Propuesta de arquitectura y circuitos para la mejora del rango dinámico de sistemas de visión en un chip diseñados en tecnologías CMOS profundamente submicrométrica

El trabajo presentado en esta tesis trata de proponer nuevas técnicas para la expansión del rango dinámico en sensores electrónicos de imagen. En este caso, hemos dirigido nuestros estudios hacia la posibilidad de proveer dicha funcionalidad en un solo chip. Esto es, sin necesitar ningún soporte externo de hardware o software, formando un tipo de sistema denominado Sistema de Visión en un Chip (VSoC). El rango dinámico de los sensores electrónicos de imagen se define como el cociente entre la máxima y la mínima iluminación medible. Para mejorar este factor surgen dos opciones. La primera, reducir la mínima luz medible mediante la disminución del ruido en el sensor de imagen. La segunda, incrementar la máxima luz medible mediante la extensión del límite de saturación del sensor. Cronológicamente, nuestra primera opción para mejorar el rango dinámico se basó en reducir el ruido. Varias opciones se pueden tomar para mejorar la figura de mérito de ruido del sistema: reducir el ruido usando una tecnología CIS o usar circuitos dedicados, tales como calibración o auto cero. Sin embargo, el uso de técnicas de circuitos implica limitaciones, las cuales sólo pueden ser resueltas mediante el uso de tecnologías no estándar que están especialmente diseñadas para este propósito. La tecnología CIS utilizada está dirigida a la mejora de la calidad y las posibilidades del proceso de fotosensado, tales como sensibilidad, ruido, permitir imagen a color, etcétera. Para estudiar las características de la tecnología en más detalle, se diseñó un chip de test, lo cual permite extraer las mejores opciones para futuros píxeles. No obstante, a pesar de un satisfactorio comportamiento general, las medidas referentes al rango dinámico indicaron que la mejora de este mediante sólo tecnología CIS es muy limitada. Es decir, la mejora de la corriente oscura del sensor no es suficiente para nuestro propósito. Para una mayor mejora del rango dinámico se deben incluir circuitos dentro del píxel. No obstante, las tecnologías CIS usualmente no permiten nada más que transistores NMOS al lado del fotosensor, lo cual implica una seria restricción en el circuito a usar. Como resultado, el diseño de un sensor de imagen con mejora del rango dinámico en tecnologías CIS fue desestimado en favor del uso de una tecnología estándar, la cual da más flexibilidad al diseño del píxel. En tecnologías estándar, es posible introducir una alta funcionalidad usando circuitos dentro del píxel, lo cual permite técnicas avanzadas para extender el límite de saturación de los sensores de imagen. Para este objetivo surgen dos opciones: adquisición lineal o compresiva. Si se realiza una adquisición lineal, se generarán una gran cantidad de datos por cada píxel. Como ejemplo, si el rango dinámico de la escena es de 120dB al menos se necesitarían 20-bits/píxel, log2(10120/20)=19.93, para la representación binaria de este rango dinámico. Esto necesitaría de amplios recursos para procesar esta gran cantidad de datos, y un gran ancho de banda para moverlos al circuito de procesamiento. Para evitar estos problemas, los sensores de imagen de alto rango dinámico usualmente optan por utilizar una adquisición compresiva de la luz. Por lo tanto, esto implica dos tareas a realizar: la captura y la compresión de la imagen. La captura de la imagen se realiza a nivel de píxel, en el dispositivo fotosensor, mientras que la compresión de la imagen puede ser realizada a nivel de píxel, de sistema, o mediante postprocesado externo. Usando el postprocesado, existe un campo de investigación que estudia la compresión de escenas de alto rango dinámico mientras se mantienen los detalles, produciendo un resultado apropiado para la percepción humana en monitores convencionales de bajo rango dinámico. Esto se denomina Mapeo de Tonos (Tone Mapping) y usualmente emplea solo 8-bits/píxel para las representaciones de imágenes, ya que éste es el estándar para las imágenes de bajo rango dinámico. Los píxeles de adquisición compresiva, por su parte, realizan una compresión que no es dependiente de la escena de alto rango dinámico a capturar, lo cual implica una baja compresión o pérdida de detalles y contraste. Para evitar estas desventajas, en este trabajo, se presenta un píxel de adquisición compresiva que aplica una técnica de mapeo de tonos que permite la captura de imágenes ya comprimidas de una forma optimizada para mantener los detalles y el contraste, produciendo una cantidad muy reducida de datos. Las técnicas de mapeo de tonos ejecutan normalmente postprocesamiento mediante software en un ordenador sobre imágenes capturadas sin compresión, las cuales contienen una gran cantidad de datos. Estas técnicas han pertenecido tradicionalmente al campo de los gráficos por ordenador debido a la gran cantidad de esfuerzo computacional que requieren. Sin embargo, hemos desarrollado un nuevo algoritmo de mapeo de tonos especialmente adaptado para aprovechar los circuitos dentro del píxel y que requiere un reducido esfuerzo de computación fuera de la matriz de píxeles, lo cual permite el desarrollo de un sistema de visión en un solo chip. El nuevo algoritmo de mapeo de tonos, el cual es un concepto matemático que puede ser simulado mediante software, se ha implementado también en un chip. Sin embargo, para esta implementación hardware en un chip son necesarias algunas adaptaciones y técnicas avanzadas de diseño, que constituyen en sí mismas otra de las contribuciones de este trabajo. Más aún, debido a la nueva funcionalidad, se han desarrollado modificaciones de los típicos métodos a usar para la caracterización y captura de imágenes

