Development of empad sensors inspired by silicon retinas and implemented in cmos technology

Abstract

Esta tesis investiga la aplicación de principios neuromórficos en el diseño e implementación de Detectores de Matriz de Pixeles para Microscopia Electrónica (EMPAD). El objetivo es superar las limitaciones de los detectores convencionales, en especial la tasa de datos, la resolución temporal y la discriminación de energía, utilizando sistemas que imitan procesos biológicos mediante comunicación asíncrona y basada en eventos. La investigación comienza en el Capítulo 1 con el análisis de los desafíos que enfrentan los EMPAD en la Microscopia Electrónica (ME), destacando la necesidad de soluciones innovadoras. El Capítulo 2 revisa las especificaciones y limitaciones de las tecnologías actuales de detectores, incluidos los compromisos asociados con el tamaño de los píxeles, el compartimiento de carga y la pérdida por coincidencia. Luego, se introducen los principios de la ingeniería neuromórficas, mostrando su potencial para optimizar el diseño de los EMPAD. El Capítulo 3 describe el desarrollo práctico de un EMPAD con Representación de Eventos por Dirección (AER), abarcando su arquitectura, diseño de píxeles y circuitos de lectura. Las simulaciones realizadas muestran que el protocolo AER puede alcanzar factores de reducción de datos de hasta 7.3 en comparación con los esquemas de lectura convencionales basados en tramas. La evaluación experimental del píxel bajo un haz de electrones ratifica su funcionalidad. Demuestra su capacidad para estimar con precisión el rendimiento total de emisión de electrones del colector metálico (sigma). El Capítulo 4 explora la integración de la sensibilidad espectral en una matriz de píxeles, permitiendo la adquisición de la imagen en color y la futura discriminación de energía en ME. Se investigan y comparan dos métodos para la resolución de energía: diodos apilados y mediciones neuromórficas de Tiempo sobre Umbral (ToT). Se detallan el diseño, implementación y evaluación de un prototipo con diodos apilados. Una matriz de 2816 píxeles (64 × 44 píxeles) neuromórficos integrados fue fabricada utilizando el proceso UMC CMOS de 0.18 µm. Ambos prototipos validan la capacidad de discriminación de color (energía) y demuestran las ventajas de aplicar conceptos neuromórficos al diseño de EMPAD. Finalmente, la tesis resume los principales resultados y contribuciones, destacando el éxito en la incorporación de los conceptos inspirados biológicamente en el desarrollo de los EMPAD.