CMOS pixels
在本文中，我们提出了一种新的，四阱工艺开发的现代0.18 μ CMOS技术称为INMAPS。在标准工艺的顶部，我们增加了一个深P注入，可以用来形成一个深P阱，并提供从P掺杂外延层屏蔽N阱。这防止了由不相关的N阱（通常是集成PMOS晶体管的N阱）收集辐射感应电荷。设计了一种专门为粒子物理实验量身定制的传感器，其中每个50 μ像素具有超过150个PMOS和NMOS晶体管。该传感器已被制造的INMAPS过程和第一个实验证据的有效性，这个过程中的电荷收集，显示出显着的效率提高。
2008-07-18 physics.ins-det
Detailed study of the column-based priority logic readout of Topmetal-II- CMOS pixel direct charge sensor
本文对Topmetal-II- CMOS像素直接电荷传感器的数字读出进行了详细的研究。Topmetal-II是一个集成传感器，具有72 X72像素阵列，每个像素能够通过最顶层金属层中暴露的金属电极直接收集外部电荷。除了对每个像素中的电荷敏感放大器的模拟输出进行分时多路复用读出外，还通过比较器产生命中，每个像素中具有单独的DAC可设置阈值。通过基于列的优先级逻辑结构读出命中，保留命中位置和时间信息。阵列内的基于列的优先级逻辑是完全组合的，因此在像素阵列中不存在分布的时钟。时序逻辑和时钟被放置在阵列的外围设备上。我们研究了这种读出器的详细工作行为和性能，并展示了其在成像应用中的潜力。
2016-08-23 physics.ins-det
Conversion Gain Enhancement in Standard CMOS Image Sensors
研究了标准CMOS图像传感器（CIS）工艺中采用钉扎光电二极管（PPD）和像素内电压跟随器的像素转换增益（CG）。概述了CG表达及其对CIS读出链的噪声性能的影响。介绍了包括工艺改进、纯电路设计和像素方案优化在内的CG增强技术。在180 nm CIS工艺中实施这些技术表明，相对于来自同一代工厂的标准参考像素，CG的渐进增强超过3倍，从而可以更好地理解感测节点电容和CG上的不同寄生元件。
2020-10-21 physics.ins-det
Irradiation study of a fully monolithic HV-CMOS pixel sensor design in AMS 180 nm
基于180 nm HV-CMOS工艺的高压单片有源像素传感器（HV-MAPS）已经被提出来实现薄、快速和高度集成的像素传感器。MuPix 7原型采用商业AMS H18工艺制造，具有完全集成的片上读出功能，即命中数字化、零抑制和数据序列化。这是第一款经过测试可用于HL-LHC等高辐射环境的全单片HV-CMOS像素传感器。我们目前的结果从实验室和测试束测量MuPix 7原型照射中子（高达$5.0\cdot10^{15}{\,\rm{n}_{\rm{eq}}/cm^2}$）和质子（高达$7.8\cdot 10^{15} \,\rm{protons}/cm^2$），并比较与非辐照传感器的性能。在噪声率低于200 Hz/像素时，测量的有效性远高于90%.一个时间分辨率优于22纳秒测量所有测试的设置和传感器，即使在最高的辐照注量。数据传输速率为1.25 Gbit/s，片内PLL保持完整功能。
2018-06-05 physics.ins-det
MuPix7 - A fast monolithic HV-CMOS pixel chip for Mu3e
MuPix 7芯片是单片HV-CMOS像素芯片，厚度可减薄至50 μm。它提供连续自触发、非快门式读出，速率高达30 Mhits/芯片，有效面积为3x 3 mm^2，像素尺寸为103 x80 μm^2。命中效率取决于所选择的工作点。功耗为300 mW/cm^2的设置允许命中效率> 99.5%。实现了14.2 ns（高斯西格玛）的时间分辨率。显示了2016年测试光束活动的最新结果。
2016-10-10 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
Development of Fast and High Precision CMOS Pixel Sensors for an ILC Vertex Detector
CMOS像素传感器的发展与列并行读出和集成零抑制已导致一个全尺寸，近1百万像素，原型与~100 μs的读出时间。它的性能非常接近ILD顶点检测器的规格，表明传感器架构可能会发展到完全满足这些规格。从现有架构和实现的性能出发，本文将从ILD探测器基线文档（将于2012年发布）的角度详细介绍该传感器在未来2-3年的发展。两个不同的设备预见到这个目标，一个是优化的内层和它们的快速读出的要求，而另一个利用外层中的调暗的背景，以减少功耗。传感器的发展依赖于高电阻率外延层、先进CMOS工艺的使用以及列级ADC与像素阵列的组合。本文将介绍如何利用这些方面来匹配ILD VTX规范。为了完整起见，将提及3D CMOS器件的发展状况。
