Brevet FR3127572A1 — publié le 20230331

Dispositif de détection (10) configuré pour détecter des espèces chimiques ou biologiques dans un environnement donné, comprenant un capteur matriciel (200) formé de disques opto-mécaniques (201) optiquement et mécaniquement résonant et aptes à se lier à des espèces de l’environnement, agencés en lignes et en colonnes. Les disques opto-mécaniques d’une même ligne sont couplés optiquement avec un même guide d’onde optique (202). Des électrodes d’actionnement sont prévues pour assurer la résonance mécanique des disques opto-mécaniques (201). Une jonction PN (203) est associée à un disque opto-mécanique (201), les jonctions d’une même colonne étant électriquement connectées à une même électrode de polarisation (204), de manière à bloquer la circulation à travers le disque opto-mécanique (201) correspondant d’un courant électrique parasite. Un circuit de contrôle (300) est configuré pour polariser en direct, pendant une fenêtre temporelle de lecture d’un disque d’intérêt (201), la jonction PN (203) d’un disque d’intérêt (201) de manière à venir placer, par effet thermo-optique, sa longueur d’onde de résonance à une longueur d’onde de fonctionnement, de telle sorte qu’un signal optique se propageant dans le guide d’onde optique (202) associé au disque d’intérêt (201) soit modulé en intensité. Figure 1 Dispositif et procédé de détection d’espèces chimiques ou biologiques La présente invention concerne généralement le domaine de l’instrumentation de détection d’espèces chimiques ou biologiques, et en particulier un dispositif et un procédé de détection d’espèces. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel dispositif. La spectrométrie de masse est une technique classiquement utilisée pour détecter et pour identifier des espèces chimiques ou biologiques d’intérêt, telles que des molécules, des virus et des bactéries, évoluant dans un environnement liquide ou gazeux par mesure de leur masse. Dans le domaine médical, la spectrométrie de masse est un moyen efficace pour identifier et pour quantifier la présence de certains types d’espèces dans le corps humain, par exemple pour déterminer le taux de glucose dans le sang, pour identifier la présence de certaines substances illicites ou pour détecter des marqueurs tumoraux de certains cancers à des stades très précoces. Les dispositifs mettant en œuvre une spectrométrie de masse sont généralement couteux, volumineux et complexes à réaliser, ce qui rend leur déploiement et leur utilisation très restreints. Au cours des dernières années, le recours à la photonique pour réaliser des dispositifs mettant en œuvre une spectrométrie de masse a connu un intérêt croissant. Un tel intérêt s’explique par la maturité des technologies requises pour fabriquer des dispositifs manipulant la lumière qui répondent aux contraintes de coût et d’encombrement, et par le large champ d’applications qu’offre l’interaction lumière-matière dans le contexte de la spectrométrie de masse. Le principe de fonctionnement d’un dispositif photonique mettant en œuvre une spectrométrie de masse repose généralement sur le changement de la réponse d’un composant optique suite à son interaction avec des espèces externes. Un tel changement est quantifiable en analysant les caractéristiques d’un signal optique interagissant avec un tel composant optique. A titre d’exemple, le micro-résonateur optique en anneau est un résonateur optique à fort potentiel en matière de détection d’espèces grâce notamment à ses conditions de résonance qui dépendent de la concentration d’espèces à proximité de sa surface active, la géométrie de la surface active étant une couronne circulaire entourant le micro-résonateur en anneau. Généralement, une couche de polymère actif est déposée sur la surface active d’un micro-résonateur en anneau de sorte à réagir chimiquement avec les espèces à sa proximité, entraînant ainsi un changement dans les conditions de résonance du micro-résonateur en anneau. Malgré son efficacité, un micro-résonateur en anneau présente l’inconvénient de fonctionner de manière indirecte en requérant une surface active à sa circonférence, et d’avoir une surface active qui se limite à la couronne circulaire qui l’entoure sans englober sa région intérieure, des espèces posées dans la région intérieure n’agissant presque pas sur les conditions de résonance du micro-résonateur en anneau et restant donc indétectables. Par exemple, lorsque l’espèce à détecter est présente