[发明专利]一种单片有源像素探测器及其方法

说明书

本发明涉及一种单片有源像素探测器及其方法，其包括像素电路，列读出电路位于两列像素电路之间；列读出电路输出的数字化能量幅值信息和击中信号传输至列ADC中，列读出电路输出的粒子集中位置信息和击中信号传输至顶层读出电路；像素配置及读出控制电路输出的行列选择信号和Strobe信号传输至像素电路内，将生成的芯片数据标志位，Readout Start信号传输至顶层读出电路；列ADC及其偏置电路用于探测粒子能量幅值；顶层读出电路接收列读出电路输出的粒子击中位置信息、列ADC输出的能量幅值信息以及同一数据帧对应的数据标志位，完成数据帧打包，并通过串行数据链路输出至MAPS外部，实现同时探测粒子击中位置和能量幅值。本发明具有高分辨率、高电荷收集效率、高填充因子、高灵敏度、低功耗等优势。

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路设计领域，特别是关于一种兼具径迹探测和能量幅值ΔE探测能力的单片有源像素探测器及其方法。

背景技术

目前，在高能物理实验、空间粒子探测、智能数字医疗等应用中存在着大量不同种类、能量幅值各异的粒子，若想精确测量这些粒子的能谱、鉴别元素种类，探究其通量的特征及其变化规律，研究宇宙元素起源等重大基础物理问题，需要同时具有径迹探测和能量幅值ΔE探测能力的单片有源像素探测器(Monolitich Active Pixel Sensor,MAPS)芯片。目前，国际上针对此类应用均采用径迹探测芯片外部的高速ADC(Analog to DigitalConverter)对像素的模拟输出进行数字化，并在后续的读出电子学中对数字化的数据进行处理。但是由于MAPS中像素点数量庞大，单个芯片包含约13万个像素点，即使采用8路模拟输出的方式，最大读出也只能达到将近1kHz量级，限制了系统的幅值读出速率，同时采用片外ADC进行数字化会降低系统的集成度，增加系统噪声。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种兼具径迹探测和能量幅值ΔE探测能力的单片有源像素探测器及其方法，其能同时实现径迹探测和能量幅值ΔE探测。具有低功耗、高空间分辨率、高灵敏度、低硬件开销、高速径迹探测及能量幅值ΔE读出等优势。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单片有源像素探测器，其包括像素电路、列读出电路、列ADC及其偏置电路、像素配置及读出控制电路和顶层读出电路；所述像素电路设置为若干个，并分成2M列，M为整数，列读出电路设置为M个，M个列读出电路与若干像素电路构成2^N行×2M列的像素阵列，N为整数；每个所述列读出电路的输入端均与两列所述像素电路连接，位于两列所述像素电路之间；每个所述列读出电路输出的模拟能量幅值ΔE信息和击中信号均传输至一所述列ADC中，每个所述列读出电路输出的粒子击中位置信息和击中信号传输至所述顶层读出电路；所述像素配置及读出控制电路输出的行选择信号、列选择信号和Strobe信号均传输至各所述像素电路内，所述像素配置及读出控制电路将生成的芯片数据标志位Chip Data Header和Chip Data Trailer，以及输出的ReadoutStart信号传输至所述顶层读出电路；所述列ADC及其偏置电路用于实现模拟能量幅值ΔE的数字化输出；所述顶层读出电路接收所述列读出电路输出的粒子击中位置信息、列ADC输出的数字化能量幅值ΔE信息以及同一数据帧对应的数据标志位，完成数据帧打包，并通过串行输出链路输出至MAPS外部，实现同时探测粒子击中位置和能量幅值ΔE。

进一步，每个所述像素电路均包括PMOS复位电路、电荷搜集二极管、测试电容、放大电路、具有可调上下阈值的比较器、源跟随电路、击中寄存器和模拟缓冲器；其中，由所述比较器和击中寄存器构成数字通路，由所述源跟随电路和模拟缓冲器构成模拟通路；粒子入射到所述像素电路后，由所述电荷搜集二极管对粒子的能量幅值ΔE进行收集，使所述测试电容与所述电荷搜集二极管之间的节点V_PIX的电压产生变化得到节点电压变化值ΔV_PIX；所述节点电压变化值ΔV_PIX经所述放大电路处理后输出电压信号A_PIX，分别传输至所述数字通路和模拟通路；代表能量幅值ΔE的节点电压变化值ΔV_PIX被传输至列ADC后，PMOS复位电路复位电荷搜集二极管，释放能量幅值ΔE，将节点V_PIX的电压恢复至初始值。