Conception, caractérisation et optimisation de SPAD en technologie Dalsa HV CMOS 0.8 μm pour intégration dans un 3D-SiPM

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G.

Modélisation pour l'imagerie des composites par ondes guidées

Parmi les méthodes les plus utilisées en inspection embarquée des structures (Structural Health Monitoring ou SHM), les techniques d’imagerie basées sur un modèle de propagation sont de plus en plus répandues. Pour les techniques d'imagerie basées sur un modèle de propagation, bien que ces techniques montent en popularité, la complexité des matériaux composites réduit grandement leur performance en détection d'endommagements comparativement aux démonstrations précédentes de leur potentiel sur des matériaux isotropes. Cette limitation dépend entre autres des hypothèses simplificatrices souvent posées dans les modèles utilisés et peut entraîner une augmentation des faux positifs et une réduction de la capacité de ces techniques à détecter des endommagements. Afin de permettre aux techniques d'imagerie basées sur un modèle d'offrir une performance équivalente à celle obtenue précédemment sur les structures métalliques, il est nécessaire d'exploiter des modèles de propagation considérant la dynamique complexe des ondes dans ce type de structures. Cette thèse présente les travaux effectués sur la modélisation de la propagation des ondes guidées dans les matériaux composites. En première partie, une amélioration simple des modèles de génération et de propagation est proposée afin de permettre de mieux reconstruire les signaux générés et propagés sur une structure composite. Par la suite, le potentiel de la technique « Excitelet » à détecter et positionner adéquatement un ou plusieurs endommagements sur un matériau, peu importe son empilement (d’un composite unidirectionnel à un matériau isotrope), est démontré tant pour le mode A[indice inférieur 0] que le mode S[indice inférieur 0]. Les résultats obtenus numériquement et expérimentalement démontrent une corrélation directe entre l'amélioration des modèles mathématiques derrière les techniques d'imagerie et la robustesse des techniques pour ce qui est de la précision sur le positionnement du dommage et du niveau de corrélation obtenu. Parmi les améliorations à la technique d'imagerie « Excitelet » proposées, une amélioration significative des résultats en imagerie est démontrée en considérant la distribution de cisaillement plan sous l’émetteur, ce qui est une nouveauté par rapport aux travaux de recherche précédents en imagerie. La performance de la technique d'imagerie via la modélisation de la propagation d'ondes guidées dans les laminés multicouches transverses isotropes est par la suite démontrée. Les équations de l'élasticité en 3D sont utilisées pour bien modéliser le comportement dispersif des ondes dans les composites, et cette formulation est par la suite implantée dans la technique d'imagerie « Excitelet ». Les résultats démontrent que l'utilisation d'une formulation mathématique plus avancée permet d'augmenter la précision quant au positionnement des dommages et à l'amplitude de la corrélation obtenue lors de la détection d'un dommage. Une analyse exhaustive de la sensibilité de la technique d’imagerie et de la propagation d’ondes aux conditions environnementales et à la présence de revêtement sur la structure est présentée en dernière partie. Les résultats obtenus montrent que la considération de la propagation complexe dans la formulation d’imagerie ainsi que la caractérisation des propriétés mécaniques « a priori » de l’imagerie améliorent la robustesse de la technique et confèrent à la technique « Excitelet » la capacité de détecter et positionner précisément un endommagement, peu importe le type de structure.

Algorithme de reconstruction itératif pour tomographie optique diffuse avec mesures dans le domaine temporel

L'imagerie par tomographie optique diffuse requiert de modéliser la propagation de la lumière dans un tissu biologique pour une configuration optique et géométrique donnée. On appelle cela le problème direct. Une nouvelle approche basée sur la méthode des différences finies pour modéliser numériquement via l'équation de la diffusion (ED) la propagation de la lumière dans le domaine temporel dans un milieu inhomogène 3D avec frontières irrégulières est développée pour le cas de l'imagerie intrinsèque, c'est-à-dire l'imagerie des paramètres optiques d'absorption et de diffusion d'un tissu. Les éléments finis, lourds en calculs, car utilisant des maillages non structurés, sont généralement préférés, car les différences finies ne permettent pas de prendre en compte simplement des frontières irrégulières. L'utilisation de la méthode de blocking-off ainsi que d'un filtre de Sobel en 3D peuvent en principe permettre de surmonter ces difficultés et d'obtenir des équations rapides à résoudre numériquement avec les différences finies. Un algorithme est développé dans le présent ouvrage pour implanter cette approche et l'appliquer dans divers cas puis de la valider en comparant les résultats obtenus à ceux de simulations Monte-Carlo qui servent de référence. L'objectif ultime du projet est de pouvoir imager en trois dimensions un petit animal, c'est pourquoi le modèle de propagation est au coeur de l'algorithme de reconstruction d'images. L'obtention d'images requière la résolution d'un problème inverse de grandes dimensions et l'algorithme est basé sur une fonction objective que l'on minimise de façon itérative à l'aide d'une méthode basée sur le gradient. La fonction objective mesure l'écart entre les mesures expérimentales faites sur le sujet et les prédictions de celles-ci obtenues du modèle de propagation. Une des difficultés dans ce type d'algorithme est l'obtention du gradient. Ceci est fait à l'aide de variables auxiliaire (ou adjointes). Le but est de développer et de combiner des méthodes qui permettent à l'algorithme de converger le plus rapidement possible pour obtenir les propriétés optiques les plus fidèles possible à la réalité capable d'exploiter la dépendance temporelle des mesures résolues en temps, qui fournissent plus d'informations tout autre type de mesure en TOD. Des résultats illustrant la reconstruction d'un milieu complexe comme une souris sont présentés pour démontrer le potentiel de notre approche.

