Cristal du CNRS 2018

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Chris­tine HU GUO, tit­u­laire d’un doc­tor­at en élec­tron­ique, est Ingénieur 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 les tests 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.

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 a 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’ingénieur, 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 PICSEL 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.

Le 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