De nos jours, les caméras sont de plus en plus utilisées lors de missions spatiales ou en centrale nucléaire pour des missions d'observations (civiles ou militaires) et de surveillance (vérification du déploiement de panneaux solaires, opérations extravéhiculaires, accident nucléaire, site de stockage). L'environnement spatial, les réacteurs civils nucléaires ou les lieux de stockage de déchets radioactifs sont des milieux radiatifs qui peuvent très fortement perturber les composants électroniques et les systèmes. Dans ces environnements, les rayonnements ionisants dégradent les paramètres électriques des composants électroniques. La dose totale ionisante conduit à l'apparition d'un nombre significatif de charges dans les oxydes des matériaux constituant les composants électroniques, modifiant leurs propriétés électriques. Il en résulte qu'une exposition à la dose totale ionisante peut entraîner une défaillance partielle ou totale d'un composant voire d'un système électronique embarqué.Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une méthode de régénération pour guérir les paramètres électriques dégradés par la dose totale ionisante de composants électroniques soumis aux rayonnements ionisants. Cette méthode consiste à appliquer des cycles de recuit isothermes à un composant électronique. Dans un premier temps, cette méthode est appliquée sur des transistors MOS, et une étude est menée sur l'impact des différents paramètres clés du recuit (polarisation, température, durée de recuit, pas en dose entre chaque recuit). Dans un second temps, nous nous intéressons à des composants plus intégrés et plus récents tels que des capteurs d'images de type CMOS APS. Nous montrons expérimentalement l'impact d'un recuit sur ce type de composant et enfin, nous adaptons la méthode de régénération pour l'appliquer à ces capteurs APS afin d'augmenter leur durée de vie. / Nowadays, cameras are more and more used in space missions or nuclear plant for observation (civil or military) and monitoring missions (checking the deployment of solar panels, extravehicular operations, nuclear accident, and area storage). The space environment, nuclear reactors or radioactive waste storage areas are radiative environments that can greatly disturb electronic components and systems. In these environments, ionizing radiation degrades the electrical parameters of electronic components. The total ionizing dose induces significant charge build-up in oxides, degrading the electrical properties of the materials of electronic devices. That can result in the loss of functionality of the entire electronic system.In this thesis, we propose a regeneration method to recover the electrical parameters degraded by total ionizing dose of electronic components subjected to ionizing radiation. In this method isothermal annealing cycles are applied to electronic devices. In a first step, this method is applied on MOS transistors, and a study is conducted on the impact of various key parameters of annealing (bias, annealing temperature, annealing time, dose step between each annealing). In a second step, we focus on components more integrated and newer such as CMOS APS image sensors. We experiment what is the impact of annealing on this type of component and finally, the regeneration method is modified to be suitable on these APS sensors to increase their lifetime.

La fusion thermonucléaire peut être obtenue sur les installations laser de classe mégajoule (NIF, LMJ) par l'implosion d'un mélange de Deutérium-Tritium confiné dans un microballon. Afin d'apporter les corrections adéquates sur les conditions expérimentales en vue de la réussite de ces expériences de fusion, il est nécessaire, entre autre, de qualifier la symétrie d'implosion. C'est le rôle dévolu à des chaînes de mesure spécifiques appelées diagnostics d'imagerie X. Aucun imageur X conçu à ce jour ne permet de réaliser cette mesure sans être perturbé par l'ambiance radiative engendrée par les produits des réactions nucléaires. L'imageur X développé dans cette thèse devra donc réaliser une image à haute résolution et à haute énergie tout en considérant les contraintes liées à cette ambiance nucléaire. La démarche a consisté tout d'abord à concevoir un système d'imagerie X permettant de réaliser l'image du microballon avec une résolution de 5 µm dans la bande 10-95 keV et à garantir sa survie face à l'agression nucléaire. Cette image X a été convertie en lumière visible par un scintillateur afin de permettre son transport vers une zone radio protégée où le système d'enregistrement est localisé. Cet analyseur optique constitué d'un amplificateur de luminance et d'un détecteur pixélisé a également été étudié et une nouvelle méthode permettant de réduire les perturbations transitoires induites par les rayonnements ionisants a été mise au point. La fonction de transport d'image est assurée au moyen d'un relai optique, conçu spécialement pour supporter les perturbations induites par les rayonnements ionisants. Ce dimensionnement par parties associé à des simulations Monte-Carlo (GEANT4) et des campagnes expérimentales (sur l'installation OMEGA du LLE) ont permis d'aboutir à une architecture cohérente de diagnostic permettant de supporter des niveaux de perturbations encore jamais atteints.

