R&D Paths of Pixel Detectors for Vertex Tracking and Radiation Imaging

This report reviews current trends in the R&D of semiconductor pixellated sensors for vertex tracking and radiation imaging. It identifies requirements of future HEP experiments at colliders, needed technological breakthroughs and highlights the relation to radiation detection and imaging applications in other fields of science.Comment: 17 pages, 2 figures, submitted to the European Strategy Preparatory Grou

The STAR MAPS-based PiXeL detector

The PiXeL detector (PXL) for the Heavy Flavor Tracker (HFT) of the STAR experiment at RHIC is the first application of the state-of-the-art thin Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) technology in a collider environment. Custom built pixel sensors, their readout electronics and the detector mechanical structure are described in detail. Selected detector design aspects and production steps are presented. The detector operations during the three years of data taking (2014-2016) and the overall performance exceeding the design specifications are discussed in the conclusive sections of this paper

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

Ultra-low noise, high-frame rate readout design for a 3D-stacked CMOS image sensor

Due to the switch from CCD to CMOS technology, CMOS based image sensors have become smaller, cheaper, faster, and have recently outclassed CCDs in terms of image quality. Apart from the extensive set of applications requiring image sensors, the next technological breakthrough in imaging would be to consolidate and completely shift the conventional CMOS image sensor technology to the 3D-stacked technology. Stacking is recent and an innovative technology in the imaging field, allowing multiple silicon tiers with different functions to be stacked on top of each other. The technology allows for an extreme parallelism of the pixel readout circuitry. Furthermore, the readout is placed underneath the pixel array on a 3D-stacked image sensor, and the parallelism of the readout can remain constant at any spatial resolution of the sensors, allowing extreme low noise and a high-frame rate (design) at virtually any sensor array resolution. The objective of this work is the design of ultra-low noise readout circuits meant for 3D-stacked image sensors, structured with parallel readout circuitries. The readout circuit’s key requirements are low noise, speed, low-area (for higher parallelism), and low power. A CMOS imaging review is presented through a short historical background, followed by the description of the motivation, the research goals, and the work contributions. The fundamentals of CMOS image sensors are addressed, as a part of highlighting the typical image sensor features, the essential building blocks, types of operation, as well as their physical characteristics and their evaluation metrics. Following up on this, the document pays attention to the readout circuit’s noise theory and the column converters theory, to identify possible pitfalls to obtain sub-electron noise imagers. Lastly, the fabricated test CIS device performances are reported along with conjectures and conclusions, ending this thesis with the 3D-stacked subject issues and the future work. A part of the developed research work is located in the Appendices.Devido à mudança da tecnologia CCD para CMOS, os sensores de imagem em CMOS tornam se mais pequenos, mais baratos, mais rápidos, e mais recentemente, ultrapassaram os sensores CCD no que respeita à qualidade de imagem. Para além do vasto conjunto de aplicações que requerem sensores de imagem, o próximo salto tecnológico no ramo dos sensores de imagem é o de mudar completamente da tecnologia de sensores de imagem CMOS convencional para a tecnologia “3D-stacked”. O empilhamento de chips é relativamente recente e é uma tecnologia inovadora no campo dos sensores de imagem, permitindo vários planos de silício com diferentes funções poderem ser empilhados uns sobre os outros. Esta tecnologia permite portanto, um paralelismo extremo na leitura dos sinais vindos da matriz de píxeis. Além disso, num sensor de imagem de planos de silício empilhados, os circuitos de leitura estão posicionados debaixo da matriz de píxeis, sendo que dessa forma, o paralelismo pode manter-se constante para qualquer resolução espacial, permitindo assim atingir um extremo baixo ruído e um alto debito de imagens, virtualmente para qualquer resolução desejada. O objetivo deste trabalho é o de desenhar circuitos de leitura de coluna de muito baixo ruído, planeados para serem empregues em sensores de imagem “3D-stacked” com estruturas altamente paralelizadas. Os requisitos chave para os circuitos de leitura são de baixo ruído, rapidez e pouca área utilizada, de forma a obter-se o melhor rácio. Uma breve revisão histórica dos sensores de imagem CMOS é apresentada, seguida da motivação, dos objetivos e das contribuições feitas. Os fundamentos dos sensores de imagem CMOS são também abordados para expor as suas características, os blocos essenciais, os tipos de operação, assim como as suas características físicas e suas métricas de avaliação. No seguimento disto, especial atenção é dada à teoria subjacente ao ruído inerente dos circuitos de leitura e dos conversores de coluna, servindo para identificar os possíveis aspetos que dificultem atingir a tão desejada performance de muito baixo ruído. Por fim, os resultados experimentais do sensor desenvolvido são apresentados junto com possíveis conjeturas e respetivas conclusões, terminando o documento com o assunto de empilhamento vertical de camadas de silício, junto com o possível trabalho futuro