2010-07-15 physics.ins-det
Radiation hard pixel sensors using high-resistive wafers in a 150 nm CMOS processing line
采用8”CMOS工艺技术的像素传感器的设计和特性提供了工业传感器制造的优势，包括大晶圆、高吞吐量和产量以及低成本。像素传感器采用Avezzano的LFoundry提供的150 nm CMOS技术生产。该技术提供了多个金属和多晶硅层，以及可用于AC耦合和再分布层的金属-绝缘体-金属电容器。制造了几种原型，并在辐照至高达1.1 $\times$ 10 $^{15}$ n $_{\rm eq}$ cm $^{-2}$的能量密度之前和之后用最小电离粒子进行表征。CMOS制造的传感器在噪声和命中检测效率方面与标准像素传感器表现相同。AC耦合传感器甚至达到100%的命中效率在3.2 GeV的电子束照射前。
2017-03-02 hep-ex physics.ins-det
Summary of One Year Operation of the EUDET CMOS Pixel Telescope
在EUDET联盟内，正在开发一种高分辨率像素光束望远镜。该望远镜由多达六个平面的单片有源像素传感器组成。该望远镜拥有灵活的数据采集环境，系统配备了所有必要的基础设施。自2007年首次安装演示望远镜以来，它已被各种探测器研发团队广泛测试和使用。测试光束的测量结果在这里描述，展示了望远镜的性能。
2009-01-06 hep-ex physics.ins-det
Progress on the radiation tolerance of CMOS Monolithic Active Pixel Sensors
CMOS单片有源像素传感器（CPS）是超轻和高粒度硅像素探测器，适用于高灵敏度带电粒子跟踪。CPS采用具有成本效益的标准CMOS工艺制造，可以将传感元件与模拟和数字数据处理电路集成到一个单片芯片中。这变成了$50~\rm μm$薄传感器，其提供了几个$~\rm μm$的出色的典型空间分辨率和高于$99.9\%$的最小电离粒子的检测效率。CPS的辐射耐受性最初受到用于其生产的CMOS工艺的限制的约束，但在过去几年中已经提高了几个数量级。本文综述了斯特拉斯堡IPHC公司开发的MIMOSA系列辐射防护系统在传统的部分耗尽活性介质的CPS抗辐射性能方面的研究进展。讨论了非标准像元辐射损伤的评估方法，介绍了辐射损伤的主要机理。示出了用于辐射硬化的技术。此外，最近的结果下一代CPS功能完全耗尽传感器的基础上改进的CMOS工艺进行了总结。
2019-09-24 hep-ex physics.ins-det
Test-beam and simulation studies for the CLICTD technology demonstrator -- a monolithic CMOS pixel sensor with a small collection diode
CLIC Tracker Detector（CLICTD）是一款单片像素传感器，像素为30 um x 37.5 um，并配有一个小型收集二极管。该传感器采用180 nm CMOS成像工艺制造，使用两种不同的像素风格：第一种是连续的n型注入，用于完全横向耗尽，第二种是n型注入中的分段，用于加速电荷收集。此外，CLICTD具有创新的子像素分割方案，允许减少数字足迹，同时保持一个小的子像素间距。在本文中，介绍了使用分段n注入的像素风味的测试束测量。的性能进行评估的时间和空间分辨率以及效率。此外，试验梁数据进行比较，使用3D TCAD和蒙特卡罗模拟工具相结合的模拟研究。
2021-06-24 hep-ex physics.ins-det
Characterization of Fully Depleted CMOS Active Pixel Sensors on High Resistivity Substrates for Use in a High Radiation Environment
耗尽型CMOS有源传感器（DMAPS）正在开发用于高辐射环境中的高能粒子物理实验，例如ATLAS高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）。由于通过漂移收集电荷对于恶劣的辐射环境是强制性的，因此需要向高电阻传感器材料施加高偏置电压。本文采用150 nm CMOS工艺在电阻率大于2k Ωcm的衬底上制作了一个DMAPS原型，衬底厚度减薄到100 μm。完全耗尽发生在20 V左右，这远低于110 V的击穿电压。所提出的原型还采用了亚像素编解码的概念，由读出芯片的一个像素读出原型芯片的三个像素。由于辐射耐受性是DMAPS中最大的问题之一，CCPD_LF芯片已经用X射线和中子分别照射到50 Mrad的总电离剂量和10 E15 neq/cm 2的通量。
