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Laboratoire de Physique des Plasmas
Capteurs et dispositifs électroniques des magnétomètres
dédiés à l'étude des ondes dans les plasmas spatiaux.
Habilitation à Diriger des Recherches
Spécialité : Electronique
Christophe Coillot -Ingénieur de Recherche
Laboratoire de Physique des Plasmas
Ecole Polytechnique
20 Juillet 2012
Soutenance HDR – C. Coillot 2
PLAN
Curriculum Vitae: formation, postes occupés, implication projets & activités d’enseignement
Activités de recherche et perspectives
�Magnétomètres à induction (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2002-2012
�Magnétomètres hybrides (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2004-2012
Bilans: encadrement doctoral et production scientifique
Conclusions
Soutenance HDR – C. Coillot 3
PLAN
Curriculum Vitae: formation, postes occupés, implication projets & activités d’enseignement
Activités de recherche et perspectives
�Magnétomètres à induction (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2002-2012
�Magnétomètres hybrides (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2004-2012
Bilans: encadrement doctoral et production scientifique
Conclusions
Soutenance HDR – C. Coillot 4
Curriculum Vitae : formation
• Christophe Coillot, 40 ans, deux enfants
• Nationalité française
BTS Electrotechnique au Lycée P. de Coubertin (Meaux)1989-1991
Thèse de Doctorat au Laboratoire d’Electrotechnique de Montpellier
(Allocataire Moniteur Normalien)
1996-1999
Elève à l’ENS de Cachan en Génie Electrique (GE).
Licence (GE), Maîtrise (GE), Agrégation (GE) et DEA d’Electronique.
1992-1996
Math Spé TS au Lycée Diderot (Paris)1991-1992
Soutenance HDR – C. Coillot 5
Curriculum Vitae: postes occupés
Professeur d’électronique & électrotechnique au Lycée Professionnel
Théodore Monod de Blanzy
Sept1999
Aout2000
Ingénieur de Recherche au Centre d’Etude des Environnements
Terrestres et Planétaires (jusqu’en 2008) devenu le Laboratoire de
Physique des Plasmas (depuis 2009)
Déc2001
maintenant
Ingénieur chez Alcatel Optronics (prestataire GIST) – conception &
mise au point d’un asservissement de puissance d’un Laser pour les
transmissions à 2.5Gbit/s
Janv2001
Déc2001
Professeur d’électronique & électrotechnique au Lycée Polyvalent H.
Fontaine de Dijon
Sept2000
Janv2001
Soutenance HDR – C. Coillot 6
Curriculum Vitae: implication projets
Implication prépondérante dans la construction d’instruments embarqués à
bord de sondes spatiales:
- Gestion de projet: rédaction des documentations projets (dossier de
définition, rapport de tests et/ou de qualification, etc.), planning, budget, suivi
des entreprises partenaires, revue de projet.
-Conception, réalisation, tests & qualification.
Soutenance HDR – C. Coillot 7
Curriculum Vitae: implication projets
Magnétomètre Search-Coil [0.1Hz-20kHz] 2010-2022Chef de ProjetJUICE/ESA
Magnétomètre hybride AC/DC 2002-2004Chef de ProjetICI1/ARR
Magnétomètre hybride AC/DC 2009-2011Chef de ProjetICI3/ARR
Magnétomètre Search-Coil [0.1Hz-4kHz] 2004-2007Chef de ProjetThemis/
NASA
Magnétomètre Search-Coil Double Bande
[0.1Hz-640kHz]
2002-2014Chef de ProjetBepicolombo/
ESA&JAXA
Réalisation instrumentaleDébut
/Lancement
RôleProjet/
Agence
Chef de projet de 3 instruments embarqués à bord de sondes spatiale: 5 satellites en
activité (satellites THEMIS), 1 modèle livré (mission Bepicolombo) et un 1
instrument en cours d’étude (mission JUICE), 2 magnétomètres hybrides embarqués
à bord de fusées sondes.
Ingénieur chargé de l’étude et/ou de la conception de 4 instruments embarqués.