TCAD Simulations and Characterization of High-Voltage Monolithic Active Pixel Sensors

High- Voltage Monolithic Active Pixel Sensors (HV-MAPS) have emerged as a promising technology for silicon tracking detectors in particle physics. HV-MAPS, selected as the foundational technology for the Mu3e Pixel Tracker and under investigation for potential implementation in future detector applications, presents unique design challenges due to its intricate structure and complex electric field distribution. This thesis presents the first comprehensive comparison of Technology Computer-Aided Design (TCAD) simulations and experimental measurements in HV-MAPS. The results show that the simulations correctly describe key experimental parameters like breakdown voltage and explain the loss of hit detection efficiency at the edges and corners of the pixels. The TCAD simulations provide insights into the behavior of the charge collection diode of MuPix8, ALTASPix, and MuPix10 prototypes, facilitating design optimizations. These studies primarily investigated the depletion zone, breakdown voltage and electric field distribution. Additionally, the characterization of MuPix10, using testbeam results, allows for the investigation of the efficiency and cluster size for different angles of incidence of the beam Furthermore, this research examines the impact of diffusion and drift on efficiency and cluster size for different voltage, resistivity, and thickness configurations. The findings of this investigation contribute to an enhanced understanding of HV-MAPS and their potential for developing more efficient and reliable silicon tracking detectors in particle physics experiments

Low-power CMOS digital-pixel Imagers for high-speed uncooled PbSe IR applications