2016-12-09 physics.ins-det
Charge collection properties of TowerJazz 180 nm CMOS Pixel Sensors in dependence of pixel geometries and bias parameters, studied using a dedicated test-vehicle: the Investigator chip
本文包含一个汇编的参数影响的电荷收集过程中提取的全面研究的部分耗尽单片有源像素传感器与小（<25 μ m $^2$）收集电极在TowerJazz 180 nm CMOS工艺制造。这些结果为ALICE第二代内跟踪系统芯片ALPIDE中二极管的优化提供了指导，并为今后类似器件的仿真研究提供了参考。研究的参数包括：反向衬底偏压、外延层厚度、电荷收集电极尺寸和电极与周围像素内电子器件的间距。来自28 μ m间距的像素的结果证实，即使在部分耗尽的电路中，电荷收集也可以是快速的（<10 ns），并且量化了参数对信号共享和幅度的影响，突出了阱之间的正确间距和反向衬底偏压的影响的重要性。
2020-09-23 physics.ins-det
Influence of Radiation and AC Coupling on Time Performance of Analog Pixels Test Structures in 65 nm CMOS technology
European Organisation for Nuclear Research (CERN)（欧洲核子研究组织）；University of Torino（都灵大学）；INFN, Sezione di Torino（意大利国家核物理研究所都灵分部）；INFN, Sezione di Trieste（意大利国家核物理研究所的里雅斯特分部）；University of Bari（巴里大学）；INFN, Sezione di Bari（意大利国家核物理研究所巴里分部）；Polytechnic of Bari（巴里理工大学）；University of Trieste（的里雅斯特大学）
研究评估了65nm CMOS工艺中模拟像素测试结构在辐射和AC耦合下的时间性能，发现直流耦合在高辐射下表现稳定，交流耦合在高偏置下时间分辨率与直流耦合相当，两种方法各有优势。
2026-03-09 physics.app-ph physics.ins-det
Depleted Fully Monolithic Active CMOS Pixel Sensors (DMAPS) in High Resistivity 150~nm Technology for LHC
耗尽型单片CMOS有源像素传感器（DMAPS）已被开发用于高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）环形LHC装置内跟踪器（ATLAS ITk）像素探测器的外层。使用150 nm CMOS技术在高电阻率（> 2 k $Ω$ $cm^2$）晶片上制造了两个原型。芯片尺寸与当前ATLAS像素探测器读出芯片的尺寸相当。其中一个原型用于详细表征传感器和DMAPS的模拟读数。另一个是一个完全单片DMAPS，包括快速读出数字逻辑，处理所需的命中率。为了在传感器体积内产生强的均匀电场，测试晶片的减薄。用X射线照射原型，总电离剂量（TID）为50 Mrad，用中子照射原型，总电离剂量（TID）为$10^{15}$ $n_{eq}/cm^2$的非电离能量损失（NIEL）。模拟读出电路在TID辐照后保持其性能，并且在NIEL辐照后，在> $10^7$噪声占用下的命中效率高达98.9%。
2018-03-25 physics.ins-det
Characterisation of analogue front end and time walk in CMOS active pixel sensor
在这项工作中，我们研究了一种方法，以确定在有源硅像素传感器原型使用边缘TCT与红外激光电荷注入的时间走。在中子辐照至5e 14 neq/cm 2之前和之后研究样品。阈值，噪声和校准的模拟前端确定与外部电荷注入。用Edge-TCT对收集的电荷和时间游走进行了空间敏感的测量，显示了像素中心的均匀电荷收集和输出延迟。在像素边缘上，由于有限的束宽导致较小的信号和较大的输出延迟，观察到电荷共享。在高于噪声水平的阈值下，对于2000个电子以上的电荷，观察到低于25 ns的时间步行。利用外部电荷注入的时间行走测量产生相同的结果。
2021-11-23 physics.ins-det
