64k 픽셀 CMOS

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11799(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

64k 픽셀 DEPFET 모듈은 유럽 XFEL에서 연 X선을 캡처하고 측정하기 위한 대면적 2D 하이브리드 검출기인 DSSC(신호 압축 기능이 있는 DEPFET 센서)의 핵심 민감한 구성 요소입니다. 최종 100만 화소 카메라는 \(250\,\text{eV}\)~\(6\,\text{keV}\) 사이의 에너지를 가진 광자를 감지해야 하며 \(4.5)의 최대 프레임 속도를 제공해야 합니다. \,\text{MHz}\)는 유럽 XFEL의 독특한 무리 구조에 대처합니다. 이 작업은 측면 길이가 136μm인 \(512\,\times \,128\) 육각형 픽셀을 특징으로 하는 풀 포맷 CMOS-DEPFET 어레이로 조립된 첫 번째 모듈의 기능과 특성을 요약합니다. 픽셀 센서는 DEPFET 기술을 활용하여 탁월한 에너지 분해능을 위한 극도로 낮은 입력 정전용량을 실현하는 동시에 이득 전환 없이 신호 압축의 고유한 기능을 실현합니다. 판독 ASIC의 각 픽셀에는 DEPFET 바이어스 전류 제거 회로, 사다리꼴 모양 필터, 9비트 ADC 및 800워드 길이의 디지털 메모리가 포함되어 있습니다. 트리밍, 교정 및 최종 특성화는 DESY의 실험실 테스트 벤치에서 수행되었습니다. 모든 감지기 기능은 \(18\,^{\circ }\text{C}\)에서 평가됩니다. \(9.8\)e−rms의 탁월한 등가 잡음 전하는 1.1MHz 프레임 속도와 keV당 26.8 아날로그-디지털 단위 이득(\(\,\text {ADU}/\text{keV)에서 달성됩니다. }\)). \(4.5\,\text{MHz}\) 및 \(3.1\,\,\text {ADU}/\text{keV}\)에서 \(25.5\) e−rms의 잡음과 동적 범위 \(26\,\text{k}\text {e}^{-}\)를 얻습니다. \(1.345\,\text{M}\text {e}^{-}\)의 가장 높은 동적 범위는 \(2.25\,\text{MHz}\) 및 \(1.6\,\text { ADU}/\text{keV}\). 이러한 값은 DSSC 프로젝트의 사양을 충족할 수 있습니다.

유럽 ​​XFEL(EuXFEL)은 X선 자유 전자 레이저 소스로, \(4.5\,\text{MHz}\)에서 단일 다발 열차의 최대 2700개의 극도로 밝은 X선 펄스가 \(100)마다 반복됩니다. \,\텍스트{ms}\)1. 독특한 다발 방식은 이미징 검출기 개발에 큰 설계 과제를 안겨줍니다. 세 가지 1메가픽셀 검출기 유형은 필요한 X선 에너지 범위, 최대 프레임 속도 및 동적 범위에 대처하기 위해 서로 다른 개념으로 특별히 설계되었습니다.

LPD(Large Pixel Detector)2는 \({500}\)-μm 크기의 정사각형 픽셀을 가지며 \(5\)~\(20\,\text{keV} 사이의 에너지 범위에서 작동하도록 설계되었습니다. \). 픽셀 전자 장치에는 3개의 이득 스테이지가 있는 전하 감지 증폭기(CSA)와 병렬로 작동하는 스테이지당 512셀 아날로그 메모리가 있습니다. 온칩 열 레벨 아날로그-디지털 변환기(ADC) 덕분에 열차 간격 동안 디지털화가 실행됩니다. 최대 동적 범위를 달성하기 위해 편리한 이득 경로가 칩 외부에서 선택됩니다. 검출기는 EuXFEL3의 FXE(Femtosecond X-ray Experiments) 과학 장비의 일부입니다.

AGIPD(Adaptive Gain Integrating Pixel Detector)4는 LPD와 동일한 에너지 범위를 목표로 하지만 \(200\)μm의 공간 분해능을 제공합니다. CSA 출력에 따라 동적으로 선택되는 세 가지 이득을 갖춘 CSA가 특징입니다. CDS(상관 이중 샘플링) 단계는 재설정 잡음을 제거하고 해당 출력은 352셀 아날로그 메모리에 저장됩니다. 아날로그 데이터는 이후 오프칩 ADC에 의해 디지털화됩니다. AGIPD는 단일 입자, 클러스터, 생체분자 및 직렬 펨토초 결정학(SPB/SFX)5 및 재료 이미징 및 역학(MID)6 장비의 일부입니다.

DSSC(신호 압축 기능이 있는 DEPFET) 센서는 \(250\,\text{eV}\)와 \(6\,\text{keV}\) 사이의 연 X선 범위를 목표로 합니다. 첫 번째 카메라는 \(247\)μm의 동일 면적 직경에 해당하는 \(136\)μm7의 측면 길이를 갖는 육각형 모양의 수동형 소형 실리콘 드리프트 감지기(mini-SDD) 셀을 기반으로 합니다. 각 픽셀의 판독 체인은 CSA, 사다리꼴 가중치 기능이 있는 시변 필터, 게인 및 오프셋 트리밍 기능이 있는 9비트 ADC, 800개 샘플의 저장 용량을 갖춘 SRAM으로 구성됩니다. 따라서 DSSC 감지기는 세 가지 감지기 버전 중에서 가장 깊은 저장 용량을 제공할 뿐만 아니라 픽셀당 디지타이저 접근 방식이 독특합니다. 또 다른 고유한 기능은 열차 간 간격 내에서 메모리를 판독하는 동안 사용되지 않는 아날로그 및 혼합 신호 블록의 전원 차단 기능과 관련이 있습니다. 이러한 방식으로, 진공 내 전력 손실은 AGIPD(\(550\,\text{W}\))와 대조적으로 \(149\,\text{W}\)로 대폭 감소됩니다. 외부 진공 전자 장치로 구성된 1 메가픽셀 감지기의 전력 소비는 AGIPD(\(1.2\,\text{kW}\)4) 및 LPD(\(263\,\text{W}\))와 비교됩니다. \(12\,\text{kW}\)8). 신호 처리 체인의 이득은 CSA, 필터 및 ADC에서 조정될 수 있으므로 패시브 미니 SDD 센서가 있는 DSSC 이미저의 현재 버전은 1% 미만의 이득 세분성으로 전체 에너지 범위를 포괄합니다7. 이미저는 최대 프레임 속도 \(4.5\,\text{MHz}\)에서 약 \(60\,\text {e}^{-}\text {rms}\)의 등가 잡음 전하(ENC)에 도달했습니다. ), 여기서 선형 동적 범위는 최대 9비트로 제한됩니다. 이 카메라는 의뢰를 받아 EuXFEL의 분광학 및 응집성 산란(SCS)9 및 소형 양자 시스템(SQS) 연 X선 장비에서 사용되고 있습니다.