Mimosa 16: « final results » 14 & 20 µm Mimosa 18: preliminary results A.B. on behalf of IPHC-Strasbourg/CEA-Saclay Mimosa-16 14 µm and 20 µm – digital.

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Mimosa 16: « final results » 14 & 20 µm Mimosa 18: preliminary results A.B. on behalf of IPHC-Strasbourg/CEA-Saclay Mimosa µm and 20 µm – digital and analog output Mimosa 18

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson2 Mimosa 16 M16 – M16 bis –« translation » of M8 in AMS 0.35 µm opto –Pitch = 25 µm –On pixel CDS –Column // read-out end of each column –2 epitaxial thicknesses  « 14 » & « 20 » µm (actually ~ 11 & 15) DIGITALANALOG S2: diode 2.4x2.4µm 2 S1: diode 1.2x1.2µm 2 S3: diode 2.4x2.4µm 2, rad tol S4: diode 4.5x4.5µm 2, enhanced in pixel amplification mimosa 16 / mimosa 16 bis S4:  tension before clamping S3: diode 3.5x3.5µm 2 S2: identical S1: diode 3.0x3.0µm 2 Discriminators 

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson3 Mimosa 16 lab-tests Pixel noise and charge collection efficiency –Noise: ~ like M8 and M15 –CCE: poor for small diodes  (supected origin: diffusion of P-well, reducing the N-Well/epitaxy contact). substrate N-wells epitaxy P-well

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson4 test beam conditions CERN SPS: –120 GeV pions beam, burst: 4.8 s + 12 s dead time DAQ: –trigger: events/burst –data: 600 recorded events/burst –read-out freq:  analog: 2.5 MHz (50 µs read-out time)  digital: 20 MHz by 8 columns (50 µs read-out time) beam axis 3200 µm µm 4000 µm trigger telescope DUT telescope 3 cm 10 cm 8 cm7 cm

Mimosa µm – digital Test beam

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson6 MIMOSA 16 « 14µm » DIGITAL different Discri thresholds (mV) –Efficiency –Multiplicity –Fake rate –Resolution Pure digital position: pitch /  12 = 7.2 µm Center of Gravity method: ~< 5 µm

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson7 MIMOSA 16 « 14µm » DIGITAL S4: discri threshold optimal range –4.6 mV:  eff =  0.03  fake ~ 4 x  Resolution ~ 5 µm –5 mV:  eff =  0.05  fake ~ 1.5 x  Resolution ~ 5 µm –6 mV  eff =  0.07  fake ~ 6 x  Resolution ~< 5 µm

Mimosa µm - digital

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson9 Mimosa µm - digital Efficiency –Roughly the same Multiplicity –A bit higher (thermal diffusion wider) Fake rate –~ identical Resolution –~ identical substrate N-wells epi. substrate N-wells epi. mip 14 µm 20 µm Residual (µm)

Mimosa & 20 µm – digital : multiplicity (2 pixels in cluster).

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson11 Mimosa & 20 µm – digital : multiplicity Can we take advantage of the highest multiplicity ? –Hit selection with at least 2 pixels in clusters 14 µm 20 µm Optimal threshold range: 3.5 mV eff =  0.09 fake ~ 1 x mV eff =  0.05 fake ~ 3 x Eff (20µm) Fake (20µm) Doesn’t improve performances But might be interesting for smaller pitch

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson12 M16 digital: global comparison DIGITAL –14 µm > 20 µm –1 pixel > 2 pixels ANALOG –S/N(MPV) ~16-17 ChipclusterThreshold (mV)Eff (%)Fake rate 14 µm1 pixel  x µm1 pixel  x µm1 pixel  x µm2 pixels  x µm1 pixel  x µm1 pixel  x µm1 pixel  x µm2 pixels  x µm2 pixels  x 10 -6

Mimosa 18 Test beam: Jérôme Baudot, Gilles Claus, Rita De Masi, Christina Dritsa, Wojciech Dulinski, Mathieu Goffe, Yolanta Sztuk-Dambietz. Thinning Efficiency Resolution

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson14 Mimosa 18 High resolution sensor using AMS 0.35 µm OPTO CMOS process from IPHC 2006 engineering submission. Two types of epitaxy thickness: 14 µm and 20 µm  Pixel pitch: 10 µm  2-transistors circuit, continuously biased diode  Array size 512x512 pixels  Active surface: 5x5 mm 2  Readout clock: 25 MHz max  Integration time: 3 ms (four parallel output channels)  Dark current < temperature  Excellent yield: (100%, based on 21 tested devices, including two thinned to 50 µm)