en faible concentration dans l’environnement du micro-résonateur en anneau, l’étroitesse de la surface active rend la détection difficile à réaliser, un temps de mesure inversement proportionnel à la concentration de l’espèce d’intérêt étant requis. En alternative à l’utilisation d’un micro-résonateur en anneau, il est connu d’utiliser un résonateur opto-mécanique comme composant optique de détection d’espèces. Agissant à la fois comme résonateur optique et résonateur mécanique en interaction réciproque et permanente, le résonateur opto-mécanique permet, en analysant le décalage de la longueur d’onde de résonance du résonateur optique, de remonter au mouvement du résonateur mécanique. Un tel couplage opto-mécanique est exploité par la communauté scientifique pour détecter toute espèce venant se poser sur la surface du résonateur opto-mécanique, ce qui a pour effet de changer la masse et/ou les contraintes de surface du résonateur opto-mécanique, et donc de changer sa fréquence de résonance mécanique. La détection d’espèces au moyen d’un résonateur opto-mécanique peut ainsi consister à suivre le décalage en fréquence de sa résonance mécanique au moyen d’un circuit à boucle fermée telle qu’une boucle à phase asservie (« Phase-loocked loop »). Cependant, les performances des résonateurs opto-mécaniques, en termes de sensibilité par exemple, sont fortement dépendantes de leurs facteurs de qualité mécanique et optique. Pour répondre à de telles contraintes, un résonateur opto-mécanique est généralement réalisé à partir d’une micro-cavité optique dont la longueur effective est modulée avec des vibrations mécaniques, la micro-cavité optique pouvant par exemple avoir la forme géométrique d’un anneau, d’un disque, d’un cristal photonique, etc. Les disques opto-mécaniques sont particulièrement intéressants comme ils présentent un fort facteur de qualité mécanique, typiquement compris entre 10 et 50, dans des environnements liquides. Le facteur de qualité des disques opto-mécaniques dans des environnements liquides est par exemple plus élevé que celui permis par des cantilevers qui mettent en œuvre des modes de vibration en flexion et résonnent dans une gamme de fréquence 10 à 100 fois inférieure. Cependant, les dimensions micrométriques d’un disque opto-mécanique (quelques micromètres de rayon et environ 220 nanomètres d’épaisseur) sont généralement négligeables par rapport à celles de l’environnement dans lequel l’espèce à détecter évolue, et elles impliquent donc une surface active réduite. Ainsi, même pour une espèce d’intérêt présente en forte concentration dans l’environnement du disque opto-mécanique, un temps de mesure non négligeable, typiquement plusieurs dizaines de secondes, est requis pour détecter l’espèce d’intérêt. Le temps de mesure est d’autant plus long que la concentration de l’espèce à détecter est faible. Ceci constitue un obstacle majeur au déploiement d’un dispositif de détection à base d’un disque opto-mécanique, surtout dans des systèmes temps-réel requérant des mesures quasi-instantanées. Il existe ainsi un besoin pour un dispositif et un procédé de détection d’espèces chimiques ou biologiques améliorés. Un objet de l’invention est un dispositif de détection configuré pour détecter des espèces chimiques ou biologiques dans un environnement donné, le dispositif de détection comprenant : - un capteur matriciel comprenant : - une pluralité de guides d’onde optiques, une pluralité d’électrodes de polarisation et une pluralité d’électrodes d’actionnement ; - un ensemble de disques opto-mécaniques agencés en lignes et en colonnes, les disques d’une même ligne étant couplés optiquement avec un même guide d’onde optique, chaque disque opto-mécanique étant optiquement et mécaniquement résonant et étant apte à se lier à des espèces de l’environnement, les électrodes d’actionnement étant configurés pour assurer la résonance mécanique des disques opto-mécaniques ; - une pluralité de jonctions PN, chaque jonction PN étant associée à un disque opto-mécanique, les jonctions PN d’une même colonne étant électriquement connectées à une même électrode de polarisation, chaque jonction PN étant configurée pour bloquer la circulation à travers le disque opto-mécanique correspondant d’un courant électrique parasite provenant d’une source autre que l’électrode de polarisation à laquelle la jonction PN est connectée ; - une unité d’émission comprenant au moins une source laser configurée pour générer un signal optique