Soutenance HDR – C. Coillot 8
Curriculum Vitae: activités d’enseignement
Electronique: Bruit & CEMElectronique
AutomatiqueMatériaux
magnétiques &
applications
Electrotechnique
TPTPTP
TDTDTD
CoursCours
1995
1996
1997
1998
1995-1999
2006-20122002-2005
1999-2001
M2 OSAE – Obs. Meudon
(Outils Systèmes pour
l’Astronomie et l’Espace)
M1
Université d’Evry
& IUP de Montpellier
L3L2L1Term
BEP
2nde
BEP
UniversitéLycée
Soutenance HDR – C. Coillot 9
PLAN
Curriculum Vitae: formation, postes occupés, implication projets & activités d’enseignement
Activités de recherche et perspectives
�Magnétomètres à induction (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2002-2012
�Magnétomètres hybrides (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2004-2012
Bilans: encadrement doctoral et production scientifique
Conclusions
Soutenance HDR – C. Coillot 10
Activités de recherche: la thèse
Méthode de conception des composants magnétiques à noyaux pour
l’électronique de puissance.
�Modélisation électromagnétique (pertes dans les bobinages et dans les
noyaux en haute fréquence)
�Modélisation thermique
�Optimisation mathématique
�Méthode inverse de calcul des pertes séparées (noyau et bobinage) à partir
de l’équation de la chaleur et de mesures de température localisées
Soutenue le 19 décembre 1999 à l’Université de Montpellier 2
Soutenance HDR – C. Coillot 11
Activités de recherche: l’application à l’étude
des ondes dans les plasmas
Le soleil éjecte en permanence des particules énergétiques (vent solaire).
La magnétosphère agit à la façon d'un déflecteur vis-à-vis du vent solaire.
Une partie des particules du vent solaire est piégée dans la magnétosphère.
La compréhension de la dynamique de notre magnétosphère pour prévenir (météorologie spatiale):
– les défaillances des satellites en orbite autour de la terre
– les dommages sur les systèmes de distribution électrique
– les perturbations des communications par ondes radio sur Terre
Soutenance HDR – C. Coillot 12
La réponse actuelle: utilisation combinée du Magnétomètre Fluxgate
(mHz à qq. Hz ) et du Magnétomètre SearchCoil (de qq. Hz à qq. kHz)
FGM
SCM
30cm
Activités de recherche: l’état de l’art
Soutenance HDR – C. Coillot 13
Activités de recherche: la problématique
• La performance est caractérisée par le seuil de détection de l’instrument:
» Noise Equivalent Magnetic Induction (NEMI)
ou
» Bruit en champ magnétique
2)(
)()(
ω
ωω
jT
DSPNEMI OUT= en (T/√Hz)
Signal
Bruit
Soutenance HDR – C. Coillot 14
NEMI des magnétomètres STAFF-SCM and STAFF-FGM de la mission CLUSTER
� Objectif double: disposer d’ un instrument unique capable de couvrir
l’ensemble de la bande de fréquence (DC à qq. kHz) & améliorer le
magnétomètre à induction (SearchCoil):
FGM = Fluxgate
SCM = Searchcoil
10pT/√√√√(Hz) @ 1Hz
Activités de recherche: la problématique
Soutenance HDR – C. Coillot 15
Magnétomètre à induction: le capteur
• Le capteur magnétique à induction de type search-coil:
– Un bobinage
– Un noyau ferromagnétique
• Convertit le flux du champ magnétique en signal
électrique,
• Sensibilité liée au nombre de spires et aux
propriétés du noyau ferromagnétique,
• Mesure vectorielle => capteur tri-axe,
• Bande passante limitée par la résonance.
dt
dNe
φ−=
Soutenance HDR – C. Coillot 16
Magnétomètre à induction: la chaîne
instrumentale
Augmenter la sensibilité & la bande passante,
Diminuer la consommation,
Diminuer la masse.
Soutenance HDR – C. Coillot 17
PLAN
Curriculum Vitae: formation, postes occupés, implication projets & activités d’enseignement
Activités de recherche et perspectives
�Magnétomètres à induction (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2002-2012
�Magnétomètres hybrides (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2004-2012
Bilans: encadrement doctoral et production scientifique
Conclusions
Soutenance HDR – C. Coillot 18
Magnétomètre à induction: le capteur (2002-
2004)
Améliorer le comportement fréquentiel qui fait apparaître une résonance
principale et des résonances multiples contrariant l’augmentation de la
bande passante.
Stratégie de bobinage favorisant une répartition homogène de l’énergie
électrostatique dans le bobinage.
Capteurs de la mission THEMIS:
Collaboration: A. Roux (LPP) & O. Le Contel (LPP) - encadrement: J. Moutoussamy
Soutenance HDR – C. Coillot 19
Magnétomètre à induction: le capteur (2003-
2005)
Minimiser la masse des capteurs pour une résolution en champ donnée (2pT/√Hz @ 10Hz)
Nouvelle géométrie de noyau ferromagnétique (dite “Diabolo”)
Modèle analytique du capteur
– perméabilité apparente
– Optimisation mathématique sous contraintes
- Résolution par méthodes de descente & pénalisation de la contrainte.
