Der Detektor

Temperaturabhängigkeit von HV-MAPS am Beispiel des MuPix7

David Maximilian Immig für die Mu3e Kollaboration

Physikalisches Institut Heidelberg

DPG Frühjahrstagung Hamburg 2016

Mu3e

μ

W

γ*

e

e e

νe

ν_μ

+ +

+

+ -

μ

γ*

e

e e

+ +

+

- e

μ χ~

~

~

0

µ⁺→e⁺e⁻e⁺ im SM unterdrückt mit einem Verzweigungsverhältnis (BR)<10⁻⁵⁴

SINDRUM : BR <10⁻¹²

SINDRUM:”Search for the decay muto3e”Nucl.

Phys.,B299 1, 1988

Zielsensitivität von mindestens 1 in 10¹⁶ Zerfällen

Beobachtetes Signal wäre ein eindeutiger Hinweis auf neue Physik

Der Detektor

1T Magnetfeld

Pixeldetektor ⇒hohe Impuls- & Vertexauflösung Szintillierende Faser- & Kacheldetektoren⇒ präzise Zeitmessung

High-Voltage Monolithic Active Pixel Sensor (HV-MAPS) Konzept

Diode implementiert als

n-Wanne in p-dotierten Substrat Spannung in Sperrrichtung bei

−85 V

Verarmungszone für Teilchendetektion Ladungssammlung via Drift

High-Voltage Monolithic Active Pixel Sensor (HV-MAPS) Konzept

Ladungssensitiver Verstärker im Pixel Biasströme als 6bit DACs

MuPix7 Prototyp

Sensordicke:∼ 50 µm Sensor: 3.2 x 3.2 mm² Matrix: 32 x 40 Pixel Pixel: 103 x 80 µm²

Integrierte, null-unterdrückte Ausleseelektronik in der Peripherie

Interne State-Machine

Serielle Auslese & Generierung der Zeitstempel⇒ Clock

Voltage-Controlled Oscillator (VCO)

Kette aus ungerader Anzahl von Invertern

⇒ Feedback bewirkt Oszillation VNVCO und VPVCO kontrollieren Oszillationsfrequenz

Für steigende VNVCO- &

VPVCO-Werte fließt mehr Strom

⇒ Schaltung wechselt schneller zwischen 0 & 1

⇒ Kleinere Zeitverzögerung

⇒ Größere Frequenz

Voltage-Controlled Oscillator (VCO)

TOVCO gesteuert über VNVCO

Kette aus ungerader Anzahl von Invertern

⇒ Feedback bewirkt Oszillation VNVCO und VPVCO kontrollieren Oszillationsfrequenz

Für steigende VNVCO- &

VPVCO-Werte fließt mehr Strom

⇒ Schaltung wechselt schneller zwischen 0 & 1

⇒ Kleinere Zeitverzögerung

⇒ Größere Frequenz

Phase-Locked Loop (PLL)

Vergleicht Phasen von VCO_CLK und Ref_CLK

Signale außer Phase⇒ Erzeugung eines Korrektursignals

⇒ Korrektur der VCO Kontrollspannungen

⇒ Passt VCO_CLK an Ref_CLK an

VCO und PLL

Steuert und reguliert die Chip-Clock Referenzsignal vom FPGA

⇒ Gleiche Referenzsignalquelle für alle Chips

⇒ Synchronisation aller Chips

Vermessung der VCO & PLL

Referenzsignal: 125 MHz

⇒ 1.25 Gbit/s Daten-Output

Clock_N Clock_P LVDS

LV

HV SCSI

Messung des Jitters

⇒ Latenzfluktuation des Referenzsignals & der Clock

⇒ Maß für die Stabilität der Phasensynchronisation

Temperaturabhängigkeit des Jitters untersuchen

⇒ Umgebungstemperatur einstellen mittels eines Klimaschranks

Jitter

VNVCO [dec]

20 10 30 40 60 50 VPVCO [dec]

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Jitter [ps]

100 150 200 250

Jitter (VPPump = 20 [dec])

Große Abhängigkeit von VPVCO, jedoch marginaler von VNVCO

VPVCO > 22 [dec]⇒ keine Phasensynchronisation VNVCO > 30 [dec]⇒ Phasensynchronisation nur durch schrittweises Erhöhen von VNVCO möglich

Jitter

50 100 150 200 250 300 350

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Jitter [ps]

VPPump [dec]

ChargePump (VNVCO = 10 [dec], VPVCO = 5 [dec])

Abhängigkeit des Jitters von der Versorgungsspannung VPPump

VPPump > 20⇒ kein höherer Verbrauch

Warum untersuchen wir Temperaturabhängigkeiten?