porté à une longueur d’onde d’émission, l’unité d’émission étant en outre configurée pour injecter le signal optique dans les guides d’onde optiques du capteur matriciel ; - un circuit de contrôle configuré pour polariser en direct, pendant une fenêtre temporelle de lecture d’un disque d’intérêt, la jonction PN du disque d’intérêt de manière à venir placer, par effet thermo-optique, sa longueur d’onde de résonance à une longueur d’onde de fonctionnement, ladite longueur d’onde de fonctionnement étant choisie de manière à ce que l’intensité du signal optique se propageant dans le guide d’onde optique associé au disque d’intérêt soit modulée par ledit disque d’intérêt, ce qui fournit un signal optique modulé ; et - un circuit de lecture configuré pour déterminer à partir du signal optique modulé un résultat local de détection, pendant la fenêtre temporelle de lecture du disque d’intérêt. Selon des modes de réalisation particuliers d’un tel dispositif : - L’unité d’émission peut comprendre une seule source laser, l’unité d’émission comprenant en outre un module optique de répartition configuré pour injecter simultanément le signal optique généré par la source laser dans un ou dans plusieurs guides d’onde optiques du capteur matriciel. - En variante, l’unité d’émission peut comprendre une pluralité de sources laser, le nombre de sources laser étant égal au nombre de guides d’onde optiques dans le capteur matriciel, l’unité d’émission étant configurée pour injecter le signal optique généré par chaque source laser dans un guide d’onde optique correspondant dans le capteur matriciel. - Le circuit de contrôle peut être configuré pour décaler, préalablement aux fenêtres temporelles de lecture des disques d’une ligne d’intérêt, la longueur d’onde de résonance d’un ou de plusieurs disques appartenant à la ligne d’intérêt de manière à ce que le signal optique se propageant dans le guide d’onde optique associé à la ligne d’intérêt ne soit modulée par aucun disque. - Les sources laser de l’unité d’émission peuvent être accordables en longueur d’onde, le circuit de contrôle étant en outre configuré pour déterminer la longueur d’onde d’émission de chacune des sources laser. - Le circuit de contrôle peut être configuré pour ajuster, préalablement aux fenêtres temporelles de lecture des disques d’une ligne d’intérêt, la longueur d’onde d’émission de la source laser associée à la ligne d’intérêt de manière à ce que le signal optique se propageant dans le guide d’onde optique associé à la ligne d’intérêt ne soit modulée par aucun disque. - Au moins une jonction PN d’un disque opto-mécanique peut être agencée dans une région centrale du disque opto-mécanique correspondant. - Chaque disque opto-mécanique peut être suspendu au moyen d’un support posé sur un substrat commun. - Au moins une jonction PN d’un disque opto-mécanique est agencée dans la région du substrat commun sur laquelle est posé le support du disque opto-mécanique. - Le circuit de contrôle peut comprendre une pluralité de sources de tension électrique réglables, chaque source de tension électrique réglable étant configurée pour appliquer une différence de potentiel électrique entre une électrode de polarisation et une électrode commune de manière à polariser en direct les jonctions PN associées à l’électrode de polarisation. - Le circuit de lecture peut comprendre au moins une unité de lecture, l’unité de lecture comprenant un photo-détecteur configuré pour convertir le signal optique modulé en un signal électrique de détection, l’unité de lecture comprenant en outre un module de traitement configuré, pendant la fenêtre temporelle de lecture du disque d’intérêt, pour : - déterminer une fréquence de modulation du signal électrique de détection ; - calculer une différence de fréquences (ΔF) entre la fréquence de modulation et une fréquence de référence ; - déterminer le résultat local de détection à partir de la différence de fréquences. - Le dispositif de détection peut être configuré pour réaliser une lecture séquentielle des lignes du capteur matriciel, ce qui fournit pour chaque ligne du capteur matriciel une pluralité de résultats locaux de détection, le dispositif de détection étant en outre configuré pour déterminer un résultat global de détection à partir des pluralités de résultats locaux de détection. - Le dispositif de détection peut être configuré pour réaliser une lecture séquentielle des disques opto-mécaniques de chaque ligne du capteur matriciel en mettant