Timespot1: A 28nm CMOS Pixel Read-Out ASIC for 4D Tracking at High Rates
我们提出了第一次的Timespot 1，在CMOS 28纳米技术设计的ASIC的表征结果，具有$32 \times 32$像素矩阵的间距为$55 ~ μm$。Timespot 1是第一个小尺寸原型，旨在读出细间距像素，单次击中时间分辨率低于$50 ~ ps_\text{rms}$，输入速率为每像素数百千赫兹。这样的实验条件将是下一代高光度对撞机实验的典型条件，从LHC运行5开始。ASIC的每个像素包括电荷放大器、ADC和时间-数字转换器，时间-数字转换器具有表示为$22.6 ~ ps_\text{rms}$的时间分辨率和$3 ~ MHz$的最大读出速率（每像素）。为了尊重系统级约束，定时性能已经被获得，保持每像素的功率预算低于$40 ~ μW$。ASIC已经在实验室中进行了测试和表征，涉及时间分辨率，功率预算和可持续速率方面的性能。ASIC将在匹配的$32 \times 32$像素传感器矩阵上进行杂交，并将在实验室中的激光束和最小电离粒子下以及在测试光束下进行测试。在本文中，我们提出了一个描述的ASIC操作和第一个结果从表征测试有关其性能。
2022-12-22 physics.ins-det
Readout of GEM Detectors Using the Medipix2 CMOS Pixel Chip
我们操作了Medipix 2 CMOS读出芯片，与放大，整形和电荷鉴别前端电子集成在像素级上，作为一个高度分段的直接电荷收集阳极在三级气体电子倍增器（Triple-GEM）检测电离从$^{55}$ Fe X射线和电子从$^{106}$ Ru。该设备允许执行中等能量光谱测量（20%半高宽在5.9 keV $X$ -射线），仅使用数字读出和两个阈值。作为一个真正的2D探测器，它允许观察$Ar/CO_2$（70：30）和$He/CO_2$（70：30）混合物中的最小电离带电粒子的单个簇，并基于二元质心确定方法，实现良好的空间分辨率，用于主簇的位置重建，直到$\sim 50 μm$。
2006-11-23 physics.ins-det
Development of a Depleted Monolithic CMOS Sensor in a 150 nm CMOS Technology for the ATLAS Inner Tracker Upgrade
最近的研发重点是在耗尽区收集电荷的CMOS传感器，为CMOS传感器作为快速和辐射硬像素器件开辟了新的前景。这些传感器被标记为耗尽CMOS传感器（DMAPS），已经显示出有希望的性能，作为ATLAS内部跟踪器（ITk）升级的可行候选者，可能取代当前的无源传感器。开发DMAPS潜力的另一个步骤是研究在ATLAS ITk升级的外层配备全单片CMOS传感器的适用性。本文介绍了一个耗尽单片CMOS像素传感器的LFoundry 150 nm CMOS工艺设计的发展，重点是设计细节和模拟结果。
2016-11-03 physics.ins-det
Test beam measurement of ams H35 HV-CMOS capacitively coupled pixel sensor prototypes with high-resistivity substrate
在ATLAS高亮度LHC计划的研究背景下，研究了CMOS技术中的耐辐射像素探测器。为了评估衬底电阻率对CMOS传感器性能的影响，H35 DEMO演示器采用艾迈斯半导体H35 HV-CMOS技术，使用四种不同的衬底电阻率（从$\mathrm{80}$到$\mathrm{1000~Ω\cdot cm}$）制作，包含不同的二极管和放大器设计。开发了一种使用高精度倒装芯片机的胶合工艺，以便使用在大表面上具有良好均匀性的薄层环氧树脂胶将传感器电容耦合到FE-I4读出ASIC。在费米实验室测试束设施中使用120 GeV质子和使用80 GeV π介子的CERN SPS H8束线对所得组件进行束测试。的时间效率和跟踪性能测量的不同类型的传感器被证明是兼容的ATLAS ITk的要求，其像素传感器。
2018-12-03 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
Study of prototypes of LFoundry active and monolithic CMOS pixels sensors for the ATLAS detector
大型强子对撞机的高能粒子物理实验使用混合硅探测器，在像素和条带几何形状，为他们的内部跟踪器。这些探测器已被证明是非常可靠和性能。尽管如此，人们对耗尽型CMOS硅探测器的发展有很大的兴趣，这种探测器可以以较低的生产成本和复杂性实现类似的性能。我们目前的ATLAS CMOS演示项目的框架内，这项技术的最新发展。特别是，LFoundry的两个有源传感器，CCPD_LF和LFCPIX，以及第一个完全单片原型MONOPIX的研究将被显示。
