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WO 2015/059426 PCT/FR2014/052712
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PROCEDE POUR GENERER UN ECOULEMENT DE FLUIDE
La présente invention a pour objet un procédé de génération d'un
écoulement, ainsi qu'un dispositif pour la génération d'un écoulement
convenant pour
la mise en oeuvre du procédé.
Le domaine de l'invention concerne le domaine des dispositifs pour le
contrôle et/ou la génération d'écoulement de fluide, et plus particulièrement
les micro-
pompes ou micro-mélangeurs.
L'invention trouvera une application particulière comme microTas
pour les applications Lab-on-a-Chip.
Il est connu d'utiliser des micro-pompes mécaniques utilisant des
pièces mobiles, tels qu'une membrane oscillante, une turbine ou encore un
piston,
exerçant une action mécanique directement sur le fluide en mouvement.
Classiquement en particulier dans un dispositif à membrane, la
conception de ces pompes implique la présence d'une chambre de pompage qui
comprime et/ou détend le fluide circulant entre l'entrée et la sortie.
Un tel dispositif pour la génération d'écoulements est connu par
exemple du document US 5 718 567 qui décrit une micro-pompe à membrane
comprenant une chambre de pompage reliée à un canal d'admission et à un canal
de
refoulement, une soupape d'admission au niveau d'une extrémité de la membrane,
et une
soupape de sortie au niveau de l'autre extrémité de la membrane, un mécanisme
d'entraînement de la membrane, la membrane constituant une paroi déformable de
la
chambre de pompage.
Une telle micro-pompe nécessite la présence de ladite chambre de
pompage et de soupapes pour obtenir la compression et la détente du fluide, ce
qui
implique un dispositif relativement encombrant et généralement complexe à
intégrer.
Lorsque la chambre de pompage est en sous pression sous l'action de
la membrane, la soupape d'admission est ouverte et la soupape de sortie est
fermée,
provoquant l'admission du fluide depuis le canal d'admission vers la chambre
de
pompage. Lorsque la chambre de pompage est en surpression, sous l'action de la
membrane, la soupape d'admission est fermée et la soupape de sortie est
ouverte,
provoquant le refoulement du fluide vers le canal de refoulement.
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La génération de l'écoulement implique deux traversées de
membrane, une première traversée depuis le canal d'admission vers la chambre
de
pompage par l'intermédiaire de la soupape d'admission et une seconde traversée
depuis
la chambre de pompage vers le canal de refoulement par l'intermédiaire de la
soupape
de sortie.
Un autre inconvénient d'une telle micro-pompe est qu'elle ne peut
générer l'écoulement que dans un seul sens, les soupapes empêchant le
fonctionnement
de la pompe dans le sens inverse.
Aussi, la conception d'une telle micro-pompe est complexe et ses
coûts de fabrication sont élevés.
On connaît encore du document WO 02/097270 Al une micro-
pompe, qui comprend :
- un élément perforé tel qu'une membrane perforée, agencé entre
une entrée et une sortie de fluide pour la pompe, présentant une ou plusieurs
perforations (repérées 14),
- au moins un système d'obturateur, adjacent audit élément perforé
sur l'un de ses côtés, présentant au moins un obturateur en regard de l'une au
moins des
perforations et de manière à fermer ladite perforation lorsque non utilisée
et,
- des moyens d'actionnement pour déplacer ledit élément perforé
alternativement dans des directions vers la sortie et l'entrée de la pompe.
Dans cette antériorité, l'écoulement de fluide de l'entrée vers la sortie
est obtenu, en actionnant en opposition de phase l'élément perforé et
l'obturateur.
On connaît encore du document DE 10 2008 004147 une micro-
pompe comprenant une membrane s'étendant au-dessus d'un canal de fluide (10),
la
membrane comprenant un composant de fluide (repéré 4) présentant un passage au
travers de la membrane.
Selon ce document, la mécanique du composant de fluide repéré 4 est
telle que la résistance à l'écoulement au travers du passage selon une
déflection de la
membrane suivant un premier sens est supérieure à la résistance à l'écoulement
du
passage selon une déflection de la membrane suivant un deuxième sens et de
telle
manière à engendrer un débit net de fluide suivant ledit premier sens lorsque
la
membrane est actionnée suivant un va-et-vient.
