CUCCATO, ANDREA
Development of electronic systems for single photon avalanche diode arrays [Tesi di dottorato]
Politecnico di Milano, info:eu-repo/date/embargoEnd/2017-01-28

Negli ultimi anni la ricerca scientifica in campo chimico e biomedico si è sempre più focalizzata sull'utilizzo di analisi di tipo ottico, allo scopo di comprendere meglio i processi biologici. Il carattere non-invasivo di queste misure le rende infatti una soluzione ottima per esperimenti in-vivo e per la diagnostica in ambito medico. Questo trend ha spinto la ricerca nel campo dell'elettronica a sviluppare fotorivelatori dalle elevate presetazioni, per poter soddisfare le richieste stringenti imposte dalle applicazioni. Ad esempio, tecniche di single-molecule spectroscopy (SMS) si sono rapidamente affermate nel campo della biologia e della biochimica. Questa tecnica utilizza campioni estremamente diluiti, pertanto necessita di fotorivelatori con sensitività elevata e basso rumore; al giorno d'oggi i fotorivelatori a singolo fotone rappresentano la migliore risposta e queste richieste. Spinta da una forte richiesta di setup di misura paralleli, la ricerca negli ultimi anni incrementato notevolmente le performance degli array di SPAD (single-photon avalanche diode). Infatti un approccio di tipo multispot consente di ridurre significativamente i tempi di misura, rendendo possibile lo studio di processi che evolvono rapidamente in analisi come SMS, single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) e fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). Inoltre, la risposta temporale del rivelatore a singolo fotone è di fondamentale importanza quando la tecnica di time-correlated single-photon counting (TCSPC) è utilizzata per misurare curve di fluorescenza con una risoluzione temporale inferiore al nanosecondo. Al giorno d'oggi, i sensori di imaging allo stato dell'arte integrano migliaia di rivelatori a singolo fotone all'interno dello stesso chip. Ad esempio, l'impiego di una tecnologia CMOS consente di integrare nel pixel sia il fotorivelatore, sia i circuiti per la conversione time-to-digital. In questo modo è possbile realizzare matrici di SPAD di grandi dimensioni per applicazioni di time-resolved imaging con elevato frame-rate, come laser ranging (LIDAR) o FLIM. Tuttavia, le perforamnce di questi rivelatori non sono al livello dello stato dell'arte, che è invece rappresentato da SPAD (e array di SPAD) realizzati con un processo di fabbricazione custom. Di contro, per questi ultimi il numero di pixel che è possibile integrare in un singolo chip è limitato a causa di problematiche di signal routing on-chip. Inoltre, per poter sfruttare al meglio le performance del fotorivelatore è necessario impiegare una struttura ibrida CMOS-custom, che tuttavia comporta problematiche di signal routing off-chip, oltre ad un incremento notevole dell'occupazine di area. Con l'obiettivo di superare il tradeoff esistente tra parallelizzazione e incremento delle performance, nel nostro gruppo di ricerca è stato progettato un sistema completo a 32 canali per misure di TCSPC che implementa un array lineare di 32x1 SPAD. Parte di questo sistema rappresenta l'oggetto principale del lavoro di tesi che sarà presentato nei prossimi capitoli. Esso consiste nel progetto e nella realizzazione di uno strumento di misura a 32 canali paralleli per analisi a singolo fotone con elevata risoluzione temporale (time-resolved single-photon counting), il quale consente di effettuare analisi di single-photon counting come modulo stand-alone, in alternativa può essere utilizzato come detection head assieme ad un sistema di elaborazione TCSPC multicanale. Le basi di questo lavoro sono rappresentate da una detection head a 8 canali, realizzata in un precedente lavoro di tesi, e dall'esperienza acquisita nello sviluppo di un modulo completo a singolo canale per misure di TCSPC. Il modulo time-resolved a 32 canali sfrutta le elevate preformance dell'array lineare di 32x1 SPAD, il quale è utilizzato congiuntamente ad un array di 32x1 AQC realizzato in tecnologia CMOS. L'utilizzo di questa struttura ibrida ha reso necessario affrontare problematiche come signal routing, crosstalk elettrico tra segnali paralleli, connettività, gestione delle alimentazioni, dissipazione di calore e sviluppo di opportune soluzioni per il packaging. In particolare, l'implementazione di un sistema di controllo della temperatura del SPAD, necessario per ridurre i dark counts, ha richiesto notevoli sforzi progettuali. La detection head è stata caratterizzata in modo esaustivo e parametrico. I risultati in termini di dark count rate, probabilità di afterpulsing, photon-detection efficiency e crosstalk ottico si sono rivelati in linea con altri SPAD realizzati in tecnologia custom. Inoltre, la system response function a fronte di un evento di photon-detecion è risultata inferiore a 60ps FWHM ad un count rate medio di 1Mcps per canale, pertanto in linea con le specifiche attualmente richieste da misure di TCSPC multidimensionali. Durante questo lavoro di tesi è stata anche realizzta una detection head a 64-canali per misure di single-photon counting. Infatti, nel nostro gruppo di ricerca sono stati recentemente sviluppati array 2-D di SPAD e SPAD con elevata efficienza alle lunghezze d'onda del rosso. La nuova detecion head è stata realizzata per poter utilizzare queste nuove tipologie di SPAD all'interno di setup di misura, andando così incontro ad una richiesta crescente di elevate performance ed elevato throughput di misura per applicazioni in campo biochimico. Nella nuova detection head il numero di canali è stato incrementato a discapito di un peggioramento della risoluzione temporale. Tuttavia, i due sistemi sviluppati durante questo lavoro di tesi (rispettivamente il modulo a 32 canali e quello a 64 canali) sono complementari, e ciascuno ha come target uno specifico range di applicazioni. Infine, possono essere considerati come un tentativo di investigare il limite del tradeoff tra performance e parallelizzazione per sistemi basati su SPAD realizzati in tecnologia custom.

diritti: info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
GERACI, ANGELO
RECH, IVAN
ING-INF/01 - ELETTRONICA


Tesi di dottorato. | Lingua: en. | Paese: | BID: TD17092142