Matrici CMOS di SPAD con elaborazione on-chip per immagini video 2D

Some of social needs (safety and security), and some biomedical sectors (biological tests) require low levels brightness images capture, with a good balance between distance and resolution and with high frame rate. All that could be achieved with single photon detector matrix, that could acquire 2D images with high speed and sensitivity, still with high frame rate. I Single Photon Avalanche Diode are one of the solid state devices candidate to perform matrix with these features. At the state of the art, there are 2 main ways to measure the distance from an object: stereo vision and Time-of-Flight (TOF), the first one is developed in this thesis. Stereo Vision is based on 2D matrix, and so on 2D cameras, that look at the scene from slightly different angles. This method requires an high scanning speed, that in turn requires mechanical parts that support very accurate movements and, and hence they result expansive and bulky. For both of applications, on need to plan a fast and sensitive image sensor. Project purpose will be to develop a bi-dimensional matrix, of 64x64 pixel, and in every pixel will be a SPAD, a quenching circuit, modified compared to the existing ones, ancillary electronic and a 8-bit asynchronous counter. A peculiarity is the read-out of the matrix, a global electronic will read the entire matrix or compact sub-matrixes. Moreover is allowed the alternate read out of rows and columns and the sub-matrixesread out, starting from any rows or columns, in order to assure a fast subsampling of the watching scene. At the beginning was created the smarth-pixel; inside were integrated the SPAD, the quenching circuit to stop the avalanche in the SPAD, ancillary electronic and a 8-bit synchronous counter. The quenching circuit, with variable resistance was advisably modified in order to plan the matrix to hold definitely off the SPAD with high Dark Count Rate. It was decided to use an asynchronous counter to the detriment of synchronous counter and Linear Shift Register, because it is a good balance between buked area and reading easiness. Afterward was developed a new smart global electronic, that allow both the read out of all matrix and just compact submatrix. In addition is allowed the alternate reading or rows or columns and the reading of submatrixs starting from any row, or any column to guarantee a fast undersampling of the observation scene. Furthermore it’s possible to read only 2 bit per pixel, the least significant ones, also this in order to allow a faster reading. This thesis is realized with Frounhofera $0.36 \mu m$ technology, doing some simulations in the worst operation MOS cases, and with high temperature.

Alcuni dei bisogni sociali (safety e security) e alcune applicazioni biomediche ( analisi biologiche) richiedono l’acquisizione di immagini a bassi livelli di luminosità, con un buon compromesso tra distanza e risoluzione e con un elevato frame-rate. Tutto ciò può essere raggiunto mediante matrici di fotorivelatori di singoli fotoni che possano acquisire immagini 2D ad elevata velocità e sensibilità, sempre con elevato frame-rate. I Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) sono tra i dispositivi a stato solido candidati per la realizzazione di matrici con simili caratteristiche. Allo stato attuale dell’arte ci sono due modi principali per misurare la distanza da un oggetto: stereo vision e time-of-flight (TOF), la prima viene sviluppata in questo lavoro di tesi. La modalità stereo vision si basa su matrici 2D, e quindi su camere 2D che guardano la scena da angoli leggermente diversi. Questo metodo richiede una velocità di scansione abbastanza elevata, che a sua volta ha bisogno di parti meccaniche che supportano movimenti molto precisi e che quindi risultano ingombranti e costose. Per entrambe le applicazioni si deve ideare un sensore di immagine rapido e sensibile. Scopo del progetto sarà sviluppare matrici di fotorivelatori bidimensionali, da $64 \times 64$ pixel, in cui ogni pixel avrà uno SPAD (con varie dimensioni), un circuito di quenching modificato rispetto a quelli esistenti, una parte di elettronica di servizio e un contatore asincrono a 8 bit. Una particolarità risiede nella lettura della matrice, in cui un’elettronica globale dovrà leggere tutta la matrice o solamente delle sottomatrici compatte. Inoltre è permessa la lettura alternata di righe e colonne e la lettura di sottomatrici partendo da una riga, o colonna, qualsiasi per garantire un rapido sottocampionamento della scena di osservazione. Inizialmente è stato creato lo smarth-pixel, all’interno di esso sono stati integrati vari componenti: lo SPAD, il circuito di quenching per fermare la valanga nello SPAD, un contatore asincrono a 8 bit e un’elettronica di servizio. Il circuito di quenching, a resistenza variabile, è stato opportunamente modificato in modo da poter programmare la matrice per mantenere permanentemente spenti gli SPAD con elevato Dark Count Rate. Si è scelto di utilizzare un contatore asincrono, a discapito del contatore sincrono e del Linear Feedback Shift Register, in quanto esso rappresenta un buon compromesso tra area occupata e semplicità di lettura. In seguito è stata sviluppata una nuova elettronica globale "intelligente" che permette sia la lettura di tutta la matrice, sia di solo delle sottomatrici compatte. Inoltre è stata permessa la lettura alternata di righe o colonne e la lettura di sottomatrici partendo da una riga, o colonna, qualsiasi per garantire un rapido sottocampionamento della scena di osservazione. Inoltre è possibile leggere anche solamente 2 bit per pixel, i meno significativi, per favorire una lettura più veloce. Questo lavoro di tesi è stato realizzato in tecnologia Frounhofer a $0.36 \mu m$, effettuando delle simulazioni nei casi peggiori di funzionamento dei MOS e a temperature abbastanza elevate.