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无中微子双贝塔衰变是粒子物理领域前沿问题，如果中微子为马约拉纳粒子，则在双贝塔衰变的过程中存在一定的几率使得原子核在双贝塔衰变时不释放中微子，若能证实这种现象的存在，也将证明轻子数不守恒，进而为解释宇宙中正反物质不对称提供依据。N$\nu$DEx实验(No neutrino Double-beta-decay Experiment )通过建造一个以$SeF_6$为工作气体、以Topmetal电荷收集芯片阵列为读出系统的TPC来观察无中微子双贝塔衰变，避免由雪崩放大导致的统计涨落对能量分辨率的影响。为了降低实验本底，N$\nu$DEx实验计划在中国的锦屏地下实验室进行。本文主要围绕信号的收集和读出在芯片级展开介绍。
Topmetal电荷传感器的工作原理是将芯片最顶层的部分金属块裸露出来，漂移到该金属块上的正或负电荷可直接被收集，经后续电路处理后读出。针对 N$\nu$DEx实验的低本底、低噪声的应用需求，为了进一步发挥Topmetal电极直接收集电荷的特色以及聚焦电极(Guardring)的电荷聚焦能力，提出了单电极的Topmetal电荷传感器Topmetal-S(S:Single-pixel)设计思路，即整个电荷传感器中仅有一个直径为1mm的电荷收集电极，并在Topmetal电极周围放上Guardring从而实现较大面积的直接收集。Topmetal-S传感器主要包含一个六边形电荷收集电极、电荷灵敏前置放大器(CSA）、模拟数字转换器(Sigma-Delta ADC)、为CSA提供偏置的数字模拟转换器(DAC)及用于通信的数字模块。现阶段测试表明，CSA的输入线性范围为0~6.25fC，电荷转换增益约为223mV/fC，经数字滤波后的等效噪声电荷（ENC）约为$110e^-$。考虑到时间投影室的端盖平面上安装Topmetal-S传感器数量多，若每一个传感器都通过连接线将数据发往时间投影室外的数据采集系统，则存在信号连接线多，前端读出电路板设计复杂的问题。为尽可能的减少连接线对实验本底的影响、保证时间投影室的密封性和可扩展性，Topmetal-S传感器采用传感器间组网传输方案，即通过在相邻传感器之间建立本地连接来形成一个自组织的网络。在该传感器网络中，每个传感器作为网络中的一个节点，不仅产生数据，还负责将自身产生的数据读出以及转发来自相邻节点的数据。该网络中的数据以包的形式传输读出平面边缘处，再由边缘处的节点输出到时间投影室外部。针对网络中出现故障的情形，通过向传感器读出网络行方向与列方向注入探测包来定位发生故障节点的X、Y 坐标信息，随后向读出网络中发送配置信息对故障节点周围的无故障节点进行配置以形成故障环，禁止数据包路由经过，确保数据路由无误，从而实现了自组织、分布式、可容错的读出网络方案。每一个Topmetal-S传感器都可以当作一个节点，它能够和相邻的4个传感器之间进行最高50Mbps速率的双向串行通信。组网模块同时也可以读出传感器内部的数字化数据，并实现对传感器的读写，以实现高密度Topmetal电荷传感器芯片阵列的读出与控制。N$\nu$DEx实验将会采用无触发模式，将前端传感器芯片阵列所有通道信号送往后端服务器进行处理及存储，供相关物理实验人员进行分析。
目前，前端芯片正在优化噪声，读出芯片网络已达到预期效果，读出网络的全链路双向控制与数据获取功能基本实现。
