RICERCA ITALIANA     

Sistemi a pixel per tracciatori sottili di particelle cariche basati su tecnologie microelettroniche ad alta densità.

Università di Pisa

Abstract

Gli esperimenti ai futuri acceleratori come ILC o SuperB richiederanno tracciatori sottili di particelle cariche con rivelatori a pixel ad alta granularità nei primi strati. Lo scopo di questo programma di ricerca è di sviluppare un sistema di rivelazione a pixel utilizzabile in questi esperimenti e di esplorare alcune tecnologie più avanzate con il potenziale di migliorare significativamente le prestazioni del sistema.

I proponenti hanno sviluppato con successo (PRIN 2003, 2005, SLIM5) matrici di pixel monolitici attivi (MAPS), denominate la serie APSEL, basati sulla tecnologia CMOS ST a 130nm con tripla well (detta anche N-well profonda o DNW), con preamplificatore, formatore, discriminatore e latch completamente integrati nel pixel. Una architettura di readout data-push è stata integrata nell’ultimo chip APSEL, che verrà sottomesso a novembre 2007, con una matrice 32x128 di pixel 50x50um2.

In questo programma i proponenti si prefiggono di affrontare il problema dei rivelatori sottili a pixel da vari lati:
1. I sensori devono essere il più possibile sottili ed efficienti.
• Sviluppo di una matrice a pixel 128x128 DNW utilizzabile in esperimento, ottimizzando la cella del pixel per il rumore, la potenza e la resistenza alla radiazione, e dimostrando la scalabilità dell’architettura di readout.
• Esplorazione della tecnologia di interconnessione verticale, collegando un circuito integrato di lettura CMOS ad un sensore su >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Marcello Giorgi Università degli Studi di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

I rivelatori di silicio a strisce e pixel sono usati efficacemente in molti moderni tracciatori di particelle cariche e rivelatori di vertice. I futuri esperimenti alle macchine ad alta intensità, come una Super B Factory o il Linear Collider, richiederanno sia rivelatori di tracciatura e di vertice a stato solido con sensori molto sottili per preservare la risoluzione in impulso e sul vertice, sia capacità di trigger in un ambiente ad alto rate.

Lo scopo primario di questo programma è di sviluppare un sistema di rivelatore a pixel che soddisfi le specifiche per lo strato interno di un rivelatore all’acceleratore SuperB. Considerazioni di costo e complessità indicano che un modulo prototipo completo è fuori portata nel contesto di questo programma di ricerca, e punteremo quindi a fabbricare un modulo con prestazioni leggermente ridotte che potrà ciononostante dimostrare la fattibilità del rivelatore SuperB. Inoltre vogliamo esplorare alcune tecnologie più avanzate con il potenziale di migliorare significativamente le prestazioni del sistema.

Le richieste di SuperB per il primo layer di pixel possono essere riassunte come segue: dimensioni del modulo intorno a 1.5x5 cm2, contenente almeno 4 chip con 256x256 pixels con una dimensione di 50x50um2; spessore totale intorno a 0.5%X0 o meno; capace di sostenere un flusso di fondo di alcuni MHz/cm2. Lo scopo di questo programma è invece di progettare e costruire un modulo con almeno 2 chips di >>>

Risultati parziali attesi

Lo scopo primario di questo programma è di sviluppare un sistema di rivelatore a pixel che soddisfi le specifiche per lo strato interno di un rivelatore all’acceleratore SuperB. Questo obiettivo primario è ottenuto attraverso una serie di obbiettivi intermedi, molti dei quali sono rilevanti di per sè e contribuiscono significativamente all’avanzamento dello stato dell’arte nel campo. I risultati più rilevanti sono i seguenti.

1. Fabbricazione di una matrice DNW MAPS relativamente grande (128x128) con processamento di segnale e sparsificazione dei dati nel pixel, capace di funzionare in una ambiente ad alto rate. Alcune matrici MAPS esistenti sono molto più grandi (perfino 1 milione di pixels) ma si basano ancora sul readout sequenziale che le rende adatte solo per applicazioni a basso rate. La matrice DNW MAPS potrà essere usata nei tracciatori per SuperB o ILC, e in altri esperimenti dove rivelatori con elevata granularità e bassa massa sono cruciali. SLHC può anche trarre beneficio da questa tecnologia, anche se in questo caso sarebbero necessari studi ulteriori sulla resistenza alla radiazione. La mancanza di interconnessioni rende i MAPS intrinsecamente più affidabili e meno costosi dei sistemi a pixel ibridi, con applicazioni potenziali, ad esempio con un convertitore, anche alla rivelazione di fotoni.

2. Dimostrazione della utilizzabilità della tecnologia di integrazione verticale su silicio ad alta resistività per rivelatori >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Nota: riferirsi ai modelli B per la bibliografia
I rivelatori di silicio a strisce e pixel sono usati efficacemente in molti moderni tracciatori di particelle cariche e rivelatori di vertice. Grazie alla fine segmentazione (fino a poche decine di micron), forniscono una risoluzione spaziale molto buona, una potente capacità di pattern recognition, ed una buona compatibilità con ambienti ad alto flusso.
I proponenti hanno una lunga esperienza nel campo dei rivelatori di radiazione su silicio ad alta resistività e dei circuiti integrati misti analogico-digitali per la lettura di tali dispositivi. In particolare hanno avuto ruoli centrali nella progettazione e costruzione del MiniVertex Detector MVD dell’esperimento Aleph e del Silicon Vertex Tracker SVT dell’esperimento Babar.

I sistemi a pixel ibridi consistono di due chip assemblati con tecniche di bump bonding: una matrice di sensori realizzata su silicio ad alta resistività e un chip per l’elettronica di lettura realizzato con una tecnologia microelettronica ad alta densità (tipicamente CMOS). La quantità di materiale tende ad essere elevata, rendendo questi dispositivi inadeguati all’utilizzo in applicazioni alle macchine future come SuperB o ILC. I sistemi a pixel monolitici attivi (MAPS) permettono una significativa riduzione della quantità di materiale e sono sviluppati da diversi gruppi di ricerca. Grazie al loro principio di funzionamento, basato sulla diffusione termica di >>>