Développement de micro-composants basés sur une photonique intégrée sur matériaux polymères dédiés aux mesures de pressions et de flux thermiques

par Nicolas Pelletier

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Bruno Bêche et de Étienne Gaviot.

Soutenue en 2006

à Le Mans .


  • Résumé

    L'objectif de ce travail de recherche est de proposer, concevoir et réaliser de nouveaux micro-composants dédiés aux mesures de paramètres thermo-physiques, sur une base de photonique intégrée sur matériaux polymères. Plus précisément, le développement de micro-systèmes innovants en terme de couplage de thématiques physiques telles que l'optique intégrée et la physique des matériaux, confère à la photonique moléculaire un caractère stratégique en matière d'élaboration de nouveaux capteurs. Une première étude est menée, afin de démontrer la faisabilité en terme de conception de guides d'ondes optiques sur substrat silicium et polymères. Pour cela, deux matériaux sont apparus intéressant : le SU-8 (biphénol A d'éther glycidyle) et le SOG (Spin-On-Glass). La mise en place d'une plate-forme de caractérisation micro-optique a permis de quantifier les pertes optiques inhérentes à la propagation guidée propre aux micro-structures guidantes bidimensionnelles réalisées en salle blanche. Au vu des résultats obtenus, il apparaît que cette photonique intégrée sur matériaux polymères se présente comme particulièrement avantageuse pour des applications en métrologie. En conséquence, le développement d'un interféromètre de Mach-Zehnder intégré a été réalisé sur la base des résultats précédents. Une approche théorique a été mise en oeuvre pour modéliser chaque élément constitutif d'un tel dispositif métrologique. La mesure différentielle propre à l'interférométrie à deux ondes a été mise en évidence par l'étude des variations de la puissance lumineuse en sortie des prototypes, le processus de fabrication ayant été établi et validé, au regard d'une sollicitation thermique radiative apportée sur un bras de l'interféromètre. Ensuite, la modélisation, réalisation puis la caractérisation d'un micro-capteur destiné aux mesures de pression a été effectuée sur la base d'un élément sensible de type interféromètre de Mach-Zehnder associé à une microplaque. L'analyse du caractère hybride opto-mécanique du composant a été menée afin d'optimiser la relation entre la déformation d'une micro-membrane usinée et son effet sur le guide d'ondes propre au bras de mesure de l'interféromètre. Le comportement métrologique a été validé par la mise en évidence de variations de la puissance optique issue des micro-capteurs au regard de la sollicitation en pression appliquée sur les micro-membranes. De nouvelles réalisations sont attendues dans un futur proche relativement à l'exploitation remarquable d'un couplage entre la photonique intégrée et la physique de la micro-thermoélectricité planaire.

  • Titre traduit

    Integrated photonics on polymer materials for designing new microsystems devoted to measuring pressure changes and heat flow rates


  • Résumé

    The main objective of this work is to devise, design, and realize new micro-systems based on integrated photonics on polymer materials, with a view to measuring thermo-physic parameters. To this end, innovative microsystems are developed thanks to the association of physical fields, namely integrated optics and sciences of materials, while highlighting molecular photonics as a strategic field for designing new sensors. A first study is carried out in order to demonstrate the feasibility in featuring new optical waveguides on both silicon and polymer substrate. By so doing, two materials come up as quite interesting : SU-8 (glycidyle ether biphenol A) and SOG (Spin-On-Glass). The optical losses, due to electromagnetic fields propagation in guiding bi-dimensional microstructures realized in the clean room, have been evaluated by means of a specific set up arranged on a micro-optic characterization platform. According to the obtained results, it is clear that integrated photonics on polymer materials appear as especially attractive for innovative applications in metrology. Accordingly, the development of an integrated Mach-Zehnder interferometer has been carried out with regard to polymer properties : then, a theoretical approach has been implemented so as to design each element making up such a metrological device. The differential measurement relative to the classical two-waves interferometric theory has been highlighted by means of the analyzis of power variations observed at the output of the prototype while a thermal radiative disturbance was applied upon the acting arm of the interferometer. The fabrication process has been established and validated in the clean room. Then, the modeling, realization and the characterization of a microsensor devoted to pressure measurements has been carried out regarding the convenient differential optical principle, resulting from the combination of a Mach-Zehnder interferometer as sensitive element, together with a specific micro-plate. The analysis of the hybrid character of such a device, in particular both optical and mechanical aspects, has been led so as to optimize the relationship between the micro-machined membrane deflection and its effect on the waveguide relative to the acting arm of interferometer. The metrological behavior has been validated while highlighting the optical power changes observed at the sensor's outputs versus the pressure disturbance applied on the micro-membrane.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (115 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury

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  • Bibliothèque : Université du Maine. Service commun de documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2006LEMA1012
  • Bibliothèque : Université du Maine. Service commun de documentation. Section Sciences.
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  • Cote : 2006LEMA1012
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