Design and First Results of COFFEE3: A 55nm HVCMOS Pixel Sensor Prototype for High-Energy Physics Applications

Dit artikel presenteert het ontwerp en de eerste testresultaten van COFFEE3, een 55nm HVCMOS pixel-sensorprototype met twee verschillende leesarchitecturen dat is ontwikkeld om te voldoen aan de strenge tijds- en ruimtelijke resolutie-eisen van toekomstige hoogenergetische fysica-experimenten zoals LHCb Upgrade II en ITK.

De kern

De COFFEE3: Een Super-Snelle Camera voor de Kleinste Deeltjes

Stel je voor dat je een camera hebt die niet alleen foto's maakt van een vluchtende vlinder, maar ook precies kan meten wanneer de vleugel een millimeter verder is gevlogen, en dat terwijl er duizenden andere vlinders tegelijkertijd door de lucht vliegen. Dat is precies wat wetenschappers nodig hebben voor de toekomstige deeltjesversnellers, zoals de LHCb in Zwitserland of de CEPC in China.

Om deze "vlinders" (deeltjes) te volgen, hebben ze een nieuw type sensor nodig: de COFFEE3. Laten we kijken hoe dit werkt, zonder ingewikkelde formules, maar met een paar handige vergelijkingen.

1. Het Probleem: Een Verkeersfile van Deeltjes

In deeltjesversnellers botsen deeltjes met een snelheid die bijna het licht bereikt. Dit gebeurt zo vaak dat het lijkt op een enorme verkeersfile waar elke seconde miljoenen auto's (deeltjes) langs razen.

• De uitdaging: De oude sensoren zijn te traag. Ze raken in paniek als er te veel auto's tegelijk aankomen (hoge "hit-dichtheid"). Ze kunnen niet snel genoeg zeggen: "Deze auto was op 12:00:01 en die op 12:00:02".
• Het doel: De COFFEE3 moet een camera zijn die zo snel is dat hij elke auto apart kan tellen, zelfs als ze als een stroom van water langsrennen. Hij moet ook heel precies zijn (binnen 10 micrometer, dat is dunner dan een mensenhaar) en niet te veel stroom verbruiken.

2. De Oplossing: Twee Verschillende Ontwerpen voor Twee Soorten Wegen

De wetenschappers hebben de COFFEE3 ontworpen met twee verschillende manieren om de data te lezen. Waarom? Omdat ze niet zeker weten welke "straat" (de technologie van de chip) ze in de toekomst gaan gebruiken.

Ontwerp A: De Slimme Wachters (Architectuur 1)

Stel je een lange rij postbodes voor (de pixels). In de huidige technologie (de "triple-well" proces) kunnen de postbodes elkaar verstoren als ze te dicht bij elkaar staan.

• De oplossing: Ze gebruiken alleen "NMOS-transistors" (een soort specifieke schakelaar) in de postbode. Dit is alsof je de postbodes alleen maar laat werken met hun linkerhand, zodat ze niet in de weg lopen van hun buren.
• De slimme truc: In plaats dat elke postbode direct naar de directeur rent, werken ze in groepen. Als er een post binnenkomt, wordt deze direct doorgegeven aan een "groepsleider" aan het einde van de rij.
• De pijplijn: Ze hebben een systeem ingebouwd dat lijkt op een fabrieksband. Terwijl de ene postbode zijn brief bezorgt, is de volgende al klaar om de volgende brief te pakken. Hierdoor stopt de lijn nooit, zelfs niet als er 100 miljoen deeltjes per seconde aankomen.

Ontwerp B: De Eigen Horloges (Architectuur 2)

Voor de toekomst hopen ze een betere "straat" te vinden (met een speciale isolatielaag). Dan kunnen ze complexere schakelaars gebruiken.

