Développement des capteurs à pixels avec microcircuits intégrés pour le détecteur vertex de l'expérience STAR au collisionneur RHIC

Development of pixel detectors with integrated microcircuits for the vertex detector in the Star experiment at the RHIC collider

• Auteur / Autrice : Michal Szelezniak
• Direction : Ulrich Goerlach
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Détecteurs de rayonnement

Capteurs (technologie)

Résumé

Ce travail contribue au programme de recherche et de développement des détecteurs monolithiques à pixels actifs (MAPS) pour la construction du prochain détecteur de vertex dans l’expérience STAR du collisionneur RHIC. Le détecteur à 135 million pixel, prévue pour 2011, augmentera le programme de physique grâce à sa résolution de pointage prévu du 30 µm. La collaboration STAR développe ce détecteur dans la nouvelle technologie des MAPS qui fournit un capteur et l'électronique de lecture intégrée dans les processus standard de CMOS. Le travail présenté dans cette thèse, décrit la progression du développement des MAPS d’une simple architecture jusqu’à des conceptions plus complexes qui intègrent le traitement des signaux sur le circuit. Une étude un amplificateur d’entrée intégré au niveau d’un pixel avec une consommation de puissance faible et à faible bruit, est présenté avec les résultats expérimentaux associés. L'intégration des capteurs MAPS au détecteur du vertex a été étudié dans ce travail avec un télescope de détecteurs composé de trois prototypes MAPS et un prototype du système de lecture. La réduction du débit des données d'un système portant sur plusieurs millions de pixels a été étudiée avec un algorithme trouvant dynamiquement les pixels touchés par le faisceau. L'opération du RHIC à une luminosité ultime exige des architectures plus avancées que la simple conception mise en application dans de premier prototype consacré à STAR. Dans ce travail les solutions présentées indiquent le chemin de développement pour les capteurs finaux avec une amplification du signal intégré dans les pixels et une numérisation des données sur le détecteur.

This work is part of the Monolithic Active Pixel Sensor (MAPS) R&D program that is directed towards construction of a new, 135 million pixel vertex detector for the STAR experiment at the RHIC collider. The new detector is planned to be installed in 2011 to extend the current physics capabilities of the system by providing a pointing resolution of 30 µm. The STAR collaboration is actively pursuing detector development in MAPS technology that offers thin monolithic detectors fabricated in standard CMOS processes. The work presented addresses the development of MAPS from basic architectures to simple integrated on-chip signal processing. A common element for most of the presented readout schemes is a compact low-noise, low power consumption, compact in-pixel amplifier. A review of possible solutions for this element together with experimental results is presented. MAPS operating in current mode have been investigated in this thesis as an alternative to the classical voltage mode. Integration of MAPS sensors in a complete detector system has been investigated with a prototype readout system coupled to a detector telescope composed from three MAPS prototypes. The optimization of the readout of a multi-million pixel detector has been addressed with a study of an ''on-the-fly'' cluster finding algorithm reducing the data rates. The operation of RHIC with increased luminosity will require more advanced pixel architectures than the simple design implemented in the first prototypes. The solutions presented indicate a development path for the final sensor with in-pixel signal amplification and on-chip data digitization.