Towards an Optical Platform of Integrated Suspended Microresonators Made of Multiple Inkjet-Printed Polymers for Gas Sensing Applications

Les travaux présentés dans cette thèse visent à développer une nouvelle méthode de fabrication de microgouttes polymériques suspendues sur puce, en associant l’impression jet d’encre aux procédés de microfabrication. Ces microgouttes sont des microrésonateurs à modes de galerie pouvant être utilisées pour la détection de gaz. L’absorption de gaz induit un changement de leurs indices de réfraction ainsi que leur expansion. S’ensuit un décalage en longueur d’onde des pics de résonances. Les capteurs de gaz, indispensables dans des secteurs aussi variés que les mines, la pétrochimie, la santé et l’environnement, constituent déjà des outils précieux. Néanmoins, la demande pour des dispositifs plus compacts, sélectifs et précis ne cesse de croître afin de mieux répondre aux enjeux de sécurité, de diagnostic médical, de surveillance environnementale et d’étude des changements climatiques. L’objectif principal de ces travaux consiste à mesurer la concentration de différents gaz au sein d’un même mélange à l’aide de microgouttes polymériques intégrées sur puce. Pour pallier le manque de sélectivité d’un seul polymère, il est nécessaire d’avoir une matrice de capteurs de différents polymères. Celle-ci est réalisée grâce à l’impression jet d’encre, couplée à des techniques de microfabrication, permettant ainsi de déposer plusieurs polymères sur un même substrat. Les polymères SU-8, polystyrène (PS) et polyhexaméthylène biguanide (PHMB) ont été imprimés avec succès. Le choix du PS, insoluble dans l’eau, et du PHMB, soluble dans l’eau, a permis de mettre en évidence la versatilité du procédé de fabrication. Les microgouttes obtenues présentent un diamètre d’environ 100 μm et une forme caractéristique due à l’effet de l’anneau de café. Le bord des résonateurs est suspendu par un procédé au plasma et des sous-gravures allant de 12 à 31 μm sont obtenues. Pour l’acquisition des spectres de transmission optique, un montage expérimental est utilisé comprenant une source laser accordable, une photodiode et une fibre optique effilée. Les microrésonateurs obtenus présentent des facteurs de qualité élevés, atteignant jusqu’à 2,2 millions pour les structures en polystyrène. Un montage de contrôle environnemental permet de varier la température du dispositif et des gaz en plus de leurs concentrations. Les analytes étudiés sont l’isopropanol (IPA) et les vapeurs d’eau (H2O) provenant de bulleurs ainsi que le dioxyde de carbone (CO2) provenant d’un cylindre de gaz comprimé.

Abstract

This thesis explores the integration of inkjet printing and microfabrication techniques to produce suspended polymer microdroplets on a single optical chip. These microdroplets, functioning as whispering gallery mode (WGM) resonators, are designed for gas sensing applications. Gas absorption by the polymer matrix induces changes in the resonator’s refractive index and radius, resulting in detectable shifts in the resonance wavelengths. Gas sensors play a crucial role in various sectors, including mining, petroleum, healthcare, and environmental monitoring. While significant advancements have been made, a persistent need exists for compact, selective, and precise gas sensors to address critical challenges like safety, disease detection, pollution monitoring, and climate change research. The primary goal of this research is to measure the concentration of various gases within a mixture using integrated polymer microdroplets. As individual polymers lack selectivity, an array of microdroplets composed of different polymers is required. To achieve this, we explore the integration of inkjet printing, an additive manufacturing technique, with traditional microfabrication methods. To fabricate the microdroplets, three distinct polymers were utilized: SU-8 (a photosensitive epoxy), polystyrene (PS), and polyhexamethylene biguanide (PHMB). PS, being insoluble in water, and PHMB, a water-soluble disinfectant, were selected to show the versatility of the method. The fabricated microdroplets, approximately 100 μm in diameter, were observed to display the coffee-ring effect. A plasma etching process was employed to suspend these microdroplets, resulting in undercuts ranging from 12 to 31 μm. An optical transmission setup, consisting of a tunable laser source, a photodiode, and a tapered optical fiber, was employed to measure the transmission spectra of the fabricated microdroplets. High-quality factor resonances, reaching up to 2.2 million for the PS microdroplet, were observed. The experimental setup provided precise control over both the temperature and concentrations of the injected gas. The analytes used in this study were isopropanol (IPA) and water (H2O) vapors, delivered from bubblers, and carbon dioxide (CO2) gas, supplied from a gas cylinder. The experimental work was complemented by numerical simulations. The optical modes of the WGM resonators and waveguides were obtained using COMSOL Multiphysics. This software was also employed for thermal expansion simulations.