[논문 리뷰] First demonstration of in-beam performance of bent Monolithic Active Pixel Sensors

ALICE ITS project, :외 253명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 27.

CCD and CMOS Imaging Sensors참고 문헌 9인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 50 μm 두께의 ALPIDE 칩을 2 cm 반경으로 굴곡시켜 기계적 또는 전기적 손상 없이 1차적으로 비스듬한 상태에서의 성능을 입증한다. 5.4 GeV 전자 비드 테스트에서 감지 효율이 99.9% 이상 유지되어, ALICE ITS3와 같은 고에너지 물리 실험에서 초저재료, 원통형 버티스 검출기 구현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

A novel approach for designing the next generation of vertex detectors foresees to employ wafer-scale sensors that can be bent to truly cylindrical geometries after thinning them to thicknesses of 20-40$μ$m. To solidify this concept, the feasibility of operating bent MAPS was demonstrated using 1.5$ imes$3cm ALPIDE chips. Already with their thickness of 50$μ$m, they can be successfully bent to radii of about 2cm without any signs of mechanical or electrical damage. During a subsequent characterisation using a 5.4GeV electron beam, it was further confirmed that they preserve their full electrical functionality as well as particle detection performance. In this article, the bending procedure and the setup used for characterisation are detailed. Furthermore, the analysis of the beam test, including the measurement of the detection efficiency as a function of beam position and local inclination angle, is discussed. The results show that the sensors maintain their excellent performance after bending to radii of 2cm, with detection efficiencies above 99.9% at typical operating conditions, paving the way towards a new class of detectors with unprecedented low material budget and ideal geometrical properties.

연구 동기 및 목표

• 웨이퍼 스케일의 초박막 단일성 활성 픽셀 센서(MAPS)를 굴곡된 원통형 기하학에서 사용할 수 있는지 검증하는 것.
• 현재 벨트형 버티스 검출기에서의 재료 예산과 반경 근접 제약 문제를 해결하기 위해 진정으로 원통형 센서 층을 가능하게 하는 것.
• 굽힘 상태에서의 기계적 및 전기적 내구성을 입증하여 굴곡 후에도 완전한 기능을 유지하는지 확인하는 것.
• 굽힌 센서 표면 전반에 걸쳐 감지 성능, 즉 효율성 및 각도 반응 특성을 특성화하는 것.
• 내부층이 18 mm 반경 거리에 위치하고 재료 예산을 최소화하는 ALICE ITS3 제안을 뒷받침하는 것.

제안 방법

• ALICE ITS2에 사용하기 위해 설계된 50 μm 두께의 ALPIDE 칩를 굴곡 및 비드 테스트용 시험 센서로 사용.
• 아크릴 접착제를 사용해 칩 가장자리를 고정하고 마이크로미터 정밀도의 휠에 감싸인 폴리이미드 필름을 이용해 가역적이고 점진적인 굴곡 절차 개발.
• 굽힘 중에 접합되지 않은 센서 영역을 보호하고 균일한 굴곡 반경을 유지하기 위해 120 μm 두께의 폴리이미드 필름 사용.
• 굽힌 칩를 2 cm 반경으로 유지하기 위해 Ω형 알루미늄 프레임을 사용해 굴곡 안정성을 확보하고 비드 테스트 동안 유지.
• 5.4 GeV 전자 비드를 사용해 감지 효율, 위치 해상도, 비드 입사 각도에 따른 반응 특성을 평가.
• 센서 표면 전반과 국소 기울기 각도에 따른 감지 효율 분석을 통해 굴곡 후 성능 균일성 평가.

Figure 1 : Layout of the ALPIDE pixel matrix. The pixels are organised in double-columns, each featuring a priority encoder circuit which propagates the addresses of the hit pixels to the periphery logic. The aluminum pads providing the electrical interface to the chip are located on the top of the

실험 결과

연구 질문

• RQ1 50 μm 두께의 ALPIDE MAPS가 기계적 또는 전기적 고장 없이 2 cm 반경으로 굴곡될 수 있는가?
• RQ2 굽힘 후에도 MAPS의 전기적 기능성과 입자 감지 성능이 그대로 유지되는가?
• RQ3 감지 효율은 비드 위치와 국소 기울기 각도에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ4 굽힘은 센서의 공간 해상도와 신호 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 굽힌 MAPS는 고에너지 물리 실험에서 초저재료, 원통형 버티스 검출기 요구 성능을 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• ALPIDE 칩는 기계적 또는 전기적 손상 없이 2 cm 반경으로 성공적으로 굴곡되었으며, 굴곡 절차의 타당성이 확인되었다.
• 비드 테스트를 통해 굴곡 후에도 센서가 완전한 전기적 기능성과 입자 감지 성능을 유지함을 입증하였다.
• 굽힌 센서 표면 전반에서 일반 작동 조건에서 감지 효율이 99.9% 이상을 초과하여 거의 이상적인 성능을 나타냈다.
• 다양한 비드 위치와 국소 기울기 각도에서도 효율이 높고 안정적으로 유지되어 굴곡된 표면에서도 균일한 반응을 보였다.
• 결과적으로 굴곡된 웨이퍼 스케일 MAPS를 향후 버티스 검출기에서 사용할 수 있음을 입증하였으며, 상호작용 지점에서 18 mm까지의 반경에 도달할 수 있도록 하였다.
• 재료 예산을 거의 센서 두께 수준으로 최소화할 수 있으며, 지지 구조는 대부분 제거될 수 있음을 확인하였다.

(a) Bent ALPIDE chip on the carrier card