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.