Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent la mise au point et l’étude de résines polysiloxanes et de matériaux sol-gel hybrides permettant de développer de nouveaux revêtements de protection pour des applications spatiales. Il s’agit notamment d’assurer le contrôle thermique des véhicules spatiaux et la protection des polymères vis-à-vis de l’oxygène atomique pour les applications en orbite basse. Outre la stabilité en environnement spatial et les contraintes de mise en œuvre, les revêtements doivent présenter des caractéristiques innovantes (température de polymérisation modérée) et être élaborés à partir de matières premières facilement approvisionnables pour éviter tout risque d’obsolescence. / This work presents the formulation and the study of polysiloxane resins and hybrid sol-gel materials to develop new protective coatings resistant to space environment. Spacecraft thermal control and polymer protection towards atomic oxygen are required in Low Earth Orbit applications. Besides the stability in the space environment and the process requirements, the coatings have to exhibit innovative properties (such as a low curing temperature) and be composed of raw materials with easy supply in order to avoid any risk of obsolescence.

L'interaction rayonnement matière est bien connue et documentée. A contrario, les études portant sur l'influence d'un environnement radiatif sur les diodes laser sont rares, et considèrent souvent le composant comme une boîte noire dont seules les propriétés extrinsèques sont étudiées. Nous proposons une méthodologie originale d'étude des diodes laser, basée sur l'analyse des propriétés optiques, électriques, dynamiques des composants. Nous montrons que ce type d'étude permet de remonter aux grandeurs physiques intrinsèques des composants étudiés. Cette méthodologie est ensuite appliquée à l'étude de l'impact d'un environnement radiatif spatial sur des diodes laser émettant à 852 nm destinées à être utilisées pour le refroidissement d'atome de césium dans des dispositifs embarqués. Pour généraliser la méthode utilisée, nous avons étendu nos essais à des diodes laser avancées à base d'alliages de GaInNAs sur InP en tension et de diodes laser à ilots quantiques InAs sur InP.

L'environnement radiatif spatial provoque des anomalies dans les systèmes informatiques embarques. Il est donc primordial de définir des stratégies de qualification permettant le choix du circuit le moins vulnérable. Le phénomène dit d'Upset est l'un des effets du rayonnement le plus critique pour les circuits intégrés. Les différentes stratégies de test d'Upset sont passées en revue, dans le cas des circuits intégrés programmables. Un équipement expérimental de test a été développé et une methode de test a été appliquée a des circuits candidats a des applications spatiales. Les tests aux ions lourds ont été réalisés a l'aide de différents simulateurs d'ions lourds (source de californium, cyclotron, synchrotron), validant ainsi le matériel et l'approche développes et donnant des indications sur l'efficacité de ces simulations

La réduction des dimensions et paramètres électriques des transistors, fruit des progrès dans les technologies de fabrication de circuits intégrés, rend les composants présents et futurs de plus en plus sensibles aux perturbations appelées évènements singuliers S.E.E. (Single Event Effects). Ces événements sont la conséquence d'une impulsion de courant résultant de l'impact dans des zones sensibles du circuit, de particules énergétiques présentes dans l'environnement dans lequel ils fonctionnent. Parmi les différents types de SEE, peuvent être mentionnés les SEU (Single Event Upsets) qui consistent en l'inversion du contenu de cellules mémoires, les SEL (Single Event Latchups) qui donnent lieu à des courts-circuits masse-alimentation et peuvent donc conduire à la destruction du circuit par effet thermique. Cette thèse a pour but de décrire et valider les méthodologies nécessaires pour évaluer de manière précise la sensibilité face aux radiations de deux types de circuits numériques représentatifs, processeurs et mémoires, composants utilisés dans la plupart des systèmes embarqués.

