探索物质的基本构成及粒子间的相互作用一直是高能物理学研究的前沿。径迹探测器是测量和重建带电粒子轨迹的装置,在高能物理实验中,理解和分析所研究的物理过程,重建粒子飞行路径和精准确定其位置是非常重要的。作为径迹探测器中最核心的组成部分——CMOS像素传感器的研究与设计具有重要研究价值。对于像素传感器而言,位置分辨、能量分辨、时间分辨、读出速度、功耗、物质量等是其重要的特性。本课题以国际上研究的径迹探测器项目为基础,采用单片式有源像素传感器（MAPS）技术,主要针对径迹探测器位置、能量、读出速度等方面,基于TowerJazz 180 nm CMOS工艺,研究先进的CMOS像素传感器芯片设计。自2012年在大型强子对撞机（LHC）上发现Higgs粒子以来,研究Higgs粒子特性和超越标准模型成为了高能物理领域的热点。CEPC是中国高能物理学界倡议建设的Higgs粒子工厂,作为研究基本粒子和宇宙结构的工具,我们需要针对CEPC的物理需求研发一款专用的像素传感器芯片。在测量重离子碎裂横截面时,区分不同的离子种类具有重要的研究意义。因此,欧盟项目STRONG-2020中基于低物质量的离子鉴别径迹探测器（TIIMM）研究课题由此提出。该研究课题旨在开发基于MAPS的可用于粒子鉴别的新型先进硅像素探测器,其需具备高精度径迹探测及能量损失测量能力。本论文的主要工作如下:根据CEPC中顶点探测器预研方向的要求,设计一款高位置分辨率、低功耗、高速读出的像素传感器原型芯片MIC4,实现对Higgs粒子的更高精度的测量,并基于Xilinx KC705开发板设计测试平台,对其性能进行研究;根据TIIMM研究课题的规划,设计TIIMM系列像素传感器原型芯片,其具备同时精确测量带电粒子位置和能量损失的性能,可实现更高性能的粒子识别。在本课题的研究中,论文的创新点主要体现在如下几个方面:1.根据CEPC中顶点探测器高频率的对撞环境的需求,设计了快响应的模拟前端电路（front-end）。在MIC4芯片中,通过对front-end结构进行优化,实现了低功耗、低噪声。其峰值到达时间低于1μs,输出脉宽时间小于3μs,单个像素噪声6 e-,像素模拟部分功耗低于18 mW/cm2。相比于ALPIDE芯片,响应速度提高了2倍,减少了事例堆积情况,可以工作在更高频率的对撞实验中。2.在MIC4芯片中,针对CEPC低事例率的应用背景和高速读出的需求,提出了一种新型高速数据驱动型读出方案。该方案将令牌环优先编码（Token）和ALPIDE中的优先级读出地址编码复位解码（AERD）两种方案相结合,该方案可有效减小像素阵列的读出时间;并对版图设计进行优化,在单个像素面积仅为25 × 25μm2的条件下,用较小的面积实现了该方案。MIC4读出速度可达30 MHz/hit,相比于ALPIDE芯片,读出速度更高,而像素面积减小了 11%左右。3.针对TIIMM研究课题,设计了具备同时精确测量带电粒子位置和能量损失的TIIMM系列原型芯片。带电粒子在进入像素传感器灵敏区时,产生电离,损失能量并产生相应数量的电子,被传感器收集。在40×40μm2的小尺寸像素中,本课题采用时间过阈技术（ToT）,在像素内集成6-bit寄存器,并通过对像素模拟部分的优化,实现最大可测电子数量为700 ke-。此性能满足了项目中为实现从最小电离粒子（MIP）到重离子能量损失而产生的宽动态范围电子数量测量（500 e-～500 ke-）的需求。本论文的研究成果也可以应用于未来环形对撞机（FCC）,紧凑型正负电子线性对撞机（CLIC）,国际正负电子线性对撞机（ILC）,极化电子离子对撞机（EicC）,超级陶粲装置（STCF）等大科学装置实验以及X射线计算机体层成像设备（CT）。除此之外,具备高位置分辨率和能量损失测量的组合性能将有利于新型高粒度量能器的研究,对于未来各种亚原子实验（包括核物理）也具有重大意义。