Активно-пиксельный датчик заряженных частиц mimosa
Описываемый далее датчик является координатно-чувствительным детектором для трекинга заряженных частиц, обладающих высокой энергией. Его название расшифровывается как Minimum Ionising Particles MOS Active Pixel (MIMOSA). Этот датчик и его применение описаны во многих статьях, например, в [8-10]. Прибор относится к типу MAPS, то есть его электроника для регистрации частицы и считывания интегрирована на одной и той же подложке из кремния.
Чувствительным элементом датчика является фотодиод. Сбор заряда в таком детекторе происходит относительно быстро и занимает около 100 нс.
Сенсор состоит из 4-х независимых массива пикселей, каждый из которых содержит 4096 пикселя, собранных в 64 столбца и 64 строки. Сам пиксель имеет размер 20 мкм по длине и ширине. Отдельные пиксели опрашиваются последовательно с частотой 2.5 МГц и внешний 12-битовый АЦП оцифровывает построчно аналоговый сигнал из каждого пикселя. Данные из 2 последовательных кадров (8092 частей) содержаться в ОЗУ. Опрос прекращается после того как появляется частица. С задержкой в 1.6 мс после окончания считывания, сигнал с каждого пикселя вычисляется по абсолютной величине как разница между данными из последовательных кадров, то есть до и после прибытия. Оба кадра синхронизированы по циклу сброса. Такой метод считывания, похожий на коррелированное дублирование, исключает смещение постоянной составляющей дисперсии между пикселями, убирает главный источник шума - так называемый kTC noise (шум сброса), который появляется во время очистки пикселя и эффективно подавляет другие коррелированные шумы. После этого сигнал, полученный под действием частицы, легко снимается [8].
Свободные электроны, созданные пролетающей частицей, собираются фотодиодом (рис.7) от тонкого частично обедненного эпитаксиального кремниевого слоя, допускающего 100%-ный фактор заполнения (fill-factor).
Критические параметры КМОП-сенсора - время и эффективность собирания заряда. Эти факторы, несмотря на бесспорные преимущества КМОП-детектора, могут ограничивать их действия. В работе [10] было проведено трехмерные моделирования процесса сбора заряда. Вследствие тепловой диффузии, более 1000 электронов концентрируются в группе пикселей 3´3 за время 100 нс в толстом 15-микронном эпитаксиальном слое. Результаты моделирования были сравнены с измерениями, выполненными на опытном образце MIMOSA при использовании в качестве источника
(a)
(b)
Рис.7. Моделирование распространения заряда при пролете одной частицы. Концентрация плотности электронов во время пролета частицы (a) и на 25 нс позднее (b) возбуждения или быстрого инфракрасного лазера или пучка частиц высокой энергии.