Kurzfassung
Der Large Hadron Collider (LHC) wird einer umfassenden 'High Luminosity'-Aufrüstung unterzogen,um bis 2029 eine maximale instantane Luminosität von 5−7.5×10^34 cm−2s−1 zu erreichen. Damit das CMS-Experiment mit der höheren Strahlenbelastung und Datenrate stand hält, wird der derzeitige CMS-Silizium-Spurdetektor ersetzt. Insbesondere im äußeren Teil des Spurdetektors, dem so genannten Outer Tracker, wird ein neues Modulkonzept eingeführt. das aus zwei vertikal gestapelten Siliziumsensoren besteht. Hierzu wird das starke Magnetfeld im Inneren des CMS-Detektors ausgenutzt, um Teilchen mit hohem Transversalimpuls bereits auf dem Modul zu erkennen. Die entsprechenden Infor- mationen, die als stubs bezeichnet werden, werden an das CMS Level-1-Trigger-System übermittelt.
Diese Arbeit konzentriert sich auf eines der beiden vorgesehenen Moduldesigns, nämlich das Pixel-Strip (PS) Modul. Das Modul besteht aus einem 10 × 5 cm^2 Streifensensor mit 2, 5 cm langen Streifen und 100 μm Streifenabstand, der einem Abstand von wenigen Millimetern auf einen Makropixelsensor mit 1467 × 100 μm Makropixeln geklebt ist. Die Makropixel sind mit kleinen Lotkügelchen mit dem Auslesechip verbunden. Diese sind von besonderer Bedeutung, da sie die Logik für die Impulsmessung auf dem Modul implementieren. Die beiden Sensoren sind von peripheren Front-End-, Auslese- und Leistungshy- bridschaltungen umgeben. Die Front-End-Hybridschaltungen tragen die Streifensensor ASICs und eine Datenkonzentration ASIC. Der Auslesehybrid übernimmt die Steuerung der Front-End-ASICs und die bidirektionale optische Datenkommunikation mit dem Back- End-System. Der Stromversorgungs-Hybrid schließlich sorgt für die Spannungsversorgung aller elektronischen Komponenten des Moduls.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die neuesten Entwicklungen in Bezug auf drei Hauptaspekte: die Modulmontage, die Testsysteme für die Modulproduktion und die Modulqualifizierung. Die Modulmontage beruht auf einem halbautomatischen Verfahren, das die hohen Präzisionsanforderungen der Sensor-zu-Sensor-Ausrichtung erfüllen kann. Die Entwicklung der Produktionstestsysteme wird durch das Kernprinzip der Vielseitigkeit, der Flexibilität und des hohen Durchsatzes vorangetrieben, so dass sie die Qualifizierung einer breiten Palette von Hybridschaltungen und Modultypen unterstützen können. Was die Leistungsstudien anbelangt, so hat die vorläufige Laborqualifizierung der neuesten Prototyp-Module die elektrische Integrität der Auslesekette gezeigt, aber immer noch ein relativ hohes elektronisches Rauschen ergeben, das den Streifensensor beeinträchtigt. Dennoch zeigt die Teststrahlqualifizierung eines Prototypmoduls eine hervorragende Leistung mit Cluster-Effizienzen über 99% für den Streifensensor und 98% für den Pixelsensor. Schließlich demonstriert die Teststrahlqualifizierung die Fähigkeit des Moduls Teilchen anhand ihres Transversalimpulses zu unterscheiden, wobei Stub-Effizienzen von über 98% erzielt werden.
The Large Hadron Collider (LHC) will undergo a major “High Luminosity” upgrade with the goal of delivering a peak instantaneous luminosity of 5 − 7.5 × 10^34 cm−2s−1 by 2029. In order for the CMS experiment to cope with the higher radiation levels and data rates, the current CMS Silicon Tracker will be replaced. In particular, the outer part of the Tracker, referred to as the Outer Tracker, will introduce a new module concept, made of two vertically stacked silicon sensors. It will exploit the strong magnetic field inside the CMS detector to perform an on-module transverse momentum (pT) discrimination, detecting high pT particles locally and sending the corresponding information, referred to as stubs, to the CMS Level-1 Trigger system. This thesis focuses on one of the two foreseen module designs, namely the Pixel-Strip (PS) module. The module is made of a 10 × 5 cm^2 strip sensor, with 2.5 cm long strips and 100 μm pitch, stacked on top of a macro pixel sensor with 1467 × 100 μm macro pixels bump-bonded to macro pixel ASICs. The latter are of particular importance as they implement the logic for the on-module pT discrimination. The sensor stack is surrounded by peripheral front-end, readout and power hybrid circuits. The front-end hybrids host the strip sensor ASICs and a data concentration ASIC. The readout hybrid handles the control of the front-end ASICs and the bi-directional optical data communication with the back-end system. Finally, the power hybrid ensures power distribution to all the front-end electronic components. The presented work describes the latest developments with respect to three main aspects: the PS module assembly, the module production test systems, and the PS module qualification. On the one hand, the module assembly relies on a semi-automated procedure capable of fulfilling the high precision requirements of the sensor-to-sensor alignment. On the other hand, the development of the production test systems is driven by the core principle of versatility, flexibility and high throughput such that they are able to sup- port the qualification of the wide range of hybrid circuits and module types. As far as performance studies are concerned, the preliminary laboratory qualification of the latest assembled prototype PS modules demonstrates the electrical integrity of the readout chain but still yields a relatively high electronic noise affecting the strip sensor. Nevertheless, test-beam qualification of a prototype module shows excellent performance with cluster efficiencies above 99% for the strip sensor and 98% for the pixel sensor. Finally, the test-beam qualification demonstrates the pT discrimination capabilities of the module, yielding stub efficiencies above 98%.