[论文解读] Development of a highly pixelated direct charge sensor, Topmetal-I, for ionizing radiation imaging

Yan Fan, C. Gao+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文提出 Topmetal-I，一种采用标准 0.35 μm CMOS 工艺制造的 64×64 像素 CMOS 传感器，像素间距为 80 μm，专为电离辐射成像中的直接电荷收集而设计。其等效噪声电荷（ENC）为 330 e⁻，表现出接近热噪声极限的性能，并可直接探测单个 α 粒子事件，从而在气态和液态电离探测器中实现高空间分辨率成像。

ABSTRACT

Using industrial standard 0.35μm CMOS Integrated Circuit process, we realized a highly pixelated sensor that directly collects charge via metal nodes placed on the top of each pixel and forms two dimensional images of charge cloud distribution. The first version, Topmetal-I, features a 64x64 pixel array of 80μm pitch size. Direct charge calibration reveals an average capacitance of 210fF per pixel. The charge collection noise is near the thermal noise limit. With the readout, individual pixel channels exhibit a most probable equivalent noise charge of 330e-.

研究动机与目标

• 开发一种高度像素化、低噪声的 CMOS 电荷传感器，适用于传统上存在分辨率和可扩展性限制的气态和液态电离探测器。
• 克服传统读出方案（如多丝或 PCB 基系统）在空间分辨率与噪声性能之间的权衡。
• 通过顶层金属节点实现直接电荷收集，无需后续处理或异构集成，从而降低系统复杂性和成本。
• 证明利用标准 CMOS 工艺在大面积探测器中实现高分辨率电荷成像的可行性。

提出的方法

• 使用工业级 0.35 μm CMOS 工艺制造了 64×64 像素阵列，像素间距为 80 μm，顶层设有 25×25 μm² 的金属节点，用于直接电荷收集。
• 采用子阵列架构，包含四个 64×16 的模块，每个模块配备专用的模拟输出缓冲器，并通过行/列多路复用实现同步读出，提升读出效率。
• 每个像素采用源极跟随器电路，将节点电压变化转换为可读信号，测得像素电容为每像素 210 fF。
• 利用单个 α 粒子源表征电荷收集性能，并通过高斯拟合能量峰响应校准像素电容。
• 通过计算像素间基线电压波动的均方根（RMS）值表征基线噪声，并利用测得电容将结果转换为等效噪声电荷（ENC）。
• 通过将测得 ENC 与理论热噪声（192 e⁻）和读出噪声（254 e⁻）进行比较，验证热噪声极限，结果显示二者的平方和为 318 e⁻，与实测值 330 e⁻ 非常接近。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用标准 0.35 μm 工艺的高像素化 CMOS 传感器能否在电离辐射成像中实现足够信噪比的直接电荷收集？
• RQ2 在非优化的实际配置下，该传感器的噪声性能在多大程度上接近热噪声极限？
• RQ3 该传感器能否在无外部放大或后处理的情况下，直接在空气中分辨单个 α 粒子事件？
• RQ4 在高密度像素阵列中，每个子阵列集成模拟读出电路对噪声和串扰有何影响？
• RQ5 该方法在实现具有亚毫米空间分辨率和低 ENC 的大面积探测器方面是否具有可行性？

主要发现

• Topmetal-I 在空气中成功实现了对单个 α 粒子的直接电荷收集，能量谱中清晰显示出一个峰值。
• 测得的平均像素电容为 207 fF，不确定度为 12%，证实了阵列中电荷收集行为的一致性。
• 主像素阵列的等效噪声电荷（ENC）为 330 e⁻，最可能的值为 0.253 mV 的 RMS 电压波动。
• 测得的 ENC 与热噪声（192 e⁻）和读出噪声（254 e⁻）的平方和（318 e⁻）高度一致，表明其运行接近热噪声极限。
• 通过固定电压测试像素确认，模拟读出系统贡献的 ENC 为 254 e⁻，而像素电容的热噪声极限为 192 e⁻。
• 传感器可在 57 °C 下稳定工作，且无需后处理或异质键合，相比传统异质探测器显著简化了集成并降低了成本。