Un CMOS de 64 000 pixels

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11799 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Le module DEPFET de 64 000 pixels est le composant sensible clé du capteur DEPFET avec compression de signal (DSSC), un détecteur hybride 2D à grande surface pour capturer et mesurer les rayons X mous au XFEL européen. L'appareil photo final de 1 mégapixel doit détecter des photons avec des énergies comprises entre \(250\,\text{eV}\) et \(6\,\text{keV}\), et doit fournir une fréquence d'images maximale de \(4,5 \,\text{MHz}\) pour faire face à la structure de paquets unique du XFEL européen. Ce travail résume les fonctionnalités et les propriétés des premiers modules assemblés avec des matrices CMOS-DEPFET plein format, comportant \(512\,\times \,128\) pixels de forme hexagonale avec une longueur de côté de 136 μm. Les capteurs de pixels utilisent la technologie DEPFET pour obtenir une capacité d'entrée extrêmement faible pour une excellente résolution énergétique et, en même temps, une capacité intrinsèque de compression du signal sans aucune commutation de gain. Chaque pixel de l'ASIC de lecture comprend un circuit d'annulation de courant de polarisation DEPFET, un filtre de forme trapézoïdale, un CAN 9 bits et une mémoire numérique de 800 mots. Le détourage, l'étalonnage et la caractérisation finale ont été réalisés sur un banc d'essai en laboratoire à DESY. Toutes les fonctionnalités du détecteur sont évaluées à \(18\,^{\circ }\text{C}\). Une charge de bruit équivalente exceptionnelle de \(9,8\)e−rms est obtenue à une fréquence d'images de 1,1 MHz et un gain de 26,8 unités analogiques-numériques par keV (\(\,\text {ADU}/\text{keV }\)). À \(4,5\,\text{MHz}\) et \(3,1\,\,\text {ADU}/\text{keV}\), un bruit de \(25,5\) e−rms et une plage dynamique de \(26\,\text{k}\text {e}^{-}\) sont obtenus. La plage dynamique la plus élevée de \(1,345\,\text{M}\text {e}^{-}\) est atteinte à \(2,25\,\text{MHz}\) et \(1,6\,\text { ADU}/\text{keV}\). Ces valeurs peuvent répondre aux spécifications du projet DSSC.

Le XFEL européen (EuXFEL) est une source laser à électrons libres à rayons X, dans laquelle jusqu'à 2 700 impulsions de rayons X extrêmement brillantes d'un seul train de paquets à \(4,5\,\text{MHz}\) sont répétées tous les \(100 \,\text{ms}\)1. Son système de paquets unique pose de gros défis de conception pour le développement du détecteur d'imagerie. Trois types de détecteurs de 1 mégapixel ont été spécialement conçus avec différents concepts pour faire face à la plage d'énergie des rayons X, à la fréquence d'images maximale et à la plage dynamique requises.

Le détecteur de grands pixels (LPD)2 possède des pixels carrés de taille \({500}\)-μm et a été conçu pour fonctionner dans la plage d'énergie comprise entre \(5\) et \(20\,\text{keV} \). Son électronique pixel comprend un amplificateur sensible à la charge (CSA) avec trois étages de gain et une mémoire analogique de 512 cellules par étage fonctionnant en parallèle. La numérisation est exécutée pendant les intervalles de train grâce à un convertisseur analogique-numérique (ADC) au niveau de la colonne sur puce. Le chemin de gain pratique est sélectionné hors puce afin d'obtenir la plage dynamique maximale. Le détecteur fait partie de l’instrument scientifique Femtosecond X-ray Experiments (FXE) de l’EuXFEL3.

Le détecteur de pixels à intégration de gain adaptatif (AGIPD)4 cible la même plage d'énergie que le LPD, mais offre une résolution spatiale de \(200\) μm. Il comporte un CSA avec trois gains sélectionnés dynamiquement en fonction de la sortie du CSA. Un étage de double échantillonnage corrélé (CDS) supprime le bruit de réinitialisation et sa sortie est stockée dans une mémoire analogique de 352 cellules. Ses données analogiques sont ensuite numérisées par des CAN hors puce. L’AGIPD fait partie des Particules Uniques, Clusters, Biomolécules & Cristallographie Femtoseconde en Série (SPB/SFX)5 et des Instruments Imagerie et Dynamique des Matériaux (MID)6.

Le capteur à transistor à effet de champ appauvri (DEPFET) avec compression de signal (DSSC) cible la plage de rayons X mous comprise entre \(250\,\text{eV}\) et \(6\,\text{keV}\). Une première caméra est basée sur des cellules passives de détecteur de dérive de silicium miniaturisé (mini-SDD) de forme hexagonale avec une longueur de côté de \(136\) μm7, correspondant à un diamètre de surface égale de \(247\) μm. La chaîne de lecture de chaque pixel comprend un CSA, un filtre variable dans le temps avec fonction de pondération trapézoïdale, un CAN 9 bits avec capacité de réglage du gain et du décalage et une SRAM avec une capacité de stockage de 800 échantillons. Ainsi, le détecteur DSSC offre non seulement la capacité de stockage la plus importante parmi les trois versions de détecteur, mais est également unique avec son approche de numériseur par pixel. Une autre caractéristique unique concerne la capacité de mise hors tension des blocs de signaux analogiques et mixtes inutilisés lors de la lecture de la mémoire dans les espaces inter-trains. De cette manière, la dissipation de puissance sous vide est considérablement réduite à \(149\,\text{W}\) contrairement à l'AGIPD (\(550\,\text{W}\)). La consommation électrique du détecteur de 1 mégapixel comprenant l'électronique sous vide extérieur est de \(263\,\text{W}\) par rapport à l'AGIPD (\(1,2\,\text{kW}\)4) et au LPD ( \(12\,\text{kW}\)8). Le gain de la chaîne de traitement du signal peut être ajusté dans le CSA, dans le filtre et dans l'ADC, de sorte que la version actuelle de l'imageur DSSC avec capteur mini-SDD passif couvre toute la plage énergétique avec une granularité de gain inférieure à un pour cent7. L'imageur a atteint une charge de bruit équivalente (ENC) d'environ \(60\,\text {e}^{-}\text {rms}\) à la fréquence d'images maximale de \(4,5\,\text{MHz}\ ), où la plage dynamique linéaire est limitée à 9 bits maximum. La caméra a été mise en service et est utilisée dans les instruments à rayons X mous de spectroscopie et de diffusion cohérente (SCS)9 et de petits systèmes quantiques (SQS) à l'EuXFEL.