Présentation le vendredi 26 octobre 2007 Directeur de thèse : Christian MOREL Thèse de : Octobre 2005 à Octobre 2008 Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant.

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1 Présentation le vendredi 26 octobre 2007 Directeur de thèse : Christian MOREL Thèse de : Octobre 2005 à Octobre 2008 Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 1/27 Etude et réalisation d’une caméra à rayons-X pour l’imagerie médicale du petit animal

2 CONTEXTE 1995 - DELPHI : 1 er imageur à pixels hybrides au CPPM 2000 - XPAD1-2 : Adaptation de la technologie pour l’imagerie médicale. 2007 - XPAD3 : Réalisation d’un imageur plus performant CPPM : Une expertise de la technologie des pixels hybrides DELPHI XPAD2 XPAD3 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 2/27

3 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions 1.Spécifications du circuit 2.Les pixels hybrides : Qu’est-ce donc ? 3.Le chip : Architecture du circuit 4.Le système de test / Caractérisation 5. Amélioration / Veille technologique 6.Les perspectives Conception XPAD3 Test Caractérisation Amélioration Prototype Oct. 05Juil. 06Mars 07Oct. 08 Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 3/27

4 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Les besoins (principales contraintes) : Cristallographie : XPAD3-S (Silicium) Imagerie médicale : XPAD3-C (CdTe) Cristallographie : Grande dynamique de comptage, faible bruit, lecture rapide des circuits, seuillage en énergie. Imagerie médicale : Grande dynamique en énergie, lecture des circuits au vol, mode fenêtrage pour la discrimination en énergie (imagerie de contraste). Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 4/27

5 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Cristallographie Imagerie médicale Energie en keV 030 60 Amplitude de détection 030 60 Amplitude de détection Seuil min 5 keV XPAD3-S XPAD3-C Energie en keV Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 5/27

6 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Virus de la grippe  ~ 50µm Pixel hybride ? Capteur Détecter le passage d’un photon photon + - Electronique Compter le nombre de photons détectés Bump-bonding  ~25 µm 1 pixel : 130µm de coté 1 cheveu : 65µm de  Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 6/27

7 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Qu’est-ce que XPAD3-(S et C) ? Logique Dacs Ampli Discri 120 lignes 80 colonnes Rôle du pixel : Mise en forme du signal créé par 1 photon (500ns) Sélection des photons @ énergie Comptage et stockage 130 µm 10mm x 17mm Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 7/27

8 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Principe de fonctionnement Ampli Trigger Capteur ANALOGIQUE Logique LOGIQUE photon I U 1 1 0 1 Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 8/27

9 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Ampli Trigger Logique 2V 10nA 1mA Vdd=2V gnd=0V Détecteur Minimiser la pollution inter-pixel Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 9/27

10 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions La calibration Technologie submicronique (0,25µm) : Dispersion des paramètres technologiques non volontaire 9600 pixels sur une grande surface Dispersion du gain et du réglage des seuils Besoin de rattraper chaque pixel individuellement Méthode de calibration Ampli Trigger Détecteur Injection de courant DC Wafer XPAD3 200 mm Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 10/27

11 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions I en Amp 0 Comparaison et Logique Amplification et mise en forme Plot hybridation Dac Seuil Seuil (Pangaud, Basolo, Chantepie, Clémens, Dinkespiler) Seuillage et Rattrapage de la dispersion Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 11/27

12 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions I en Amp 0 Seuillage et Rattrapage de la dispersion Comparaison et Logique Amplification et mise en forme Plot hybridation Dac Seuil Seuil + offset Dac Rattrapage Offset DacL (Pangaud, Basolo, Chantepie, Clémens, Dinkespiler) Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 12/27

13 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Communication Ethernet Communication RS232 Nappe IDE signaux CMOS et LVDS (Basolo, Chantepie, Dinkespiler) Développement d’un système de test Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 13/27

14 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Alimentation Communication JTAG Ethernet GPIO : CMOS/ LVDS SRAM 512ko (Basolo, Chantepie, Dinkespiler) Développement d’un système de test Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 14/27

15 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 15/27

16 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Besoin de calibrer les pixels pour chaque énergie AVANTAPRES Un défaut de dérive Droite/Gauche Caractérisation au CPPM avec banc de test et source Am (Pangaud, Basolo, Chantepie, Clémens, Dinkespiler) Sigma=55e- Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 16/27

17 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Détecteur XPAD3 Arrivée du faisceau Caractérisation sous faisceau à l’ESRF Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 17/27

18 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Précision de la calibration …………..... Stabilité dans le temps, température… Taux de comptage : 10 6 ph/pixel/s…… Résolution : Share-sharing……………. Dispersion : dérive droite – gauche …… Mire de résolution Image faisceau direct Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 18/27

19 Réparation chirurgie de XPAD3 par FIB (Focus Ion Beam) (courtesy Serma Technologies, Grenoble) FIB process Cut And Strap Probleme : Rail d’alimentation trop résistifs Effet :Dispersion droite-gauche Après Chirurgie : Distribution uniforme et dispersion atténuée Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 19/27

20 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Auto-calibration : L’Autozéro d’offset La calibration de XPAD3 nécessite du : Temps : 65 transferts d’image circuit / PC (2 min) Calcul : Algorithme de fit + Calcul du seuil des 9600 pixels Surface silicium : Nécessite 1 DAC 6 bit + 6 bit de registre / pixel 18 % de la surface du pixel L’auto-calibration permet : Gain de temps : 20µs, Gain d’un facteur 10 6 Gain de surface : Gain de 30 % Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 20/27

21 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Annulation d’offset MatchingChopper Autozéro Analogique Autozéro Numérique + Peu de surface + Simple - Limite mais n’annule pas l’offset + Très efficace - Consommation surface - Complexité - Pollution électrique + Peu de surface + Bonne efficacité - Rafraîchissement - offset interne (injection de charge) + Correction permanente + Corrige offset + dispersion gain/seuil - Consommation surface Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 21/27

22 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Autozéro numérique Discri Ampli OTA SARDAC Successive Approximation Register Autozéro 20µs Optimisation du temps : 6 Clock pour 64 bit de DAC Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 22/27

23 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Autozéro analogique Discri OTA Autozéro Ampli Quantifier l’offset Etablir une correction proportionnée I en Amp 0 Offset Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 23/27

24 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Ref in Cste Inv 1 Iout = IRef - Iin Correction porportionnelle Mémorisation Courant / Tension Clock raffraichissement Autozéro analogique Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 24/27

25 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Les difficultés :  Raffraichir périodiquement en l’absence de signal  Quantifier l’offset sans modifier l’état réel  Réduire l’injection de charge  Corriger sans altérer le bon fonctionnement (Réponse fréq, Gain DC, …)  Signal d’horloge proche de zones analogiques très sensible  Synchroniser les 9600 pixels / temps mort plus long ? Autozéro analogique Clock C ov Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 25/27

26 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Conclusions Le circuit XPAD3–S est opérationnel : Pour les expériences de cristallographies (5keV -> 25keV). Pour les expériences de tomographie animales (tissus durs, tissus mous, contrastes …). Le circuit XPAD3-C ne pourra pas être utilisé en l’état Un prochain circuit XPAD3-SF est en préparation : Correction des défauts présent des les 2 circuits actuels. Dynamique en énergie de XPAD3-C. Bi-polarité pour détecter aussi bien des particules chargées positivement que négativement. Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 26/27

27 Introduction | Spécifications | Le Chip | Test et caractérisation | Amélioration / Veille | Conclusions Questions Benoît CHANTEPIE - Séminaire doctorant 3 ème année le 26/10/07 - 27/27