[논문 리뷰] Development of CMOS Pixel Sensors fully adapted to the ILD Vertex Detector Requirements

M. Winter, J. Baudot외 9명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 16.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 ILD 비틀림 검출기의 요구사항을 충족시키기 위해 개발된 CMOS 픽셀 센서를 제시한다. 이 센서는 이중면 래더 구조를 채택하여 고해상도 및 고정밀 시간 해상도를 확보하면서도 전력 소모를 최소화한다. 0.18 µm CMOS 공정으로 제작된 센서는 읽기 속도를 약 ~50 µs까지 빠르게 하고, 단일 포인트 해상도를 3 µm 이내로 달성하여 ILD의 모든 요구사항(비트맵 배경 내성, 저전력 운용 등)에 거의 부합한다.

ABSTRACT

CMOS Pixel Sensors are making steady progress towards the specifications of the ILD vertex detector. Recent developments are summarised, which show that these devices are close to comply with all major requirements, in particular the read-out speed needed to cope with the beam related background. This achievement is grounded on the double- sided ladder concept, which allows combining signals generated by a single particle in two different sensors, one devoted to spatial resolution and the other to time stamp, both assembled on the same mechanical support. The status of the development is overviewed as well as the plans to finalise it using an advanced CMOS process.

연구 동기 및 목표

• 빔 배경 조건 하에서 ILD 비틀림 검출기의 고공간 해상도 및 고시간 해상도를 확보하는 데 도전한다.
• 냉각 시스템으로 공기 냉각을 가능하게 하기 위해 전력 소모와 재료 예산을 최소화한다.
• ILC의 내측 추적 층에서 요구하는 엄격한 조건(높은 입자 빔률, 방사선 내성 등)을 충족하는 CMOS 픽셀 센서를 개발한다.
• 0.18 µm 공정을 활용해 통합 밀도, 방사선 내성, 성능 향상을 위한 CMOS 센서 기술을 발전시킨다.
• 앞으로 몇 년 내로 ILD 검출기의 모든 사양을 충족하는 전면 프로토타입 제작을 가능하게 한다.

제안 방법

• 한 센서는 공간 해상도를 담당하고(이를 MIMOSA-in이라 함), 다른 센서는 시간 타임스탬프 기능을 수행하며(AROM), 이 두 센서를 동일한 기계적 지지대에 장착한 이중면 래더 아키텍처를 구현한다.
• 컬럼 단위의 롤링 셔터 읽기 방식을 적용하여, 한 번에 한 행만 활성화함으로써 저전력 운용을 실현하며, 내측 레이어의 읽기 시간은 약 ~50 µs이다.
• 공백 제거 회로와 내장형 SRAM을 통합하여 히트 데이터를 버퍼링하고 데이터 전송 부담을 줄인다.
• 상관 이중 샘플링과 픽셀 단위의 사전 증폭을 적용하여 노이즈를 감소시키고 신호의 정밀도를 향상시킨다.
• AROM 센서에 가변 해상도 ADC(2–4비트)를 설계하여 전하 진폭을 인코딩하면서도 위치 해상도를 떨어뜨리지 않는다.
• 딥 페웰과 6–7층의 메탈 레이어를 갖춘 0.18 µm CMOS 공정을 사용해 프로토타입을 제작함으로써 통합성과 방사선 내성을 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빔스트랄루 뒷받침 배경 조건 하에서 ILD 비틀림 검출기의 내측 레이어에서 요구하는 50 µs 읽기 속도를 CMOS 픽셀 센서가 달성할 수 있는가?
• RQ2 전하 중심 복원 기법을 사용할 경우, 약 17 µm 이하의 픽셀 간격으로 3 µm 이내의 공간 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ3 이중면 읽기 아키텍처를 채택함에도 불구하고 전력 소모가 공기 냉각이 가능한 수준으로 낮은가?
• RQ4 0.18 µm CMOS 공정이 전체 규모의 ILD 센서 제작에 필요한 충분한 통합 밀도와 방사선 내성을 제공할 수 있는가?
• RQ5 MIMOSA-in과 AROM 센서의 조합이 동시에 고공간 해상도와 고시간 해상도를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• MIMOSA-26 센서는 18.4 µm 픽셀 간격에서 단일 포인트 해상도 5.3 µm를 달성하여, 17 µm 이하의 픽셀 간격에서 3 µm 이내의 해상도 확보가 가능함을 입증한다.
• 가짜 히트 비율이 10⁻⁴ 이하로 유지되는 디스크리미네이터 임계치에서 탐지 효율이 거의 100% 유지되어 노이즈에 대한 강건한 내성을 보인다.
• 이중면 읽기 아키텍처는 읽기 시간을 약 ~50 µs로 단축시켜, 500 GeV ILC 운용 조건에서 내측 레이어의 요구사항을 충족한다.
• 전력 소모 추정치에 따르면, 2% 듀티 사이클에서 전체 검출기의 평균 전력 소모는 약 10 W로 공기 냉각이 가능한 수준이다.
• 0.18 µm CMOS 공정은 6–7층의 메탈 레이어와 딥 페웰을 제공하여 통합성 향상과 픽셀 내 임의의 전하 수집 감소를 가능하게 한다.
• MIMOSA-30과 MIMOSA-31 프로토타입(AROM와 고속 ADC를 탑재)은 2011년 후반에 제작되었으며, 2012년 CERN-SPS 빔 테스트를 예정하고 있다.