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基于大面积超薄CMOS像素传感器的BESIII内径迹室关键技术研究

批准号:
U2032203
项目类别:
联合基金项目
资助金额:
300.0 万元
负责人:
王萌
依托单位:
学科分类:
北京正负电子对撞机
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王萌

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
BEPCⅡ计划将亮度再提高2-3倍并继续运行十年,这对BESⅢ漂移室内室的长期稳定运行提出挑战,需要对其升级。本申请拟开展新型的大面积超薄硅像素径迹室的关键技术预研,它将通过近年来CMOS半导体工业提供的缝合技术,研制晶圆尺寸的像素传感器。该传感器减薄到一定厚度后可以卷曲形成自支撑,从而能以最简化的支撑结构组装成桶形探测器层,每层具有前所未有的极低物质量,极大提高低动量带电粒子的探测精度和效率。本申请如获支持,我们将研究可缝合的像素传感器设计,研制由其构成的探测器原型机,开发相应的测试电子学和数据获取系统,并通过束流实验验证探测性能。同时,我们还将在BESⅢ软件框架里开展探测器的模拟研究,优化探测器几何设计,挖掘其物理潜力。本项目的开展将为BESⅢ漂移室内室的升级提供可行的技术方案,并为未来对撞机实验的寻迹系统提供崭新的设计思路。
英文摘要
The BEPCII has been planned to run until about 2030 with two- or three-fold increase of luminosity. Hence, the inner chamber of the BESⅢ tracking system will confront severe challenge in the future and an appropriate tracking technology is foreseen to be applied. The proposal will carry out study of a novel tracker consisting of curved wafer-scale ultra-thin silicon pixel sensors. The sensor fabrication will be based on a technology, so called stitching, offered recently by the CMOS semiconductor industry. After thinning, the wafer-scale sensors can be bent naturally, therefore, can be arranged in perfectly cylindrical layers with minimum support structure, featuring an unprecedented low material budget per layer. The consequence would be a significant improvement of the tracking precision and efficiency for charged tracks with low transverse momentum. Should the proposal be approved, we will study the design of pixel sensors capable of stitching, construct a detector prototype with the pixel sensors, develop testing electronics and data acquisition system, and verify detection properties via beam test. In addition, we will perform detector simulation within BESⅢ software framework to study the optimization of detector layout and physics potential with such an inner tracker. Success of the study will provide a feasible engineering design for upgrading the BESⅢ inner tracking chamber and an innovative approach in tracking system design for the future collider experiments.
CMOS像素探测器已成为高能物理实验顶点和径迹探测的主流技术,随着实验精度的不断提高,对探测器的物质量要求越来越高。半导体工业的发展出现了缝合(stitching)技术,可将芯片做成晶圆尺寸,再通过芯片的减薄、弯曲,形成自支撑结构,从而极大降低物质量。该设想虽在国际上已有出现,但迄今并未实现。本项目针对BEPCII/BESIII内径迹室的升级需求,开展关键技术研究。.项目主要研究内容是基于缝合技术的CMOS像素芯片设计以及基于该种芯片研制径迹探测器的可行性,研究目标都已实现。.我们采用0.35 µm的CMOS工艺完成了8英寸晶圆级芯片研制,芯片尺寸11 cm × 11 cm,像素阵列644行×3600列,列距30 µm,行距设计了120 µm、160 µm以及200 µm三种结构,以研究二极管的收集效率和电荷共享。芯片采用逐行扫描读出方式,行读出时间为200 ns,帧读出时间约129 µs,功耗密度约25 mW/cm2。.为了研制基于该种像素芯片的径迹探测器原型机,设计了具有双层同心半圆桶结构,在保证稳固性的条件下,利用超薄传感器可卷曲的自支撑特性,可将探测模块平均单层物质量降低至0.077%X0。原型机的研制部分已全部完成,包括芯片减薄工艺研究、原型机结构设计、原型机结构稳定性的ANSYS仿真、原型机的制作、芯片最小半径卷曲测试、卷曲后芯片性能测试等。.项目的执行验证了两个可行性:基于缝合技术大面积超薄CMOS像素传感器的实现,以及基于此种芯片的极低物质量径迹探测器的研制。研究结果开辟了像素探测器研发的新路径。
基于大面积超薄CMOS像素传感器的BESIII内径迹室关键技术研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    300万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    王萌
  • 依托单位:
带电粲介子单重Cabibbo压制衰变道的达利兹图分析
  • 批准号:
    11475107
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    96.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    王萌
  • 依托单位:
中微子暑期学校
  • 批准号:
    11245006
  • 项目类别:
    专项基金项目
  • 资助金额:
    9.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    王萌
  • 依托单位:
D介子Cabibbo压制强子衰变道分支比精确测量的研究
  • 批准号:
    10975093
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    42.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    王萌
  • 依托单位:
国内基金
海外基金