Pixelchips

Seminararbeit:Pixel Chips – ein Überblick

Teilchenphysik und alternative Anwendungen

Ali IkinciJanuar 2006

Universität Mannheim Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Simulation Prof. Dr. Peter FischerBetreuer: Dr. Ivan Peric

[1] Atlas Pixel Chip

Ali Ikinci Pixel Chips 2

Ziele der Teilchenphysik (HEP)Vervollständigung und Erweiterung des „Standardmodells“:

● Messung der Masse des Top-Quarks● Entdeckung des im Standardmodell

postulierten Higgs-Bosons ● Entdeckung der Partnerteilchen aus der

Stringtheorie● Entdeckung „Neuer Physik“ oberhalb einiger

TeV z.B. Supersymmetrie● Was ist „dunkle Materie“

→ Experimente mit Teilchenbeschleunigern:● Untersuchung von Teilchenkollisionen● Identifizierung der Zerfallsteilchen

● Bestimmung deren Masse und Ladung durch die Energie und Impulsmessung

● Rekonstruktion von Ereignissen

[2] Simulation einer Proton-Proton Kollision am LHC


Teilchenkollision mit Zerfallsteilchen

E=?, p=?

E=?, p=?

E=?, p=?

E=?, p=?

E=7TeV, proton

E=7TeV, proton

Zerfallsteilchen

Schema einer Protonenkollision


Impuls- und Energiemessung

Negativ geladen,kleiner Impuls

Positiv geladen,grosser Impuls

Keine Ladung,

hohe Energie

Hohe Energie

Spurendetektor

Kalorimeter

Magnetfeld

Schema einer Impuls- und Engeriemessung von Teilchen


Leistungsfähigster und grösster Teilchenbeschleuniger der Welt am CERN in GENF:

● 100 m unter der Erdoberfläche

● ~27km Umfang

● Magnetfeld bis max. 9 T erzeugt durch ein

27km langen supraleitenden Magneten

● Kollision von Protonen und Schwerionen

● Kollisionsrate von 40 MHz

● internationale Kooperation von 34 Ländern

● Vier Experimente mit teilweise verschiedenen

Zielsetzungen

● Vor. Inbetriebnahme 2007

Large Hadron Collider (LHC)

[2] LHC – Schema

[2] Die vier grossen Versuche des LHC


ATLAS - A Toroidal LHC AparatuS

● 40 m lang, 22 m hoch● Jede Schicht hat eine andere Aufgabe

● Innerer Detektor – Detektion der Teilchenspuren● Kalorimeter – Messung der Teilchenenergien● Myondetektoren – Detektion der Myonen

● Starke Magnete sorgen für die Ablenkung geladener Teilchen

[3] Simulation einer Kollision

[4] ATLAS – Ansicht der Baustelle von November 2005


ATLAS - Überblick

Inner DetectorSolenoid Magnet

Toroid Magnet

Muon DetectorCalorimeter

[3] ATLAS – Schematische Darstellung


ATLAS - Inner Detector

126 cm

30 cm

Barrel

DisksStave

[5] Inner Detector – Schematische Darstellung


Die Daube = Fassbrett (Stave)

Kühlrohr

Pixelchip

Kabel

Sensor

Detektormodul

Kontollchip (MCC)

[1] Foto einer Daube


Das Detektormodul

Folie mitLeiterbahnenKontrollchip

(MCC)

Pixelchip

Stave supportFE-Chip FE-Chip

Siliziumsensor

Kontrollchip (MCC)

Detektormodul – Querschnitt

[1] Detektormodul – Schema

[6] Bump Bond


Der ATLAS Pixelsensor

● Hochohmiges n-dotiertes

Silizium bei Atlas

● Strukturiert auf der Oberseite

● n+ dotierte Elektroden auf der

Oberseite sammeln die

Elektronen

● n+ Elektroden sind durch die

Verarmung des niedrig dotierten

Bereichs zwischen ihnen isoliert

Sensormodul16 Segmente

Sensorsegment164x18 Pixels

Metallkontakt

n+ Elektroden-bulk

bump bond

p+ Elektrode

Teilchen

bias grid

[7] Aufbau des Pixelsensors – Schema


Der Hybride Pixeldetektor

FE-ChipSiliziumsensor Unsensitive Area

Pixel Matrix

Detektormodul – Unterseite

FE-ChipPixelzelle


Anforderungen an den Pixeldetektor

● Minimierung Pixelgröße → maximale räumliche Auflösung

● Extreme Strahlungshärte

● Weniger Material in Zwischenlagen → weniger Vielfachstreuung

● Geringer Leistungsverbrauch → wenig Wärmeentwicklung → weniger Kühlung → weniger Material

