Low-Power and Compact CMOS Circuit Design of Digital Pixel Sensors for X-Ray Imagers
- Autores: Roger Figueras Bagué
- Directores de la Tesis: Francesc Serra Graells (dir. tes.), Lluís Terés Terés (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2015
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Stanislav Pospisil (presid.), David Gascón Fora (secret.), Xavier Llopart (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
La obtenció d’imatges utilitzant raigs-X ha esdevingut una tecnologia clau per a un ampli rang d’aplicacions tant industrials com mèdiques o científiques, doncs permet estudiar l’interior dels objectes sense necessitat de destruir-los o desmantellar-los. En aquest sentit, hi ha un creixent interès en la recerca en aquests camps, com demostra la literatura, per desenvolupar sistemes avançats de raig-X capaços d’obtenir imatges d’alta qualitat a la vegada que es redueix la dosi total de radiació. Actualment, els imagers de raig-X estan dominats per sistemes híbrids, basats en matrius de píxels en detectors de conversió directa de raig-X i els seus corresponents circuits integrats de lectura (ROICs). Tot i el seu elevat cost i les seves limitacions en àrea en comparació amb els clàssics sensors de conversió indirecta, els avantatges que ofereixen aquests sistemes són clars en quant a la reducció de la dosi de radiació necessària, la millora de la integritat del senyal i l’escalat en la resolució espacial. Pel que fa al mètode de lectura que empren els ROICs, l’estratègia més estesa es basa en el conteig de fotons, degut als avantatges en termes d’immunitat al soroll i de classificació dels fotons. No obstant, aquests sistemes d’imatge per raig-X pateixen de pèrdues d’informació degut a efectes com el charge-sharing i el pile-up. És en aquest context que l’objectiu d’aquest treball de tesi és proposar tècniques específiques de disseny analògic i mixte de circuits per al desenvolupament de píxels digitals sensors (DPS) compactes i de baix consum per a ROICs focalitzats a imagers de raig-X híbrids de conversió directa. L’arquitectura del píxel proposat, basada en el mètode de lectura per integració de càrrega, evita la pèrdua d’informació que pateixen els sistemes basats en el conteig de fotons i contribueix a la qualitat de les imatges per raig-X amb una àrea de píxel compacta i un baix consum per millorar la resolució de la imatge i reduir l’escalfament del detector, respectivament. En aquest sentit, el circuits CMOS del DPS proposat inclouen una conversió de la càrrega sense pèrdues a nivell de píxel per extendre el rang dinàmic, ajust individual del guany per compensar el FPN de la matriu de píxels, capacitat d’autopolarització i comunicacions exclusivament digitals per reduir el crosstalk entre píxels, capacitat d’auto-test per reducció de costos, selecció de la càrrega col·lectable per ampliar el rang d’aplicacions i cancel·lació del corrent d’obscuritat a nivell de píxel. A més, les tècniques de disseny proposades s’orienten al desenvolupament futur de sistemes d’imatge de raig-X modulars 2D amb grans àrees escalables i contínues de sensat. Aquesta recerca en disseny de circuits s’ha materialitzat en diverses generacions de demostradors DPS, amb valors de pitch des de 100?m baixant fins a 52?m, integrades utilitzant una tecnologia CMOS estàndard de 0.18?m i 1P6M. S’ha fet una anàlisi exhaustiva de les mesures tant elèctriques com amb raigs-X dels prototips de circuits proposats per a la seva validació. Els resultats experimentals, alineen aquest treball inclús més enllà de l’estat de l’art en píxels actius en termes de resolució espacial, consum, linealitat, SNR i flexibilitat del píxel. Aquest últim punt adequa les tècniques de disseny de circuits proposades a una àmplia gamma d’aplicacions d’imatges de raigs-X.
