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2012(实验)硅像素芯片设计取得新的突破

2012年度,粒子探测器与快电子学技术课题组根据研究计划设计了TopMetal1芯片MIC3芯片,对TopMetal1芯片设计了微型时间投影室,进行了噪声测试。开发了针对不同应用的读出电子学系统。研究了TopMetal1芯片用于兰州近代物理研究所微束流定位的具体情况.

MIC3是一款集成了不同像素结构的CMOS传感器芯片。该芯片的利用二极管收集通过例子在其内部产生的电荷形成信号。不同的像素结构的设计是为了实现XFAB350纳米工艺下的优化。图一是MIC3版图。

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图一 MIC3版图图二topmetal版图

TopMetal1芯片是一款像素传感器芯片,能够收集并测量与其接触的气体中的电荷。TopMetal1芯片主要的结构特点是它的每个像素的最外层金属中有一部分裸露在空气中,每个像素利用这一部分金属收集漂移过来的电荷。下图是TopMetal1芯片像素的照片,可以看到矩形金属片中间的正方形,它是直接暴露在空气中的部分,大小为15微米X15微米。整个芯片包含64X64个像素,每个像素的大小是80微米X80微米。每一个像素内部有一个源极跟随器,可以将顶层金属上的压降信号以模拟信号的形式输出到芯片外。像素内同时还有比较器和计数器,可以工作在计数模式下。芯片的设计工作频率为64兆赫兹,在这个工作频率下,扫描完整个像素阵列的时间为64微秒。图二是topmetal版图,图三是topmetal晶圆,图四是topmetal的显微照片。

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图三topmetal晶圆图四topmetal显微照片

使用TopMetal1芯片设计了微型时间投影室,并进行了噪声测试。在基于TopMetal1的TPC中,TopMetal1是接收信号的关键器件,因而TopMetal1的工作噪声和自身参数如像素结电容等的测定是非常重要的,也是构建TPC必备的前期工作。

  PLAC实验室利用皮安表测定Topmetal的等效噪声电荷(ENC)和像素结电容。采用Genesys开发板FPGA对Topmetal进行控制,用CAEN板卡获取ADC数据(图2)。通过两次无放射源DAQ系统取数做差值的方式获得Topmetal噪声对应的ADC值。信号如图五所示。

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图五有源信号单次测定

测得Topmetal像素芯片每个像素结电容为(196.43.png19.99fF(图6),等效噪声电荷ENC2174.png

研究了TopMetal1芯片用于兰州近代物理研究所微束流定位的具体情况。兰州近代物理研究所微束流产生的电荷信号很小,为了对单个粒子进行定位,我们需要将微束流产生的电荷信号在空气中进行放大。我们采用直径25微米的双层金属微网进行放大。用α源做激励,观测到信号的放大。

  开发了基于DE2i-150开发板开发板的读出电子学。该系统上的Atom CPU上可以运行windows系统,也可以运行Linux系统。基于windows系统或Linux系统开发的应用程序,可以通过PCIe接口读写与FPGA相接的SDRAMFPGA内部通过PCIe Soft IPPC相接。图六是DE2i系统的结构图和实物图。

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图六 DE2i系统的结构图和实物图

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