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Dans cette antériorité, le composant de fluide est l'élément
essentiel qui permet de générer l'écoulement dans un sens donné: une telle
pompe ne
présente qu'un seul sens de fonctionnement, à savoir ledit premier sens, et ne
peut donc
être bidirectionnelle.
Selon l'exemple de la figure 1, le composant de fluide est un trou
traversant de forme conique, tel qu'un diffuseur. Cette partie conique est
orientée de
telle façon à présenter un sens préférentiel d'écoulement (i.e. le sens de
moindre
résistance à l'écoulement) au travers de la membrane, suivant ledit premier
sens.
Selon d'autres exemples illustrés, notamment à la figure 3a, le
composant de fluide comprend des trous repérés 4a dans la membrane, ainsi
qu'une
valve à membrane repérée 4b, apte à fermer ou ouvrir les trous en imposant un
débit
net, selon le premier sens. Selon cet exemple, ce n'est pas la géométrie du
trou qui crée
le sens préférentiel d'écoulement, mais l'ajout d'un composant supplémentaire
(la valve
à membrane, repérée 4b).
Le document US 2006/232167 Al concerne un diaphragme
piézoélectrique présentant une membrane comprenant une ouverture, repérée 25.
Cette ouverture est pourvue d'une soupape flap valve agencée
pour fermer ou ouvrir l'ouverture en réponse aux mouvements du diaphragme.
Dans cette antériorité, l'écoulement du fluide au travers de la
membrane est obtenu grâce à la valve qui autorise une circulation de fluide
dans un seul
sens, depuis la chambre d'alimentation, repérée 61 vers la chambre de sortie
repérée 65.
Cette valve peut être un accessoire inséré dans l'ouverture.
Alternativement, l'accessoire peut être une ball valve (valve à bille), ou
encore un
accessoire d'orifice de précision.
Dans cette antériorité, chaque accessoire est un élément rigide
présentant un orifice non déformable.
Tous les dispositifs à micro-pompe des antériorités des documents
WO 02/097270 Al, DE 10 2008 004147 ou U52006/232167 utilisent chacun une
membrane actionnée d'un mouvement de va-et-vient et permettant de générer un
écoulement, selon un débit net, au moins dans un premier sens au travers de la
membrane.
Dans ces dispositifs, un dispositif régulateur est toujours nécessaire et
associé à la membrane pour imposer un sens de circulation au fluide, à savoir
:
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- le système d'obturateur du trou dans le document WO 02/097270
Ai,
- le composant de fluide, repéré 4, imposant une moindre résistance à
l'écoulement du fluide selon un sens préférentiel d'écoulement, dans le
document DE
10 2008 004147,
- la soupape appelée flap valve , l'accessoire ( ball valve ) ou
encore l'accessoire de précision dans le document US 2006/232167.
On connaît encore du document EP 2 306 019 Al (un micro
ventilateur, qui comprend (voir revendication i):
- une première paroi repérée 30, la chambre du ventilateur étant
formée entre l'actionneur, repéré 50 et la première paroi repérée 30,
- une première ouverture 31 au travers de la première paroi 30,
l'intérieur de la chambre du ventilateur étant en communication avec
l'extérieur de la
chambre au travers de la première ouverture 31,
- une seconde paroi repérée 10, du côté opposé à la chambre du
ventilateur, la première paroi 30 étant disposée entre la seconde paroi 10 et
la chambre
du ventilateur, la seconde paroi 10 étant à distance de la première paroi 30,
- une seconde ouverture 11 (sortie du ventilateur) au travers de la
seconde paroi 10 ; un espace central 21 formé entre la première et la seconde
paroi, en
communication avec la première ouverture 31 et la seconde ouverture 11 ; et un
passage
d'alimentation 22 dont l'extrémité extérieure est en communication avec
l'extérieur du
ventilateur, et une extrémité intérieure connectée à l'espace central 21,
- un goulot d'étranglement 23 présentant un passage qui est plus
petit que le passage d'alimentation 22.
