Talents du CNRS à l’IN2P3: Christine Hu

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Talents du CNRS à l’IN2P3: Christine HU GUO

Christine HU GUO, titulaire d’un doctorat en électronique, est Ingénieure de Recherche CNRS au sein de l’Institut Pluridisciplinaire Hubert CURIEN (IPHC) de Strasbourg depuis 1998. Dès son arrivée, elle a eu en charge le développement de circuits intégrés dédiés aux détecteurs de particules chargées en physique subatomique et à l’imagerie biomédicale. Sa précédente expérience de chef de projet de R&D chez THOMSON lui a permis d’appréhender rapidement les problématiques spécifiques au laboratoire. C’est elle qui dirige à ce jour le groupe de R&D en microélectronique de l’IPHC.

L’arrivée de Madame HU a coïncidé avec la phase de R&D des détecteurs pour LHC. Elle avait assuré la coordination d’une équipe de développement constituée de quatre concepteurs dans le projet HAL25, un circuit intégré de 128 voies en technologie CMOS 0,25 µm, tolérant aux radiations, destiné au trajectomètre de l’expérience ALICE. Elle-même en a conçu toute la partie de conditionnement analogique bas bruit, faible consommation. Elle s’est profondément impliquée dans le test et la caractérisation. Elle a joué un rôle central, en liaison avec le fondeur et le CERN, dans l’amélioration des rendements de fabrication. HAL25 a été mis en production, avec succès, à 35000 exemplaires fin 2003.

HAL 25 Circuit Intégré (détails techniques et caractérisation)

Le circuit HAL25, basé sur le principe d'ALICE128C et extrapolé à partir de celui-ci, a été conçu de façon à optimiser sa tenue aux radiations et à satisfaire une demande de faible consommation et de faible bruit électronique. Il est réalisé en technologie CMOS 0.25 μm, technologie submicronique commerciale permettant de fabriquer des circuits ayant une bonne tenue aux radiations.
Chaque voie est constituée d'un préamplificateur de charge, d'un circuit de mise en forme et d'un étage de mémorisation commandé par un signal extérieur. Un multiplexeur analogique permet la lecture séquentielle des données analogiques mémorisées.

Un amplificateur de sortie intégré est commun aux 128 voies. La logique de contrôle répondant à la norme JTAG-IEEE 1149-1 est incorporée au circuit.

Descriptif du circuit HAL25 (poster):                       

Résultats de caractérisations du circuit HAL25:   

 

 

 

Dans la phase d’aboutissement des conceptions pour le LHC, de nouveaux axes de Recherche & Développement sont nés et ont conduit à l’émergence de nouveau projet à l’IPHC. Il s’agit d’un programme de détection des particules chargées à l’aide de capteurs CMOS à pixels monolithiques (CPS). C’est un développement original dans la détection et la mesure des trajectoires des particules, destiné à dépasser les limites du moment sur la granularité temporelle et spatiale des capteurs.

Madame HU avec son groupe s’est relevé ce défi. Cette R&D novatrice aura nécessité 13 ans pour passer de la preuve de concept, un capteur CMOS de 16 kpixels et 6 mm2 produisant, à 400 Hz, des images analogiques, à un capteur opérationnel de haute technologie, avoisinant 1 M pixels sur 4 cm2, produisant, à 5,4 kHz, des images numériques compressées sur l’expérience STAR à Brookhaven, une première mondiale dans le domaine. Mme Hu a été la pierre angulaire de ce projet en démontrant ses qualités de scientifique, d’ingénieure, de manager d’équipe, de coordinatrice technique de projets internationaux. Pour cela, elle aura conduit la stratégie de développement qui a levé les verrous successifs sur les divers plans que sont: l’efficacité et la sensibilité des nœuds de détection, l’architecture des capteurs, leur tenue aux radiations, la caractérisation et la sélection des substrats et des procédés de fonderie les plus optimaux.

Les capteurs CMOS (Principes et Applications en Physique des Particules)
Quelques informations détaillées sur le principe des capteurs CMOS, ces photos sont issues d'une présentation issue du groupe PICEL de l'IPHC
Mais tout d'abord qu'est ce qu'un capteur CMOS ?. C'est un détecteur de particules (quelle soit un photon dans le cas des capteurs CMOS de votre appareil photographique ou une particule issue d'une interaction dans une expérience du CERN).

Le senseur est en fait le transistor lui-même  permettant d'avoir l'électronique de lecture intégrée avec le capteur.