This PhD dissertation describes the research and development of a new low-cost medium wavelength infrared MWIR monolithic imager technology for high-speed uncooled industrial applications. It takes the baton on the latest technological advances in the field of vapour phase deposition (VPD) PbSe-based medium wavelength IR (MWIR) detection accomplished by the industrial partner NIT S.L., adding fundamental knowledge on the investigation of novel VLSI analog and mixed-signal design techniques at circuit and system levels for the development of the readout integrated device attached to the detector. The work supports on the hypothesis that, by the use of the preceding design techniques, current standard inexpensive CMOS technologies fulfill all operational requirements of the VPD PbSe detector in terms of connectivity, reliability, functionality and scalability to integrate the device. The resulting monolithic PbSe-CMOS camera must consume very low power, operate at kHz frequencies, exhibit good uniformity and fit the CMOS read-out active pixels in the compact pitch of the focal plane, all while addressing the particular characteristics of the MWIR detector: high dark-to-signal ratios, large input parasitic capacitance values and remarkable mismatching in PbSe integration. In order to achieve these demands, this thesis proposes null inter-pixel crosstalk vision sensor architectures based on a digital-only focal plane array (FPA) of configurable pixel sensors. Each digital pixel sensor (DPS) cell is equipped with fast communication modules, self-biasing, offset cancellation, analog-to-digital converter (ADC) and fixed pattern noise (FPN) correction. In-pixel power consumption is minimized by the use of comprehensive MOSFET subthreshold operation. The main aim is to potentiate the integration of PbSe-based infra-red (IR)-image sensing technologies so as to widen its use, not only in distinct scenarios, but also at different stages of PbSe-CMOS integration maturity. For this purpose, we posit to investigate a comprehensive set of functional blocks distributed in two parallel approaches: • Frame-based “Smart” MWIR imaging based on new DPS circuit topologies with gain and offset FPN correction capabilities. This research line exploits the detector pitch to offer fully-digital programmability at pixel level and complete functionality with input parasitic capacitance compensation and internal frame memory. • Frame-free “Compact”-pitch MWIR vision based on a novel DPS lossless analog integrator and configurable temporal difference, combined with asynchronous communication protocols inside the focal plane. This strategy is conceived to allow extensive pitch compaction and readout speed increase by the suppression of in-pixel digital filtering, and the use of dynamic bandwidth allocation in each pixel of the FPA. In order make the electrical validation of first prototypes independent of the expensive PbSe deposition processes at wafer level, investigation is extended as well to the development of affordable sensor emulation strategies and integrated test platforms specifically oriented to image read-out integrated circuits. DPS cells, imagers and test chips have been fabricated and characterized in standard 0.15μm 1P6M, 0.35μm 2P4M and 2.5μm 2P1M CMOS technologies, all as part of research projects with industrial partnership. The research has led to the first high-speed uncooled frame-based IR quantum imager monolithically fabricated in a standard VLSI CMOS technology, and has given rise to the Tachyon series [1], a new line of commercial IR cameras used in real-time industrial, environmental and transportation control systems. The frame-free architectures investigated in this work represent a firm step forward to push further pixel pitch and system bandwidth up to the limits imposed by the evolving PbSe detector in future generations of the device.La present tesi doctoral descriu la recerca i el desenvolupament d'una nova tecnologia monolítica d'imatgeria infraroja de longitud d'ona mitja (MWIR), no refrigerada i de baix cost, per a usos industrials d'alta velocitat. El treball pren el relleu dels últims avenços assolits pel soci industrial NIT S.L. en el camp dels detectors MWIR de PbSe depositats en fase vapor (VPD), afegint-hi coneixement fonamental en la investigació de noves tècniques de disseny de circuits VLSI analògics i mixtes pel desenvolupament del dispositiu integrat de lectura unit al detector pixelat. Es parteix de la hipòtesi que, mitjançant l'ús de les esmentades tècniques de disseny, les tecnologies CMOS estàndard satisfan tots els requeriments operacionals del detector VPD PbSe respecte a connectivitat, fiabilitat, funcionalitat i escalabilitat per integrar de forma econòmica el dispositiu. La càmera PbSe-CMOS resultant ha de consumir molt baixa potència, operar a freqüències de kHz, exhibir bona uniformitat, i encabir els píxels actius CMOS de lectura en el pitch compacte del pla focal de la imatge, tot atenent a les particulars característiques del detector: altes relacions de corrent d'obscuritat a senyal, elevats valors de capacitat paràsita a l'entrada i dispersions importants en el procés de fabricació. Amb la finalitat de complir amb els requisits previs, es proposen arquitectures de sensors de visió de molt baix acoblament interpíxel basades en l'ús d'una matriu de pla focal (FPA) de píxels actius exclusivament digitals. Cada píxel sensor digital (DPS) està equipat amb mòduls de comunicació d'alta velocitat, autopolarització, cancel·lació de l'offset, conversió analògica-digital (ADC) i correcció del soroll de patró fixe (FPN). El consum en cada cel·la es minimitza fent un ús exhaustiu del MOSFET operant en subllindar. L'objectiu últim és potenciar la integració de les tecnologies de sensat d'imatge infraroja (IR) basades en PbSe per expandir-ne el seu ús, no només a diferents escenaris, sinó també en diferents estadis de maduresa de la integració PbSe-CMOS. En aquest sentit, es proposa investigar un conjunt complet de blocs funcionals distribuïts en dos enfocs paral·lels: - Dispositius d'imatgeria MWIR "Smart" basats en frames utilitzant noves topologies de circuit DPS amb correcció de l'FPN en guany i offset. Aquesta línia de recerca exprimeix el pitch del detector per oferir una programabilitat completament digital a nivell de píxel i plena funcionalitat amb compensació de la capacitat paràsita d'entrada i memòria interna de fotograma. - Dispositius de visió MWIR "Compact"-pitch "frame-free" en base a un novedós esquema d'integració analògica en el DPS i diferenciació temporal configurable, combinats amb protocols de comunicació asíncrons dins del pla focal. Aquesta estratègia es concep per permetre una alta compactació del pitch i un increment de la velocitat de lectura, mitjançant la supressió del filtrat digital intern i l'assignació dinàmica de l'ample de banda a cada píxel de l'FPA. Per tal d'independitzar la validació elèctrica dels primers prototips respecte a costosos processos de deposició del PbSe sensor a nivell d'oblia, la recerca s'amplia també al desenvolupament de noves estratègies d'emulació del detector d'IR i plataformes de test integrades especialment orientades a circuits integrats de lectura d'imatge. Cel·les DPS, dispositius d'imatge i xips de test s'han fabricat i caracteritzat, respectivament, en tecnologies CMOS estàndard 0.15 micres 1P6M, 0.35 micres 2P4M i 2.5 micres 2P1M, tots dins el marc de projectes de recerca amb socis industrials. Aquest treball ha conduït a la fabricació del primer dispositiu quàntic d'imatgeria IR d'alta velocitat, no refrigerat, basat en frames, i monolíticament fabricat en tecnologia VLSI CMOS estàndard, i ha donat lloc a Tachyon, una nova línia de càmeres IR comercials emprades en sistemes de control industrial, mediambiental i de transport en temps real.Postprint (published version

