P-ILC 2007
Massimo Caccia
Universita’ dell’Insubria
&
INFN Milano
Trieste, 20 Settembre 2006
Il telescopio a strip (ROMA3 + Insubria per data taking di fine Luglio)
 Basato su microstrip con
- passo di 25 m (50 m di lettura)
- dimensione 7x70 mm2,
-128 canali/rivelatore,
- Front end: VA1-IDEAs
 predisposto per 6 doppietti (x,y)
 configurazione attuale: 4x+2y
 sul fascio alla BTF-Frascati a fine
Luglio
Noise ~ 2.5 ADC
Alcuni Event Display
4
z
4
3
3
2
2
Piano 1
Piano 1
Evento vuoto: la massima
altezza di impulso è inferiore a
10 conteggi ADC
Evento di traccia: per ogni
piano, si individuano strip con
massima altezza di impulso
superiore a 60 conteggi ADC
Distribuzione dei residui nel fit di tracce a 4 punti, dopo un
allineamento preliminare
• dispersione dell’ordine di 25-30 m
• the show is going on…
Osservazioni e piano di lavoro:
 la messa in opera del telescopio e’ stata rapida
 l’allineamento del telescopio al fascio si e’ dimostrata tutt’altro che banale
 un secondo test a LNF, con un sistema di posizionamento migliorato e
l’integrazione del prototipo in tecnologia ¼ micron (MIMO-ROMA, gr. 5) e’
pianificata per Novembre
 per il 2007:
 completamento del telescopio (inclusi i ricambi!)
 sviluppo degli algoritmi di allineamento e di tracciatura
 definizione della funzione del telescopio alla BTF, evidenziando la
complementarieta’ rispetto al telescopio di EUDET
Dimostratore entro l’estate 2007
Simulazione della risoluzione a DESY (Praga)
La scheda di acquisizione
(attivita’ di progettazione essenzialmente di FE)
Immagine del primo prototipo di scheda, consegnata a fine Luglio:
Attivita’ al 7 Settembre (in occasione della conferenza telefonica
mensile di EUDET):
Piano di lavoro:
 attivazione interfaccia USB (Fe, Mi) – 10/2006
 attivazione interfaccia VME (Fe) – 10/2006
 interfacciamento sensore MIMOSA 5 (Fe, Mi) – Full
transparent mode – entro 11/2006
 Interfacciamento sensore M*2 (Fe, Mi) – entro l’anno
 test della funzionalita’ di sparsificazione – altezza sopra
soglia – entro l’anno
 produzione di una scheda/sezione INFN – primavera 2007
 analisi comparata di un algoritmo di segnale sopra soglia vs
clusterizzazione – (Fe, Mi) primavera 2007
 interfacciamento del sensore M*3 (baseline del telescopio
“dimostratore” di EUDET) – (Fe, Mi, RM3) primavera 2007
 integrazione di piu’ sensori M*3 (o MIMOSA 5) in una stessa
sequenza di lettura (Fe, Mi) – entro l’estate
 commissioning del telescopio “dimostratore” di EUDET a
DESY – (Fe, Mi, RM3) entro l’estate
Rivelatori a pixel monolitici in tecnologia 130 nm
• obiettivo finale: implementazione di una architettura di
sparsificazione in una tecnologia con D(eep)N-W(ell) (PV-BG)
• pre-existing know-how: PRIN03 (Pi, Pv, Bg, Tn, Ts), PRIN05, SLIM5 [Pi e
Bg/Pv denominatori comuni]
La DeepNWell domina l’area del pixel; funge da collettore ed
ingloba i dispositivi PMOS necessari per poter integrare
l’architettura di sparsificazione
Attivita’ 2006 & 2007: SLIM5 vs P-ILC
PRIN 2005, SLIM5
•
Sottomissione SLIM5 (8/2006): ST013 matrice
con lettura sequenziale
• Riduzione dispersione di soglia
• Riduzione disturbi digitali
•
Sviluppo architettura di readout “B-factorylike” per tracciatore a MAPS in trigger