Nous voyons sur l'image ci-contre la cellule de base composée des transistors composant le pixel élémentaire. Un ensemble de 1 millions de pixel compose la matrice de détecteur complet. Le circuit intégré étant assemblé sur un circuit imprimé classique pour sa testabilité.
Mais au fait comment fonctionne la cellule élémentaire du capteur CMOS ?
Lors du passage d'une particule chargée, celle-ci libère des charges électriques qui sont collectées, amplifiée et lues par l'électronique directement intégrée dans la cellule élémentaire.
Chaque pixel étant indépendant on peut ainsi connaitre quelle ligne et quelle colonne a été touchée et donc retrouver le pixel activé par le passage de la particule que l'on veut détecter.
Pour la physique des particules les capteurs CMOS vont permettre de déterminer la trajectoire des particules issues des collisions dans les grandes expériences du CERN ou auprès d'autres accélérateurs.
Les capteurs CMOS vont être assemblés au plus près du point de collision entre les particules accélérées. Le détecteur de trace complet sera composé de plusieurs couches de détection.
Chaque capteur composé de plus d'un million de senseurs, sera assemblé avec d'autres formant une échelle. Ces échelles seront elle-mêmes assemblées sur un cylindre recouvrant une couche complète de détection.
Les interactions des particules accélérées produisant de nouvelles particules élémentaires. Grace aux millions de voies de détections composées des capteurs CMOS extrêmement sensibles et avec un nombre de pixels gigantesque, nous sommes capables de détecter les trajectoires de ces particules.
Ayant pu détecter le passage des particules avec une très forte précision ceci sur les différentes couches du détecteur complet, l'informatique permet de reconstruire les trajectoires et donc de remonter aux caractéristiques des particules élémentaires étudiées.

 

En tant que co-coordinatrice, avec les chercheurs de l’équipe PICEL de l’IPHC, de ce programme ambitieux de R&D, il lui aura fallu obtenir et gérer la montée en puissance des moyens techniques et humains, son équipe de conception passant progressivement de 5 à 17 ingénieurs de microélectronique et de tests auxquels s’ajoutent 3 à 4 étudiant en masters, doctorants et post-doctorants. Maintenant son groupe est parmi les 3 grands pôles de microélectronique reconnus de l’IN2P3, la référence pour les CPS.

haut_de_pageLe succès des capteurs CPS, confirmé par les nouveaux résultats de physique produits par l’expérience STAR à Brookhaven dans la mesure du Charme, a permis aux chercheurs de l’IPHC de contribuer fortement à la jouvence du détecteur de trace ITS d’ALICE au CERN et de se projeter dans un programme de physique ciblé autour des trackers des expériences CBM en Allemagne, Belle II au Japon ainsi que des projets de futurs collisionneurs linéaires (collaboration LCC pour CLIC -CERN– / ILC -Japon-) et de futur collisionneur circulaire CEPC (Chine). Les physiciens s’appuient pour les réalisations techniques à développer au sein de ces collaborations sur Mme HU et son groupe.

Ainsi dès 2011, dans le cadre de la collaboration ALICE, les mesures obtenues avec les capteurs produits par le groupe de Christine HU, dans les conditions expérimentales simulant le LHC haute luminosité, ont été déterminantes. Elles ont étayé la proposition des chercheurs de renouveler entièrement en 2018 le tracker ITS avec des CPS, c’est-à-dire 10 m2 de surface sensible, soit 13 milliards de pixels produisant, à 50 kHz, des images numériques compressées d’une résolution de spatiale 5 µm. Ce défi technologique à 2 M€ de R&D puis 2 M€ de construction a été accepté et autorisé par le conseil scientifique du LHC. Ces développements de pré-études de plus d’1 an ont permis ensuite au groupe de Mme HU de contribuer par ses propositions et ses réalisations au sein de l’équipe internationale de 30 concepteurs, au capteur final ALPIDE, de 500 kpixels sur 6 cm2, actuellement en production et nouvelle référence de l’état de l’art.

La collaboration CBM au centre GSI de Darmstadt a besoin pour 2020 pour son détecteur de microvertex MVD de réaliser un capteur de type ALPIDE mais qui impose un saut d’un ordre de grandeur sur chacun des paramètres que sont la tenue aux radiations et le taux d’impacts. La maîtrise d’œuvre du capteur est de la responsabilité de Mme HU et de son équipe.

Mme HU et son équipe développe également des capteurs CMOS à pixels monolithiques pour des applications connexes : la détection de rayons X mous, l’imagerie moléculaire pour les neuro-sciences et l’intégration de réseaux neuronaux fans les capteurs.

Contact: Christine HU GUO   

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