Sieberer, P. (2023). Monolithic active pixel sensors for high rate tracking detectors [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2023.86681
Verarmte monolithische aktive Pixelsensoren (in Englisch: Depleted Monolithic Active Pixel Sensors, DMAPS) sind eine vielversprechende Technologie für zukünftige Spurdetektoren. Das Konzept hinter einem monolithischen Ansatz ist die Integration der Mes- selektrode eines Silizium Detektors und der Ausleseelektronik im selben Stück Silizium. Die Technologie hat zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen hybriden Pixelsensoren. Eine verbesserte Spurrekonstruktion aufgrund geringeren Materialbudgets und einfachere, sowie billigere Produktion, da keine fehleranfällige Flip-Chip Montage nötig ist, sind wesentliche Vorteile von DMAPS.Die CERN RD50-HVCMOS Gruppe erforscht diese neue Technologie und setzt dabei einen Fokus auf Strahlenhärte, einer der größten Herausforderungen für zukünftige Hochenergiephysik-Detektoren aufgrund des Luminositätsanstieges. Der Fokus dieser Dissertation ist das Digitaldesign und die Möglichkeit zur Integration in größere Experimente, was den nächsten wesentlichen Entwicklungsschritt darstellt.Im Zentrum dieser Dissertation steht eine erhebliche Erweiterung des Vorgängerchips um eine digitalen Auslese. Der Chip ist in einem kommerziellen CMOS Prozess mit einer Strukturgröße von 150nm entwickelt und von LFoundry auf einen hochresisitiven Substrat gefertigt, um die Verarmungszone mit höherer Vorspannung zu vergrößern und die Strahlenhärte zu erhöhen. Eine essenzielle Komponente des neues Chips, RD50- MPW3, ist die digitale Peripherie, welche eine 640MHz Datenausgabe bereitstellt, die eine Trefferrate von zirka 1 MHz/cm2 auslesen kann. Der Fokus liegt auf Integration in ein Auslesesystem zur schnellen Datenauslese, Kommunikation und Synchronisation mit anderen Detektoren. Dies beinhaltet die Implementierung eines weit verbreiteten I2C Busses sowie definierte Datenpakete und Kodierung des Datenstroms für eine zuverlässige, verlustfreie Datennahme. Die neu entwickelte Peripherie arbeitet mit der Design-Frequenz und bislang wurden keine Probleme gefunden.Die Arbeit beinhaltet eine detaillierte Auswertung des Vorgängers, RD50-MPW2, sowie des neu entwickelten RD50-MPW3. Die Charakterisierung von ersterem fokussiert auf die analoge Leistungsfähigkeit des Sensors, wofür eine Bestrahlungskampagne durchgeführt wird, um die Strahlenhärte zu testen. Das Augenmerk bei der Auswertung von RD50-MPW3 liegt auf der digitalen Auslese, wobei der Chip in einen größeren Aufbau integriert und mit anderen Subdetektoren im Rahmen eines Strahltests synchronisiert wird. Die Analyse dieser Daten beendet diese Dissertation. Den Abschluss der Dissertation bildet die Analyse der Daten.Die Ergebnisse aller Studien zeigen, dass die DMAPS Technologie eine vielversprechende Wahl für viele Experimente in der Hochenergiephysik ist. Strahlenhärte, Materialbudget und Auslösung sind bereits nahe an den Anforderungen für verschiedene, geplante Detektoren nach 2035. Die Technologie ist für eine Integration in derzeitige Systeme bereit. Um die vollen Kapazitäten der DMAPS Technologie auszuschöpfen, sind Forschungsdesiderate im Bereich der Integration in große Systeme, wie beispielsweise die Akzeptanz eines externen Triggers, zu beheben.
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Depleted monolithic active pixel sensors (DMAPS) are a promising technique for future solid-state tracking detectors. The concept behind a monolithic approach is to integrate the sensing electrode of the silicon detector and the readout electronics into the same piece of silicon. The technique has numerous advantages over conventional hybrid pixel sensors. Improved tracking performance due to less material budget and potentially simpler and cheaper production as no error-prone bump-bonding is needed are essential benefits of DMAP sensors.The CERN RD50-HVCMOS group aims to investigate this new technology, focusing on radiation hardness, one of the most critical challenges of future high-energy physics detectors due to the luminosity increase. This thesis focuses on digital design and integration features as the next essential step toward integration in a large-scale experiment.The main focus of this thesis is the design of a significantly extended chip, including a digital readout. As with all the predecessors, the chip is designed using a commercial CMOS process with a 150 nm feature size from LFoundry, fabricated on a high resistivity substrate to enlarge the depletion region using a higher bias voltage and thus radiation hardness. A major new compound of the new chip, RD50-MPW3, is the digital periphery, which provides a fast 640 MHz output stream, capable of reading out a hit rate of around 1MHz/cm2. The focus is on integrating the chip into a DAQ system for efficient readout, communication, and synchronisation with other detectors. This includes implementation of a communication interface via the widely known I2C bus, and framing and encoding the output stream to ensure reliable data recording. The newly developed digital periphery does operate at design speed without any issues found so far.The work includes a detailed evaluation campaign of the predecessor, RD50-MPW2, and the newly designed RD50-MPW3. The characterization of RD50-MPW2 focuses analog performance of the sensor front end, and an irradiation campaign is conducted to study radiation hardness. Performance studies of the new digital readout are the main focus during the evaluation of RD50-MPW3. The chip is integrated into a large setup and synchronized with other subdetectors during a test beam campaign. The analysis of this campaign concludes this thesis.The results of all studies prove that the DMAPS technology is a promising choice for many future experiments in high-energy physics. Radiation hardness, material budget, and resolution are already close to the demands for various detectors planned to be built after 2035. Although the technology is ready to be integrated into current detector systems, more R&D with a focus on integration into large systems, for instance, accepting an external trigger decision, is needed to exploit the full capabilities of DMAPS.