Kühlung mit Heliumgas (T = 0 ^◦C) bei ^P_A = 400 mW/cm²

Temperaturabhängigkeit des Jitter

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

3 4 5 6 7

Jitter [ps]

VPVCO [dec]

Jitter (VNVCO = 10 [dec], VPPump = 20 [dec])

T = 0°C T = 20°C T = 40°C T = 60°C

Temperaturabhängigkeit des Jitters gegen VPVCO

⇒ VPVCO = 5: geeigneter Arbeitspunkt im Temperaturbereich

Pulsformvermessung

Messung von Latenz und ToT via Schwellenänderung

⇒ Oszilloskop

Temperaturabhängigkeit der Pulsform ⇒Klimaschrank

Pulsform

0.64 0.66 0.68 0.7 0.72 0.74

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Threshold [V]

Zeit [ns]

Pulsform (Injektion = 0.5 V)

Vermessung der Latenz (linke Werte) und ToT+Latenz (rechte Werte) in 5 mV Schritten

Pulsformänderung für verschiedene Umgebungstemperaturen

0.6 0.62 0.64 0.66 0.68 0.7 0.72 0.74 0.76

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Threshold [V]

Zeit [ns]

Pulsform (Injektion = 0.5 V)

T = 0 °C T = 20 °C T = 40 °C T = 60 °C

Pulsformänderung im Temperaturbereich von 0^◦C bis 60 ^◦C

⇒ ToT reduziert sich mit steigenden Umgebungstemperaturen

Zusammenfassung

Neuer Arbeitspunkt für die Clock mit einem Jitter < 100 ps

Chip VCO & PLL operiert im Temperaturbereich zwischen 0 ^◦C und 60 ^◦C

Erste Ergebnisse: Pulsformänderung für verschiedene Umgebungstemperaturen

VNVCO [dec]

10 20 30 40 50 VPVCO [dec] 60

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Jitter [ps]

100 150 200 250

Jitter (VPPump = 20 [dec])

Ausblick

Erweiterung des Temperaturbereichs

Messungen des Jitters bei unterschiedlichen Referenzsignalen Vermessungen der Pulsamplitude für verschiedene

Umgebungstemperaturen

Untersuchung von Variationen zwischen Chips Untersuchung bei verschiedenen Power-Settings

Threshold [V]

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

fraction of detected hits

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

baseline 0.5V_inj 0.6V_inj 0.7V_inj 0.8V_inj 0.9V_inj 1.0V_inj 1.1V_inj 1.2V_inj 1.3V_inj 1.4V_inj

BACKUP

Frequenzmessung ohne PLL

VNVCO [dec]

10 20 30 40 50 60

VPVCO [dec]

20 10 40 30

60 50

Frequenz [MHz]

0 50 100 150 200 250 300

VCO Clock (VPPump = 20 [dec])

gemessene Frequenz verdoppelt

Frequenz steigt mit VNVCO und VPVCO

Für kleine VNVCO/VPVCO-Werte teils höhere Frequenzen

Frequenzmessung ohne PLL

50 60 70 80 90 100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Frequenz [MHz]

VPPump [dec]

ChargePump (VNVCO = 10 [dec], VPVCO = 5 [dec])

gemessene Frequenz ist verdoppelt

Temperaturabhängigkeit der Frequenz für VNVCO ohne PLL

45 50 55 60 65 70 75 80

8 9 10 11 12

Frequenz [MHz]

VNVCO [dec]

VCO CLOCK (VPVCO = 5 [dec], VPPump = 20 [dec])

T = 0°C T = 20°C T = 40°C T = 60°C

gemessene Frequenz ist verdoppelt

Temperaturabhängigkeit der Frequenz für VPVCO ohne PLL

45 50 55 60 65 70 75 80

3 4 5 6 7 8

Frequenz [MHz]

VPVCO [dec]

VCO CLOCK (VNVCO = 10 [dec], VPPump = 20 [dec])

T = 0°C T = 20°C T = 40°C T = 60°C

gemessene Frequenz ist verdoppelt

Temperaturabhängigkeit vom Jitter (VNVCO)

90 95 100 105 110

8 9 10 11 12

Jitter [ps]

VNVCO [dec]

Jitter (VPVCO = 5 [dec], VPPump = 20 [dec])

T = 0°C T = 20°C T = 40°C T = 60°C

Temperaturabhängigkeit der Frequenz für VPPump ohne PLL

45 50 55 60 65 70 75

20 30 40 50 60

Frequenz [MHz]

VPPump [dec]

VCO CLOCK (VNVCO = 10 [dec], VPVCO = 5 [dec])

T = 0°C T = 20°C T = 40°C T = 60°C

gemessene Frequenz ist verdoppelt

Temperaturabhängigkeit vom Jitter (VPPump)

65 70 75 80 85 90 95

20 30 40 50 60

Jitter [ps]

VPPump [dec]

Jitter (VNVCO = 10 [dec], VPVCO = 5 [dec])

T = 0°C T = 20°C T = 40°C T = 60°C