Low-Power and Compact CMOS Circuit Design of Digital Pixel Sensors for X-Ray Imagers

Abstract

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 100μm baixant fins a 52μm, integrades utilitzant una tecnologia CMOS estàndard de 0.18μm 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.

X-ray imaging has become a key enabling technology for a wide range of industrial, medical and scientific applications since it allows studying the inside of objects without the need to destroy or dismantle them. In this sense there is a growing research interest in literature to develop advanced X-ray systems capable of obtaining high quality images while reducing the total radiation dose. Currently, X-ray imagers are dominated by hybrid systems, built from a pixel array of direct conversion X-ray detectors and its corresponding readout integrated circuit (ROIC). Despite their higher cost and limited area compared to classical indirect counterparts, the advantages of these systems are clear in terms of radiation dose reduction, signal integrity improvement and spatial resolution scaling. Concerning the readout method used by the ROICs, the most common design strategy is based on photon-counting, due to its advantages regarding circuit noise immunity and photon classification. However, these X-ray imaging systems tend to experience from information losses caused by charge-sharing and pile-up effects. In this context, the goal of the presented thesis work is to propose specific analog and mixed circuit techniques for the full-custom CMOS design of low-power and compact pitch digital pixel sensors (DPS) for ROICs targeting hybrid and direct conversion X-ray imagers. The proposed pixel architecture, based on the charge-integration readout method, avoids information losses experienced by photon-counting and contributes to X-ray image quality by a compact pixel area and low-power consumption to improve image resolution and reduce heating of X-ray detectors, respectively. In this sense, the proposed CMOS DPS circuits feature in-pixel A/D lossless charge conversion for extended dynamic range, individual gain tuning for pixel array FPN compensation, self-biasing capability and digital-only interface for inter-pixel crosstalk reduction, built-in test capability for costs reduction, selectable electron/hole collection to wide the applications range and in-pixel dark current cancellation. Furthermore, the proposed design techniques are oriented to the future development of truly 2D modular X-ray imager systems with large scale and seamless sensing areas. All the above circuit design research has been materialized in several generations of DPS demonstrators, with pitch values ranging from 100μm down to 52μm, all of them integrated using standard 0.18μm 1P6M CMOS technology. Extensive analysis of both electrical and X-ray measurements on the pixel circuit prototypes have been done to proof their validity. Experimental results align this work not only within but also beyond the state-of-the-art active pixels in terms of spatial resolution, power consumption, linearity, SNR and pixel flexibility. This last point makes the proposed pixel design techniques specially suitable for a wide range of X-ray image applications.