Large area CMOS photosensors for time-resolved measurements

Viele Industrieanwendungen benötigen lineare Photosensoren, die eine hohe Empfindlichkeit besitzen und geringes Rauschen verursachen. Die Atom-Emissionsspektroskopie ist eine dieser Anwendungen. Dieses spektroskopische Verfahren ergibt Informationen über die qualitative und quantitative Zusammensetzung eines Analyten. Seit 1960 sind Photoelektronenverfielfacher (photomultiplier tubes, PMT) als Standarddetektoren im Bereich der Spektrometrie im Einsatz, da sie eine kurze Reaktionszeit und niedrigen Dunkelstrom aufweisen. In der jüngeren Zeit sind Feststoffliniensensoren als vielversprechende Alternative zu den Photoelektronenverfielfachern ins Augenmerk gerückt. Neuerdings auch in hybriden Emissionspektrometern im Einsatz, sind CCD-Liniensensoren in der Lage, im Ultraviolett gelegene (für Wellenlängen über ca. 250 nm), sichtbare und nah-infrarote Spektralbereiche zu registrieren, die von einem Lichtgitter mit geringer Bandbreite an diese gesendet werden. Jedoch gibt es mit der CCD-Technologie keine Möglichkeit, zufällige Pixel zu adressieren, nichtlöschend auszulesen und Daten nach der Zeit aufgelöst erfassen, was zur Notwendigkeit führt, den gesamten Sensor mehrere Male auszulesen, um die erforderliche Ladungssammelzeit einzustellen, welche dafür benötigt wird, um zwischen benachbarten Zeilen im Spektrographen zu unterscheiden. Das braucht sehr viel Messzeit, fügt überdies Reset-Rauschen hinzu und vermindert das Signal-Rausch-Verhältnis. Der Einsatz von CMOS kann eine gute Alternative zu CCD darstellen. Ein in dieser Arbeit entwickelter und optimierter, auf einem Lateral Drift-Field Photodetector (LDPD) basierender CMOS-Zeilensensor eröffnet die Möglichkeit eines sogenannten Time-Gating und die Besonderheit eines nichtlöschenden Auslesens und einer Ladungssammlung über mehrere Zyklen, ohne, dass dabei eine Reset-Phase vonnöten ist. Große fotoaktive Bereiche von bis zu 1 mm sind, gleich wie schneller Ladungstransfer und niedriger Dunkelstrom, entscheidende Anforderungen an Sensoren, die in der optischen Emissionspektroskopie eingesetzt werden. Dies sind damit auch die Hauptziele, die mit den in dieser Arbeit eingebrachten Strukturen zu erreichen sein müssten. Der Transfer der Pixelladung vom fotoaktiven Bereich in den Sensorknoten wird in dieser Arbeit im Detail analysiert. Es werden verschiedene Mechanismen des Ladungstransports studiert. Der Dunkelstrom im LDPD-Pixel wird durch die Verwendung verschiedener Pixelstrukturen analysiert. Außerdem wird ein neuartiges Pixeldesign präsentiert, durch welches der Tranfer von Pixelladungen effizienter erfolgt. Es werden verschiedene Pixeltypen vorgeschlagen und eingehend charakterisiert. Schließlich wird die am besten geeignete Pixelstruktur herangezogen, um den Prototypen eines Zeilensensors herzustellen, dessen Arbeitscharakteristika ebenso im Detail untersucht werden.Many industrial applications require linear photosensors, which exhibit high sensitivity and low noise. The atomic emission spectroscopy is one of such applications. This spectroscopic method delivers the information about the qualitative and quantitative composition of an analyte. Since 1960 photomultiplier tubes (PMT) were used as standard detectors in the field of spectrometry due to their high speed of response and low dark current. Recently, solid-state line sensors have established themselves as a promising alternative to the photomultiplier tubes. Newly used in hybrid emission spectrometers, CCD line sensors are able to detect the part of the spectra in the ultra-violet (for wavelengths longer than some 250 nm), visible, and near infra-red ranges sent to them by a narrow bandwidth optical grid. However, CCD technology does not have the ability of random pixel addressing, non-destructive readout and time-resolved measurements, which causes the necessity of reading out the complete sensor several times to adjust the necessary charge collection period required to be able to distinguish between neighbouring lines in the spectrograph. This consumes a lot of measuring time and also adds additional reset noise and diminishes the signal-to-noise ratio after each readout. A CMOS approach can be a good alternative to CCD. Developed and optimized in this thesis, a lateral drift-field photodetector (LDPD) based CMOS line sensor offers the possibility for the so called time-gating together with the feature of non-destructive readout and charge accumulation over several cycles without the need for the reset phase. Large photoactive areas of up to 1 mm as well as fast charge transfer and low dark currents are all dominant requirements for the sensors used in optical emission spectroscopy. These are the main goals that should be achievable with the structures proposed in this thesis. Pixel charge transfer from the photoactive area into the sense node is examined in detail in this work. Different mechanisms of the charge transport are studied. Dark current in the LDPD pixel is analysed on using varied pixel structures. A novel pixel design to enhance the charge transfer efficiency is presented. Different pixel types are proposed and thoroughly characterized. Finally, the best pixel structure is used to fabricate a prototype line sensor, the operating characteristics of which are also examined in detail