livello I
• Continuous sparsified readout (very
short bunch crossing time)
• Interfacciamento con memorie
associative
•
Future sottomissioni SLIM5, PRIN05 ST013
matrice con interfaccia verso memorie
associative
– lettura sparsificata, time stamping
P-ILC
•
Sviluppo pixel e architettura di readout “ILClike” per Vertex Detector a MAPS
• Sparsified readout nell’intervallo intertrain
(200 ms)
• Constraints on pixel power and size
(pulsed power)
•
Sottomissione P-ILC (11/2006): ST013
micromatrice progettata secondo le
specifiche di ILC
• Small size pixels
• Digital blocks for intertrain sparsified
readout
•
Sottomissione P-ILC 11/2007
ST013 matrice “full size” con lettura
sparsificata “intertrain”
128 x 128 pixel; nucleo del finanziamento 2007
per PV; 30 kEUR
Incontro a Bg tra i rappresentanti di SLIM5 e P-ILC, in presenza della componente comune (Bg, PV) –
termini della questione chiariti e possibili punti di collaborazione e mutuo beneficio resi espliciti
(15/09/06)
Elementi chiave della progettazione del sensore prevista per Nov. 2006
Remove the shaper from
the readout chain
Good noise (slightly less
than 50 electrons) and
baseline dispersion (about
40 electrons)
performances
0.1
Response to 800 electron
pulse
I =80 nA
Area: 400
m2
Power dissipation: 12 W/pixel
CELLA ANALOGICA
Preamplifier output [V]
0.08
F
I =60 nA
F
I =40 nA
0.06
F
0.04
0.02
0
-0.02
0
2 10
-7
4 10
-7
6 10
Time [s]
-7
8 10
-7
1 10
-6
Schema a
blocchi del
circuito di
sparsificazione
Token passing scheme, ereditato da pixel e strip di BTeV ed in via di sviluppo insieme a
FNAL (UNO dei punti su cui la collaborazione con FNAL e’ in corso: la simulazione di dispositivi
ed il test di strutture 3D sono gli altri..)
 per una matrice 1000 x 1000 pixel:
• scansione di una riga in 125 ns
• tempo per “leggere” l’indirizzo temporale: 30 bit x 20 ns/bit = 600 ns
Antonio Bulgheroni – Snowmass 2005
Rivelatori a pixel monolitici in tecnologia SOI (Silicon On Insulator)
Integration of a fully depleted p+-n
junction matrix and the readout
electronics in a wafer bonded SOI
substrate
Detector  Handle wafer
High resistive (> 4 kcm, FZ)
400 µm thick
conventional p+-n matrix
Electronics  Device layer
Low resistive (9-13 cm, CZ)
1.5 µm thick
Standard CMOS technology
Antonio Bulgheroni – Snowmass 2005
Vantaggi e svantaggi della tecnologia SOI
•
•
•
•
PROS
CONTRA
Monolithic: no need of any • Non standard technology:
hydridization and
requires dedicated process
consequent thickness
in non standard foundries
reduction
• Thermal budget: high
Fully depleted: high SNR,
temperature processes for
high sensitivity
the electronics parts clash
against the low thermal
Standard CMOS electronics:
budget required for high
both type of transistors
+-n junctions.
quality
p
Custom technology: will
• Low availability of SOI
never become obsolete
substrate: with detector
grade handle wafer
Sviluppo temporale del progetto ante P-ILC
2002
2003
2004
2005
Phase 1: Technology definition
Phase 2: Small area prototype
Phase 3: Full area fully functional sensor
• Developed by the SUCIMA collaboration within a EC project
for medical applications.
