Microcavités à modes de galerie en polymère pour la détection de gaz

L'objectif principal de ce projet de maîtrise est de faire la preuve de concept d'un senseur de gaz à partir de cavités à modes de galerie en polymère. Il est considéré possible d'exploiter les propriétés absorbantes d'un polymère afin d'atteindre des sensibilités élevées pour un senseur optique microfabriqué. Le principe de détection utilisé avec ces microstructures se base sur le décalage des résonances causé par une variation du parcours optique dans la cavité. Cette variation peut être générée par la combinaison d'une variation de la l'indice de réfraction et d'une variation de la géométrie du résonateur. La configuration proposée est un microrésonateur en disque sur pilier de silicium de sorte que le polymère puisse se dilater plus facilement que dans les cavités Fabry-Pérot développées au laboratoire. Dans le cas des Fabry-Pérot, le polymère est restreint dans sa dilatation par les miroirs de silicium. Le SU-8 a été choisi comme polymère pour former le microdisque pour cette étude en raison de ses excellentes propriétés optiques et des récents travaux démontrant son utilisation pour la détection de gaz. De plus, puisqu'il s'agit d'une photorésine, le procédé de microfabrication est simplifié à une étape de photolithographie puis une gravure isotrope du silicium. Il a ainsi été possible de produire des microcavités en SU-8 pouvant atteindre un facteur de qualité de 1.58 × 105 pour une résonance se situant près de 1577nm. Les cavités ont été caractérisées pour déterminer les paramètres géométriques pouvant influencer la sensibilité à la concentration d'un gaz. Une étude effectuée sur des cavités avec des géométries différentes a permis de déterminer que le rapport de la sous-gravure du résonateur sur son rayon avait une influence sur sa sensibilité. La sensibilité en température et le temps de réponse ont également été étudiés. La sensibilité des cavités en SU-8 a, par la suite, été évaluée pour une variété de composés sous phase vapeur dont l'eau, l'isopropanol, le toluène, le limonène, le 1-butanol et l'acide pentanoïque. La limite de détection a également été calculée pour ces six composés. L'acide pentanoïque a ainsi une sensibilité d'environ 23pm/ppm et une limite de détection de 0.6 ppm comparé à l'isopropanol qui a une sensibilité de 0.07pm/ppm et une limite de détection de 64 ppm pour des modes de résonances se situant entre 1500 et 1600nm.

Abstract

The main objective of this Master's project is to demonstrate the concept of a gas sensor using whispering gallery mode resonators in polymer. It is deemed possible to exploit the absorbent properties of a polymer in order to achieve high sensitivities for a microfabricated optical device. The detection principle used with these microstructures is based on the resonance shift caused by a variation of the optical path in the cavity. This variation can be generated by a combination of change in the refractive index and change in geometry of the resonator. The proposed configuration is a microdisk resonator on a silicon pillar. Here, the polymer can expand more easily than in Fabry-Perot microcavities previously developed in the laboratory. For these cavities, the polymer's expansion is restricted by the silicon mirrors. The photoresist SU-8 was chosen as the polymer to form the microdisk for this study because of its excellent optical properties and recent work demonstrating its use in gas detection. Furthermore, considering the photoresist nature of SU-8, the microfabrication process is simplified at one single photolithography step and one isotropic etch of silicon. It was possible to produce microcavities in SU-8 with a quality factor up to 1.58 × 105 for a resonance near 1577nm. The cavities were characterized to determine the geometric parameters that could influence the sensitivity to the concentration of the analyte gas. The study of cavities with different geometries indicates that the ratio of the resonator undercut to its radius influenced its sensitivity. Temperature sensitivity and response time were also studied. The sensitivity of SU-8 cavities was subsequently assessed for a variety of vapour-phase compounds including water, isopropanol, toluene, limonene, 1-butanol and pentanoic acid. The detection limit was calculated for these six compounds. The sensitivity for pentanoic acid is approximately 23pm/ppm and the detection limit is 0.6 ppm, compared to isopropanol where corresponding values are 0.07pm/ppm and 64 ppm for resonance modes between 1500 and 1600nm.