Un tel dispositif selon cette antériorité n'est adapté que pour un fluide
compressible et ne convient pas pour générer un écoulement à partir d'un
fluide
incompressible, tel que par exemple de l'eau.
Selon cette antériorité (paragraphes 36 et 37), les vibrations de
l'actionneur repéré 50 causent la vibration de la première paroi repérée 30 et
engendre à
son tour une fluctuation de pression dans la chambre de l'espace central
repérée 21. En
raison du goulot d'étranglement 23, cette fluctuation se dissipe
essentiellement au
travers de la seconde ouverture repérée 11. Le débit de fluide dans l'espace
central étant
important, la pression intérieure dans l'espace central repéré 21 est
inférieure à la
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pression du passage d'alimentation repéré 22, qui engendre un gradient de
pression
créant un débit de fluide depuis le passage d'alimentation 22 vers l'espace
central 21.
Il s'agit d'un dispositif de structure extrêmement complexe et
couteuse.
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L'invention a notamment pour objectif de pallier les différents
inconvénients de ces techniques connues.
Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un dispositif
permettant une intégration plus aisée et rendant les dispositifs plus
compacts, et selon la
volonté de l'inventeur, ne nécessitant pas de chambre de pompage et de
soupapes pour
son fonctionnement, voire de manière générale, tout autre dispositif
régulateur de débit,
et notamment ceux enseignés des antériorités citées.
Un autre objectif de l'invention est, au moins dans un mode de
réalisation particulier, de proposer un dispositif de conception simple et
réduisant par la
même occasion les coûts de fabrication.
Un autre objectif de l'invention est, au moins dans un mode de
réalisation particulier, de proposer un dispositif permettant d'obtenir de
meilleures
performances.
Un autre objectif de l'invention, est au moins dans un mode de
réalisation de proposer un procédé pour générer un écoulement de fluide.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront plus clairement par la
suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un procédé pour générer un
écoulement
de fluide mis en oeuvre dans un dispositif comprenant une membrane munie d'au
moins
un trou ainsi que des moyens générateurs de mouvements de va-et-vient, dans
lequel on
génère un écoulement au travers de la membrane en actionnant ladite membrane,
au
moins au niveau dudit au moins un trou, suivant un mode de déformation de
dudit au
moins un trou provoquant des ouvertures et fermetures de dudit au moins un
trou et
perturbant le fluide pour générer ledit écoulement au travers de la membrane,
dans un
sens donné (i.e. à l'aspiration ou au refoulement).
Le procédé mis en oeuvre permet de générer un écoulement par une
seule traversée du fluide au travers de la membrane, avantageusement sans
nécessiter de
chambre de pompage pour comprimer ou détendre le fluide, ni de soupape et tel
que
rencontré dans l'état de la technique connu par le document US 5 718 567.
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Selon la compréhension actuelle, la déformation contrôlée de la
membrane, au moins au niveau dudit au moins un trou permet la mise en oeuvre
d'un
mode de déformation dudit au moins un trou qui génère un écoulement de fluide.
Selon l'invention, c'est le mode de déformation du trou résultant de
l'actionnement de la membrane qui provoque l'écoulement du fluide, et ainsi la
génération d'un débit net au travers de la membrane dans un sens donné, au
refoulement ou à l'aspiration : ce trou n'est associé à aucun dispositif
régulateur
d'écoulement rapporté tel que soupape (ou valve ou autre élément obturant
le trou
pour imposer un sens d'écoulement), ni ne possède une géométrie propre ou un
accessoire imposant un sens préférentiel de circulation de fluide au travers
de la
membrane.
Aussi un premier avantage du procédé selon l'invention est qu'il ne
nécessite, pour sa mise en oeuvre, qu'un dispositif de structure extrêmement
simple,
comprenant seulement pour éléments essentiels, d'une part, la membrane pourvue
dudit
au moins un trou (déformable), et d'autre part, des moyens générateurs de
mouvement
de va-et-vient associés à cette membrane.
