Seminararbeit:
Pixel Chips – ein Überblick
Teilchenphysik und alternative Anwendungen
Ali Ikinci
Januar 2006
Universität M...
Ali Ikinci Pixel Chips 2
Ziele der Teilchenphysik (HEP)
Vervollständigung und Erweiterung des
„Standardmodells“:
● Messung...
Ali Ikinci Pixel Chips 3
Teilchenkollision mit Zerfallsteilchen
E=?, p=?
E=?, p=?
E=?, p=?
E=?, p=?
E=7TeV, proton
E=7TeV,...
Ali Ikinci Pixel Chips 4
Impuls- und Energiemessung
Negativ
geladen,
kleiner
Impuls
Positiv
geladen,
grosser
Impuls
Keine
...
Ali Ikinci Pixel Chips 5
Leistungsfähigster und grösster
Teilchenbeschleuniger der Welt am CERN in
GENF:
● 100 m unter der...
Ali Ikinci Pixel Chips 6
ATLAS - A Toroidal LHC AparatuS
● 40 m lang, 22 m hoch
● Jede Schicht hat eine andere Aufgabe
● I...
Ali Ikinci Pixel Chips 7
ATLAS - Überblick
Inner Detector
Solenoid Magnet
Toroid Magnet
Muon Detector
Calorimeter
[3] ATLA...
Ali Ikinci Pixel Chips 8
ATLAS - Inner Detector
126 cm
30 cm
Barrel
Disks
Stave
[5] Inner Detector – Schematische Darstell...
Ali Ikinci Pixel Chips 9
Die Daube = Fassbrett (Stave)
Kühlrohr
Pixelchip
Kabel
Sensor
Detektormodul
Kontollchip (MCC)
[1]...
Ali Ikinci Pixel Chips 10
Das Detektormodul
Folie mit
LeiterbahnenKontrollchip
(MCC)
Pixelchip
Stave support
FE-Chip FE-Ch...
Ali Ikinci Pixel Chips 11
Der ATLAS Pixelsensor
● Hochohmiges n-dotiertes
Silizium bei Atlas
● Strukturiert auf der Oberse...
Ali Ikinci Pixel Chips 12
Der Hybride Pixeldetektor
FE-ChipSiliziumsensor Unsensitive Area
Pixel Matrix
Detektormodul – Un...
Ali Ikinci Pixel Chips 13
Anforderungen an den Pixeldetektor
● Minimierung Pixelgröße → maximale räumliche Auflösung
● Ext...
Ali Ikinci Pixel Chips 14
Der ATLAS Pixel-Chip
● Größe: 7.4mm x 11mm
● Pixelgröße: 50µm x 400µm
● Pixelanzahl: 18x160 = 28...
Ali Ikinci Pixel Chips 15
Pixelzelle (PUC) - Analogteil
● Ladungsabhängiger Verstärker, konvertiert Ladung in Spannung: 32...
Ali Ikinci Pixel Chips 16
Ortsauflösung
-25µm 25µm
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Fehler
Trefferfehler – theoretisch
-25µm 25µm
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Fehler
Trefferfehler ...
Ali Ikinci Pixel Chips 17
Timewalk
Timewalk
minimales Signal
maximales Signal
Ladung [e]
t [ns]
[7] Antwortzeit des ladung...
Ali Ikinci Pixel Chips 18
Tuning der Schwellwerte
[1] Pixelmatrix vor Tuning [1] Pixelmatrix nach Tuning
schwarz = 500e
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Ali Ikinci Pixel Chips 19
Auslese der Informationen
● Protonenpakete kollidieren alle 25ns
● Mit bis zu 1000 geladenen Spu...
SuS Vortrag Pixel Chips - Ali Ikinci 20
Erzeugung des Triggersignals
Treffer 1
in Puffer
Treffer 2
In Puffer
Trigger
für T...
Ali Ikinci Pixel Chips 21
Datenverarbeitung
● 1) Ausleselektronik erzeugt „Hit“ Impuls.
Impulslänge ist proportional zur E...
Ali Ikinci Pixel Chips 22
Digitales Röntgen
– Hybrider Pixeldetektor als digitales Röntgendetektor (Radiographie)
• Komple...
Ali Ikinci Pixel Chips 23
Multi Picture Element Counters – MPEC
Abgeleitet aus dem Atlas Pixelchip – MPEC2.3
• Cadmium Tel...
Ali Ikinci Pixel Chips 24
Herausforderungen in der Zukunft
von Pixeldetektoren
● Technische Herausforderungen
– Lower Powe...
Ali Ikinci Pixel Chips 25
Monolithische Pixeldetektoren - eine
Alternative zu hybriden Detektoren
● Sensor und Elektronik ...
Ali Ikinci Pixel Chips 26
Zukunftstechnologien
● Brückenschlag zu anderen Gebieten
– Röntgenkameras in der Astronomie
– Me...
Ali Ikinci Pixel Chips 27
Zusammenfassung und Ausblick
● Keine Allgemeinlösung sondern immer
anwendungsspezifische Einzell...
