Ingénierie optique et mécanique de cavités Fabry-Perot microfabriquées par gravure anisotrope pour des applications de capteurs de gaz

Malgré les avancées technologiques majeures ayant permis de reproduire artificiellement la plupart des sens humains, l’odorat demeure difficile à égaler en raison de la complexité et de la multidimensionnalité des signatures chimiques. Les systèmes olfactifs biologiques se distinguent par leur grande sensibilité et leur sélectivité collective, constituant une source d’inspiration pour le développement de nez artificiels. Dans ce contexte, l’utilisation de ma-trices de polymères à sensibilité croisée gonflants suite à une exposition à des gaz représentent une approche prometteuse pour la détection de composés volatils, grâce à leur versatilité chimique. Cette thèse vise à augmenter les performances des capteurs artificiels et atteindre le niveau des systèmes biologiques par l’ingénierie optique et mécanique de cavités Fabry-Perot microfabriquées dans le silicium fonctionnalisées par des polymères. Les dispositifs développés exploitent le gonflement mécanique d’un polymère confiné dans un micro-canal, dont la déformation induit un déplacement spectral mesurable de la résonance optique. L’objectif central consiste à optimiser l’architecture du système afin d’accroître significativement la sensibilité, tout en conservant une plateforme intégrable et compatible avec une fabrication à faible coût. La première contribution porte sur le développement d’un procédé de fabrication basé sur la gravure anisotrope humide du silicium (110) au TMAH, permettant l’obtention de miroirs verticaux naturellement parallèles grâce aux plans cristallins. Cette approche assure un alignement optique intrinsèque et une faible rugosité de surface, conduisant à des facteurs de qualité atteignant 2 × 103. Une étude complémentaire met en évidence l’influence critique des traitements thermiques et de la concentration d’oxygène du substrat sur la rugosité des parois et, par conséquent, sur les performances optiques. Afin d’évaluer expérimentalement la plateforme développée, les capteurs ont été déployés sous forme de matrices et fonctionnalisés à l’aide de cinq polymères distincts, dont le PDMS, le PEVA et le PHMB. Des mesures ont été réalisées notamment pour l’alcool isopropylique, l’humidité et le CO2. Ces essais ont confirmé la faisabilité du concept et la versatilité de la fonctionnalisation. Toutefois, l’étude de la réponse thermique a mis en évidence une contribution non négligeable de la sensibilité intrinsèque des polymères à la température. Plus encore, les résultats ont révélé une sensibilité aux gaz encore insuffisante pour approcher les performances des systèmes olfactifs biologiques, indiquant la nécessité d’accroître la réponse du dispositif de trois à quatre ordres de grandeur. Ces observations ont motivé une optimisation approfondie de l’architecture, tant sur le plan optique que mécanique.