• De oplossing: Elke postbode krijgt nu zijn eigen horloge en zijn eigen notitieblok.
• Hoe het werkt:
  • Grote tijd: Ze tellen gewoon de seconden van het hoofdklokje (40 MHz).
  • Kleine tijd: Dit is de magische truc. Ze hebben een "vertragingsspoor" (een VCDL) in elke postbode. Stel je voor dat het hoofdklokje een seconde is. Dit spoor deelt die seconde op in 6 stukjes.
  • Als een deeltje aankomt, kijkt de postbode precies welk van die 6 stukjes het was. Hierdoor kunnen ze de tijd meten tot op 4,2 nanoseconde (dat is 4,2 miljardste van een seconde!).
• Het voordeel: Omdat elke postbode zelf rekent, hoeft hij niet te wachten op de rest van de rij. Het is alsof elke automobilist zijn eigen GPS heeft in plaats van te wachten op een verkeerslicht.

3. De Eerste Testen: Het Werkt!

De chip is onlangs gemaakt (in 2025) en getest.

• De "Laser-test": Ze schoten met een laser op de chip, alsof ze een deeltje nabootsten.
• Het resultaat: De chip reageerde perfect. De "postbodes" zagen de laser, schreven de tijd op en stuurden de boodschap correct door. De data die terugkwam, was precies wat ze hadden verwacht. Het was alsof je een testauto rijdt en de remmen, de motor en de GPS allemaal perfect werken.

4. Waarom is dit belangrijk?

De COFFEE3 is een prototype, een proefballon. Het bewijst dat we sensoren kunnen maken die:

1. Super-snel zijn (nauwkeurig genoeg om de tijd tussen twee deeltjesbotsingen te onderscheiden).
2. Sterk genoeg zijn om de straling van een deeltjesversneller te overleven.
3. Efficiënt genoeg zijn om niet te veel stroom te verbruiken.

Als deze tests in de toekomst (met echte deeltjesstralen) slagen, kunnen deze chips helpen bij het vinden van nieuwe deeltjes of het begrijpen van de oorsprong van het heelal. Het is de volgende generatie "ogen" voor de grootste microscopen ter wereld.

Kortom: De COFFEE3 is een slimme, snelle camera die is ontworpen om de chaos van deeltjesversnellers te ordenen, met twee verschillende strategieën om zeker te zijn dat het werkt, ongeacht welke technologie de toekomst brengt.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: COFFEE3 – Een 55nm HVCMOS Pixelsensor Prototype

1. Het Probleem en de Context
De paper adresseert de strenge eisen die worden gesteld aan pixelsporensystemen voor toekomstige hoog-energetische fysica-experimenten, specifiek de UP-tracker van het LHCb Upgrade II en de Inner Tracking (ITK) detector van de CEPC (Circular Electron Positron Collider). Deze experimenten opereren onder extreme omstandigheden:

• Hoge stralingsdosis: De sensoren moeten bestand zijn tegen neutronenfluenzen tot $3 \times 10^{15}$ neq/cm².
• Extreem hoge hit-dichtheid: Het systeem moet in staat zijn om een hit-dichtheid van maximaal 100 MHz/cm² te verwerken zonder significante dode tijd.
• Tijdsresolutie: Er is een resolutie van enkele nanoseconden vereist om de 25 ns bundelkruisingen (bunch crossings) bij de LHC te onderscheiden.
• Ruimtelijke resolutie: Een precisie van ongeveer 10 μm is noodzakelijk voor het reconstrueren van deeltjesbanen in magnetische velden.
• Energieverbruik: Het vermogen moet beperkt blijven tot < 200 mW/cm².

Bestaande sensoren (zoals ATLASPix en MightyPix) zijn vaak gebaseerd op oudere processen (180 nm of 150 nm). De auteurs stellen dat een geavanceerder 55 nm High-Voltage CMOS (HVCMOS) proces nodig is om complexe analoge en digitale circuits in een compact oppervlak te integreren en aan deze hoge eisen te voldoen.

2. Methodologie en Ontwerp
Het paper presenteert het ontwerp en de eerste resultaten van COFFEE3, een prototype dat voortbouwt op de validatie van de COFFEE2-chip. COFFEE3 integreert twee verschillende leesarchitecturen om compatibiliteit te garanderen met zowel het huidige proces als toekomstige procesoptimalisaties:

• Algemene Specificaties:

  • Pixelgrootte: 36 μm (layout 40 μm, gereduceerd door het 55 nm-proces).
  • Verwachte ruimtelijke resolutie: ~10 μm.
  • Doelwit tijdsresolutie: < 5 ns.