Selon des caractéristiques optionnelles de l'invention, prises seules ou
en combinaison :
- les mouvements de va-et-vient sont des mouvements périodiques
ou;
- les mouvements de va-et-vient sont des mouvements
pseudopériodiques ou encore des mouvements apériodiques ;
- ledit mode de déformation dudit trou peut comprendre des
mouvements de flexion de la membrane et/ou des mouvements de torsion et/ou de
compression et/ou de tension de la membrane ou encore une combinaison de ces
mouvements ;
- la membrane est apte, lors de ses mouvements de va-et-vient, à faire
circuler un fluide au travers dudit au moins un trou et apte à interdire la
circulation du
fluide lorsqu'elle est au repos ;
- alternativement, ladite membrane génère des fuites au repos, au
travers dudit au moins un trou, fuites qui peuvent être stoppées lorsque la
membrane est
actionnée
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- ledit au moins un trou autorisant une circulation de fluide au travers
de la membrane, dans un premier sens, d'un coté à l'autre de la membrane, et
dans un
deuxième sens opposé on change le sens de circulation du fluide au travers de
la
membrane par le contrôle de l'excitation des moyens générateurs de mouvements
de va-
et-vient permettant un fonctionnement au refoulement (resp. à l'aspiration)
dans un sens
de circulation donné, puis après changement d'excitation sur les moyens
générateurs de
mouvements de va-et-vient, à l'aspiration (resp. au refoulement) dans un sens
de
circulation opposé;
- on change le sens de circulation du fluide en modifiant le mode de
déformation de la membrane,
- lesdits moyens générateurs de mouvements de va-et-vient
comprennent un actionneur électromagnétique, un actionneur piézoélectrique ou
encore
un actionneur électrostatique,
- lesdits moyens générateurs de mouvement de va-et-vient sont
distincts de la membrane et coopèrent avec ladite membrane pour actionner et
déformer
la membrane au moins au niveau dudit au moins un trou.
- les moyens générateurs de mouvements de va-et-vient comprennent
ladite membrane qui est en soit un actionneur, ladite membrane comprenant au
moins
en partie un polymère électro-actif.
- ledit au moins un trou est de dimension submillimétrique ou
millimétrique ;
- le motif dudit au moins un trou est choisi parmi un motif en H, en U,
en sinusoïde, notamment en W, en I, en traits verticaux ou encore en traits
parallèles.
L'invention concerne également un dispositif pour la génération d'un
écoulement de fluide, convenant pour la mise en oeuvre du procédé, et
comprenant:
- une première partie, fixe, en matière rigide, présentant un évidement
traversant ;
- une deuxième partie, comprenant une membrane, liée à ladite
première partie sur sa périphérie et recouvrant l'évidement ;
- des moyens générateurs de mouvements de va-et-vient aptes à
déformer la membrane ;
- au moins un trou au niveau de la partie mobile de la membrane, apte,
lors des mouvements de la membrane à faire circuler un fluide au travers de la
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membrane, et éventuellement apte à interdire la circulation du fluide lorsque
la partie
mobile est au repos,
de telle manière à permettre la génération d'un écoulement au travers de la
membrane
en excitant la membrane de manière à actionner et déformer ledit au moins un
trou
suivant un mode de déformation dudit au moins un trou et générant un
écoulement au
travers de la membrane dans un sens donné.