en œuvre les étapes consistant à : - injecter dans le guide d’onde optique de la ligne un signal optique porté à une longueur d’onde d’émission, le signal optique n’étant modulé par aucun disque opto-mécanique de la ligne ; - placer, pendant une fenêtre temporelle de lecture d’un disque d’intérêt, la longueur d’onde de résonance du disque d’intérêt à une longueur d’onde de fonctionnement permettant la modulation du signal optique par le disque opto-mécanique d’intérêt, ce qui fournit un signal optique modulé ; - déterminer un résultat local de détection à partir du signal optique modulé ; - décaler, après l’écoulement de la fenêtre temporelle de lecture du disque d’intérêt, la longueur d’onde de résonance du disque opto-mécanique d’intérêt de manière à ce que le signal optique ne soit pas modulé par le disque opto-mécanique d’intérêt ; le dispositif de détection étant en outre configuré pour réitérer les étapes b. à d. pour chacun des disques opto-mécaniques de la ligne, ce qui fournit la pluralité de résultats locaux de détection. Un autre objet de l’invention est un procédé de détection d’espèces chimiques ou biologiques utilisant une pluralité de disques opto-mécaniques optiquement couplés avec un guide d’onde optique, le procédé de détection comprenant les étapes consistant à : - injecter dans le guide d’onde optique un signal optique porté à une longueur d’onde d’émission, le signal optique n’étant modulé par aucun disque opto-mécanique ; - placer, pendant une fenêtre temporelle de lecture d’un disque d’intérêt, la longueur d’onde de résonance du disque d’intérêt à une longueur d’onde de fonctionnement permettant la modulation du signal optique par le disque opto-mécanique d’intérêt, ce qui fournit un signal optique modulé ; - déterminer un résultat local de détection à partir du signal optique modulé ; - décaler, après l’écoulement de la fenêtre temporelle de lecture du disque d’intérêt, la longueur d’onde de résonance du disque opto-mécanique d’intérêt de manière à ce que le signal optique ne soit pas modulé par le disque opto-mécanique d’intérêt ; les étapes b. à d. étant réitérées pour chacun des disques opto-mécaniques, ce qui fournit une pluralité de résultant locaux de détection. Encore un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication d’un capteur matriciel utilisant une plaque de matériaux semi-conducteurs comprenant un empilement d’une couche épaisse de silicium, d’une couche d’isolant et d’une couche fine de silicium, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : - réaliser des clous métalliques de manière à assurer des connexions électriques entre les deux couches de silicium de la plaque ; - réaliser des jonctions PN dans la couche fine de silicium, chaque jonction PN étant en contact avec un clou métallique ; - former des coupleurs optiques dans la couche fine de silicium ; - former des disques opto-mécaniques, leurs électrodes d’actionnement et des guides d’onde optiques ; - réaliser des accès métalliques aux disques opto-mécaniques et aux électrodes d’actionnement ; - libérer des éléments du capteur matriciel réalisés à partir de la couche fine de silicium. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation avec les dessins annexés suivants : La représente un dispositif de détection d’espèces chimiques ou biologiques, selon un mode de réalisation de l’invention ; La illustre le fonctionnement d’un disque opto-mécanique, selon des modes de réalisation de l’invention ; Les , , , et représentent l’évolution de la réponse optique des disques opto-mécaniques, selon un mode de réalisation de l’invention ; Les , , et représentent l’évolution de la réponse optique des disques opto-mécaniques, selon un autre mode de réalisation de l’invention ; La représente un dispositif de détection d’espèces chimiques ou biologiques, selon un autre mode de réalisation de l’invention ; Les et représentent une vue en coupe d’un disque opto-mécanique, selon deux modes de réalisation différents de l’invention ; La représente une vue en coupe d’un disque opto-mécanique, selon d’autres modes de réalisation de l’invention ; La est un organigramme représentant un procédé de détection d’espèces chimiques ou biologiques, selon des modes de réalisation de l’invention ; La est un organigramme représentant un procédé de fabrication d’un capteur matriciel, selon des modes de réalisation de l’invention ; et Les , , , et illustrent la sortie de certaines étapes du procédé de fabrication d’un capteur