Bruit en champ magnétique (capteurs MMS et Bepicolombo) : <2pT/sqrt(Hz) à10Hz
Masse du capteur MMS 45gr (contre 100gr pour un capteur conventionnel).
Collaboration: G. Chanteur (LPP) & A. Roux (LPP) - encadrement: J. Moutoussamy
(mémoire DEA) & P. Leroy (Thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 20
Augmenter la bande passante et mesurer au delà de la résonance ducapteur (qq kHz). Au delà de la résonance, le bobinage crée un champ qui s’oppose au champ à mesurer
Découpleur magnétique
Extension de la BP jusqu’au MHz
Capteur sur les missions Bepicolombo, Taranis, Solar Orbiter & Solar Probe.
Collaboration: G. Chanteur (LPP) & R. Lebourgeois (TRT) - encadrement: J.
Moutoussamy (mémoire DEA)
Magnétomètre à induction: le capteur (2004-
2007)
Soutenance HDR – C. Coillot 21
Magnétomètre à induction: le conditionneur
électronique (2002-2012)
Nouvelles collaborations (Ampère & NGI).
Pression sur les missions futures (JUICE & TOR): bruit en champ magnétique:
2 à 3 fT/sqrt(Hz) @ qq. kHz
Comparer les performances des stratégies
de conditionnement (amplification en
courant et contre-réaction de flux)
Modélisation, simulation et caractérisationexpérimentale des deux circuits
Collaboration: P. Leroy, C. Joubert (Ampère) & M. Boda (NGI)
Soutenance HDR – C. Coillot 22
Magnétomètre à induction: le conditionneur
électronique (2002-2012)
• Amplification en courant présente unefonction de transfert constante sur uneplus grande gamme de fréquence
• En deça de la résonance : amplification en courant et contre-réaction de fluxsont comparables
• Autour de la résonance: la contre-réactionde flux est en “théorie” meilleure et permettrait d’atteindre quelquesfT/sqrt(Hz)… en pratique pas de différence (?)
• Au delà de la résonance : l’amplificationen courant semble meilleure.
Collaborations: P. Leroy (LPP), C. Joubert (Ampère) & M. Boda (NGI)
Soutenance HDR – C. Coillot 23
Magnétomètre à induction: le conditionneur
électronique (2008-2012)
Réduction drastique de la taille à performances identiques: bruit basse
fréquence, consommation, gain, tenue en radiation & bande passante.
ASIC en technologie CMOS 0.35µm:
• Tension de bruit en entrée <4nV/sqrt(Hz) à 10Hz et
courant de bruit < 20fA/sqrt(Hz),
• Tenue en radiation démontrée supérieure à 325kRad,
• ASIC embarqué sur la fusée ICI-3.
Collaborations: P. Leroy (LPP), J-D Techer (LPP), M. Berthomier (LPP) & G. Sou (L2E)
- encadrement: A. Rhouni (thèse & M2)
Soutenance HDR – C. Coillot 24
PLAN
Curriculum Vitae: formation, postes occupés, implication projets & activités d’enseignement
Activités de recherche et perspectives
�Magnétomètres à induction (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2002-2012
�Magnétomètres hybrides (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2004-2012
Bilans: encadrement doctoral et production scientifique
Conclusions
Soutenance HDR – C. Coillot 25
Magnétomètre hybride: le capteur à effet Hall
(2004-2007)
Prolonger les mesures des capteurs
vers le continu
Capteur à effet Hall sur substrat
aminci à 70µm.
Utilisation du noyau du search-coil
comme concentrateur magnétique
avec un gap de 100µm
Gain magnétique démontré
supérieur à 500
Collaboration: A. Roux (LPP), V. Mosser (ITRON), B. Brient (DT-INSU) -
encadrement: P. Leroy (thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 26
Magnétomètre hybride: le conditionneur du
capteur à effet Hall (2004-2007)
Suppression du bruit basse fréquence du capteur Hall ET de l’amplificateur
Transposition en fréquence du signal utile ET rotation des contacts du
capteur.
Bruit en champ magnétique du magnétomètre à capteur Hall d’environ
50nT/sqrt(Hz) @ 1Hz.
