Synthèse, caractérisation et mise en œuvre d’un matériau hybride organique-inorganique photosensible de type résine positive : application à la fabrication de dispositifs de microfuidique par écriture Laser

par Elias Mechref

Thèse de doctorat en Physique

Soutenue le 11-12-2015

à Montpellier en cotutelle avec l'Université libanaise , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier) (laboratoire) .

Le jury était composé de Sylvie Calas, Doumit Zaouk, Jihane Jabbour, Pascal Etienne, Jocelyne Brendlé, Maher Abboud, Ahmad Mehdi, Khaled Stephan.

Les rapporteurs étaient Jocelyne Brendlé, Maher Abboud.


  • Résumé

    Depuis quelques décennies, les matériaux composites organique/inorganique font l’objet de nombreux travaux de recherches. En raison de leurs propriétés uniques et intermédiaires entre les deux mondes minérales et organiques, ces matériaux sont d’un grand intérêt pour des nombreuses applications tel que le domaine, d’optique, la microfluidique, la microélectronique…, La synthèse de ce type des matériaux est réalisée à moindre coût en deux étapes : La synthèse du réseau inorganique est effectué par procédé sol-gel , tant qu’à la partie organique des compositions de type résines négatives et positives possède la particularité d’être photo-réticulables sous irradiation (UV et visible). Parallèlement, est apparue la lithographie par écriture laser (spot de quelques microns). Elle s’avère très pertinente pour la mise au point d’un procédé pour lequel des objets de petites dimensions (quelques Microns) et de petites surfaces sont à réaliser car elle permet de s’affranchir de la fabrication de masques. Cette technique associée aux résines négatives, n’est pas idéale pour la fabrication d’objets de grandes surfaces en raison de temps de fabrication induits trop long. Il est, par exemple, extrêmement compliqué et couteux d’utiliser l’écriture Laser pour la réalisation de dispositifs microfluidiques. En effet, la création de canaux de taille micronique nécessite une très grande surface à insoler. Il est donc bien plus pertinent de travailler sur l’association de l’écriture laser avec une résine de type positive. L’objectif principal de ce travail est la synthèse, l’optimisation et mise en œuvre d’un matériau hybride photosensible de type résine positive : Application à la fabrication des capteurs microfluidiques. Notre choix s’est porté sur le poly(amic acid) PAA de masse molaire 2340 g/mol comme partie organique, connu pour ces bonnes propriétés mécaniques et sa grande stabilité thermique. Le travail est centré d’une part, sur la synthèse d’une résine positive photosensible à la longueur d’onde utilisée (365 nm) à base du polymère PAA. En général, les PAA sont très solubles dans une solution alcaline aqueuse, dû à la présence d’acide carboxylique. Afin d’améliorer le contraste entre la partie insolée et non insolée après le développement, un inhibiteur de dissolution 1,3,5-tris[(2-vinyloxy)ethoxy]benzène (TVEB) est greffé au PAA via la fonction vinyl éther. Ce dernier permet la réduction de la teneur en acide carboxylique dans le motif répétitif du polymère et comme conséquence diminuer la dissolution de la partie non insolée. D’autre part, la synthèse du matériau hybride à base de la résine photosensible optimisée, est réalisée par greffage d’un précurseur ORMOSIL le 4-vinyléther-phenyltriéthoxysilane (VEPTES) pré-hydrolysé par procédé sol-gel comme partie inorganique à notre polymère. Afin d'optimiser le matériau, une étude structurale a été réalisée depuis la synthèse du solution jusqu'à l'obtention des dépôts et enfin la création des canaux microfluidiques. Une amélioration significative au niveau des propriétés mécaniques et thermiques est notée au niveau du polymère par ajout d’une partie minérale.

  • Titre traduit

    Synthesis, characterization and implementation of a hybrid organic-inorganic photosensitive resin positive : application to the manufacture of devices by writing laser microfuidique


  • Résumé

    In recent decades, the organic / inorganic composite materials are the subject of many research works. Because of their unique properties and intermediate between inorganic and organic worlds, these materials are of great interest for many applications such as the area, optical, microfluidics, microelectronics ... The synthesis of this type of materials is carried out at a lower cost in two stages: The synthesis of inorganic network is made by sol-gel process, as well as the organic part of the negative and positive resin type compositions has the particularity of being photo-crosslinked under irradiation ( UV and visible).Meanwhile, the lithography by laser writing has appeared (spot a few microns). It is particularly appropriate for the development of a method for which small objects (a few microns) and small surfaces are to achieve because it eliminates the production of masks. This technique associated with negative resins, is not ideal for manufacturing large objects surfaces due to induced production time too long. It is, for example, be extremely complicated and expensive to use writing laser for producing microfluidic devices. Indeed, the creation of micron-sized channels requires a very large surface area to be exposed. It is therefore more appropriate to work on the combination of laser writing with a resin positive type. The main objective of this work is the synthesis, optimization and implementation of a photosensitive hybrid material resin positive type: Application to the fabrication of microfluidic sensors. Our choice fell on the poly(amic acid) PAA with molar mass of 2340 g/mol as an organic part, known for its good mechanical properties and high thermal stability.The work focuses on a part, on the synthesis of a positive photosensitive resin at the wavelength used (365 nm) based on the PAA polymer. In general, PAA are very soluble in an aqueous alkaline solution, due to the presence of carboxylic acid. In order to improve the contrast between the irradiated and unirradiated part after the development, an dissolution inhibitor 1,3,5-tris [(2-vinyloxy) ethoxy] benzene (TVEB) is grafted to the PAA via the vinyl ether function. This allows the reduction of the carboxylic acid content in the repeating unit of the polymer and as a consequence reduces the dissolution of the non-exposed part.On the other part, the synthesis of the hybrid material based on the optimized photosensitive resin is formed by grafting a precursor ORMOSIL 4-vinylether-phenyltriethoxysilane (VEPTES) pre-hydrolyzed by sol-gel method as the inorganic part to our polymer. In order to optimize the material, a structural study was conducted for the synthesis of the solution until the deposits and the creation of microfluidic channels. A significant improvement in mechanical and thermal properties is recorded at the polymer by adding an inorganic portion.

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