matriciel. Dispositif de détection (10) configuré pour détecter des espèces chimiques ou biologiques dans un environnement donné, le dispositif de détection (10) comprenant : un capteur matriciel (200) comprenant : une pluralité de guides d’onde optiques (202), une pluralité d’électrodes de polarisation (204) et une pluralité d’électrodes d’actionnement (206) ; un ensemble de disques opto-mécaniques (201) agencés en lignes et en colonnes, les disques (201) d’une même ligne étant couplés optiquement avec un même guide d’onde optique (202), chaque disque opto-mécanique (201) étant optiquement et mécaniquement résonant et étant apte à se lier à des espèces de l’environnement, les électrodes d’actionnement (206) étant configurés pour assurer la résonance mécanique des disques opto-mécaniques (201) ; une pluralité de jonctions PN (203), chaque jonction PN (203) étant associée à un disque opto-mécanique (201), les jonctions PN (203) d’une même colonne étant électriquement connectées à une même électrode de polarisation (204), chaque jonction PN (203) étant configurée pour bloquer la circulation à travers le disque opto-mécanique (201) correspondant d’un courant électrique parasite provenant d’une source autre que l’électrode de polarisation (204) à laquelle la jonction PN (203) est connectée ; une unité d’émission (100) comprenant au moins une source laser (101) configurée pour générer un signal optique porté à une longueur d’onde d’émission, l’unité d’émission (100) étant en outre configurée pour injecter le signal optique dans les guides d’onde optiques (202) du capteur matriciel (200) ; un circuit de contrôle (300) configuré pour polariser en direct, pendant une fenêtre temporelle de lecture d’un disque d’intérêt (201), la jonction PN (203) du disque d’intérêt (201) de manière à venir placer, par effet thermo-optique, sa longueur d’onde de résonance à une longueur d’onde de fonctionnement, ladite longueur d’onde de fonctionnement étant choisie de manière à ce que l’intensité du signal optique se propageant dans le guide d’onde optique (202) associé au disque d’intérêt (201) soit modulée par ledit disque d’intérêt (201), ce qui fournit un signal optique modulé ; et un circuit de lecture (400) configuré pour déterminer à partir du signal optique modulé un résultat local de détection, pendant la fenêtre temporelle de lecture du disque d’intérêt (201). Dispositif de détection (10) selon la revendication 1 dans lequel l’unité d’émission (100) comprend une seule source laser (101), l’unité d’émission (100) comprenant en outre un module optique de répartition (102) configuré pour injecter simultanément le signal optique généré par la source laser (101) dans un ou dans plusieurs guides d’onde optiques (202) du capteur matriciel (200). Dispositif de détection (10) selon la revendication 1 dans lequel l’unité d’émission (100) comprend une pluralité de sources laser (101), le nombre de sources laser (101) étant égal au nombre de guides d’onde optiques (202) dans le capteur matriciel (200), l’unité d’émission (100) étant configurée pour injecter le signal optique généré par chaque source laser (101) dans un guide d’onde optique (202) correspondant dans le capteur matriciel (200). Dispositif de détection (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit de contrôle (300) est configuré pour décaler, préalablement aux fenêtres temporelles de lecture des disques (201) d’une ligne d’intérêt, la longueur d’onde de résonance d’un ou de plusieurs disques (201) appartenant à la ligne d’intérêt de manière à ce que le signal optique se propageant dans le guide d’onde optique (202) associé à la ligne d’intérêt ne soit modulée par aucun disque. Dispositif de détection (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel les sources laser (101) de l’unité d’émission (100) sont accordables en longueur d’onde, le circuit de contrôle (300) étant en outre configuré pour déterminer la longueur d’onde d’émission de chacune des sources laser (101). Dispositif de détection (10) selon la revendication 5 dans lequel le circuit de contrôle (300) est configuré pour ajuster, préalablement aux fenêtres temporelles de lecture des disques (201) d’une ligne d’intérêt, la longueur d’onde d’émission de la source laser (101) associée à la ligne d’intérêt de manière à ce que le signal optique se propageant dans le guide d’onde optique (202) associé à la ligne d’intérêt ne soit modulée par aucun disque. Dispositif de détection (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins une jonction PN (203) d’un disque opto-mécanique (201) est agencée dans une région centrale du disque opto-mécanique (201) correspondant. Dispositif de détection (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel chaque disque opto-mécanique (201) est suspendu au moyen d’un support (207) posé sur un substrat commun (208). Dispositif de détection (10) selon la revendication 8 dans lequel au moins une jonction PN (203) d’un disque opto-mécanique (201) est agencée dans la région du substrat commun (208) sur laquelle est posé le support (207) du disque opto-mécanique (201). Dispositif de détection (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit de contrôle (300) comprend une pluralité de sources de tension électrique réglables (301), chaque source de tension électrique réglable (301) étant configurée pour appliquer une différence de potentiel électrique entre une électrode de polarisation (204) et une électrode commune (205) de manière à polariser en direct les jonctions PN (203) associées à l’électrode de polarisation (204). Dispositif de détection (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit de lecture (400) comprend au moins une unité de lecture (401), l’unité de lecture (401) comprenant un photo-détecteur (4011) configuré pour convertir le signal optique modulé en un signal électrique de détection, l’unité de lecture (401) comprenant en outre un module de traitement (4012) configuré, pendant la fenêtre temporelle de lecture du disque d’intérêt (201), pour : déterminer une fréquence de modulation (F sortie ) du signal électrique de détection ; calculer une différence de fréquences (ΔF) entre la fréquence de modulation (F sortie ) et une fréquence de référence (F réf ) ; déterminer le résultat local de détection à partir de la différence de fréquences (ΔF). Dispositif de détection (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif de détection (10) est configuré pour réaliser une lecture séquentielle des lignes du capteur matriciel (200), ce qui fournit pour chaque ligne du capteur matriciel (200) une pluralité de résultats locaux de détection, le dispositif de détection (10) étant en outre configuré pour déterminer un résultat global de détection à partir des pluralités de résultats locaux de détection. Procédé de détection d’espèces chimiques ou biologiques utilisant une pluralité de disques opto-mécaniques (201) optiquement couplés avec un guide d’onde optique (202), le procédé de détection comprenant les étapes consistant à : injecter (801) dans le guide d’onde optique (202) un signal optique porté à une longueur d’onde d’émission, le signal optique n’étant modulé par aucun disque opto-mécanique (201) ; placer (802), pendant une fenêtre temporelle de lecture d’un disque d’intérêt (201), la longueur d’onde de résonance du disque d’intérêt (201) à une longueur d’onde de fonctionnement permettant la modulation du signal optique par le disque opto-mécanique d’intérêt (201), ce qui fournit un signal optique modulé ; déterminer (803) un résultat local de détection à partir du signal optique modulé ; décaler (804), après l’écoulement de la fenêtre temporelle de lecture du disque d’intérêt (201), la longueur d’onde de résonance du disque opto-mécanique d’intérêt (201) de manière à ce que le signal optique ne soit pas modulé par le disque opto-mécanique d’intérêt (201) ; les étapes b. à d. étant réitérées pour chacun des disques opto-mécaniques (201), ce qui fournit une pluralité de résultant locaux de détection. Procédé de fabrication d’un capteur matriciel (200) utilisant une plaque de matériaux semi-conducteurs comprenant un empilement d’une couche épaisse de silicium, d’une couche d’isolant et d’une couche fine de silicium, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : réaliser (901) des clous métalliques (210) de manière à assurer des connexions électriques entre les deux couches de silicium de la plaque ; réaliser (902) des jonctions PN (203) dans la couche fine de silicium, chaque jonction PN étant en contact avec un clou métallique ; former (903) des coupleurs optiques dans la couche fine de silicium ; former (904) des disques opto-mécaniques (201), leurs électrodes d’actionnement (206) et des guides d’onde optiques (202) ; réaliser (905) des accès métalliques aux disques opto-mécaniques (201) et aux électrodes d’actionnement (206) ; libérer (906) des éléments du capteur matriciel (200) réalisés à partir de la couche fine de silicium.