Capteurs et dispositifs électroniques des … · 20 Juillet 2012. SoutenanceHDR –C. Coillot 2 ... Electronique Electronique: ... fT/sqrt(Hz)… en pratique pas de différence (?)

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


PLAN






Conclusions


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


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


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.


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.


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


PLAN






Conclusions


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


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


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


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


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


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−=


Magnétomètre à induction: la chaîne

instrumentale

Augmenter la sensibilité & la bande passante,

Diminuer la consommation,

Diminuer la masse.


PLAN






Conclusions


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



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)


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)


2007)


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)




• 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)




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)


PLAN






Conclusions


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)


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.




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




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)


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 !



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



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)


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


& Encadrement: P. Leroy (thèse) & M. Mansour (thèse)


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


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


& Encadrement: M. Mansour (thèse)


PLAN






Conclusions


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 !


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)


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)


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


PLAN






Conclusions


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.


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


PLAN






Conclusions


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


L’échEX c’est bon pour la connaissance !

Radiographie d’un capteur double

bande => Rupture après passage à

200°C


Merci !

Documents

Capteurs et dispositifs électroniques des … · 20 Juillet 2012. SoutenanceHDR –C. Coillot 2 ... Electronique Electronique: ... fT/sqrt(Hz)… en pratique pas de différence (?)