La détection en volume

Il existe un autre type de détection utilisé dans le domaine des capteurs à base de micro-résonateurs, que nous appelons la détection en volume. Dans ce cas, la structure du micro-résonateur permet aux molécules d’interagir non seulement avec l’onde évanescente mais avec la lumière propagée dans le guide d’onde ; cela augmentera ainsi l’interaction entre la lumière et les molécules et par conséquent la sensibilité du capteur. Différents types de micro-résonateurs sont étudiés pour ce type de détection. Nous donnons dans la suite quelques exemples.

1.3.4.1 Micro-résonateurs à base de guides d’onde slot

Un micro-résonateur slot, représenté sur la figure 1.17, est l’un des différents types de micro-résonateur étudié pour augmenter la sensibilité des micro-résonateurs simples.

Figure 1.17 – Exemple d’un micro-résonateur slot : (a) Image MEB du micro-résonateur

slot en silicium ; (b) Vue en coupe d’un guide d’onde slot ; (c) Profil calculé du mode TE

[186].

Ils sont constitués de guides d’onde slot qui consistent en deux guides d’onde réalisés avec un matériau à haut indice de réfraction, séparés par une rainure constituée d’un milieu à faible indice de réfraction et de dimension inférieure à la longueur d’onde de la lumière (figure 1.17b). La lumière est alors fortement confinée dans la rainure (figure 1.17c). L’interaction entre les molécules cibles et la lumière est alors augmentée, améliorant dans un même temps la sensibilité.

En 2007, Barrios et al démontrent expérimentalement la réalisation d’un capteur à base de micro-résonateurs slot, en nitrure de silicium, en forme d’anneau avec un rayon de 70 µm ; la rainure est de 200 nm de largeur. En ajoutant différentes concentrations d’éthanol à de l’eau désionisée, la sensibilité obtenue est 212 nm/UIR et la limite de détection est de 2.10−4 UIR [187]. Sur ce même micro-résonateur, la détection de BSA est réalisée avec une limite de détection de 16 pg/mm2 _[188].

En 2010, ces micro-résonateurs [187] sont intégrés sur une puce avec un système micro- fluidique. La détection de méthanol est réalisée avec une limite de détection de 5.10−6 UIR ; l’amélioration de cette limite de détection est principalement due à la réduction du bruit du système en utilisant un régulateur de température et une meilleure résolution spectrale. La sensibilité est aussi améliorée de 212 à 246 nm/UIR ; la différence entre les deux sensibilités n’a pas été étudiée. La limite de détection d’anti-BSA est de 0.9 pg/mm2

[189].

En 2008, Robinson et al réalisent en silicium un micro-résonateur slot de 10 µm de rayon, et une rainure de 40 nm de largeur. La détection du gaz acétylène s’effectue avec une sensibilité de 490 nm/UIR et une limite de détection de 10−4 UIR [186].

En 2009, Claes et al utilisent le micro-résonateur en forme d’hippodrome de De Vos

et al [150] avec une rainure de 104 nm de largeur. La détection de NaCl est améliorée de 70 nm/UIR à 298 nm/UIR [122] et la limite de détection est de 4,2.10−5 UIR.

Les exemples de micro-résonateurs slot sont répertoriés avec leurs caractéristiques dans le tableau 1.6.

Tableau 1.6 – Capteurs à base de micro-résonateurs slot.

Structure Matériau Molécule Q S (nm/UIR) LD (UIR) Référence Hippodrome SOI NaCl - 298 4,2.10−5 [122]

Anneau SOI Acétylène gaz 5.103 _{490 10}−4 _[186]

Anneau SixNy Ethanol - 212 2.10−4 [187]

Anneau SixNy Ethanol - 246 5.10−6 [189]

1.3.4.2 Micro-résonateurs à base de matériaux poreux

Jusqu’à présent, les micro-résonateurs étudiés sont réalisés à partir de matériaux mas- sifs utilisant pour des applications capteurs la détection par évanescence et il est possible d’utiliser le principe de la détection en volume en utilisant des matériaux poreux pour la réalisation des micro-résonateurs. Dans ce cas, les molécules peuvent s’infiltrer dans le guide d’onde et interagir avec l’onde guidée (figure 1.18(b)). L’interaction lumière- molécule est alors augmentée, ainsi que la sensibilité.

Figure 1.18 – Différents types de détection : (a) Détection par évanescence ; (b) Détection en volume.

Quelques études ont été trouvées sur des micro-résonateurs réalisés en matériaux po- reux. Nous citons quelques exemples dans la suite et certains sont montrés sur la figure 1.19.

Figure 1.19 – Exemple de micro-résonateurs poreux : (a) un micro-résonateur en po- lystyrène [190] ; (b) Simulation d’un micro-résonateur en forme d’anneau avec des pores réguliers [191].

En 2012, Mancuso et al proposent un micro-résonateur en forme d’hippodrome de 35

µm de rayon et une longueur de couplage de 20 µm , en polymère Polystyrène poreux ; 10

% de la surface contient des pores de diamètre de 60 à 120 nm. La détection de glucose dans de l’eau a permis de montrer une augmentation de 40 % de la sensibilité entre le micro-résonateur non-poreux (66 nm/UIR) et celui poreux (94 nm/UIR) [190].

En 2014, une étude a aussi porté sur la simulation de micro-résonateurs avec des pores réguliers le long de l’anneau permettant d’augmenter la sensibilité de 80 nm/UIR à 240 nm/UIR [191].

Un matériau, pour lequel de nombreuses études ont été consacrées pour son application aux capteurs, est le silicium poreux [192]. Il a été largement étudié, depuis la découverte par L. T. Canham en 1990 de la photoluminescence à température ambiante. En effet, en plus de ses propriétés optiques, le silicium poreux est caractérisé par une surface interne spécifique élevée (jusqu’à 900 m2_.cm−3_{), une porosité modulable et donc un indice de}

réfraction modulable par le biais des conditions de fabrication et une bio-compatibilité qui lui permettent d’être un candidat intéressant pour les applications de capteurs optiques. Parmi les applications aux capteurs optiques intégrés, nous pouvons citer des grating

couplers avec une sensibilité jusqu’à 1000 nm/UIR [193], [194], des micro-cavités avec des sensibilités dans la gamme de 300 à 500 nm/UIR [195] ou encore des interféromètres de Mach-Zehnder [196].

Ce matériau poreux est donc intéressant pour la réalisation de capteurs à base de micro-résonateurs. En effet, parmi les différentes structures pour la détection en volume, celles qui présentent les meilleures caractéristiques sont celles réalisées en silicium poreux. En 2010, Hutter et al étudient théoriquement des micro-résonateurs réalisés en silicium poreux à 62 % de porosité. Le rayon est de 21 µm. Les simulations démontrent une potentielle sensibilité de 700 nm/UIR [10].

En 2015, le premier micro-résonateur, de 25 µm de rayon, en silicium poreux est réalisé par Rodriguez et al. La détection de sel est effectuée avec une sensibilité de 380 nm/UIR [197].

Les exemples de micro-résonateurs à base de matériaux poreux sont répertoriés avec leurs caractéristiques dans le tableau 1.7.

Tableau 1.7 – Capteurs à base de micro-résonateurs poreux.

Structure Matériau Molécule Q S sans porosité / avec porosité

(nm/UIR) LD Référence Hippodrome Polystyrène Glucose 3.103 _{66 / 94 - [190]}

Anneau SOI - 3.103 _{80 / 240 - [191]*}

Anneau Silicium Poreux - - - / 700 - [10]*

Anneau Silicium Poreux NaCl 4.103 _{- / 380 - [197]}