中国物理学会高能物理分会第十三届全国粒子物理学术会议（2021）

CMOS像素芯片JadePix3是在CEPC预研项目框架下研发的高空间分辨率、低功耗的全功能像素探测器芯片。为了满足顶点探测器对b/c夸克和tau轻子进行flavor tagging的实验要求，该芯片以小像素为核心目标进行了设计优化，其最小像素尺寸为16 um*23 um，仅为国外同类芯片的像素面积的一半大小。如此小的像素尺寸，是通过对底层器件最小化来实现的，包括Sensing Diode，MOS电容，控制逻辑。同时，版图设计也推向了工艺允许的极限。这些设计上的选择能否确保芯片正常工作并取得预期的空间分辨率，需要通过实验测试来验证。 JadePix3芯片在设计上的独特之处还体现在采用了弱电流脉冲放大/甄别器和逐行扫描（Rolling Shutter）相结合的信号读出架构。前者的优点是电流脉冲放大，不需要外部控制，增益高面积小；后者的好处是电路简单，可以缩小约1/4的像素面积。但是逐行扫描的帧时间接近100 us，高增益的放大/甄别器的噪声过阈会在两帧之间累积。为了防止出现噪声击中过多的情况，额外增加了一个全局快门（Global Shutter）的控制功能。如果噪声击中过多，可以利用全局快门选择时间窗口，即在外部触发控制下工作；如果噪声击中较少，则全局快门常开，正常逐行扫描连续工作。Rolling Shutter和Global Shutter两种工作模式下的噪声测试和对比，是理解和选择像素阵列读出架构的关键依据。 JadePix3芯片的性能测试主要利用电子学脉冲刻度作为主要手段，全面研究了不同的像素设计在噪声，阈值一致性和噪声计数率等方面的差别，并进一步利用红外激光研究了单像素的一维位置残差分布，从而给出空间分辨率的初步评估结果。激光测试的结果显示像素短边（16um）方向的空间分辨最好可达到2.7um，长边（23um）方向的空间分辨最好可达到3.4um。实测得到的噪声计数率为10e-6 /frame/pixel，可以确保在Rolling Shutter连续工作模式下足够低的噪声水平，为无触发的实验设想提供了技术实现的基础. 该芯片的设计功耗密度为78 mW/cm2，实测平均功耗密度为91.44mW/cm2，其中数据缓存和数据传输模块的功耗可在今后的设计中进一步优化和压缩，最终目标是达到50 mW/cm2。