Electronique embarquée

Les détecteurs de particules basés sur les galettes à micro-canaux ou les galettes de semiconducteurs sont utilisés pour détecter et quantifier à la fois la densité et l'énergie des particules spatiales (électrons, protons, ions lourds).  Le besoin d'améliorer à la fois la résolution spatiale et spectrale ainsi que les performances en bruit rendent nécessaire la conception d'une électronique intégrée multivoies. Etant donné que la consommation de puissance doit être optimisée dans les satellites (mais aussi pour réduire l'échauffement des détecteurs situés à côté), des techniques de conception basse puissance doivent être utilisées. Un des défis consiste donc à développer des méthodes de conception spécifiques à partir de technologies standards (comme celles requises pour durcir les circuits aux radiations) qui doivent être employées afin de dépasser les performances obtenues par des circuits conçus à partir de technologies spatiales dédiées et ce sans perte de niveau de tenue aux radiations.

    On a recourt ici seulement à des technologies CMOS standard pour concevoir les circuits intégrés. La conception des circuits analogiques doit prendre en compte les caractéristiques électriques et physiques du détecteur qu'ils permettent d'interfacer afin d'atteindre de hautes performances ainsi que l'environnement radiatif spatial.

    Les technologies donnant accès à des oxydes de grilles d'épaisseur inférieure à 10nm mais supérieure à 2nm doivent être privilégiées afin d'être plus immun vis-à-vis de la dose totale d'ionisation (grâce à l'effet tunnel) mais aussi d'être moins sensible aux phénomènes de rupture de l'oxyde qui peuvent être causés par des ions lourds. De plus, ces technologies permettent d'obtenir un bon compromis bande passante / dynamique de sortie. Pour conclure sur le choix technologique, les procédés autorisant l'implémentation de caissons isolés peuvent être intéressants pour minimiser les effets de latch-up causés par les ions lourds par exemple.

    En plus, du choix technologique, des méthodes de dessins des circuits spécifiques sont requises. Par exemple, en ce qui concerne les interrupteurs, les transistors NMOS permettant de les réaliser doivent être repliés ou ronds afin de minimiser les courants de fuites si un interrupteur de type PMOS ne peut être réalisé.

Applications

    Un circuit intégré à 13 voies a été conçu pour la mission spatiale TARANIS (Tool for the Analysis of RAdiations from lightNIngs and Sprites). Ce circuit intégré  (incluant à la fois la partie analogique mettant en forme les signaux du détecteur et la partie conversion analogique-numérique) est le circuit de lecture de galettes à semiconducteur de type Si et CdTe.

Le dispositif peut détecter des électrons possédants une énergie comprise entre 50keV et 4MeV avec une charge équivalente de bruit en entrée de 3100e- pour une consommation de 3mW/voie, ce qui représente une amélioration d'un facteur 3 par rapport à l'approche utilisant des composants durcis discrets.

    Un circuit intégré adapté aux galettes à micro-canaux a aussi été conçu pour observer le vent solaire. Ce circuit est considéré comme un candidat sérieux pour équiper une mission future comme Solar Probe + (NASA). Des essais aux radiations ont par ailleurs montré en particulier qu'il pouvait tenir une dose supérieure à  360krad sans perte notable de performances.

    Ce dernier possède en outre de meilleures performances que l'Amptek A111 qui est le composant durci aux radiations  de référence utilisé jusqu'à présent pour instrumenter la majorité des détecteurs spatiaux.

Linéarité du circuit intégré interfaçant un détecteur au Si en fonction de la charge détectée

Performance simulée et mesurée en bruit d'une chaîne interfaçant une galette à micro-canaux

Nous avons aussi conçu le système d'autofocus laser de l'expérience  ChemCam à bord de Curiosity, le rover de la NASA utilisé pour l'exploration de Mars.


L’expérience ChemCam.