Note ABES Development of CMOS sensor with digital pixels for ILD vertex detector Développement de capteurs à CMOS avec pixel numérique pour le ILD détecteur de vertex Détection de particules de charge CPS (CMOS Pixel Sensors) CAN (Convertisseur Analogique-Numérique) au niveau du pixel ASIC ILC ILD VTX DPS Charge particle detection CPS (CMOS Pixel Sensors), Pixel-level ADCs (Analog-to-Digital Converters) ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ILC (International Linear Collider) ILD (International Large Detector) VTX (Vertex Detector) DPS (Digital Pixel Sensors) 621.38 539.7 Capteurs d'images à pixels actifs MOS complémentaires Détecteurs à semiconducteurs Collisionneurs linéaires La thèse présente le développement de CPS (CMOS Pixel Sensors) intégré avec CAN au niveau du pixel pour les couches externes du détecteur de vertex de l’ILD (International Large Detector). Motivé par la physique dans l’ILC (International Linear Collider), une précision élevée est nécessaire pour les détecteurs. La priorité des capteurs qui montre sur les couches externes est une faible consommation d’énergie en raison du rapport élevé de couverture de la surface sensible (~90%) dans le détecteur de vertex. Le CPS intégré avec CAN est un choix approprié pour cette application. L’architecture de CAN de niveau colonne ne fournit pas une performance optimisée en termes de bruit et la consommation d’énergie. La conception de CAN au niveau du pixel a été proposée. Bénéficiant des sorties de pixels tout-numérique, CAN au niveau des pixels présentent les mérites évidents sur le bruit, la vitesse, la zone sensible et la consommation d’énergie. Un prototype de capteur, appelé MIMADC, a été implémenté par un processus de 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor). L’objectif de ce capteur est de vérifier la faisabilité du CPS intégré avec les CAN au niveau des pixels. Trois matrices sont incluses dans ce prototype, mais avec deux types différents de CAN au niveau de pixel: une avec des CAN à registre à approximations successives (SAR), et les deux autres avec des CAN à une seule pente (Single-Slope, SS) CAN. Toutes les trois possédant les pixels de la même taille de 35×35 μm2 et une résolution de 3-bit. Dans ce texte, des analyses théoriques et le prototype sont présentés, ainsi que la conception détaille des circuits. This thesis presents the development of CMOS pixel sensors (CPS) integrated with pixel-level ADCs for the outer layers of the ILD (International Large Detector) vertex detector. Driven by physics in the ILC (International Linear Collider), an unprecedented precision is required for the detectors. The priority of the sensors mounted on the outer layers is low power consumption due to the large coverage ratio of the sensitive area (~90%) in the vertex detector. The CPS integrated with ADCs is a promising candidate for this application. The architecture of column-level ADCs, exists but do not provide an optimized performance in terms of noise and power consumption. The concept of pixel-level ADCs has been proposed. Benefiting from the all-digital pixel outputs, pixel-level ADCs exhibit the obvious merits on noise, speed, insensitive area, and power consumption. In this thesis, a prototype sensor, called MIMADC, has been implemented by a 0.18 μm CIS (CMOS Image Sensor) process. The target of this sensor is to verify the feasibility of the CPS integrated with pixel-level ADCs. Three matrices are included in this prototype but with two different types of pixel-level ADCs: one with successive approximation register (SAR) ADCs, and the other two with single-slope (SS) ADCs. All of them feature a same pixel size of 35×35 μm2 and a resolution of 3-bit. In this thesis, the prototype is presented for both theoretical analyses and circuit designs. The test results of the prototype are also presented. Electronic Thesis or Dissertation Text en PDF 54425927 Université de Strasbourg Strasbourg 2015-12-31 https://theses.hal.science/tel-01223460 application/pdf 53231550 https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2015/ZHAO_Wei_2015_ED182.pdf http://www.theses.fr/2015STRAE004/abes https://theses.hal.science/tel-01223460 https://theses.hal.science/tel-01223460 https://theses.hal.science/tel-01223460 Zhao Wei 1984-11-17 FR 18606053X 21016065 https://theses.fr/2015STRAE004 2015STRAE004 https://doi.org/10.70675/3af8896bzf208z485cza721z6814161ae825 2015-03-25 Instrumentation et microélectronique Strasbourg 131056549 Doctorat Docteur es non oui Hu Yann MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1 072150033 Uhring Wilfried Patrick MADS_PRESIDENT_DU_JURY 072149469 La Taille Christophe de MADS_MEMBRE_DU_JURY_1 148235123 Paindavoine Michel MADS_RAPPORTEUR_1 059655720 Krüger Hans MADS_RAPPORTEUR_2 186062060 École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) MADS_ECOLE_DOCTORALE_1 PH 156500019 Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg ; 2006-....) MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1 93777 157760502 ddc:620 ddc:530 Hu Yann Uhring Wilfried Patrick La Taille Christophe de Paindavoine Michel Krüger Hans École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg) Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg) PDF 54425927