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson15 M18: Performances Excellent performances: (preliminary) –Noise: ENC ~ 9.8 temperature –S/N (MPV) ~ 30 (27) for « 14µm » (« 20µm ») –Efficiency ~  0.15 % (prelim.) –(fake rate in progress)

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson16 M18: Resolution Test beam with 4 M18 –CoG for the 3 telescope planes –Eta function used for DUT –Analysis in progress (alignment)  Resolution = 1 µm  0.1 µm ! M18 Residual  ~1.2 µm

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson17 Mimosa18 – tinned down to 50 µm and bonded to PCB Thinning of AMS 0.35 µm reticles –Thinning performed by APTEK (S.F. bay) via LBNL (STAR collab.) –Thickness claimed by provider : 50 µm  measured with IPHC bonding machine ~ µm –Mimosa-18 (5.5x7.5mm 2 ) and -17 mounted on PCB for test  keep them flat –Tests with 55 Fe show no loss in performances (noise, gain) –Tests of M-18 mounted on TAPI with 120 GeV  - (Nov 07)  No loss in performances observed: Eff ~99.8  0.2 % (prelim)  Thinning down to ~ 50 µm seems on good track

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson18Summary Mimosa-16: figures to keep in mind : –Digital: Eff ~ 99.9 % ; fake ~2 x ; digital resolution ~5 µm; –Analog: S/N(MPV) ~ ; residual ~ µm –« 14 µm » >~ « 20 µm » : comparable performances (larger clusters for 20 µm)  Very satisfactory performances Mimosa-18 –S/N(MPV) ~ 30 –Eff >~  0.15 % (prelim) –Resolution ~ 1  0.1 µm (prelim)  Best resolution ever obtained with CMOS chips –Technique of thinning down of MAPSs to 50 µm seems to be reliable & industrially available

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EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson20 mimosa 16, « 14 µm », « 20 µm », « bis » Sous-matriceDiodeArchitecture du pixel Nom : Pixel 1 Taille : 32 lig. x 33 col. Sorties Discriminées : 24 Taille : 1,7 µm x 1,7µm Forme : carrée Rad-tol : non Ampli : source follower Reset : reset par transistor Charge de l’ampli : normal CDS : capa MOS de clamping Nom : Pixel 2 Taille : 32 lig. x 33 col. Sorties Discriminées : 24 Taille : 2,4 µm x 2,4µm Forme : octogonale Rad-tol : non Ampli : source follower Reset : reset par transistor Charge de l’ampli : normal CDS : capa MOS de clamping Nom : Pixel 3 Taille : 32 lig. x 33 col. Sorties Discriminées : 24 Taille : 2,4 µm x 2,4µm Forme : octogonale Rad-tol : oui Ampli : source follower Reset : reset par transistor Charge de l’ampli : normal CDS : capa MOS de clamping Nom : Pixel 4 Taille : 32 lig. x 33 col. Sorties Discriminées : 24 Taille : 4,5 µm x 4,5µm Forme : carrée Rad-tol : non Ampli : source follower avec feedback Reset : self-biais diode Charge de l’ampli : améliorée CDS : capa MOS de clamping mimosa 16 Sous-matriceDifférences par rapport à MIMOSA 16 Pixel 1 Diode : Taille : 3 µm x 3 µm Forme : ? Architecture du pixel : identique Pixel 2 Diode : taille identique forme Architecture du pixel : identique Pixel 3 Diode : Taille : 3,5 µm x 3,5 µm Forme : ? Architecture du pixel : identique Pixel 4 Diode : identique Architecture du pixel : ajout d’un abaisseur de tension avant la capacité de clamping pour améliorer ces performances. mimosa 16 bis

EUDET Meeting, DESY, January Auguste Besson21 test beam conditions CERN SPS: –120 GeV pions beam, burst: 4.8 s + 12 s dead time DAQ: –trigger: events/burst –data: 600 recorded events/burst –read-out freq:  analog: 2.5 MHz (50 µs read-out time)  digital: 20 MHz by 8 columns (50 µs read-out time) Data –35 runs (+Noise runs) –262 Go (!) –6 chips testés  3 mimosa 16 « 14 µm »  1 mimosa 16 « 20 µm »  2 mimosa 16 bis