Cette thèse est consacrée à l'étude du comportement de processeurs digitaux face à l'un des effets induits par l'environnement radiatif : le phénomène dit SEU ou upset qui se traduit par le basculement intempestif du contenu d'un élément mémoire comme conséquence de l'ionisation produite par le passage d'une particule chargée. Les conséquences de ce phénomène dépendent de l'instant d'occurrence et de l'élément mémoire affecté et peuvent aller de la simple erreur de résultat à la perte de contrôle d'un engin spatial. Les techniques de durcissement ne pouvant pas garantir entièrement l'immunité face aux upsets des circuits candidats aux applications spatiales, des méthodes d'estimation des taux d'erreurs de ces applications par des tests sous radiation ou par injection de fautes s'avèrent nécessaires, dans le double but de choisir les circuits les moins sensibles à ces effets et d'étudier le comportement des applications de vol face aux upsets. L'objectif de cette thèse consiste en la définition d'une méthode d'injection de fautes de type upset et de son expérimentation sur différentes architectures digitales afin d'étudier ses potentialités ainsi que son efficacité. La méthode proposée se base sur l'injection d'erreurs de type upset sur une carte digitale bâtie autour du processeur cible, comme conséquence de l'activation d'un signal d'interruption asynchrone. L'exécution de la séquence de traitement de l'interruption appelée CEU dans cette thèse (Code Emulant un Upset) provoquera la modification du contenu d'un bit sélectionné aléatoirement parmi les éléments de la zone mémoire sensible aux upsets du processeur. L'implantation de cette technique a été réalisée par l'intermédiaire d'un système THESIC, testeur dédié à la qualification sous radiation de circuits intégrés. Ce système comporte deux cartes digitales (carte mère/carte fille), dont la configuration s'est révélée adaptée aux contraintes imposées par la technique d'injection de fautes proposée. L'objectif final de ces recherches a été de démontrer que le taux d'erreurs d'une application peut être prédite à partir des résultats issus d'essais d'injection d'upsets et des mesures des sensibilités des éléments mémoires du processeur considéré. La confrontation de ces prédictions avec des mesures réalisées à l'aide d'accélérateurs de particules, a permis de montrer la validité de l'approche proposée pour différents types de processeurs.

Thèse doctorat : Mécanique : Villeurbanne, INSA : 2000. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 171-184.

[FR] Les travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte d'une évaluation de la fiabilité de matrices de phototransistors bipolaires en technologie silicium pour des applications de codage optique angulaire en environnement spatial. Après un état de l'art relatif aux technologies des phototransistors et un rappel sur leur fonctionnement physique, les conditions environnementales spécifiques liées au domaine spatial sont décrites. La caractérisation des paramètres électro-optiques des phototransistors, associée à une phase préliminaire de métrologie, a été effectuée à partir de bancs dédiés. L'étude de la sensibilité aux charges mobiles de technologies issues de différents fondeurs, habituellement piégées aux interfaces et identifiée comme un mécanisme fortement pénalisant en terme de durée de vie opérationnelle, a permis d'optimiser et fiabiliser une nouvelle source européenne. Une méthodologie originale basée sur le concept des plans d'expérience « D-optimal » a été mise en œuvre et validée. L'objectif est d'estimer le taux de dégradation d'un ou de plusieurs paramètres clés du composant en fonction des conditions environnementales imposées par l'orbite de rotation du satellite à partir d'un nombre limité d'expériences réalisées au sol. / [EN] The research activities presented in this thesis are related to the specific contextof the qualification tests, for space missions, of new sources of silicon phototransistor arraysfor optical angular encoders. Our studies on a first source revealed the fragility of thattechnology in active storage and ionizing radiation because of its sensitivity to oxidestrapped charges. Then, a study on a second set of components was performed in order toanalyze the reliability of phototransistors subjected to several constraints in terms of bothionizing and displacement doses. The methodology of “Design of Experiments” was for thefirst time implemented and validated in this context. Thanks to this methodology, it ispossible to obtain an estimate of the degradation of one or more key parameters of thecomponent in environmental conditions for a given mission profile with a limited number ofexperiments. / [IT] Il lavoro di tesi s’inscrive nel contesto particolare della valutazione dell'affidabilità di matrici di fototransistor in tecnologia bipolare in silicio per applicazioni di codifica ottica angolare in ambiente spaziale. Dopo uno stato dell’arte riguardante le tecnologie di fototransistor, una breve descrizione dell’applicazione per cui i dispositivi studiati sono intesi, ed infine un richiamo sul loro funzionamento fisico, vengono descritte le condizioni ambientali specifiche legate al settore spaziale. La caratterizzazione dei parametri elettro-ottici dei fototransistor, associata ad una fase preliminare di metrologia, è stata effettuata a partire da banchi dedicati. Lo studio della sensibilità di diversi design di fototransistor agli effetti di cariche mobili intrappolate alle interfacce ossido-silicio, di solito identificata come un meccanismo fortemente penalizzante in termini di durata di vita operativa del dispositivo, ha permesso d'ottimizzare e accrescere l’affidabilità di fototransistor di un nuovo fabbricante europeo. Una metodologia originale basata sul concetto dei piani d'esperienza “D-optimal” è stata attuata e convalidata. L'obiettivo è di ottenere il tasso di degradazione di uno o più parametri chiave del dispositivo in funzione delle condizioni ambientali imposte dall'orbita in cui il satellite si troverà a operare, e a partire da un numero limitato d'esperienze realizzate a terra.