Convergent Communication, Sensing and Localization in 6G Systems: An Overview of Technologies, Opportunities and Challenges

Herein, we focus on convergent 6G communication, localization and sensing systems by identifying key technology enablers, discussing their underlying challenges, implementation issues, and recommending potential solutions. Moreover, we discuss exciting new opportunities for integrated localization and sensing applications, which will disrupt traditional design principles and revolutionize the way we live, interact with our environment, and do business. Regarding potential enabling technologies, 6G will continue to develop towards even higher frequency ranges, wider bandwidths, and massive antenna arrays. In turn, this will enable sensing solutions with very fine range, Doppler, and angular resolutions, as well as localization to cm-level degree of accuracy. Besides, new materials, device types, and reconfigurable surfaces will allow network operators to reshape and control the electromagnetic response of the environment. At the same time, machine learning and artificial intelligence will leverage the unprecedented availability of data and computing resources to tackle the biggest and hardest problems in wireless communication systems. As a result, 6G will be truly intelligent wireless systems that will provide not only ubiquitous communication but also empower high accuracy localization and high-resolution sensing services. They will become the catalyst for this revolution by bringing about a unique new set of features and service capabilities, where localization and sensing will coexist with communication, continuously sharing the available resources in time, frequency, and space. This work concludes by highlighting foundational research challenges, as well as implications and opportunities related to privacy, security, and trust

Convergent communication, sensing and localization in 6g systems: An overview of technologies, opportunities and challenges

Herein, we focus on convergent 6G communication, localization and sensing systems by identifying key technology enablers, discussing their underlying challenges, implementation issues, and recommending potential solutions. Moreover, we discuss exciting new opportunities for integrated localization and sensing applications, which will disrupt traditional design principles and revolutionize the way we live, interact with our environment, and do business. Regarding potential enabling technologies, 6G will continue to develop towards even higher frequency ranges, wider bandwidths, and massive antenna arrays. In turn, this will enable sensing solutions with very fine range, Doppler, and angular resolutions, as well as localization to cm-level degree of accuracy. Besides, new materials, device types, and reconfigurable surfaces will allow network operators to reshape and control the electromagnetic response of the environment. At the same time, machine learning and artificial intelligence will leverage the unprecedented availability of data and computing resources to tackle the biggest and hardest problems in wireless communication systems. As a result, 6G will be truly intelligent wireless systems that will provide not only ubiquitous communication but also empower high accuracy localization and high-resolution sensing services. They will become the catalyst for this revolution by bringing about a unique new set of features and service capabilities, where localization and sensing will coexist with communication, continuously sharing the available resources in time, frequency, and space. This work concludes by highlighting foundational research challenges, as well as implications and opportunities related to privacy, security, and trust

The STAR MAPS-based PiXeL detector

The PiXeL detector (PXL) for the Heavy Flavor Tracker (HFT) of the STAR experiment at RHIC is the first application of the state-of-the-art thin Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) technology in a collider environment. Custom built pixel sensors, their readout electronics and the detector mechanical structure are described in detail. Selected detector design aspects and production steps are presented. The detector operations during the three years of data taking (2014-2016) and the overall performance exceeding the design specifications are discussed in the conclusive sections of this paper