Électronique et micro-électronique


Organigramme du service

 

Le service d'Electronique et des Techniques Expérimentales du Laboratoire APC couvre les métiers de l'électronique analogique ou numérique carte, dans les domaines impulsionnels et de traitement des signaux issus des capteurs et instruments embarqués sur satellites ou terrestres. Il est composé de plus de 12 personnes: IR (Ingénieur de Recherche), IE (Ingénieurs d'Etudes), AI (Assistant Ingénieurs), T (Techniciens): Chaque membre du service est affecté sur un (ou plusieurs) projet du laboratoire selon une organisation matricielle et après analyse et accord de la CSP (Cellule de Suivi de Projet).

Les expériences spatiales ou terrestres demandent de couvrir l'ensemble des techniques allant de la conception, la réalisation, les tests et mise au point de sous-ensembles d'électronique ou d'instrumentation complexes.

Le service couvre l'ensemble des métiers et s'appuie sur la cellule qualité et d'aide aux projets pour répondre aux besoins d'assurance qualité exigés au sein des collaborations internationales et des projets spatiaux et utilise dans ce sens une gestion documentaire sécurisée avec l'outil EDMS fournit par l'IN2P3.

Le laboratoire APC faisant partie de l'institut IN2P3, le service électronique peut s'appuyer sur la politique de mutualisation des moyens logiciels pour les développements électronique et les actions communes afin de pouvoir répondre aux besoins des expériences du laboratoire.

 

Moyens Techniques et Equipements

Pour mettre en œuvre les diverses activités, le service dispose d'un certain nombre d'équipements de laboratoire standards de tests et mesures, plus spécifiques pour la microélectronique, la qualification des composants spatiaux mais aussi de logiciels de CAO ( CADENCE), tant pour la conception de circuits imprimés (PCB), que pour celle de circuits intégrés spécifiques(ASIC), sans oublier la simulation numérique ou analogique, et la conception de circuits programmables (FPGA).

Ces logiciels permettent de

  • Réaliser des schémas (CONCEPT HDL–COMPOSER)
  • Simuler des systèmes numériques ou analogique (VERILOG HDL, VHDL, SPECTRE)
  • Développer des circuits programmables des marques ALTERA, XILINX et ACTEL (EPLD/FPGA) (SYNPLIFY)
  • Réaliser l’implantation physique des composants sur des cartes de circuits imprimés multicouches (PCB) (ALLEGRO)
  • Réaliser le dessin de circuits intégrés submicronque à grande échelle d’intégration (VLSI) (ARTIST – VIRTUOSO)

Le service dispose aussi d'instruments sophistiqués pour les tests et mesures comme un analyseur vectoriel, un analyseur de réseaux, un amplificateur paramétrique, et divers cryostats (dont certains développés au laboratoire).

Principaux équipements généraux:

Tests et Mesures

Acquisition au standard PXI

Le service utilise divers chassis, controlleur et modules d'acquisition au standard PXI sous Labview, Labview RT ou LINUX. Les matériels disponibles sont du type:

  • Châssis sans controlleur, 5 slots
  • Châssis avec controlleur, 8 et 20 slots
  • Modules ADC/DAC
  • Modules I/O logiques
  • Modules mesures températures
  • Modules alimentations

Générateurs AWG

Le service dispose de divers générateurs de signaux dont un générateur AWG 1,2 Gech/s x

Oscilloscopes

Par le service ou par les projets divers oscilloscopes numériques avec des bande-passante>1 GHz et fréquence d'échantillonage>5 Gech/s sont disponibles

Analyseurs Logiques

Le service possède divers analyseurs logiques avec des fréquences d'échantillonage >1,5 Gech/s et un nombre de voies >128

Appareils de Métrologie

Le service possède différents matériels de métrologie électrique et notamment un compteur intervalle de temps précis en monocoup à 25 ps

Analyseur de Bruit de Phase

Appareil spécifique de la marque AEROFLEX PN8000 couvrant la gamme 2MHz à 1.8GHz

Seuil de bruit:
1 Hz offset: -130 dB
10 Hz: -140 dB
100 Hz: -150 dB
1 kHz: -160 dB
10 kHz: -168 dB

Analyseur de Spectre

Le service a à sa disposition plusieurs analyseur de spectre BF et HF de marque Standford Research et AGILENT E4402B

 

Moyens de Production
Four cablage cartes

 