Collaboration: A. Roux (LPP), V. Mosser (ITRON), B. Brient (DT-INSU) -
encadrement: P. Leroy (thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 27
Magnétomètre hybride à effet Hall (2004-2007)
Capteur tri-axe (MADMAG) embarqué sur les fusées CHARM1 et HOTPAY
Bruit en champ magnétique du
magnétomètre hybride
à capteur Hall d’environ
300pT/sqrt(Hz) @ 1Hz
Collaboration: A. Roux (LPP), V. Mosser (ITRON), B. Brient (DT-INSU) -
encadrement: P. Leroy (thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 28
Magnétomètre hybride: la magnéto-impédance
géante (2005-2009)
Prolonger les mesures des capteursvers le continu au moyen d’unemagnetoimpédance.
Combiner avec un capteur inductif.
Configurations originales de magnétoimpédance dites “bobinées”.
Banc de caractérisation en terme de sensibilité intrinsèque.
Modélisation des GMI bobinées:
Approche micromagnétisme + champ démagnétisant.
Approche “électrotech”, modélisationde la perméabilité différentielle.
Collaboration: G. Chanteur (LPP, F. Alvès (LGEP) - encadrement: J. Moutoussamy (thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 29
Magnétomètre hybride: le conditionneur de la
magnéto-impédance géante (2005-2009)
Linéariser le signal de sortiedes capteurs magnétoimpédance
Double modulation: excitation à qq. 100kHz et polarisationmagnétique alternative (à qq. 100Hz)
Linéarité entre +/-Bearth
Bruit en champ magnétique
<600pT/sqrt(Hz) @ 1Hz
Capteur ultra simple
à réaliser !
Collaboration: G. Chanteur (LPP, F. Alvès (LGEP) - encadrement: J. Moutoussamy (thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 30
Magnétomètre hybride à magnétoimpédance
(2005-2009)
Imbrication des 2 capteurs & utilisation
d’un blindage magnétodynamique
Cohabitation complémentaire
des 2 capteurs
Démonstrateur embarqué sur la fusée
CHARM2
Collaboration: G. Chanteur (LPP, F. Alvès (LGEP) - encadrement: J. Moutoussamy (thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 31
Magnétomète hybride: le capteur magnétorésistif
(2004-2012)
Améliorer la résolution en champ
en continu en remplacant l’effet
Hall par une magnétorésistance
Mesure transverse de la
magnétorésistance (“effet Hall
plan”) de nouvelle génération
(anisotropie induite par énergie
d’échange) avec substrat aminci à
70µm.
Amplification magnétique pour
capteur à sensibilité transverse
Design des noyaux
ferromagnétiques par algorithmes
génétiques
Collaboration: A. Roux (LPP), G. Chanteur (LPP), F. Nguyen (TRT), H. Jaffrès (TRT)
& Encadrement: P. Leroy (thèse) & M. Mansour (thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 32
Magnétomète hybride: le capteur magnétorésistif
(2004-2012)
Améliorer la résolution en champ
en continu en remplacant l’effet
Hall par une magnétorésistance
Mesure transverse de la
magnétorésistance (“effet Hall
plan”) de nouvelle génération
(anisotropie induite par énergie
d’échange) avec substrat aminci à
70µm.
Amplification magnétique pour
capteur à sensibilité transverse
Design des noyaux
ferromagnétiques par algorithmes
génétiques
Collaboration: A. Roux (LPP), G. Chanteur (LPP), F. Nguyen (TRT), H. Jaffrès (TRT)
& Encadrement: P. Leroy (thèse) & M. Mansour (thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 33
Magnétomète hybride: le conditionneur du
capteur magnétorésistif (2004-2012)
Mesurer le bruit de la mesure transverse de la magnétorésistance (dite PHE).
Transposition en fréquence du signal AMR & 1er étage d’amplification sans bruit par transformateur.
Plancher de bruit en entrée
<0.45nV/√√√√(Hz) @ 0.1Hz
Mesure du bruit basse
fréquence de la PHE
Piste d’amélioration du SNR
des capteurs PHE
Collaboration: A. Roux (LPP), F. Nguyen (TRT), H. Jaffrès (TRT) & Encadrement: M.