• Architectuur 1 (Voor het huidige Triple-Well proces):

  • Beperking: In triple-well processen kunnen diepe-N-well sensordioden last hebben van kruispraat (crosstalk) met PMOS-transistoren in de N-well.
  • Oplossing: Een NMOS-only in-pixel ontwerp. Dit elimineert PMOS-transistoren in de pixel om crosstalk te voorkomen.
  • Leesstructuur: De comparator-uitgangen worden naar de kolom-eindmodules (EOC) geleid. Om hoge hit-dichtheden te hanteren, worden pixels in een kolom in groepen verdeeld voor parallelle uitlezing. Er wordt gebruik gemaakt van een twee-staps pipelined signaalverwerking die het volgende signaal opslaat terwijl het huidige wordt verzonden, waardoor dode tijd en "pile-up" worden geminimaliseerd.
  • Tijdsmeting: Time of Arrival (TOA) en Time over Threshold (TOT) worden gemeten op kolom-niveau met een systeemklok van 25 ns.

• Architectuur 2 (Voor toekomstige processen met p-type buried layer):

  • Voordeel: Een p-type buried layer isoleert de sensordiode van de PMOS-transistoren, waardoor een volledig CMOS in-pixel ontwerp mogelijk is.
  • Innovatie: Dit stelt tijdsmeting en opslag op pixel-niveau toe.
  • TDC Implementatie: Elke pixel bevat een replica van een Voltage-Controlled Delay Line (VCDL) die wordt gestuurd door een centrale Delay-Locked Loop (DLL). Dit verdeelt de 25 ns klokcyclus in 6 fasen.
  • Resolutie: Door de faseverschuiving van het signaal te meten, wordt een grove tijdsquantisatie (via een 40 MHz teller) gecombineerd met fijne quantisatie. De geschatte resolutie is 4,2 ns voor TOA en 8,4 ns voor TOT.

3. Belangrijkste Resultaten
De COFFEE3-chip is gefabriceerd in januari 2025 en getest in mei 2025. De voorlopige testresultaten bevestigen de werking van beide architecturen:

• Analoge Tests: Ladingsinjectietests met een signaalgenerator voor de Charge Sensitive Amplifiers (CSA) en comparatoren (Architectuur 1) toonden correcte dataformaten en adresinformatie.
• Tijdsynchronisatie: De DLL (Delay-Locked Loop) leverde de verwachte klokklopphasevertragingen (elke tap verschuift met $\pi/3$).
• Laser-tests: Volledige leesketens werden gevalideerd met laserpulsen (Architectuur 2). De gemeten TOT-waarden kwamen overeen met de circuitsimulaties.
• Data-uitvoer: Geldige transmissiepakketten werden ontvangen met de juiste rij- en kolomadressen die corresponderen met de deeltjeshits.

4. Belang en Toekomstperspectief
De COFFEE3-chip vertegenwoordigt een cruciale stap in de ontwikkeling van geavanceerde trackers voor deeltjesfysica.

• Technologische Validatie: Het bewijst dat 55 nm HVCMOS-processen geschikt zijn voor de extreme eisen van LHCb Upgrade II en CEPC.
• Architecturale Flexibiliteit: Door twee architecturen te testen, bereiden de auteurs het veld voor op zowel huidige productieprocessen als toekomstige optimalisaties (met p-type isolatie) die nog betere prestaties mogelijk maken.
• Volgende Stappen: Huidig werk richt zich op het karakteriseren van de tijdsresolutie, stralingshardheid en tracking-prestaties met echte deeltjesstralen (X-stralen, bèta-stralen en kosmische straling).

Conclusie
COFFEE3 is een succesvol prototype dat de haalbaarheid van hoog-resolutie, snelle en stralingsharde pixelsensoren in een 55 nm HVCMOS-proces aantoont. De integratie van geavanceerde TDC-technieken en slimme leesarchitecturen biedt een robuuste oplossing voor de uitdagingen van toekomstige hoog-energetische fysica-experimenten.