Conception d’un dispositif de formation en ligne, selon une approche par compétences au collégial, dans le cadre du cours crédité Éclairages et rendus 2 du programme Techniques d’animation 3D et synthèse d’images

Nous avons dirigé cet essai sur la conception et le développement d’un dispositif de formation en ligne, selon une approche par compétences au collégial, dans le cadre du cours crédité Éclairages et rendus 2 du programme Techniques d’animation 3D et synthèse d’images. Nous avons commencé en présentant le programme Techniques d’animation 3D et synthèse d’images du Cégep Limoilou, le cours Éclairages et rendus 2 et l’épreuve synthèse de programme (ESP) qui se rattache au programme. Nous avons également défini l’utilisation actuelle des technologies de l’information et de la communication (TIC) et des environnements numériques d’apprentissage (ENA) dans le programme et nous avons déterminé les modalités de cours au collégial. Ensuite, en l’absence de formation en ligne au Cégep Limoilou, nous avons exposé les raisons qui nous ont mené à concevoir et à développer un dispositif de formation en ligne pour le cours Éclairages et rendus 2. Nous avons identifié les problèmes, entre autres reliés aux politiques institutionnelles, à la convention collective et au manque de disponibilité des locaux. Ce manque de disponibilité des locaux limite le temps de pratique des étudiantes et étudiants, limite l’accessibilité aux logiciels et nuit à l’implantation de l’alternance travail-études (ATE) dans le programme Techniques d’animation 3D et synthèse d’images. La conception d’un dispositif de formation en ligne pour le cours Éclairages et rendus 2 permettrait de libérer des heures de laboratoire et faciliterait le processus d’adhésion à l’ATE. À partir de l’objectif général, nous avons construit le cadre de référence permettant de positionner les fondements de cet essai. Nous avons débuté en démystifiant la formation à distance et en définissant le concept d’ingénierie pédagogique, particulièrement le modèle ADDIE. Ensuite, nous avons clarifié la nature et les caractéristiques des ENA et défini l’approche par compétences. Nous avons terminé en définissant les objectifs spécifiques. L’approche méthodologique retenue dans le cadre de cet essai est une approche qualitative. Nous avons choisi une posture interprétative en accordant de l’importance à la compréhension et l’interprétation des résultats (Fortin, 2010). Cet essai est basé sur une recherche développement qui s’inscrit dans le pôle de l’innovation visant à développer du matériel technopédagogique. Les résultats démontrent que les étudiantes et les étudiants ont apprécié le dispositif d’apprentissage. L’ENA s’est avéré un outil familier pour les étudiantes et les étudiants, car ils utilisent quotidiennement l’ordinateur dans leurs fonctions de travail. L’expérimentation du dispositif a permis de recueillir des résultats qui ont été compilés, analysés et comparés dans le but d’améliorer le dispositif de formation en ligne. Nous avons corroboré les données à l’aide de deux méthodes de collecte de données, soit le journal du chercheur et le questionnaire à questions ouvertes et fermées. Pour les pistes futures, il serait intéressant de valider le dispositif de formation en ligne auprès d’un plus grand échantillon en ne se limitant pas uniquement à des étudiantes ou étudiants du programme de Techniques d’animation 3D et synthèse d’images. Il serait également intéressant de mettre en place un dispositif couvrant l’ensemble des 15 semaines de la session et de faire une mise à l’essai à plus d’une reprise. Enfin, une avenue intéressante serait de concevoir un dispositif plus universel et adapté à d’autres cours du programme et à d’autres programmes de formation collégiale et universitaire pouvant servir de guide plus général à la création d’une formation en ligne adaptée à une approche par compétences.