Um CMOS de 64k pixels

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11799 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O módulo DEPFET de 64k pixels é o principal componente sensível do Sensor DEPFET com compressão de sinal (DSSC), um detector híbrido 2D de grande área para capturar e medir raios X suaves no XFEL europeu. A câmera final de 1 megapixel deve detectar fótons com energias entre \(250\,\text{eV}\) e \(6\,\text{keV}\), e deve fornecer uma taxa de quadros de pico de \(4,5 \,\text{MHz}\) para lidar com a estrutura de grupo única do XFEL europeu. Este trabalho resume as funcionalidades e propriedades dos primeiros módulos montados com arrays CMOS-DEPFET de formato completo, apresentando \(512\,\times \,128\) pixels de formato hexagonal com comprimento lateral de 136 μm. Os sensores de pixel utilizam a tecnologia DEPFET para obter uma capacitância de entrada extremamente baixa para excelente resolução de energia e, ao mesmo tempo, uma capacidade intrínseca de compressão de sinal sem qualquer comutação de ganho. Cada pixel do ASIC de leitura inclui um circuito de cancelamento de corrente de polarização DEPFET, um filtro de formato trapezoidal, um ADC de 9 bits e uma memória digital de 800 palavras. O desbaste, calibração e caracterização final foram realizados em bancada de testes do laboratório DESY. Todos os recursos do detector são avaliados em \(18\,^{\circ }\text{C}\). Uma excelente carga de ruído equivalente de \(9,8\)e−rms é alcançada com taxa de quadros de 1,1 MHz e ganho de 26,8 unidades analógicas para digitais por keV (\(\,\text {ADU}/\text{keV }\)). Em \(4,5\,\text{MHz}\) e \(3,1\,\,\text {ADU}/\text{keV}\), um ruído de \(25,5\) e−rms e uma faixa dinâmica de \(26\,\text{k}\text {e}^{-}\) são obtidos. A faixa dinâmica mais alta de \(1,345\,\text{M}\text {e}^{-}\) é alcançada em \(2,25\,\text{MHz}\) e \(1,6\,\text { ADU}/\text{keV}\). Esses valores podem atender às especificações do projeto DSSC.

O XFEL europeu (EuXFEL) é uma fonte de laser de elétrons livres de raios X, onde até 2.700 pulsos de raios X extremamente brilhantes de um único trem de grupo em \(4,5\,\text{MHz}\) são repetidos a cada \(100 \,\texto{ms}\)1. Seu esquema exclusivo de agrupamento apresenta grandes desafios de design para o desenvolvimento do detector de imagem. Três tipos de detectores de 1 megapixel foram projetados especificamente com conceitos diferentes para lidar com a faixa de energia de raios X necessária, taxa de quadros de pico e faixa dinâmica.

O Large Pixel Detector (LPD)2 possui pixels quadrados de tamanho \({500}\)-μm, e foi projetado para ser operado na faixa de energia entre \(5\) e \(20\,\text{keV} \). Sua eletrônica de pixel possui um amplificador sensível à carga (CSA) com três estágios de ganho e uma memória analógica de 512 células por estágio operada em paralelo. A digitalização é executada durante os intervalos do trem graças a um conversor analógico-digital (ADC) de nível de coluna no chip. O caminho de ganho conveniente é selecionado fora do chip para atingir a faixa dinâmica máxima. O detector faz parte do instrumento científico Femtosecond X-ray Experiments (FXE) da EuXFEL3.

O Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD)4 tem como alvo a mesma faixa de energia que o LPD, mas oferece uma resolução espacial de \(200\) μm. Possui um CSA com três ganhos selecionados dinamicamente dependendo da saída CSA. Um estágio de amostragem dupla correlacionada (CDS) remove o ruído de reinicialização e sua saída é armazenada em uma memória analógica de 352 células. Seus dados analógicos são posteriormente digitalizados por ADCs fora do chip. O AGIPD faz parte dos instrumentos Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX)5 e dos Materials Imaging and Dynamics (MID)6.

O sensor de transistor de efeito de campo esgotado (DEPFET) com compressão de sinal (DSSC) tem como alvo a faixa de raios X suaves entre \(250\,\text{eV}\) e \(6\,\text{keV}\). Uma primeira câmera é baseada em células passivas de detector de desvio de silício miniaturizado (mini-SDD) de formato hexagonal com comprimento lateral de \(136\) μm7, correspondendo a um diâmetro de área igual de \(247\) μm. A cadeia de leitura de cada pixel compreende um CSA, um filtro variante de tempo com função de ponderação trapezoidal, um ADC de 9 bits com capacidade de corte de ganho e deslocamento e uma SRAM com capacidade de armazenamento de 800 amostras. Com isso, o detector DSSC não só oferece a capacidade de armazenamento mais profunda entre as três versões do detector, mas também é único com sua abordagem de digitalização por pixel. Outro recurso exclusivo diz respeito à capacidade de desligamento de blocos analógicos e de sinais mistos não utilizados durante a leitura da memória dentro dos intervalos entre trens. Desta forma, a dissipação de energia no vácuo é drasticamente reduzida para \(149\,\text{W}\) em contraste com o AGIPD (\(550\,\text{W}\)). O consumo de energia do detector de 1 megapixel que compreende a eletrônica de vácuo externo é \(263\,\text{W}\) comparado ao AGIPD (\(1.2\,\text{kW}\)4) e LPD ( \(12\,\texto{kW}\)8). O ganho da cadeia de processamento de sinal pode ser ajustado no CSA, no filtro e no ADC, de modo que a versão atual do gerador de imagens DSSC com sensor mini-SDD passivo cubra toda a faixa de energia com granularidade de ganho abaixo de um por cento7. O gerador de imagens atingiu uma carga de ruído equivalente (ENC) de cerca de \(60\,\text {e}^{-}\text {rms}\) na taxa de quadros de pico de \(4,5\,\text{MHz}\ ), onde a faixa dinâmica linear é limitada ao máximo de 9 bits. A câmera foi comissionada e está em uso nos instrumentos de raios X suaves de Espectroscopia e Dispersão Coerente (SCS)9 e Small Quantum Systems (SQS) na EuXFEL.