Spin-on siloxane polymers in image sensor applications

Tässä työssä esitellään siloksaani-pohjaisten spin-on polymeerien tuomia etuja CMOS-kuvakennojen toimintaan. Ensimmäisessä osassa tutustutaan valon perusominaisuuksiin ja kuinka se käyttäytyy kulkiessaan väliaineessa sekä rajapintojen yli. Lisäksi käydään läpi nykyisin yleisimmin käytössä olevien kuvakennojen toimintaa sekä rakennetta. Työn kokeellisessa osuudessa tullaan osoittamaan mitä etuja siloksaani-pohjaisilla polymeereillä on kennojen valmistuksessa tavallisesti käytettyihin eristekerroksiin verrattuna. Työn aikana tutkittiin erityisesti Silecsin valmistamien korkean taitekertoimen spin-on polymeerikalvojen soveltuvuutta kennon valokanavarakenteeseen. Parannukset erityisesti pieniä pikseleitä hyödyntävien CMOS-kuvakennojen kvanttihyötysuhteeseen sekä pikselien väliseen ylikuulumiseen havainnollistetaan sekä optisen mallinnuksen että käytännön mittausten avulla. IBM:n 2.2 µm pikselikoon CMOS-kuvakennossa saavutettiin valokanavarakenteen avulla 24% parannus kvanttihyötysuhteessa ja 19% parannus ylikuulumisessa. Lisäksi työssä arvioidaan matalan taitekertoimen omaavien polymeerikalvojen soveltuvuutta kennojen passivointiin ja heijastuksenestoon. Havaittiin, että mikrolinssin pinnasta syntyviä heijastuksia pystyttiin merkittävästi vähentämään säätämällä kalvon paksuus ja taitekerroin sovellukseen sopivaksi. Lopuksi havainnollistetaan suorakuvioitavien polymeerien tuomia etuja kennon valmistusprosessiin.The feasibility of siloxane based spin-on polymers in a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor application is studied in this thesis. After an introduction to the fundamental characteristics of light and how it behaves when propagating in matter and through interfaces, the basic operation principles of the most commonly used modern image sensors are reviewed. The experimental part of the thesis will demonstrate the improvements achieved in image sensor performance when replacing conventional dielectrics with siloxane based polymers having specifically tuned refractive indices. Results from optical modelling as well as measurement data from fully functional devices are used to demonstrate the enhanced device performance. Silecs' high refractive index spin-on polymers are shown to significantly improve the quantum efficiency and reduce crosstalk of a small pixel size image sensor utilizing a lightpipe structure. Up to 24% quantum efficiency and 19% crosstalk improvement was achieved in an IBM 2.2 µm pixel size sensor when comparing to a conventional structure. Silecs' low refractive index polymer films used as passivation and anti-reflection coatings on the image sensor microlens array were also studied. Lower reflectance from the microlens surface was achieved by properly tuning the overcoat film thickness and refractive index. Additionally, the overcoat provides mechanical protection to the soft microlens material which can result in improved manufacturing yield. Finally, photosensitized siloxane polymers are demonstrated to yield excellent photopatternability with using industry standard lithographic techniques

