Cette thèse porte sur le développement d'un capteur de pixel monolithique CMOS utilisé pourl’identification et le comptage des particules ionisés dan l’espace avec un flux élevé. Un nouveauconcept pour l’identification de l’espèce des particules proposé dans la présente étude, est basésur l'analyse des amas de particules déclenchés. Pour valider ce nouveau concept, un capteur detaille complet, qui comprend la matrice de pixel sensible aux particules ionisés signal, une chaînede traitement du signal analogique, un convertisseur analogue numérique de 3 bits, et untraitement du signal numérique a été conçu dans un processus de 0.35 μm. Le capteur sortiedirectement des informations de flux à travers 4 canaux avec un débit de données très faible(80 bps) et dissipation d’énergie minimale (~ 100 mW). Chaque canal représente particules avecdifférentes espèces et les énergies. La densité maximum de flux mesurable est jusqu'à 108particules/cm2/s (coups s'accumulent < 5%). Un prototype à échelle réduite a été fabriqué et testéavec trois types d'illumination de rayonnement (rayons X, les électrons et laser infrarouge). Tousles résultats obtenus valident le nouveau concept proposé. Un moniteur de rayonnement spatialtrès miniaturisé basé sur un capteur de pixel CMOS peut être prévu. Le moniteur peut présente lesmêmes performances que les compteurs actuels, mais avec une dissipation de puissance réduited'un ordre de grandeur qu'un poids, un volume d'encombrement et un coût moindre. En outre, enraison de ses sorties de haut niveau et faible débit de données, aucune traitement supplémentairedu signal dehors du capteur est nécessaire, ce qui le rend particulièrement attrayant pour desapplications dan les petits satellitaires. / This thesis focuses on the development of a CMOS monolithic pixel sensor used for space ionizingparticles identification and counting in high flux. A new concept for single particle identification isproposed in this study, which is based on the analysis of particle triggered clusters. To validate thisnew concept, a full size sensor including the sensitive pixel matrix, an analogue signal processingchain, a 3-bit analogue to digital converter, and a digital processing stage was designed in a 0.35μm process. The sensor directly output particles flux information through 4 channels with a verylow data rate (80 bps) and minimal power dissipation (~ 100mW). Each channel representsparticles with different species and energies. The highest measurable flux density is up to 108particles/cm2/s (hits pile up < 5%). A reduced scale prototype was fabricated and tested with 3types of radiation illumination (X-ray, electrons and infrared laser). All the results obtained validatethe proposed new concept and a highly miniaturized space radiation monitor based on a singleCMOS pixel sensor could be foreseen. The monitor could provide measurements of comparable orbetter quality than existing instruments, but at around an order of magnitude lower powerconsumption, mass and volume and a lower unit cost. Moreover, due to its high level and low datarate outputs, no signal treatment power aside the sensor is required which makes it especiallyattractive for small satellite application.

Ce travail contribue au programme de recherche et de développement d'un capteur CMOS à pixel qui pourrait satisfaire pleinement les spécifications du nouvel ITS (Inner Tracking System : trajectomètre interne) de l'expérience ALICE. Afin de briser les limites de la CPS de pointe, une technologie CMOS 0.18 µm à quatre puits a été explorée. Les capteurs fabriqués dans cette nouvelle technologie ont montré une meilleure tolérance aux radiations que les capteurs réalisés dans une technologie CMOS 0.35 µm plus ancienne. En outre, cette nouvelle technologie offre la possibilité d’implémenter des transistors de type P dans chaque pixel sans dégrader la capacité de collection de la diode. Il devient donc possible d’intégrer un discriminateur dans chaque pixel et obtenir un pixel à sortie binaire. En conséquence, la consommation sera largement réduite. De plus, le temps de traitement de la ligne peut être potentiellement réduit. Un premier prototype de petite taille, intitulé AROM-0, a été conçu et fabriqué afin d’étudier la faisabilité de la discrimination de signal dans un petit pixel. Dans ce prototype, chaque pixel de surface 22 × 33 µm2 contient une diode de détection, un préamplificateur et un discriminateur à tension d’offset compensée. La performance de bruit des différentes versions de pixels dans le capteur AROM-0 a été évaluée. Ensuite sera détaillé le développement des capteurs AROM-1. Ce sont les capteurs intermédiaires vers le capteur final proposé par notre groupe. Ils ont deux objectifs principaux, l’un est de valider les optimisations de conception du pixel et l’autre est de mettre en place une architecture du capteur évolutive intégrant l’intelligence nécessaire dans le circuit. Cette thèse présente en détail la conception et les résultats de mesure de ces capteurs AROM. / This work is part of the R&D program aimed for a CMOS pixel sensor (CPS) complying with the requirements of the upgrade of the inner tracking system (ITS) of the ALICE experiment. In order break the limitations of the state-of-the-art CPS, a 0.18 µm quadruple-well CMOS process was explored. Besides an enhanced radiation tolerance, with respect to the former sensors fabricated in a 0.35 µm process, the sensor based on this new process allows for full CMOS capability inside the pixel without degradation of the detection efficiency. Therefore, the signal discrimination, which was formerly performed at the column level, can be integrated inside the pixel. As a result, the readout speed and power consumption can be greatly improved as compared to the CPS with column-level discrimination. This work addresses the feasibility study of achieving the signal discrimination withina small pixel (i.e. 22 × 33 µm2), via the prototype named AROM-0. The pixel of AROM-0 contains a sensing diode, a pre-amplifier and an offset compensated discriminator. The noise performance of the various pixel versions implemented in AROM-0 was evaluated. The study was further pursued with the AROM-1 prototypes, incorporating the optimized pixel designs and the necessary on-chip intelligence to approach the final sensor we have proposed for the ALICE-ITS upgrade. This thesis presents in detail the design and the measurement results of these AROM sensors.

Ce travail se place dans le contexte du détecteur de vertex (VXD) composé de capteurs CMOS pour l'ILC, et dans celui du télescope en faisceau du projet européen AIDA. La thèse inclut les tests en faisceau des éléments du télescope AIDA : les super-plans SALAT et les échelles double faces PLUME. Elle questionne la valeur ajoutée en terme d'alignement, des couches double faces de capteurs CMOS pour le VXD de l'ILD. Une nouvelle méthode d'alignement autonome de chacune des 3 double couches du VXD grâce aux mini-vecteurs construits sur chaque zone de recouvrement inter-échelle est proposée et a été testée avec des particules de haute impulsion. Cependant, seules les particules du bruit de fond faisceau, de plus basses impulsions, permettent l'obtention d'une statistique suffisante pour cet alignement. Ce bruit de fond a alors été étudié et une estimation des taux d'occupation des capteurs du VXD a conduit à une ré-estimation des vitesses de lecture des capteurs de chaque couche du VXD. / This work was conducted in the context of a vertex detector (VXD) composed of CMOS sensors for ILD and in the context of the beam telescope of the european project AIDA. The provides the results of beam tests for the new telescope components : the SALAT super-planes and the PLUME double sided ladders. The thesis adresses the added value in terms of alignment, of double sided layers of CMOS sensors for the VXD of ILD. A new standalone alignment method of each of the three double sided layers of VXD with the mini-vectors built on each overlapping zone between the consecutive ladders is analysed. Such alignment was validated with high momentum particles. However, only the beam background particles, with lower momentum, can provide the minimum statistic for this kind of alignment. Thus, the beam background noise was studied and the occupancy rate of the VXD sensors was studied. This led to a reassessment of the readout speed for the sensors of each layer of the VXD.