Cette thèse traite un sujet pluridisciplinaire, la conception d’un prototype de micro-capteur biologique pour la détection des anticorps de patients susceptibles d'être allergiques.Elle a pour objectif la miniaturisation de la méthode ELISA pour « Enzyme Linked Immune Sorbent Assay » en concevant en « full-custom », avec une technologie CMOS APS, un capteur colorimétrique. Ce capteur est posé en dessous un système micro fluidique contenant l’échantillon biologique à tester, le tout est illuminé via une fibre optique. Le détecteur capte la lumière qui a traversé le micro-tube contenant l’échantillon. Les courants photoniques induits sont liés à la concentration et la coloration de la solution. Le virage colorimétrique de la réaction enzymatique, due à la présence des anticorps dans le sérum, et l’évaluation quantitative de la concentration seront déterminée par la mesure de ces photo-courants. Le capteur pourrait contenir une matrice de 20x20 pixels de détecteurs de couleur ainsi que leur électronique de lecture et de commande. Pour des raisons de coûts, nous avons validé le procédé à l’aide d’une matrice de 4x4 pixels de détecteur de couleur. La réalisation du circuit a été suivie par une caractérisation électrique et colorimétrique. La caractérisation électrique a permis de valider le fonctionnement du bloc de commande du circuit ainsi que celui du pixel (l’électronique de lecture, BDJ). Les résultats de mesures concordent avec ceux de simulations. La caractérisation colorimétrique consiste à mesurer le virage colorimétrique de deux solutions différentes. Les mesures ont pu montrer que notre capteur est plus sensible que le spectromètre utilisé pour mesurer la concentration des deux solutions. Ainsi ce travail de recherche a contribué à la miniaturisation d’une bio-puce colorimétrique dédiée aux tests immunologiques basée sur la méthode ELISA. / This PhD treats a multidisciplinary subject based on the design of a biological micro-sensor prototype for the detection of antibodies of patients susceptible to be allergic.The goal has been the miniaturization of the ELISA "Enzyme Linked Immune Sorbent Assay" method, designing in integrated full-custom colorimetric sensor with a CMOS APS technology. This sensor is installed below a microfluidic system containing the biological test sample, the whole is illuminated via an optical fiber. The sensor detects the light passed through the micro reservoir containing the sample, the induced photo-currents is related to the concentration of the solution. The color change of the enzyme reaction due to the presence of antibodies in the serum, and the quantitative evaluation of the concentration will be determined by the measurement of the induced photo-currents. The sensor may contain a matrix of 20x20 color detector pixels and their reading and control electronics. For cost reasons, we validated the method using a matrix of 4 x 4 pixels of color detectors.The design of electrical device was followed by a colorimetric and electrical characterizations. The latter was used to validate the operation of the control block of the circuit as well as that of the pixel (readout electronics, BDJ). The results brought by measurements are in good agreement with those obtained through simulations. The colorimetric characterization consists in measuring the intensity of the color of two different solutions of different colors. These measurements have shown that our sensor is more sensitive than a spectrometer. Therefore, this research work has contributed to the miniaturization of a colorimetric sensor and its electronic part for the Immunoassay based on the ELISA method.

