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Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Génie Electrique, Electronique et Télécommunications (GEET)
Nouvelles chaînes d'instrumentation intégrées multivoies pour l'astrophysique
lundi 5 décembre 2011
Florent BOUYJOU
Conception des circuits Microéloctroniques et Microsystèmes (CCMM)
MME. Hélène TAP-BETEILLE, M. Jean-André SAUVAUD,
M. Pascal FOUILLAT, M. Pascal NOUET,
M. Olivier BERNAL, M. Jean-Marc BIFFI et M. Jean-Didier LEGAT
M. Pascal FOUILLAT
M. Pascal NOUET
MME. Hélène TAP-BETEILLE
M. Jean-André SAUVAUD
LAAS - CNRS et IRAP - CNRS

THESE
Docteur de l’institut national polytechnique de Toulouse
Par :
Florent BOUYJOU
Equipe d’accueil : LAAS – OSE et IRAP - CNRS
Ecole doctorale : GEET
Spécialité : MicroNano Systèmes
Titre :
Nouvelles chaînes d'instrumentation intégrées multivoies pour l'astrophysique
Présentée et soutenue le :
Lundi 5 décembre 2011
MME Hélène TAP-BETEILLE Directrice de thèse
M. Jean-André SAUVAUD Co-directeur de thèse
M. Jean-Didier LEGAT Président du jury
M. Pascal FOUILLAT Rapporteur
M. Pascal NOUET Rapporteur
M. Olivier BERNAL Examinateur
M. Jean-Marc BIFFI Invité

Nouvelles chaînes d'instrumentation intégrées
multivoies pour l'astrophysique
Mots clés
- Environnement spatial
- Chaînes d’instrumentation intégrées
- Détecteurs MCP et Semi-conducteurs
- Technologie CMOS
- ASIC analogique / numérique.
Résumé
L'exploration du système solaire et l'étude de l'univers lointain sont principalement basées sur la
mesure d’ions et de particules in-situ. Les détecteurs, utilisés pour convertir l'énergie en charges
électriques mesurables, sont étroitement liés à leur électronique analogique Analog-Front-End (AFE)
et cette combinaison forme des chaines astrophysiques de détection appelées “sensor heads”. La
nécessité d’améliorer les résolutions spatiales et spectrales des détecteurs nécessite la conception
d’une électronique intégrée multivoies. Par ailleurs, pour s’adapter au mieux à chaque détecteur, une
instrumentation spécifique devra être mise en œuvre. Ainsi, le développement d’une électronique
spatiale de type Application Specific Integrated Circuit (ASIC) doit être développée, nécessitant un
savoir faire spécifique.
La première partie de la thèse est consacrée à décrire les différentes méthodes de mesure des
particules en environnement spatial.
Le deuxième chapitre présente l’architecture d’un détecteur constitué de MicroChannel Plates
(MCP), puis l’architecture d’un détecteur à base de semi-conducteurs pour la spectrométrie d’électrons
énergétique. Le premier détecteur est utilisé pour la détection de particules alors que le deuxième
permet de mesurer le niveau d’énergie déposé par les électrons dans des semi-conducteurs (Si et
CdZnTe). Le simulateur GEANT 4 a permis de déterminer la géométrie optimale du détecteur en
quantifiant le nombre de paires électron-positron créées dans les semi-conducteurs en fonction de
l’énergie des particules incidentes.
Le troisième chapitre présente une méthodologie de conception des chaînes d’instrumentation en
technologie CMOS permettant de s’adapter aux différents détecteurs. Une étude succincte des effets
de l’environnement spatial sur l’électronique CMOS est également réalisée. La structure analogique
permettant de convertir une charge en tension est présentée et des pistes dont proposées afin de
l’optimiser en vitesse, en bruit et en consommation.
Le quatrième et cinquième chapitres de la thèse traitent du développement de deux ASICs, l’un
permettant d’instrumenter un détecteur à MCP, l’autre un détecteur à semi-conducteurs.
Enfin, le dernier chapitre présente les validations expérimentales et les performances des chaînes
de détection pour la MCP et les semi-conducteurs. Les résultats de ces mesures ont permis de montrer
la faisabilité de l’intégration multivoies de deux chaînes d’instrumentation spatiale validant ainsi la
méthodologie de conception. Les performances obtenues sont meilleures que celles obtenues en
électronique discrète et sont adaptées à l’environnement spatial. Ces nouvelles chaînes multivoies
réalisées ouvrent donc de nouvelles perspectives dans les futures missions en astrophysique.