Four de refusion pour cablage de carte jusqu'à 350mmx400mm et 300°C max

 

 

Etudes et Développements

Le service participe à de nombreuses expériences et projets de R&D avec une contribution technique importante, un descriptif détaillé pour chaque projet, avec les principales réalisations, est disponible dans le tableau ci-dessous (cliquer sur titre projet pour accéder à la page détaillée):

Microélectronique Cryogénique
Conception et caractérisation de circuits intégrés (ASICfront-end cryogéniques

Projet Double Chooz

Des cartes d'acquisition rapide pour l'expérience DOUBLE CHOOZ

R&D Bolomètres

Développement et caractérisation de matrices de bolomètres supraconducteurs 

Projet LISA
Deux ingénieurs de recherche du service électronique sont impliqués à temps complet depuis fin 2006 dans les activités de R&D LISA afin de développer les équipements électroniques de la Stabilisation Laser et du LOT (LISA Optical Test Equipment).

 

Projet RELYC

Détecteur de rayons cosmique pédagogique

 
Projet PEGASE

Descriptif du projet PEGASE :

 

Le projet  scientifique  PEGASE situé sur le site deThémis (Pyrénées) consiste à installer une centrale solaire à tour avec une boucle expérimentale de production d’électricité par voie thermodynamique hybride solaire/fossile ou biomasse et turbine à gaz.

  

Satellite SIMBOL-X

Simbol-X était un projet d'observatoire spatial de rayons X. Le service d'électronique du laboratoire APC était impliqué dans ce projet dans le cadre de la conception de son détecteur d'anti-coincidence.

Ce projet a été arrêté par le CNES en raison de restrictions budgétaires.

PHEN'X

Le projet PHEN'X (Phenomène de Hautes Energies X) recouvre différentes activités de R&D ayant pour objectif de concevoir des systèmes d'anti-coïncidence.

 
Projet Auger

Electronique embarquée à base de microcontrôleurs avec une forte contrainte de fiabilité: conception, integration, production, maintenance.

Projet CTA

Projet CTA de détection des gerbes issues de l'interaction des rayons cosmiques et de l'atmosphère, détection avec plus de 100 télescopes. L'APC est responsable de la distribution de l'horloge de référence ainsi que du trigger central de l'expérience.

Satellite TARANIS

Le projet TARANIS permettra de mesurer les phénomènes lumineux intense de la haute stratosphère. L'APC est responsable de la définition, études et réalisations du détecteur XGRE, ensemble de 3 détecteurs pour mesurer les particules X et Gamma produites lors de ces phénomèes.

 

L'équipe impliquée à l'APC

9 personnes: IR (Ingénieur de Recherche), IE (Ingénieurs d'Etudes), AI (Assistant Ingénieurs), T (Techniciens)

  • Boutonnet Claude
  • Champion Cedric
  • Desplancques Gilles
  • Monier Guy
  • Noury Alexis
  • Oger Ronan
  • Prat Pierre
  • Santos Cayetano
  • Selmane Sahbi


 

Organigramme du service

 

Le service de microélectronique de l’APC développe des circuits intégrés ASIC (Application Specific Integrated Circuit) pour la mise en œuvre d'instruments dédiés à la cosmologie observationnelle et aux expériences d’astroparticules.

 

Présentation de l'équipe :

Ce service est constitué de deux ingénieurs de recherche permanents : Fabrice Voisin, en poste depuis 2003, actuellement chef du service de microélectronique, rattaché aux projets QUBIC et WFEE ATHENA ; Damien Prêle, en poste depuis 2007, rattaché au projet QUBIC et chef de projet WFEE ATHENA.

En septembre 2015, Cyril Beillimaz a rejoint le service, bénéficiant d’un CDD financé par le CNES pour mener à bien la phase A du projet WFEE ATHENA. Depuis septembre 2016, Si Chen, doctorant co‑encadré par Damien Prêle, participe également aux développements des circuits intégrés dans le cadre de ce même projet.

 

Domaine d’expertise :

Le service de microélectronique de l’APC dispose de compétences en conception "full‑custom" d’ASIC "front‑end" analogiques et mixtes utilisant des technologies standards CMOS et BiCMOS du commerce pour des applications à température ambiante ou à très basses températures.