Quelles sont les particules élémentaires et comment l'univers proviennent sont les principales forces motrices de la physique des hautes énergies. Afin de démontrer le modèle standard et découvrez la nouvelle physique, plusieurs détecteurs sont construits pour les expériences en physique des hautes énergies. Capteurs à pixels CMOS offrent un compromis attirant entre la vitesse de lecture, le budget matériel, la tolérance au rayonnement, la consommation d'énergie et la granularité, par rapport aux capteurs à pixels hybrides et des dispositifs à transfert de charge. Ainsi, les CPS sont un bon choix pour détecter les particules chargées dans les détecteurs de vertex et des télescopes de faisceau. La distribution de puissance devient un enjeu important dans les détecteurs à venir, puisque une quantité considérable de capteurs seront installés. Malheureusement, le «Independent Powering» échoue, comme l'approche traditionnelle. Afin de résoudre les problèmes de distribution de puissance et de fournir des tensions silencieuses, cette thèse se concentre sur la conception de la gestion de l'alimentation à faible bruit, à basse consommation d'énergie, de petite taille et sur-puce pleinement pour les CPS. Les CPS sont d'abord introduits en tirer les exigences de conception de la gestion de l'alimentation. La distribution de puissance dédiées à les CPS est ensuite proposé, dans laquelle la gestion de l'alimentation est utilisée comme seconde étape de conversion de puissance. Deux régulateurs sur-puce pleinement sont proposés pour générer la tension d'alimentation analogique et de la tension d'alimentation de référence requis par l'opération d'échantillonnage double corrélé, respectivement. Deux prototypes ont vérifié ces régulateurs. Ils peuvent répondre aux exigences des CPS. En outre, les techniques de gestion de l'alimentation et de la conception tolérance au rayonnement sont également présentés dans cette thèse. / What are the elementary particles and how did the universe originate are the main driving forces in the high energy physics. In order to further demonstrate the standard model and discover new physics, several detectors are built for the high energy physics experiments. CMOS pixel sensors (CPS) can achieve an attractive tradeoff among many performance parameters, such as readout speed, granularity, material budget, power dissipation, radiation tolerance and integrating readout circuitry on the same substrate, compared with the hybrid pixel sensors and charge coupled devices. Thus, the CPS is a good candidate for tracking the charged particles in vertex detectors and beam telescopes.The power distribution becomes an important issue in the future detectors, since a considerable amount of sensors will be installed. Unfortunately, the independent powering has been proved to fail. In order to solve the power distribution challenges and to provide noiseless voltages, this thesis focuses on the design of a low noise, limited area, low power consumption and full on-chip power management in CPS chips. The CPS are firstly introduced drawing the design requirements of the power management. The power distribution dedicated to CPS chips is then proposed, in which the power management is utilized as the second power conversion stage. Two full on-chip regulators are proposed to generate the analog power supply voltage and the reference voltage required by correlated double sampling operation, respectively. Two prototypes have verified these regulators. They can meet the requirements of CPS. Moreover, the power management techniques and the radiation tolerance design are also presented in this thesis.

Le projet PLUME développe des échelles ultra-légères inspirées par le cahier des charges du détecteur de vertex pour le futur e+e- International Linear Collider (ILC). Nos travaux montrent que, pour une énergie de 350 GeV et une luminosité de 250 fb-1, l’ILC donnera accès à des états finals comme Hνν. Les modules PLUME exploitent le concept d’échelles double-face recouvertes de capteurs CMOS afin d’atteindre un budget de matière de 0,35 % en longueurs de radiation. Les tests effectués ont montré que les performances électriques des 12 capteurs intégrés sur ces échelles ne sont pas dégradées. La surface des échelles présente des déformations, mais nous avons mis au point un algorithme spécifique qui permet de corriger leurs effets lors du traitement des données. Finalement, une mesure de la longueur de radiation d’un prototype moins avancé a été réalisée avec un faisceau test au DESY. La valeur obtenue de 0,47±0,02 % en longueurs de radiation correspond au budget attendu. / The PLUME project develops ultra-light pixelated layers with specifications driven by the design of a vertex detector at the future e+e- International Linear Collider (ILC). The ILC will give access to final states like Hνν, as this work demonstrates for centre-of-mass energy 350GeV and a luminosity of 250 fb-1. PLUME devices exploit the concept of double-sided ladder spaved with thinned CMOS pixel sensors in order to reach a material budget of 0.35 % of radiation length. The present study validated that simultaneous operation of the 12 CMOS sensors integrated on such light ladders do not impact their electrical behaviour. Surface deformations were observed but a specific algorithm during the off- line analysis was proposed and successfully tested to preserve the native sensor spatial resolution. Finally, a measurement of the material budget of a less advanced ladder prototype has been performedat DESY test beam and yield 0.47±0.02 % of radiation length, matching the expected value.