• US Patent Application no. PCT/IT2002/000700
• investment of about 650 kEUR (full cost)
• design at AGH-Krakow, processing at IET-Warsaw, testing at
AGH and INSUBRIA
Layout del primo prototipo:
Structure for
electronics
circuit
characterization
Detector
prototypes
(8x8 pixels) w/
and w/o
charge
injection pad.
Structure for
technological
parameter
extraction
Dimostrazione della
possibilita’di rivelare
particelle ionizzanti !
Produzione del prototipo finale: 128 x 128 pixel, passo 150 m
Functionally
independent quarter
of the detector
No dead area,
preserved pitch
 risposta a particelle ionizzanti provata
 rendimento e stabilita’ di processo molto, molto bassa…
 conclusione della “proof of principle” utilizzando “bassa” tecnologia a 3 m
Attivita’ sui sensori in tecnologia SOI in corso/in fieri:
 In Europa: progetto esplorativo tra AGH/IET (design & processing) e Queen
University @ Belfast (wafer bonding) [supervisione dei gruppi anglosassoni
legati a LHC: Phil Allport, Mike Tyndall]
 in US: progetto molto aggressivo tra FNAL e American Semiconductor [small
business grant da 1 M$; obiettivo: primo sensore con matrice integrata e frontend entro al fine dell’anno; tecnologia 180 nm]. Alternativa alla tecnologia 3D
in fase di sviluppo con MIT-Lincoln Labs
 in Asia: progetto esplorativo tra KeK e OKI [non ne so molto..]
 in Italia: proposta di collaborazione da parte di HAMAMATSU. Fase “zero”
(piccole strutture di test a pixel singolo) realizzate a loro costo, come verifica
della fattibilita’. Fase “uno”, consistente nella realizzazione di piccole matrici
per la ottimizzazione del processo di impiantazione (no elettronica) con copartecipazione dei costi (1/3 INFN, 2/3 HAMAMATSU), per un impegno da
parte dell’INFN corrispondente a 40 kEUR per il 2007
 Prin2006 (Pg, Pd, To, etc)
P-ILC 2007
 consolidamento delle unita’ legate ai Pixel:
FTE 2006
FTE 2007
Milano
3.1
3.4
Corrado Gatto(Ric INFN)
80
ROMA III
1.0
2.2
Anna Mazzacane (dott.rando)
70
Ferrara
1.0
2.0
Giuseppina Terracciano
(dr.rando)
70
Pavia
3.0
4.5
Franco Garncagnolo
30
Lecce (sw)
%
 estensione alla calorimetria adronica, assumendo come photon
detector i SiPhotoMultiplier (Roma 1, LNF)
 estensione al Software (Lecce)
 estensione alle attivita’ teoriche (coordinate da Firenze/Lnf: Daniele
Dominici & Stefania De Curtis, Lia Pancheri); workshop ad Ottobre + Galileo
P-ILC 2007 - pixel
Milano
%
Pavia
%
Massimo Caccia, PA
100
Valeria Speziali, PO
50
Chiara Cappellini, Assegnista
50
Valerio Re, PA
70
Fabio Risigo, Assegnista
50
Lodovico Ratti, RU
40
Marcin Jastrzab, Ing. Elettronico, Borsista
80
Massimo Manghisoni, RU
80
Andrea Castoldi, PA (POLIMI)
20
Gianluca Traversi, RU
60
Claudio Andreoli, assegnista
100
Enrico Pozzato, dott.rando
50
[Luigi Gaioni (EUDET)]
100
Giacomo Langfelder, Dottorando (POLIMI)
30
Servizio di off. meccanica
10
Ferrara
%
Roma 3
%
Concezio Bozzi (Ric INFN)
30
Toni Baroncelli (DR)
30
A. Cotta-Ramusino (primo
tecnologo)
15
Eleuterio Spiriti (tecnologo)
50
Livio Piemontese (DR)
30
Antonio Bulgheroni
(assegnista)
70
Luca Tomassetti (assegnista)
25
Mlynarczyk Janusz (borsista)
70
Davide Spazian (EUDET)
100