2017-10-18 hep-ex physics.ins-det
Development of CMOS Pixel Sensors fully adapted to the ILD Vertex Detector Requirements
CMOS像素传感器正在朝着ILD顶点检测器的规格稳步发展。最近的发展进行了总结，这表明，这些设备接近符合所有主要要求，特别是读出速度需要应付光束相关的背景。这一成就基于双面阶梯概念，该概念允许在两个不同的传感器中组合单个粒子产生的信号，一个传感器用于空间分辨率，另一个传感器用于时间戳，两者都组装在同一机械支撑上。的发展状况进行了概述，以及计划完成它使用先进的CMOS工艺。
2012-03-16 hep-ex physics.ins-det
HitPix3 -- a new HV-CMOS active pixel sensor for ion beam therapy
针对粒子治疗束流监测的高精度需求，研发了采用180nm工艺的新型HV-CMOS有源像素传感器HitPix3，其多项改进特性经实验室测试验证，为离子束监测传感器发展提供重要支撑。
2025-09-10 physics.ins-det physics.med-ph
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
Test-beam Performance Results of the FASTPIX Sub-Nanosecond CMOS Pixel Sensor Demonstrator
本文介绍FASTPIX亚纳秒CMOS像素传感器演示器的设计与测试束测量结果，通过小收集电极和多种像素设计实现全效率下低于150 ps的时间分辨率。
2023-09-25 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
The ATLASPix3.1 CMOS Pixel Sensor Testbeam Performance and Serial Powering Characterisation
本文表征ATLASPix3.1单片HV-CMOS传感器的shunt-LDO串行供电性能，并通过DESY电子束和强子束测试验证其无触发零抑制读出与多芯片运行能力。
2025-02-17 hep-ex physics.ins-det
Readout system and testbeam results of the RD50-MPW2 HV-CMOS pixel chip
RD 50-CMOS团队旨在设计和研究用于高辐射环境的高压CMOS（HVCMOS）芯片。目前，测量是在RD 50-MPW 2芯片上进行的，这是该小组开发的第二个原型。原型的有源矩阵由8x8像素和模拟前端组成。模拟前端和模拟的详细信息已经在早些时候发布。这方面的贡献集中在驯鹿的有源矩阵读出系统。有源矩阵的每个像素可以一个接一个地读出。介绍了硬件、固件和软件的相关内容。作为第一阶段，介绍了用于独立设置的固件，并给出了数据流的详细信息。之后，第二阶段的固件能够与其他检测器同步，并接受触发，重点是结合跟踪望远镜的芯片的操作，以测量效率和残差。
2022-12-09 physics.ins-det
Characterization of a depleted monolithic pixel sensors in 150 nm CMOS technology for the ATLAS Inner Tracker upgrade
介绍了一种采用LFoundry 150 nm CMOS工艺制造的耗尽型单片有源像素传感器（DMAPS）原型。DMAPS利用现代CMOS技术的高电压和/或高电阻率内含物来实现感测体积中的实质耗尽。所描述的设备名为LF-Monopix，旨在证明一个完全单片传感器的概念，该传感器能够在2025年为高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）升级的ATLAS内部跟踪器的外层环境中运行。与目前使用的混合设计相比，这种类型的装置具有较低的生产成本和较低的材料预算。在这项工作中，芯片架构将被描述之后的不同的前置放大器和前置放大器的风味与外部注入信号和铁源（5.9keV的X射线）的特性。
2018-06-12 physics.ins-det
Characterization of the RD50-MPW4 HV-CMOS pixel sensor
本研究对CERN-RD50-CMOS工作组最新研发的RD50-MPW4 HV-CMOS像素传感器进行特性表征，通过架构改进解决前代串扰问题、提升辐射硬度，实验证实其在噪声、空间分辨率和效率上均有显著优化。