Selon des caractéristiques de l'invention, prises seules ou en
combinaison :
- le dispositif comprend une troisième partie en matériau rigide, liée à
l'une des faces de la membrane, ladite troisième partie étant disposée au
niveau de
l'évidement et de dimensions inférieures à celles de l'évidement de telle
façon à former
un inter-espace entre ladite première partie et ladite troisième partie et de
telle façon à
former une partie mobile comprenant la partie mobile de la membrane et ladite
troisième partie, lesdits moyens générateurs de mouvements de va-et-vient
coopérant
avec la troisième partie rigide, ledit au moins un trou étant situé au niveau
dudit inter-
espace,
- ledit au moins un trou est de dimension submillimétrique ou
millimétrique ;
- le trou comprend sélectivement, un motif de forme en H, en U, en I,
en sinusoïde (en W), ou encore ledit au moins un trou comprend plusieurs trous
parallèles rapprochées ;
- ledit au moins un trou autorise une circulation de fluide au travers de
la membrane, dans un premier sens, d'un coté à l'autre de la membrane, et dans
un
deuxième sens opposé ;
- le dispositif comprend des moyens de commande desdits moyens
générateurs de mouvements de va-et-vient de telle façon à permettre de changer
le sens
de circulation du fluide au travers de la membrane ;
- lesdits moyens générateurs de va-et-vient comprennent un actionneur
électromagnétique tel qu'un couple aimant / bobine, un actionneur
piézoélectrique, un
actionneur électrostatique, un actionneur magnétostrictif, un actionneur
ferroélectrique,
un actionneur thermique, ou encore un actionneur à mémoire de forme.
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D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus
clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation
particulier de
l'invention, donnée à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et
des dessins
annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 est une
vue en coupe du dispositif pour la génération
d'écoulement selon l'invention ;
- les figures 2a à 2c sont des vues de dessus du dispositif selon
différents modes de réalisation de l'invention ;
- les figures 3a à 3d sont des vues schématiques de différents
modes de réalisation des trous selon l'invention ;
- la figure 4 illustre les différentes étapes du procédé de fabrication
d'un dispositif selon l'invention ;
- la figure 5 est une vue schématique en coupe d'un packaging du
dispositif selon l'invention.
- la figure 6 est une vue schématique d'un banc de test d'un
dispositif selon l'invention,
- les figures 7a, 7b, 7c sont des photos de détails d'une forme de
trou possible dans la membrane, à savoir une fente courbe,
- les figures 8a, 8b, 8c sont des photos de détail d'une autre forme
possible en H .
Comme précédemment évoqué, le principe général de l'invention
repose donc sur la mise en oeuvre d'un procédé pour générer un écoulement de
fluide
mis en oeuvre dans un dispositif comprenant une membrane 2 munie d'au moins un
trou
20 ainsi que des moyens 4 générateurs de mouvements de va-et-vient.
Selon l'invention, on génère un écoulement au travers de la membrane
en actionnant ladite membrane, au moins au niveau dudit au moins un trou,
suivant un
mode de déformation dudit au moins un trou provoquant des ouvertures et
fermetures
dudit au moins un trou et perturbant le fluide pour générer ledit écoulement.
Le procédé mis en oeuvre permet de générer un écoulement par une
seule traversée du fluide au travers de la membrane, et non deux comme dans le
document US 5718567.
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Avantageusement, le procédé selon l'invention ne nécessite pas de
chambre de pompage, ni de soupapes, pour comprimer ou détendre le fluide et
tel que
rencontré dans l'état de la technique connu par le document US 5 718 567.
Selon l'invention, c'est le mode de déformation du trou résultant de
5 l'actionnement de la membrane qui provoque l'écoulement du fluide, et
ainsi la
génération d'un débit net au travers de la membrane dans un sens donné, au
refoulement ou à l'aspiration : ce trou n'est associé à aucun dispositif
régulateur
d'écoulement rapporté tel que soupape (ou valve ou autre élément obturant
le trou
pour imposer un sens d'écoulement), ni ne possède une géométrie propre ou un
10 accessoire imposant un sens préférentiel de circulation de fluide au
travers de la
membrane.
De manière surprenante, les inventeurs ont ainsi constaté, qu'une telle
membrane simplement perforée (i.e. sans dispositif régulateur d'écoulement tel
que
soupape, valve ou autre obturateur, ni même présentant une géométrie du trou
imposant
un sens préférentiel d'écoulement) permettait, lorsque déformée selon un mode
de
déformation du trou, de générer une circulation de fluide, dans un seul sens
(au
refoulement ou à l'aspiration ). Une telle constatation va donc à
l'encontre du
préjugé enseigné par l'état de la technique (notamment WO 02/097270 Al, DE 10
2008
004147 ou U52006/232167) selon lequel un dispositif régulateur de débit (valve
ou
autre obturateur), ou encore une géométrie spécifique du trou ( de section en
diffuseur selon le document DE 10 2008 004147) est nécessaire pour générer un
écoulement au travers de la membrane selon un sens donné.