L’assemblage des satellites dans des salles propres est actuellement surveillé, afin de garantir leur fiabilité, via des compteurs optiques de particules qui indiquent la quantité de particules par volume d’air prélevé dans la salle. Cependant, pourquoi mesurer la quantité de particules qu’il y a dans l’air alors que c’est la propreté des surfaces qui est importante ? La complexité des phénomènes de transport et de sédimentation des particules rend la simulation, la prédiction ou la prévention de ces phénomènes particulièrement difficile. L’objectif de cette thèse, qui s’est déroulée au Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), est de proposer une méthode de mesure de la contamination particulaire locale et surfacique. Deux axes sont privilégiés dans ce but. En premier lieu, une évaluation des phénomènes de contamination et des moyens de mesure existants est proposée en abordant les spécificités du domaine du spatial. Les études théoriques et expérimentales rassemblées dans ce mémoire et le bilan des interrogations restantes tracent un portrait clair de l’état des connaissances actuelles dans ce domaine. Cet état de l’art amène à la définition d’un besoin pour la première fois clairement exprimé. Un tour d’horizon des moyens métrologiques s’appuyant sur cette évaluation préalable permet d’étudier avec précision les possibilités de développement d’un capteur. Finalement, cette thèse démontre que l’objectif de mesure de particules de 1 µm avec un moyen actif et en temps-réel est atteint avec une méthode de détection optique par transmission du signal lumineux. En second lieu, cette thèse s’attache donc aux caractéristiques du capteur dont les spécifications ont été étudiées et précisées en première partie. Si le développement du capteur est encore au stade initial, les perspectives de valorisation industrielle sont clairement établies. Ce mémoire s’appuie donc sur une recherche de fond sur la théorie de la contamination particulaire et les phénomènes physiques d’interaction entre les particules et leur environnement pour définir une méthode de mesure optique fiable, validée par la simulation, et faisant l’objet d’un dépôt de brevet. / The assembly of the satellites in clean rooms is currently monitored, in order to guarantee their reliability, via optical counters of particles which indicate the quantity of particles per volume of air in the room. However, why measure the quantity of particles in the air whereas it is the cleanliness of surfaces which is important? The complexity of the phenomena of transport and sedimentation of the particles makes the simulation, the prediction or the prevention of these phenomena particularly difficult. The objective of this thesis, which proceeded at the Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), is to propose a method of measurement of the local and surface particulate contamination. Two axes are privileged to this end. Initially, an evaluation of the phenomena of contamination and existing methods of measurement are proposed by approaching space field specificities. The theoretical and experimental studies gathered in this memory and the assessment of the remaining interrogations trace a clear portrait of the state of current knowledge in this field. This state of the art brings to the definition of a need for the first time clearly expressed. A review of the metrological methods being based on this preliminary evaluation makes it possible to study with precision the possibilities of development of a sensor. Finally, this thesis shows that the goal of active and real-time measurement of particles of 1 µm is achieved with a method of optical detection by transmission of the light signal. In the second place, this thesis attempts to describe the characteristics of the sensor whose specifications were studied and specified in first part. If the development of the sensor is still at the initial stage, the prospects for industrial valorization are clearly established. This memory is thus based on a background research on the theory of the particulate contamination and the physical phenomena of interaction between the particles and their environment to define a method of optical measurement reliable, validated by simulation, and being the object of a patent filling.

La réduction des dimensions et paramètres électriques des transistors, fruit des progrès dans les technologies de fabrication de circuits intégrés, rend les composants présents et futurs de plus en plus sensibles aux perturbations appelées évènements singuliers S.E.E. (Single Event Effects). Ces événements sont la conséquence d'une impulsion de courant résultant de l'impact dans des zones sensibles du circuit, de particules énergétiques présentes dans l'environnement dans lequel ils fonctionnent. Parmi les différents types de SEE, peuvent être mentionnés les SEU (Single Event Upsets) qui consistent en l'inversion du contenu de cellules mémoires, les SEL (Single Event Latchups) qui donnent lieu à des courts-circuits masse-alimentation et peuvent donc conduire à la destruction du circuit par effet thermique. Cette thèse a pour but de décrire et valider les méthodologies nécessaires pour évaluer de manière précise la sensibilité face aux radiations de deux types de circuits numériques représentatifs, processeurs et mémoires, composants utilisés dans la plupart des systèmes embarqués.

Les composants reprogrammables de type FPGA à base de mémoire SRAM sont des candidats appréciés pour les applications aéronautiques et spatiales. Cependant les particules énergétiques présentes dans l'environnement naturel peuvent engendrer une mutation de l'application implémentée en créant des erreurs dans la mémoire de configuration. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont eu pour but principal l'étude d'une stratégie de prédiction du taux d'erreurs pour un système implémenté dans ce type de composant. La pertinence d'une telle approche a été évaluée par confrontation des prédictions des taux d'erreurs, issus de sessions d'injections matérielles/logicielles de fautes, avec les mesures obtenues lors de campagnes de test en accélérateur de particules. Le second objectif fut le développement d'une expérience embarquée, dans un satellite scientifique de la NASA, afin d'obtenir des informations sur le comportement du FPGA étudié et son application en environnement réel.