2024-09-16 hep-ex 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
CLARO-CMOS, a very low power ASIC for fast photon counting with pixellated photodetectors
CMOS是一种专用集成电路（ASIC），设计用于使用像素化光电探测器（如多阳极光电倍增管（Ma-PMT）、微通道板（MCP）和硅光电倍增器（SiPM））进行快速光子计数。第一个原型有四个通道，每个通道都有一个可设置增益的电荷敏感放大器和一个可设置阈值的放大器，为每个通道独立提供快速命中信息。该设计采用成熟、稳定且廉价的0.35 um CMOS工艺实现，在速度和功耗方面具有出色的性能。该原型在低速率下每通道功耗小于1 mW，在事件速率为10 MHz时每通道功耗小于2 mW。对于阈值以上10倍以内的输入信号，每个脉冲后的恢复时间小于25 ns。输入参考RMS噪声约为7.7 ke^-（1.2 fC），输入电容为3.3 pF。由于低噪声和高速度，对于几百万电子的典型光电倍增管信号，测量的时序分辨率低至10 ps RMS，对应于这些探测器的单光子响应。
2012-09-03 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
M.i.p. detection performances of a 100 us read-out CMOS pixel sensor with digitised outputs
目前正在为ILC顶点探测器开发快速、高分辨率的CMOS像素传感器，旨在非常接近相互作用点。一个主要问题是处理由光束相关背景产生的高占用率所需的传感器的时间分辨率。2008年，欧盟项目EudET制造了一款128 x576像素传感器，可在92.5 us的读出时间内提供数字化输出，并在CERN-SPS上进行了带电粒子测试。从噪声、探测效率、空间分辨率和抗辐射能力等方面对该系统的突出性能进行了综述。它们验证传感器架构。
2009-02-16 hep-ex physics.ins-det
The FoCal prototype - an extremely fine-grained electromagnetic calorimeter using CMOS pixel sensors
以单片有源像素传感器为有源元件，研制了硅钨电磁量能器样机。像素尺寸为30 $μ$ m时，它允许数字量热法，即粒子的能量通过计数像素来确定，而不是通过测量沉积的能量。虽然尺寸不大，宽度只有四个莫里哀半径，但它有3900万像素。我们描述的结构和调整的原型和目前的结果，从梁测试和比较它们与基于GEANT的蒙特卡罗模拟的预测。我们以前所未有的细节展示了由电子引起的簇射的形状。能量和位置分辨率的结果也将给出。
2017-11-21 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
Characterisation of AMS H35 HV-CMOS monolithic active pixel sensor prototypes for HEP applications
采用高压CMOS（HV-CMOS）技术生产的单片有源像素传感器由于易于生产和降低成本而被考虑用于高能物理应用。当涉及大面积覆盖和材料预算时，这种技术特别有吸引力。这是HL-LHC未来ATLAS跟踪探测器的最外层像素层的情况。对于强子对撞机的实验，辐射硬度是一个关键的要求，这是不符合标准的CMOS传感器设计，收集电荷的扩散。这个问题已经通过耗尽型有源像素传感器来解决，其中电子器件被嵌入到大的深注入中，确保通过漂移进行均匀的电荷收集。混合耗尽有源像素传感器的第一个小型原型已经显示出与ATLAS要求兼容的辐射硬度。然而，为了与当前的混合解决方案竞争，期望通过完全单片设计可实现的成本的进一步降低。H35 DEMO是一款采用AMS 350 nm HV-CMOS技术生产的大电极全掩模演示芯片，由卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）、高等能源研究所（IFAE）、利物浦大学和日内瓦大学合作生产。它包括两个大的单片像素矩阵，可以独立操作。这两个矩阵之一已被表征在束流测试之前和之后的质子和中子照射。结果表明，在HV-CMOS工艺生产抗辐射的大面积全单片像素传感器的可行性。用中子辐照的衬底电阻率为200 $Ω$ cm的H35 DEMO芯片显示出高达$10^{15}$ n $_{eq}$ cm $^{-2}$的能量密度的辐射硬度，命中效率约为99%，并且在150 V下，在25 ns的LHC聚束穿越中，噪声占用低于…
2019-01-30 hep-ex 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