● 100% hermetische Abdeckung des Raumes mit Sensoren

● Maximale Effizienz (So viele Teilespuren wie möglich erfassen)

● Verstärkung, Filterung und Speicherung des Hits und des Zeitstempels im Detektor

● Zeitstempel ist notwendig für spätere Triggerzuordnung

● Schneller Verstärker und Diskriminator → kleiner „Timewalk“

Pixelgröße 50µm x 400µmAuflösung 15µm x 115µmEffizienz > 95%

Zeitauflösung < 20nsKollisionsrate 40MHz

Schwelle ~ 2000eGültiges Signal > 5000e

Rauschen 200eSchwellenschwankung 200e

Betribstemperatur -7°CLeistung/Pixel < 40µW

Spezifikation


Der ATLAS Pixel-Chip

● Größe: 7.4mm x 11mm

● Pixelgröße: 50µm x 400µm

● Pixelanzahl: 18x160 = 2880

● Technologie: 0.25µm (kommerziell mit strahlungshartem Layout)

● 3.5 Mio. Transistoren

● 246 Wafers produziert (86% Ausbeute)

[1] Atlas Pixel Chip


Pixelzelle (PUC) - Analogteil

● Ladungsabhängiger Verstärker, konvertiert Ladung in Spannung: 32mV/10000e● Time Walk < 20ns ● Schwellwert bis 2000e● Stromverbrauch ~30μW bei 1.6 V● Dauer des Hit-Signals ist proportional zur Signalladung

Local thresholdDAC

Ladung

SensorGlobal Threshold

Schema des Analogteils einer Pixelzelle


Ortsauflösung

-25µm 25µm

e

Fehler

Trefferfehler – theoretisch

-25µm 25µm

e

Fehler

Trefferfehler – single hit-25µm 25µm

e

Fehler

Trefferfehler – double hit

300µm

Treffer auf Sensorelement

● Pixelgröße: 50x400µm● Auflösung: 15x115µm


Timewalk

Timewalk

minimales Signal

maximales Signal

Ladung [e]

t [ns]

[7] Antwortzeit des ladungsabhängigen Verstärkers auf zwei verschiedene Eingangsladungen.

Timewalk


Tuning der Schwellwerte

[1] Pixelmatrix vor Tuning [1] Pixelmatrix nach Tuning

schwarz = 500eweiss = 6000e

pixel threshold [e]

num

ber

of p

ixel

s

[1] Schwellendispersion

untuned tuned

● Schwellendispersion aufgrund von Bauteilschwankungen

● Externes Tuning der Schwellen über globale Schwellwerteinstellung

● Schwellendispersion σ vor Tuning ~ 1000 e

● Schwellendispersion σ nach Tuning ~ 100 e

σ

σ


Auslese der Informationen

● Protonenpakete kollidieren alle 25ns

● Mit bis zu 1000 geladenen Spuren pro Ereignis

● Alle Trefferdaten werden im Pixel zwischengespeichert

● Ein Trigger Signal startet die Auslese von interessanten Ereignissen

● Nur ein Bruchteil sind interessante Ereignisse: 0,2 Prozent

● Latenz bis zum Eintreffen des Triggers: 3µs

SuS Vortrag Pixel Chips - Ali Ikinci 20

Erzeugung des Triggersignals

Treffer 1in Puffer

Treffer 2In Puffer

Trigger für Treffer 2

startet Auslese

25 ns

Kalorimeter misst die Energie

Signalverarbeitung

Kollision Interessante Kollision

Zeitskala

Verzögerung 3µs

Zeitlicher Ablauf der Triggergenerierung


Datenverarbeitung● 1) Ausleselektronik erzeugt „Hit“ Impuls. Impulslänge ist proportional zur Eingangsladung. Zeitmarken der steigenden und fallenden Flanke werden in RAM Zellen gespeichert.

● 2) Synchron mit der fallenden Flanke wird ein Hit-Flag gesetzt und ein schnelles Signal informiert den Auslesekontroller (Column Control).

● 3) Der Auslesekontroller findet das Pixel mit dem Treffer, lässt ihn seine Trefferdaten auf einen Auslesbus legen und löscht das Flag.