Plus encore, les inventeurs ont constaté qu'il était possible de changer
le sens de circulation du fluide (du sens d'aspiration vers le sens de
refoulement
ou inversement) en changeant l'excitation sur les moyens générateurs de
mouvements
de va-et-vient, voire le mode de déformation du trou, en particulier en ce que
ledit au
moins un trou dans la membrane ne présente pas de sens préférentiel
d'écoulement, et
est dépourvu de dispositif régulateur de débit.
Aussi un premier avantage du procédé selon l'invention est qu'il ne
nécessite, pour sa mise en oeuvre, qu'un dispositif de structure extrêmement
simple,
comprenant seulement pour éléments essentiels, d'une part, la membrane pourvue
dudit
au moins un trou (déformable), et d'autre part, des moyens générateurs de
mouvement
de va-et-vient associés à cette membrane. En outre et si le trou peut
présenter différentes
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formes possibles, celui-ci n'est pas configuré pour imposer un sens
préférentiel
d'écoulement au travers de la membrane.
Selon un mode de réalisation les mouvements de va-et-vient sont des
mouvements périodiques, tels que par exemple des mouvements d'oscillations. Il
est
encore possible de générer un écoulement de fluide grâce à des mouvements
pseudopériodiques ou encore des mouvements apériodiques.
Selon un mode de réalisation, on génère des mouvements de va-et-
vient de la membrane 2 qui créent des mouvements de flexion de la membrane 2.
Alternativement, on génère des mouvements de la membrane qui créent des
mouvements de torsion de la membrane, ou encore des mouvements de tension et/
ou
des mouvements de compression de la membrane. Les mouvements générés peuvent
encore être une combinaison de tout ou partie de ces différents mouvements. Le
mode
de déformation (flexion et/ou torsion et/ou compression et/ou tension) permet,
en
combinaison avec les ouvertures et fermetures dudit au moins un trou, de
générer
l'écoulement de fluide au travers de la membrane 4.
Ledit au moins un trou 20 autorise une circulation de fluide au travers
de la membrane, dans un premier sens, d'un coté à l'autre de la membrane, et
dans un
deuxième sens opposé. A cet effet, ce trou n'est associé à aucun dispositif
régulateur de
débit tel que soupape, valves, ou autre système obturateur, ni ne possède une
géométrie
propre créant une moindre résistance d'écoulement dans un sens donné, et ainsi
un sens
préférentiel d'écoulement au travers de la membrane.
Avantageusement, il est peut être possible de changer le sens de
circulation du fluide au travers de la membrane par le contrôle de
l'excitation des
moyens générateurs de mouvements de va-et-vient. On peut par exemple changer
le
sens de circulation du fluide en modifiant le mode de déformation de ladite
membrane
2. Par exemple, à titre d'exemple non limitatif, on peut changer le sens de
circulation du
fluide en faisant varier la fréquence d'oscillation de la membrane 2. Il est
encore
possible de changer le sens de circulation par l'application d'un offset de
tension, signé
positivement ou encore négativement. Il est ainsi possible de faire
fonctionner la micro-
pompe au refoulement (resp. à l'aspiration), la circulation du fluide
traversant la
membrane suivant un premier sens, puis en modifiant l'excitation des moyens
générateurs de mouvements de va-et-vient, voire le mode de déformation du
trou, de
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faire fonctionner la micro-pompe à l'aspiration (resp. au refoulement), la
circulation de
fluide traversant la membrane suivant un deuxième sens (opposé au premier
sens).
Selon un mode de réalisation, les moyens générateurs 4 de
mouvements de va-et-vient comprennent des moyens électro-actifs ou magnéto-
actifs,
tels que par exemple un actionneur électrostatique, un actionneur
électromagnétique, ou
encore piézoélectrique. On excite les moyens 4 générateurs de mouvements de va-
et-
vient par un signal à courant variable. Eventuellement on applique un offset
sur la
tension positivement ou négativement, de telle manière à générer l'écoulement.