Mansour (thèse)
Bruit Basse
fréquence
Plancher de bruit
Soutenance HDR – C. Coillot 34
Magnétomète hybride à capteur magnétorésistif
(2004-2012)
Volume de champ homogènedans un entrefer transverse
Gain magnétique supérieur à200
Bruit en champ magnétique400pT/sqrt(Hz) @ 1Hz
Démonstrateur embarqué sur la fusée ICI-3
Collaboration: A. Roux (LPP), G. Chanteur (LPP), F. Nguyen (TRT), H. Jaffrès (TRT)
& Encadrement: M. Mansour (thèse)
Soutenance HDR – C. Coillot 35
PLAN
Curriculum Vitae: formation, postes occupés, implication projets & activités d’enseignement
Activités de recherche et perspectives
�Magnétomètres à induction (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2002-2012
�Magnétomètres hybrides (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2004-2012
Bilans: encadrement doctoral et production scientifique
Conclusions
Soutenance HDR – C. Coillot 36
Capteurs magnétique inductifs
Augmenter la bande passante & la
sensibilité
Capteur inductif orthogonal
Réalisation d’un capteur inductif avec
noyau ferrite en hélice & 500 spires
Comparaison des performances avec
capteur Bepicolombo (14500 Spires)
=> même SNR !
Soutenance HDR – C. Coillot 37
Capteurs magnétiques inductifs
Augmenter la bande passante & la
sensibilité
Capteur inductif cubique
Réalisation d’un capteur cubique de
10cm de côté
Confirmation du gain magnétique
Collaboration: M. Boda (NGI)
Soutenance HDR – C. Coillot 38
Capteurs magnétiques inductifs
Modélisation fine du bruit en champ magnétique pour atteindre des valeurs
de 2 à 3 fT/√√√√(Hz) à qq kHz (missions JUICE, TOR/OHMIC)
Perméabilité complexe dans les modèles de bruit en champ magnétique
Effet de proximité dans les bobinages multicouches
Un premier résultat avec un capteur de 25cm & 70gr.:
Collaboration: R. Lebourgeois (TRT) - encadrement: M. El Moussaoui (M1)
Soutenance HDR – C. Coillot 39
Capteurs magnétiques hybrides & conditionneurs
Poursuivre l’étude des magnétorésistances anisotropes (collaboration TRT):
- réduire le courant de shunt de la couche IrMn
�Utilisation de NiO
- améliorer le SNR en utilisant des croix dissymétriques
Remplacement des AMR par les magnétorésistances à effet Tunnel
Amplificateur “choppé” en technologie ASIC (collaboration L2E).
� Multi-capteur: du capteur inductif aux magnétorésistances
� Repousser l’état de l’art en terme de bruit basse fréquence du mHz au kHz
Calibration des magnétomètres
Soutenance HDR – C. Coillot 40
PLAN
Curriculum Vitae: formation, postes occupés, implication projets & activités d’enseignement
Activités de recherche et perspectives
�Magnétomètres à induction (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2002-2012
�Magnétomètres hybrides (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2004-2012
Bilans: encadrement doctoral et production scientifique
Conclusions
Soutenance HDR – C. Coillot 41
Bilan de co-encadrement doctoral
Trois thèses soutenues :
P. Leroy (2006) J. Moutoussamy (2009) M. Mansour (2012)
Deux thèses en cours :
A. Rhouni (Sept. 2012) K. Mohamadabadi (Oct. 2013)
Encadrement ou co-encadrement de dix stages de DEA, DESS, Master ou élèves ingénieurs.
Encadrements ou co-encadrement de six stages de DUT.
Soutenance HDR – C. Coillot 42
Bilan de la production scientifique &
instrumentale
� Auteur ou co-auteur de 19 articles
� Revues d’articles scientifiques: 2 à 3 par an
45 (1 publié, 1 accepté & 3 soumis)2012
12011
112004
12005
222006
2+2+1(Conf invitée)122007
1252008
112009
732010
Conférences
Internationales ou
nationales
BrevetRevues
Internationales ou nationales
Soutenance HDR – C. Coillot 43
PLAN
Curriculum Vitae: formation, postes occupés, implication projets & activités d’enseignement
Activités de recherche et perspectives
�Magnétomètres à induction (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2002-2012
�Magnétomètres hybrides (capteur, dispositif électronique & magnétomètre) => 2004-2012
Bilans: encadrement doctoral et production scientifique
Conclusions
Soutenance HDR – C. Coillot 44
Conclusion
Concilier l’ingénieur, le professeur et le chercheur:
- Imaginer, Modéliser, Exposer, Réaliser, Tester & Qualifier
Approche pluridisciplinaire & ouverture sont nécessaires:
- Les performances du capteur (objet électromagnétique) sont
intrinsèquement liées aux performances de l’électronique
(objet (µ)électronique) & vice-versa
- L’ouverture sur les applications scientifiques est
indispensable à l’amélioration de l’instrumentation
Soutenance HDR – C. Coillot 45
L’échEX c’est bon pour la connaissance !
Radiographie d’un capteur double
bande => Rupture après passage à
200°C
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