● 4) Die Trefferdaten werden in den „End of Column“ Puffern gespeichert

● 5) Die Daten bleiben nur eine bestimmte Zeit im Puffer. In einem Moment erwartet man das „Level 1“ Triggersignal. Falls das Signal da ist, werden die Daten mit der Level 1 Identifikationsnummer gekennzeichnet und zum Auslesen selektiert. Alle Daten, die nicht mit Level 1 bestätigt sind, werden gelöscht.

● 6) Erst wenn alle „älteren“ Trigger-Ereignisse verarbeitet sind werden die Daten aus dem Puffer gelesen und serialisiert.

Schema der digitalen Datenverarbeitung auf dem FE-Chip


Digitales Röntgen– Hybrider Pixeldetektor als digitales Röntgendetektor (Radiographie)

• Komplexe Signalverarbeitung in Pixel möglich (Photonenzähler oder Ladungsintegrator)

• Freie Wahl von Sensormaterial (zb. CdTe)– Vorteile zählender Detektoren

• Höhere Sensitivität gegenüber integrierenden Detektoren• Perfekte Linearität• Unendlicher Dynamikbereich

Schema eines integrierenden Detektors

Counter

Schema eines zählenden Detektors


Multi Picture Element Counters – MPEC

Abgeleitet aus dem Atlas Pixelchip – MPEC2.3 • Cadmium Tellurid (CdTe) Sensor• 32 x 32 Pixels • 200 µm x 200 µm pro Pixel• Schwellendispersion = 21e• 18 bit Zähler in jedem Pixel • ~ 1 MHz • Es gibt Module (CdTe & Si) mit 2x2 Chips (Bonn)

[1] Aufnahme einer Schraube mit unterschiedlichen Darstellungsschwellwerten


Herausforderungen in der Zukunft von Pixeldetektoren

● Technische Herausforderungen

– Lower Power

– Weniger Material

– Höhere Strahlentoleranz

– Kleinere Pixel

● Praktische Herausforderungen

– Kosten von großen Chips

– Kosten und Komplexität neuer Prozesse


Monolithische Pixeldetektoren - eine Alternative zu hybriden Detektoren

● Sensor und Elektronik auf einem Chip

– Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS)

● DEPFET● Vorteile:

– kein Bonding notwendig → günstiger

– weniger Material

– kleinere Pixel

● Nachteile:

– Ausleseelektronik kann nur sehr einfach sein (nur wenige Transistoren) → sehr langsame Auslese

– Nur Silizium → Röntgennachweis von hoher Energie problematisch


Zukunftstechnologien● Brückenschlag zu anderen Gebieten

– Röntgenkameras in der Astronomie – Medizinische Anwendungen – Röntgenbildgebung


Zusammenfassung und Ausblick

● Keine Allgemeinlösung sondern immer anwendungsspezifische Einzellösungen

● Die Zukunft von Pixeldetektoren ist herausfordernd, vielversprechend und spannend

● LHC ist nicht der letzte große Teilchenbeschleuniger sondern ein Meilenstein auf einem langen Weg

● Der ILC ist das nächste große Projekt


Literaturverzeichnis[1] Universität Mannheim - Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Simulation

http://sus.ti.uni-mannheim.de [2] Bundesministerium für Bildung und Forschung http://www.weltderphysik.de[3] Atlas public http://www.atlas.ch/atlas_photos/fulldetector/fulldetector.html [4] Wikipedia – ATLAS

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Atlas_November_2005.jpg[5] P. Fischer, „Pixel Vertex Detectors, Today and Tomorrow“, Heidelberg 2002[6] Leonardo Rossi, „ATLAS Pixel Detector Technical Design Report“, LHCC

Metting, Juli 1998[7] I. Peric, „Design and Realisation of Integrated Circuits for the Readout of Pixel

Sensors in High-Energy Physics and Biomedical Imaging“, Dissertation 2004[8] P. Fischer, M. Kouda, S. Krimmel, H. Krüger, M. Lindner, M. Löcker, G. Sato, T.

Takahashi, S. Watanabe, N. Wermes, „Single Photon X-Ray Imaging with Si- and CdTe-Sensors“, 2004

[9] M.Trimpl, L.Andricek, P. Fischer, R. Kohrs, H. Krüger, G. Lutz, H.G.Moser, I.Peric, L.Reuen, R.H.Richter, C. Sandow, L. Strüder, J.Treis, N.Wermes, "A DEPFET pixel matrix system for the ILC vertex detector", 2004

http://sus.ti.uni-mannheim.de/

http://www.weltderphysik.de/

http://www.atlas.ch/atlas_photos/fulldetector/fulldetector.html

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Atlas_November_2005.jpg


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