Dans un cas particulier, le ou les trous sont de dimension
submillimétrique ou millimétrique. Ledit trou 20 peut être une fente. La
largeur de la
fente peut être comprise entre 1 micron et 500 microns. La longueur de ladite
fente peut
être comprise entre 1 micron et 2000 microns. Dans toute la demande les
dimensions du
trou sont celles des trous lorsque la membrane est non soumise à une
contrainte. Parmi
tous les motifs possibles, le motif de ladite au moins un trou 20 peut-être
choisi parmi
un motif en H (figure 3a), en U (figure 3b), en sinusoïde (i.e. W) (figure
3c). Les formes
en H et en U permettent d'assurer une ouverture maximale, tandis que
l'ouverture en
forme de sinusoïde permet d'obtenir une longueur maximale. Le trou peut encore
être
simplement de forme circulaire.
Selon un mode de réalisation illustré à la figure 3d, ledit au moins un
trou 20 comprend plusieurs trous formant des traits parallèles rapprochés
(figure 3 d).
Deux traits voisins sont rapprochés d'une dimension inférieure à la longueur
des trous.
De tels motifs permettent d'obtenir une ouverture 20 plus rigide et donc de
limiter les
fuites lors de l'arrêt du dispositif.
Selon un mode de réalisation, les moyens générateurs de mouvements
de va-et-vient sont distincts de la membrane et coopèrent avec ladite membrane
pour
actionner et déformer la membrane au moins au niveau dudit trou.
Alternativement, la
membrane peut être active, comprenant un polymère ionique excitée par des
électrodes.
Encore, la membrane peut être active, comprenant un matériau flexible chargé
de nano-
matériaux magnétiques (par exemple Fe, Fex0y, aimant permanent,...) ou
diélectriques
(par exemple LiNB03, 5i02, ..), ou métalliques (par exemple Nanotube de
carbone,
graphène,..). L'introduction de ces matériaux permet de rendre ladite membrane
active
intrinsèquement et peut être utilisée par exemple comme matériau flexible
actif
piézolectrique, ou diéelectrique, ou ionique, ou magnétique
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Plus précisément, un tel dispositif destiné à la mise en oeuvre du
procédé selon l'invention peut comprendre :
- une première partie 1, fixe, en matière rigide telle que du silicium
par exemple, présentant un évidement 10 traversant sur toute sa hauteur ;
- une deuxième partie, comprenant une membrane 2 notamment en
élastomère souple, de type PolyDiMethylSiloxane (PDMS) ou Silastic S par
exemple,
liée à la première partie 1, en particulier de manière étanche au fluide, sur
sa périphérie
et recouvrant l'évidement 10. Il est à noter que tout élastomère souple connu
de
l'homme du métier peut convenir pour la réalisation de la membrane 2;
- des moyens générateurs 4 de mouvements aptes à déformer la partie
mobile de la membrane 2;
- au moins un trou 20 de la membrane au niveau de la partie mobile
de la membrane, apte, lors des mouvements de va-et-vient de la membrane à
faire
circuler un fluide au travers de la membrane 2, et, de préférence, apte à
interdire la
circulation du fluide lorsque la partie mobile 31 est au repos.
Un tel dispositif permet la génération d'un écoulement au travers de la
membrane en
déformant la membrane 2 de manière à actionner ladite au moins un trou 20
selon un
mode de déformation, pour provoquer des ouvertures de ladite au moins un trou
20 lors
des mouvements.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une troisième
partie 3 en matériau rigide, tel que du silicium par exemple, liée à l'une des
faces de la
partie mobile de la membrane 2, ladite troisième partie 3 étant disposée au
centre de
l'évidement 10.
La troisième partie est de dimension inférieure à celle de l'évidement
10 de telle façon à former un inter-espace 30 entre ladite première partie et
ladite
troisième partie 3, et de telle façon à former une partie mobile comprenant la
partie
mobile de la membrane 2 et la troisième partie 3 dans une configuration
particulière au
centre de l'évidement 10.
