2.4 Principe de détection d’un capteur optique à base de micro-résonateur
2.4.5 Caractéristiques d’un capteur : sensibilité et gamme de détection
Dans le cas d’un capteur à base de micro-résonateur, la détection va se faire par la modification d’un paramètre optique du micro-résonateur : l’indice effectif du mode guidé dans le cœur des guides d’onde. Cette modification entraîne un décalage de la position de la longueur d’onde de résonance. Ce décalage est ensuite exploité pour remonter à la concentration des molécules cibles. Précédemment nous avons vu qu’il existe deux types de détection, la détection homogène et la détection surfacique, et deux méthodes pour quantifier la détection, la méthode basée sur le décalage de la longueur d’onde de résonance et celle basée sur la variation d’intensité lumineuse. Pour évaluer et comparer les performances des capteurs à base de micro-résonateurs, deux caractéristiques importantes sont définies : la sensibilité et la gamme de détection. Pour chaque type de détection et sa méthode d’analyse associée, il existe une définition de la sensibilité et de la gamme de détection. Cependant, comme nous n’avons utilisé que la détection homogène avec la méthode basée sur le décalage de la longueur d’onde de résonance dans ce travail, nous ne présentons que les expressions de la sensibilité S et de la gamme de détection pour le cas de figure étudié uniquement.
Sensibilité
La sensibilité S est définie par le rapport entre la variation de l’indication icdu capteur
et la variation du mesurande M :
S = δic
δM (2.90)
Le mesurande du capteur est la variation de l’indice de réfraction du superstrat δnsp,
qui est directement liée à la concentration de molécules pour la détection homogène. La grandeur de sortie du capteur est la variation de la position de la longueur d’onde de résonance δλres pour le cas de la méthode basée sur le décalage de la longueur d’onde.
Dans la suite, nous nous appuyons sur les travaux de Chao et al pour les définitions de sensibilité [223].
Cette sensibilité S se décompose en deux parties distinctes :
S = Sd× Sg (2.91)
Avec Sd la sensibilité du dispositif et Sg la sensibilité du guide d’onde.
La sensibilité du dispositif Sd est le rapport entre la variation du paramètre optique
mesuré et la variation de l’indice effectif du mode guidé. Pour la méthode basée sur le décalage de la longueur d’onde, la sensibilité du dispositif, notée Sdλ, vaut :
Sdλ =
δλres δnef f
La sensibilité du guide d’onde Sg est le rapport entre la variation d’indice effectif et
la variation du paramètre optique du guide d’onde qui interagit avec les molécules cibles. La sensibilité du guide d’onde, notée SgH, vaut :
SgH =
δnef f δnsp
(2.93) La sensibilité s’exprime alors selon :
SHλ = Sdλ· SgH = δλres δnef f · δnef f δnsp = δλres δnsp (2.94) Un capteur est dit performant lorsqu’il présente une valeur la plus élevée possible pour la sensibilité S. Afin d’améliorer cette sensibilité, à la fois la sensibilité du dispositif Sd et
la sensibilité du guide d’onde Sg doivent être optimisées.
La gamme de détection
La gamme de détection est une caractéristique importante d’un capteur qui peut permettre de les comparer entre eux. De manière générale, la gamme de détection est définie par l’intervalle de mesures possibles du capteur : de la plus petite valeur détectable, ou limite de détection LD, à la plus grande valeur détectable par le capteur. Pour une application capteur, il est souhaité d’avoir la plus faible limite de détection. C’est un vrai enjeu : en effet, par exemple, dans le cas d’une application médicale, une faible limite de détection permet de pouvoir prévenir et de traiter au plus tôt une maladie. La définition des bornes de la gamme de détection va dépendre du type de détection et de la méthode d’analyse utilisée. Dans cette thèse, nous allons nous intéresser à une détection homogène analysée avec la méthode basée sur le décalage en longueur d’onde.
La limite de détection LD est la plus petite variation d’indice de réfraction du super- strat δnspmin, qui permet de remonter à la variation minimale de la concentration C de
molécules cibles δCmin. Pour mesurer la plus petite variation d’indice de réfraction du
superstrat δ(nsp)min, il faut connaître le plus petit décalage en longueur d’onde de réso-
nance δλresmin. La mesure du décalage en longueur d’onde est influencée par la résolution
instrumentale des équipements de mesure, le facteur de qualité Q des pics de résonance et par le bruit, notamment thermique, du spectre mesuré. Il y a donc une incertitude sur la mesure de δλresmin. Pour augmenter la précision de cette mesure, il est souhaitable
d’obtenir une raie de résonance fine. Ainsi, δλresmin peut être estimée à une fraction de
la largeur à mi-hauteur δλ de la raie de résonance, en divisant par un facteur 10 [2], [223]. Finalement la limite de détection LD peut être définie, à partir de l’équation (2.94) comme étant le rapport entre le maximum des valeurs du bruit et de δλ10 et la sensibilité du micro-résonateur [224] :
LDHλ =
maxBruit,δλ10 SHλ
(2.95) La plus grande valeur détectable par le capteur δnspmax est limitée par l’intervalle
spectral libre du micro-résonateur. En effet, le décalage maximal de la longueur d’onde de résonance δλresmax correspondant ne peut être supérieur à l’intervalle spectral libre. Si
le décalage lui est supérieur, il devient alors difficile de retrouver la longueur d’onde réso- nante de référence. La plus grande variation d’indice de réfraction du superstrat δnspmax
détectable est définie ci-après dans l’équation 2.96 :
δnspmax =
ISL SHλ
− LDHλ =
ISL − maxBruit,δλ10 SHλ
(2.96) Le capteur est performant lorsque δnspmax est le plus grand possible et lorsque LDHλ
est la plus faible possible.
La sensibilité s’exprime en nm/UIR, les limites de détection minimale LD et maximale
δnspmax s’expriment en UIR.
Dans la suite de la thèse, la détection homogène de glucose dissout dans de l’eau dés- ionisée est réalisée. En effet, le glucose se solubilise bien en solution aqueuse et il est facile d’obtention. La détection homogène est relativement rapide à mettre en œuvre, contrai- rement à la détection surfacique qui nécessite de mettre en place tout un protocole de fonctionnalisation. La méthode basée sur le décalage de la longueur d’onde de résonance est la plus adaptée pour réaliser une preuve de concept qui nécessite d’utiliser, dans un premier temps de fortes concentrations de glucose. Pour vérifier rapidement la faisabi- lité d’un capteur à base de micro-résonateurs, nous utiliserons la détection homogène de glucose et l’analyse basée sur le décalage en longueur d’onde.