En particulier, les membres de ce service ont développé depuis une dizaine d’années une expertise spécifique au sein de l’IN2P3 dans le domaine de la conception d’ASIC ultra-bas-bruit (0,2 nV/√Hz), opérant en milieu cryogénique (4,2 K) pour l’intégration de senseurs supraconducteurs (TES, SQUID) ou durcis aux environnements radiatifs pour des applications spatiales.

Au cours des cinq dernières années, le service a également participé au développement de matrices de SPAD (Single Photon Avalanche Diode) pour la réalisation d’imageurs sensibles au photon unique en technologie ASIC CMOS standard.

 

Projets :

QUBIC (Q&U Bolometric Interferometer for Cosmology) :

Le service a développé, dans le cadre d’activités de R&D liées au laboratoire millimétrique de l’APC, une expertise dans le domaine des multiplexeurs temporels à SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) pour la lecture de grandes matrices de TES (Transition‑Edge‑Sensors) à l’aide de circuits intégrés ultra‑bas-bruit fonctionnant à température cryogénique.

Cette solution développée notamment dans le cadre de la R&D BSD est particulièrement innovante pour les instruments dédiés à la cosmologie observationnelle qui intègrent des systèmes de détection cryogéniques complexes ultra-sensibles et qui requièrent un fort taux de multiplexage.

Description du plan focal de l’interféromètre bolométrique QUBIC

 

Deux ASIC ont été réalisés, l’un en 2012 (ʺSQMUX128ʺ) dans le cadre de l’intégration et la validation d’un quart de la chaîne de détection QUBIC dans un cryostat à dilution (2015) et le second en 2016 (ʺSQMUX128_evoʺ) en vue d’équiper le démonstrateur de l’instrument final dans son cryostat dédié (2017).C’est dans ce contexte que le service de microélectronique a pris en charge la réalisation et la qualification des ASIC équipant la chaîne de détection cryogénique du télescope QUBIC (deux plans focaux de 1024 TES chacun), expérience internationale d’interférométrie au sol dans le domaine des ondes millimétriques et submillimétriques (150 GHz et 220 GHz) pour l’étude des modes B de polarisation du fond diffus cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background).

Ces ASIC mettent en œuvre un multiplexage temporel de 4 colonnes de 32 SQUID en séries pour la lecture de 128 TES. Ils intègrent un amplificateur ultra‑bas bruit (0,2 nV / √Hz) à 4 entrées multiplexées, 32 sources de courant multiplexées nécessaires à la polarisation des SQUID, un circuit numérique pour le séquencement de l’adressage et une liaison série pour paramétrer l’ensemble du circuit.

ʺSQMUX128ʺ : ASIC réalisé en technologie standard AMS BiCMOS SiGe 0.35µm dans le cadre de la R&D BSD

 

Outre la réalisation de ces ASIC fonctionnant à température cryogénique (4,2 K), le service de microélectronique est largement impliqué dans l’intégration de la chaîne de détection de l’instrument : définition et caractérisation des TES (détecteurs supraconducteurs à 300 mK) ; spécification, suivi de réalisation et test des SQUID (préamplificateur supraconducteur à 1 K) ; réalisation et intégration des modules de SQUID et d’ASIC (PCB) ; gestion des interconnections (bonding, câbles et connectique) ; spécification et interfaçage de l’électronique d’acquisition à chaud (300 K).

A gauche et au milieu - et la validation d’un quart de la chaîne de détection QUBIC dans un cryostat à dilution; en haut et en bas à droite – interconnexions et tests des matrices de TES et des modules de SQUID respectivement

 

 

Collaboration PMO :

Ces réalisations d'ASIC fonctionnant aux très basses températures ont été proposées dans le cadre d'une collaboration internationale avec l'institut PMO (Purple Mountain Observatory, Chine) pour la mise en œuvre du plan focal d'un télescope situé à Dôme A en Antarctique. En 2013, le service de microélectronique a réalisé, testé et fourni à la collaboration un nouvel ASIC (ʺSQMUX24ʺ) intégrant les fonctionnalités nécessaires à la lecture et au multiplexage temporel de 24 TES. Un second ASIC est en préparation pour 2017 en vue d’équiper l’instrument final constitué de 1024 TES.

