Extrem rauscharme integrierte Ladungsverstärker für Detektoren zur Erfassung von interstellaren, interplanetaren und terrestrischen Staubpartikeln
Astrophysik und Astronomie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war die Verbesserung der Empfindlichkeit von ladungsbasierten Staubdetektoren für kosmischen Staub. Gleichzeitig sollte der Geschwindigkeitsbereich der erkennbaren Partikel erweitert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden neben Untersuchungen des Gesamtsystems mehrere integrierte Ladungsverstärker entwickelt, die im Frequenzbereich von 7 Hz bis 300 kHz und von 1 kHz bis 50 MHz arbeiten. Die Demonstration der Ergebnisse erfolgt anhand eines neu entworfenen differenziellen Detektorsystems. Wesentliche Fortschritte konnten im Bereich der systematischen Analyse und Optimierung der Detektorsysteme erreicht werden. Das entwickelte Systemmodell erlaubt die gleichzeitige Optimierung der Detektorgeometrie und der Parameter des Eingangstransistors des Ladungsverstärkers unter Annahme eines idealen Filtersystems. So wird eine Optimierung unter Berücksichtigung der gegenseitigen Abhängigkeiten der bisher getrennt betrachteten Komponenten des Systems möglich. Die Ergebnisse zeigen, dass eine größere Elektrodenlänge bei gegebener Detektorgröße bei einem optimalen Filtersystem nur geringfügigen Einfluss auf die Erkennbarkeit der Partikel hat, allerdings eine deutlich höhere notwendige Leistungsaufnahme im Verstärker zur Folge hat. In Bezug auf die entwickelten Ladungsverstärker zeigten erste Messungen, dass entgegen der vorherigen Annahmen das 1/f-Rauschen des Systems durch Rauschen der Dielektrika im Messaufbau dominiert wird. Bereits Dielektrika auf dem Chip scheinen die Rauschleistung zu steigern. Messungen des Verstärkers mit Widerstandsrückkopplung zeigen, dass in diesem Fall das modellierte Rauschen mit den Messungen übereinstimmt. Auch der bezüglich des Rauschens der Dielektrika optimierte Aufbau zeigt für den Verstärker im unteren Frequenzbereich von 7 Hz bis 300 kHz eine Rauschleistung, die ca. 9 dB über dem angestrebten Wert liegt. Eine weitere Reduzierung des Rauschens mithilfe schaltungstechnischer Methoden konnte nicht im angestrebten Umfang erreicht werden. Die periodische Umschaltung des Arbeitspunkts der Eingangstransistoren stellt nach Erkenntnissen der Bearbeitenden das einzige Verfahren dar, das auf Ladungsverstärker zur Reduzierung des 1/f-Rauschens angewendet werden kann. Das Potenzial dieses Verfahrens wurde anhand einer Testschaltung in der Halbleitertechnologie mit dem besten verfügbaren Rauschverhalten untersucht. Es zeigt sich, dass in diesem Fall die 1/f- Rauschleistung um ca. 1,7 dB reduziert werden kann. Aufgrund des begrenzten Potenzials erfolgte keine weitere Untersuchung dieses Verfahrens. Zusammengefasst ermöglichen die entwickelten Verstärker und der Detektor im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich verbesserte Erfassung insbesondere von langsamen Partikeln. Das schaltungstechnische Potenzial zur Optimierung erweist sich als sehr begrenzt. Primärer Ansatzpunkt für zukünftige Verbesserungen des Rauschverhaltens ist die weitere konstruktive Verbesserung des Systems bezüglich des Rauschens der Dielektrika, akustischer Einkopplungen und der Auslegung der Elektroden und der Abschirmung. Auch die spezifische Anpassung von Halbleiterprozessen an die Anforderungen von Ladungsverstärkern könnte potenziell eine weitere Reduzierung des Rauschens ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"A Fully Differential Charge-Sensitive Amplifier for Dust-Particle Detectors," 2018 14th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 2018, pp. 13-16
S. Kelz, T. Veigel, M. Grözing and M. Berroth
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" Experimental Investigation of Dielectric Loss Induced Noise in Charge Detection Systems for Cosmic Dust," 2021 16th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 2021
S. Kelz, M. Grözing and M. Berroth