Biologically-Inspired Low-Light Vision Systems for Micro-Air Vehicle Applications

Various insect species such as the Megalopta genalis are able to visually stabilize and navigate at light levels in which individual photo-receptors may receive fewer than ten photons per second. They do so in cluttered forest environments with astonishing success while relying heavily on optic flow estimation. Such capabilities are nowhere near being met with current technology, in large part due to limitations of low-light vision systems. This dissertation presents a body of work that enhances the capabilities of visual sensing in photon-limited environments with an emphasis on low-light optic flow detection. We discuss the design and characterization of two optical sensors fabricated using complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) very large scale integration (VLSI) technology. The first is a frame-based, low-light, photon-counting camera module with which we demonstrate 1-D non-directional optic flow detection with fewer than 100 photons/pixel/frame. The second utilizes adaptive analog circuits to improve room-temperature short-wave infrared sensing capabilities. This work demonstrates a reduction in dark current of nearly two orders of magnitude and an improvement in signal-to-noise ratio of nearly 40dB when compared to similar, non-adaptive circuits. This dissertation also presents a novel simulation-based framework that enables benchmarking of optic flow algorithms in photon-limited environments. Using this framework we compare the performance of traditional optic flow processing algorithms to biologically-inspired algorithms thought to be used by flying insects such as the Megalopta genalis. This work serves to provide an understanding of what may be ultimately possible with optic flow sensors in low-light environments and informs the design of future low-light optic flow hardware

Design and Characterization of 64K Pixels Chips Working in Single Photon Processing Mode

Progress in CMOS technology and in fine pitch bump bonding has made possible the development of high granularity single photon counting detectors for X-ray imaging. This thesis studies the design and characterization of three pulse processing chips with 65536 square pixels of 55 µm x 55 µm designed in a commercial 0.25 µm 6-metal CMOS technology. The 3 chips share the same architecture and dimensions and are named Medipix2, Mpix2MXR20 and Timepix. The Medipix2 chip is a pixel detector readout chip consisting of 256 x 256 identical elements, each working in single photon counting mode for positive or negative input charge signals. The preamplifier feedback provides compensation for detector leakage current on a pixel by pixel basis. Two identical pulse height discriminators are used to define an energy window. Every event falling inside the energy window is counted with a 13 bit pseudo-random counter. The counter logic, based in a shift register, also behaves as the input/output register for the pixel. Each cell also has an 8-bit configuration register which allows masking, test-enabling and 3-bit individual threshold adjust for each discriminator. The chip can be configured in serial mode and readout either serially or in parallel. Measurements show an electronic noise ~160 e- rms with a gain of ~9 mV/ke-. The threshold spread after equalization of ~120 e- rms brings the full chip minimum detectable charge to ~1100 e-. The analog static power consumption is ~8 µW per pixel with Vdda=2.2 V. The Mpix2MXR20 is an upgraded version of the Medipix2. The main changes in the pixel consist of: an improved tolerance to radiation, improved pixel to pixel threshold uniformity, and a 14-bit counter with overflow control. The chip periphery includes new threshold DACs with smaller step size, improved linearity, and better temperature dependence. Timepix is an evolution of the Mpix2MXR20 which provides independently in each pixel information of arrival time, time-over-threshold or event counting. Timepix uses as a time reference an external clock (Ref_Clk) up to 100 MHz which is distributed all over the pixel matrix during acquisition mode. The preamplifier is improved and there is a single discriminator with 4-bit threshold adjustment in order to reduce the minimum detectable charge limit. Measurements show an electrical noise ~100 e- rms and a gain of ~16.5 mV/ke-. The threshold spread after equalization of ~35 e- rms brings the full chip minimum detectable charge either to ~650 e- with a naked chip (i.e. gas detectors) or ~750 e- when bump-bonded to a detector. The pixel static power consumption is ~13.5 µW per pixel with Vdda=2.2 V and Ref_Clk=80 MHz. This family of chips have been used for a wide variety of applications. During these studies a number of limitations have come to light. Among those are limited energy resolution and surface area. Future developments, such as Medipix3, will aim to address those limitations by carefully exploiting developments in microelectronics