ʺSQMUX24ʺ: ASIC en technologie standard AMS BiCMOS SiGe 0.35µm pour la lecture et le multiplexage temporel d’une matrice de 24 TES dans le cadre de la collaboration PMO

 

 

ATHENA (Advanced Telescope for High Energy and Astrophysics) :

Dans le cadre de l’observatoire spatial ATHENA dans le domaine des rayons X, mission L2 de l’ESA, l’APC a la responsabilité du sous ensemble WFEE (Warm Front End Electronic) de l’instrument X‑IFU embarqué sur le satellite.

Le plan focal du détecteur X-IFU est composé de 3840 TES dont les signaux sont multiplexés en fréquence avec un taux de 40, soit un nombre de voies à amplifier puis à traiter réduit à 96.

La principale fonction du WFEE, situé à l’interface du cryostat et du DRE (Digital Readout Electronic), est d’intégrer sous la forme d’ASIC fonctionnant à 300 K les 96 voies d’amplifications (gain ultra‑stable 100V/V, 1-6MHz, 1nV/√Hz) et autant de sources de courant ajustables (DAC en courant) nécessaires à la polarisation des SQUID présents dans les étages cryogéniques ainsi qu’un lien série de type I2C ou RS485 pour le paramétrage de l’ensemble.

Description de l’instrument X‑IFU embarqué sur le satellite ATHENA et des principales fonctionnalités du sous ensemble WFEE (Warm Front End Electronic).

 

Le projet est actuellement dans sa phase A pour un lancement du satellite prévu en 2028.

Un premier ASIC ("awaXe_v1") a été soumis en fonderie début 2016, incluant de nombreux véhicules de tests dans le but d’identifier les topologies compatibles avec les besoins du WFEE et de valider les techniques de durcissement aux radiations mises en œuvre pour la réalisation des cellules numériques.

A gauche ‑ "awaXe_v1" : première version d’ASIC intégrant des véhicules de tests pour sélection des topologies compatibles avec les besoins du WFEE ; à droite – layout ʺfull‑customʺ de cellules numériques pour validation de techniques de durcissement aux radiations

 

Le service de microélectronique a également pris en charge les phases de caractérisation de l’ASIC comprenant notamment une campagne de qualification en tenue aux radiations (dose et faisceau) ainsi que le développement des cartes (PCB) et bancs de tests associés.

Ces campagnes de tests aux radiations en dose (source au Cobalt 60 sur le site COCASE, CEA Saclay) et en faisceau (source Californium 252 dans les installations de la société TRAD et auprès du cyclotron de l’UCL Louvain) ont permis au service de microélectronique de disposer à présent d’une compétence indéniable en qualification spatiale.

En haut à gauche – tests en dose avec une source Cobalt 60 à COCASE (CEA Saclay) ; en bas à gauche – tests aux SEL avec une source Californium 252 dans les installations de la société TRAD (Toulouse), à droite – qualification aux SEL auprès du cyclotron de l’UCL Louvain (Belgique).

 

Un deuxième ASIC ("awaXe_v2") est en cours de développement pour une soumission fin 2017 en vue d’une intégration de type "breadboard" pour la mise en œuvre d’un démonstrateur prévu en fin de phase A (2018).

 

Gamma Cube :

Le service de microélectronique a participé aux développements de matrices de SPAD (Single Photon Avalanche Diode) en technologie ASIC CMOS standard pour la réalisation d’imageurs sensibles au photon unique dans le cadre du projet Gamma Cube, R&D pour tracker gamma spatial. L’étude d’un système de codage et de multiplexage intégré à conduit à la réalisation, en 2014, d’un ASIC (ʺIMACUPʺ) dans le cadre d’une collaboration académique avec le LE2I (Laboratoire Electronique, Informatique et Image). Le service a également pris en charge la caractérisation de cette matrice de SPAD multiplexée ainsi que la réalisation du banc de test associé.

A gauche - ASIC ʺIMACUPʺ intégrant une matrice 30 x 30 SPAD réalisé en technologie standard AMS CMOS 0.35µm ; à droite - Single Photon Avalanche Diode (SPAD) de 10 µm.

 

Ces travaux ont débouché sur une prospective de valorisation industrielle (SATT, Wtech) du concept de camera "gamma cube" pour des applications médicales.

 

Futurs projets :

Le service de microélectronique a pour vocation de répondre aux demandes des projets émergeant au laboratoire nécessitant son expertise. A ce titre, il participe activement aux prospectives de contribution au projet de satellite LiteBird ainsi qu’au projet d’instrument de quatrième génération S4 américain pour l’étude du CMB ou son équivalent européen E4.