Développement et caractérisation d’un ASIC de lecture de macro-cellule de photo-détecteurs de grande dimension

Development and characterisation of a front-end ASIC for macro array of photo-detectors of large dimensions

• Auteur / Autrice : Selma Conforti Di Lorenzo
• Direction : Jean-Eric Campagne, Christophe de La Taille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Capteurs optiques

Photomultiplicateurs

Résumé

PMm² est un projet financé pour 3 ans (2007-2010) par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) dont le titre exact est “Electronique innovante pour photo-détecteurs distribués en physique des particules et astroparticule”. Le projet PMm² propose de segmenter les grandes surfaces de photo-détection en “macro modules” de 16 PMTs de 12’’ (2x2 m²), connectés à une électronique innovante autonome qui fonctionne en déclenchement automatique et est installé proche des PMTs. Ce développement est rendu possible par les progrès de la microélectronique qui permettent d'intégrer la lecture et le traitement des signaux de tous ces photomultiplicateurs à l’intérieur d’un même circuit intégré (ASIC) baptisé PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip) et seules les données numérisées sont ensuite expédiées par réseau vers le système de stockage des données en surface. Le circuit PARISROC, réalisé en technologie AMS SiGe 0. 35 μm, contient 16 voies totalement indépendantes correspondant aux 16 PMTs de chaque module. Chacune de ces voies permet la lecture de la charge du signal reçu ainsi que du temps associé. Le premier prototype du circuit PARISROC a une surface totale de 19 mm2. Il a été envoyé en fabrication en juin 2008 chez Austrian Micro-System (AMS) par l’intermédiaire du centre de multi-projet CMP (à Grenoble), puis livré au laboratoire en décembre 2008. Les mesures effectuées sur l’ASIC ont conduit à la réalisation d’un second prototype. Des améliorations notables ont été apportées, en termes de bruit, de dynamique, de vitesse de lecture du chip (passage des horloges de 10 MHz à 40 MHz), de mesure de temps (améliorations de la TDC), de mesure de charge (améliorations du “shaper” lent). Envoyé en fabrication en novembre 2009 et reçu au laboratoire en février 2010, ce nouveau prototype PARISROC 2 a été testé en laboratoire et l’analyse a montré un comportement général correct et la réalisation des modifications apportées.

PMm² is a project founded for three years by the French National Agency for Research (ANR) with the complete title: “Innovative electronics for photo-detectors array used in high energy physics and astroparticles”. The project proposes to segment the large surface of photo-detection in macro pixel consisting of an array of 16 PMTs of 12-inches (2*2 m²), connected to an autonomous front-end electronics which works in a triggerless data acquisition mode placed near the array. This is possible thanks to the microelectronics progress that allows to integrate the read out and the signal processing, of all the photomultipliers, in the same circuit (ASIC) named PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip). The ASIC must send out only the digital data by network to the surface central data storage. The PARISROC Chip, made in AMS 0. 35 µm technology, integrates 16 independent channels for each PMTs of the array, providing charge and time measurements. The first prototype of PARISROC chip has a total surface of 19 mm². It has been sent for fabrication in June 2008 to AMS foundry (AustriaMicroSystems) through the CMP (Multi Project Center) and received in December 2008. The ASIC measurements have led to the realization of a second prototype. Important measurements were brought in terms of noise, dynamic range, read out frequency (from 10 MHz to 40 MHz), time measurements (TDC improvements) and charge measurements (Slow shaper improvements). Sent for fabrication in November 2009 and received in February 2010, this new prototype PARISROC 2 has been tested and the characterisation has shown a good overall behavior and the verification of the improvements.