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Literaturverzeichnis
[1] Universität Mannheim - Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Simulation
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Pixelchips

  1. 1. Seminararbeit: Pixel Chips – ein Überblick Teilchenphysik und alternative Anwendungen Ali Ikinci Januar 2006 Universität Mannheim Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Simulation Prof. Dr. Peter Fischer Betreuer: Dr. Ivan Peric [1] Atlas Pixel Chip
  2. 2. 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
  3. 3. Ali Ikinci Pixel Chips 3 Teilchenkollision mit Zerfallsteilchen E=?, p=? E=?, p=? E=?, p=? E=?, p=? E=7TeV, proton E=7TeV, proton Zerfallsteilchen Schema einer Protonenkollision
  4. 4. Ali Ikinci Pixel Chips 4 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
  5. 5. Ali Ikinci Pixel Chips 5 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
  6. 6. Ali Ikinci Pixel Chips 6 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
  7. 7. Ali Ikinci Pixel Chips 7 ATLAS - Überblick Inner Detector Solenoid Magnet Toroid Magnet Muon Detector Calorimeter [3] ATLAS – Schematische Darstellung
  8. 8. Ali Ikinci Pixel Chips 8 ATLAS - Inner Detector 126 cm 30 cm Barrel Disks Stave [5] Inner Detector – Schematische Darstellung
  9. 9. Ali Ikinci Pixel Chips 9 Die Daube = Fassbrett (Stave) Kühlrohr Pixelchip Kabel Sensor Detektormodul Kontollchip (MCC) [1] Foto einer Daube
  10. 10. Ali Ikinci Pixel Chips 10 Das Detektormodul Folie mit LeiterbahnenKontrollchip (MCC) Pixelchip Stave support FE-Chip FE-Chip Siliziumsensor Kontrollchip (MCC) Detektormodul – Querschnitt [1] Detektormodul – Schema [6] Bump Bond
  11. 11. Ali Ikinci Pixel Chips 11 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 Sensormodul 16 Segmente Sensorsegment 164x18 Pixels Metallkontakt n+ Elektrode n-bulk bump bond p+ Elektrode Teilchen bias grid [7] Aufbau des Pixelsensors – Schema
  12. 12. Ali Ikinci Pixel Chips 12 Der Hybride Pixeldetektor FE-ChipSiliziumsensor Unsensitive Area Pixel Matrix Detektormodul – Unterseite FE-Chip Pixelzelle
  13. 13. Ali Ikinci Pixel Chips 13 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 400µm Auflösung 15µm x 115µm Effizienz > 95% Zeitauflösung < 20ns Kollisionsrate 40MHz Schwelle ~ 2000e Gültiges Signal > 5000e Rauschen 200e Schwellenschwankung 200e Betribstemperatur -7°C Leistung/Pixel < 40µW Spezifikation
  14. 14. Ali Ikinci Pixel Chips 14 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
  15. 15. Ali Ikinci Pixel Chips 15 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 threshold DAC Ladung Sensor Global Threshold Schema des Analogteils einer Pixelzelle
  16. 16. Ali Ikinci Pixel Chips 16 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
  17. 17. Ali Ikinci Pixel Chips 17 Timewalk Timewalk minimales Signal maximales Signal Ladung [e] t [ns] [7] Antwortzeit des ladungsabhängigen Verstärkers auf zwei verschiedene Eingangsladungen. Timewalk
  18. 18. Ali Ikinci Pixel Chips 18 Tuning der Schwellwerte [1] Pixelmatrix vor Tuning [1] Pixelmatrix nach Tuning schwarz = 500e weiss = 6000e pixel threshold [e] numberofpixels [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
  19. 19. Ali Ikinci Pixel Chips 19 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
  20. 20. SuS Vortrag Pixel Chips - Ali Ikinci 20 Erzeugung des Triggersignals Treffer 1 in Puffer Treffer 2 In Puffer Trigger für Treffer 2 startet Auslese 25 ns Kalorimeter misst die Energie Signalverarbeitung Kollision Interessante Kollision Zeitskala Verzögerung 3µs Zeitlicher Ablauf der Triggergenerierung
  21. 21. Ali Ikinci Pixel Chips 21 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
  22. 22. Ali Ikinci Pixel Chips 22 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
  23. 23. Ali Ikinci Pixel Chips 23 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
  24. 24. Ali Ikinci Pixel Chips 24 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
  25. 25. Ali Ikinci Pixel Chips 25 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
  26. 26. Ali Ikinci Pixel Chips 26 Zukunftstechnologien ● Brückenschlag zu anderen Gebieten – Röntgenkameras in der Astronomie – Medizinische Anwendungen – Röntgenbildgebung
  27. 27. Ali Ikinci Pixel Chips 27 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
  28. 28. Ali Ikinci Pixel Chips 28 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
  29. 29. Ali Ikinci Pixel Chips 29 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit. Fragen ?

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