Nouvelles chaînes d'instrumentation intégrées multivoies pour l'astrophysique

New integrated multi-channel instrumentation for astrophysics

• Auteur / Autrice : Florent Bouyjou
• Direction : Hélène Tap, Jean-André Sauvaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Conception des circuits Microéloctroniques et Microsystèmes
• Date : Soutenance le 05/12/2011
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés libres

Environnement spatial

Chaînes d’instrumentation intégrées

Détecteurs MCP et Semi-conducteurs

Technologie CMOS et ASIC analogique / numérique

Space environment

Integrated instrumentation channels

MCP and Semiconductors detectors

CMOS technology and analog / digital ASIC

Résumé

L'exploration du système solaire et l'étude de l'univers lointain sont encore sources de découvertes et de mystère pour la communauté scientifique et pour l’humanité en général. Ces observations sont actuellement principalement basées sur la mesure d’ions et de particules in-situ qui constituent ces milieux. Les instruments d’observation intègrent des détecteurs spatiaux, utilisés pour convertir l'énergie des particules en charges électriques mesurables. Ces derniers sont étroitement liés à leur électronique analogique ou Analog-Front-End (AFE) et cette combinaison forme des chaines astrophysiques de détection appelées « sensor heads ». Depuis quelques années, la volonté d’améliorer les résolutions spatiale et spectrale des détecteurs nécessite la conception d’une électronique intégrée multivoies. Ainsi, une électronique spatiale de type Application Specific Integrated Circuit (ASIC) doit être développée. Cela permet d’une part de s’adapter au mieux à chaque détecteur pour en optimiser les performances ; et d’autre part de bénéficier des multiples avantages inhérents à l’utilisation d’une technologie CMOS : diminuer les dimensions et les temps de transit des signaux, intégration multifonctions, réduction des coûts pour une fabrication de masse et effets parasites étudiés et bien connus. Cependant les contraintes spatiales exigent une qualification draconienne du circuit. En effet, ces environnent radiatifs peuvent endommager les systèmes électroniques embarqués à bord des missions spatiales. Grâce à la réduction des dimensions, il ne semble plus opportun aujourd’hui d’utiliser des technologies dédiées au spatial (type SOI ou biCMOS spécifiques) mais plutôt de mettre en œuvre des techniques de durcissement par design (RHBD) sur des technologies standards qui sont moins onéreuses et plus performantes. L’objectif de cette thèse est la conception de nouvelles chaînes d’instrumentations intégrées multivoies pour le spatial. Ce travail, co-financé par le CNES et le CNRS, s’est inscrit dans le cadre d’un projet soutenu par le Réseau Thématique de Recherche Avancée Sciences et Technologies pour l’Aéronautique et l’Espace (RTRA STAE) entre 2008 et 2011, intitulé CASA (Chaines AStrophysiques et leur instrumentation Associée). Au cours de cette thèse nous avons conçu 2 ASICs associés à 2 types de détecteurs spatiaux bien distincts. Le premier permet de compter les électrons en sortie d’une microchannel plate (MCP) tandis que le deuxième permet de quantifier le niveau d’énergie perdu par les e- en pénétrant dans un SC. L’étude de ces différents détecteurs doit d’abord être faite afin de les modéliser pour une parfaite adéquation avec leur électronique de détection. Ensuite, une optimisation des chaînes de conversion en vitesse, bruit et consommation est réalisée. Enfin, une méthodologie de savoir faire au niveau du traitement des informations doit être développée pour pérenniser l’expérience emmagasinée durant ces travaux.

The solar system exploration and study of the distant universe are still sources of discovery and mystery to the scientific community and for humanity in general. These observations are currently mainly based on the measurement of ions and particles in-situ forming these environments. The observation instruments incorporate spatial sensors, used to convert particles energy into electrical charges measurable. These are closely related to their electronic analog or Analog-Front-End (AFE) and the combination form chains astrophysical detection called "sensor heads". In recent years, the desire to improve the spatial and spectral resolution detectors requires the design of a multichannel integrated electronics. Thus, a spatial-type electronic Application Specific Integrated Circuit (ASIC) should be developed. This allows one hand to best adapt to each detector to optimize performance, and on the other hand to benefit from multiples advantages inherent in the use of CMOS technology: reducing the size and transit time signals, multi-function integration, cost reduction for mass production and interference effects studied and well known. However, the spatial constraints require a drastic qualification of the circuit. Indeed, the surrounding radiation can damage electronic systems on board the space missions. By reducing the size, it seems more appropriate today to use technologies for the space (or BiCMOS SOI specific) but rather to implement hardening design techniques (RHBD) on standard technologies that are less expensive and more efficient. The objective of this thesis is the design of new integrated multi-channel instrumentation for space. This work, co-funded by CNES and CNRS, has registered as part of a project supported by the Advanced Research Thematic Network Science and Technology for Aeronautics and Space (RTRA STAE) between 2008 and 2011, called CASA (Channels Astrophysics and their associated instrumentation). In this thesis we have designed two ASICs associated with two types of distinct space detectors. The first is used to count the electrons at the output of a MicroChannel Plate (MCP) and the second quantifies the amount of energy lost by e- by entering in a SC. The study of these different sensors must first be made to model them for a perfect match with their detection electronics. Then the chain optimization in conversion speed, noise and consumption is achieved. Finally, a methodology of knowledge in the processing of information must be developed to sustain the experience stored in this work.