Les moyens 4 générateurs de mouvements sont aptes à coopérer avec
ladite troisième partie 3 de telle façon à actionner la partie mobile ainsi
que le ou les
trous 20 de la membrane 2 au niveau de l'inter-espace.
Le mode de fonctionnement du dispositif peut être dual, c'est-à-dire
que la membrane 2 est apte, lors des mouvements de va-et-vient de la partie
mobile 31,
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à faire circuler un fluide dans les deux sens, le dispositif permettant aussi
bien de
réaliser une aspiration qu'un refoulement du fluide. Une modification du
dispositif n'est
pas nécessaire ici pour modifier le sens de circulation du fluide. On peut
également
parler de mode de fonctionnement bidirectionnel. A cet effet, ledit au moins
un trou 20
doit autoriser une circulation de fluide au travers de la membrane, dans un
premier sens,
d'un coté à l'autre de la membrane, et dans un deuxième sens opposé.
Par ailleurs, le dispositif est apte à faire circuler un fluide au travers de
la membrane 2 lors des mouvements de la partie mobile, et apte, de préférence,
à
interdire la circulation du fluide lorsque la partie mobile est au repos.
Comme on peut le voir aux figures 2a à 2c, à titre d'exemple non
limitatif, ledit au moins un trou 20 peut s'étendre à mi-distance entre le
bord de la
première partie 1 et le bord de la troisième partie 3.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ledit au moins un
trou 20 est disposé au niveau des coins de ladite troisième partie 3. Bien
évidemment, la
position du ou des trous 20 peut être modifiée en fonction des besoins.
La structure du dispositif est définie par la longueur et la largeur de la
partie fixe 1, qui peuvent, à titre d'exemple non limitatif, varier entre 2 mm
et 20 mm,
ainsi que de la longueur et la largeur de la membrane 2 souple, qui peuvent
varier entre
2 mm et 20 mm également.
La structure du dispositif est également définie par la longueur et la
largeur de la troisième partie 3, qui peuvent varier entre 500 i..tm et 10 000
i..tm, et par la
longueur et la largeur de l'évidement 10, qui peuvent varier entre 500 i..tm
et 10 000 i..tm.
L'épaisseur de la partie fixe 1, varie entre 100 i..tm et 10 000 i..tm, celle
de la membrane 10 en élastomère souple, varie entre 10 i..tm et 200 1..tm, et
celle de la
troisième partie 3, varie entre 0 et 10 000 i..tm.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la largeur dudit au moins
un trou 20 est comprise entre 1 i..tm et 500 i..tm et la longueur dudit au
moins un trou est
comprise entre 1 i..tm et 2000 i..tm.
Ainsi, le choix de la largeur de l'évidement 10, de la troisième partie
3, ainsi que de l'épaisseur de la membrane 2 résulte d'un compromis entre la
souplesse
de la membrane 2 souhaitée et sa robustesse lors de l'actionnement. Une
membrane 2
peu large et épaisse sera plus résistante mais ne permettra pas d'obtenir un
déplacement
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important de la membrane 2. Inversement, une membrane 2 fine et large sera
souple
mais peu résistante aux efforts de traction et torsion appliqués à la membrane
2.
Par ailleurs, la longueur et la largeur dudit trou 20 sont des facteurs
déterminants pour les performances du dispositif, notamment pour le débit et
les
5 pressions générées. Par exemple, un trou 20 de taille importante, par
exemple 500 i..tm
de largeur et 2000 i..tm de longueur, permettra d'obtenir des débits élevés.
Comme on peut l'observer à la figure 1, la troisième partie 3 est
avantageusement disposée au niveau de l'évidement 10 de la partie fixe 1, et
est
disposée entre les ouvertures 20 de la membrane 2, formant ainsi la partie
mobile 31.
10 Une telle disposition permet, lors des mouvements de va-et-vient de
déformer la
membrane 2 en particulier au niveau du ou des trous 20 de telle façon à faire
circuler un
fluide au travers de la membrane 2.
Tel qu'illustré à la figure 2c, l'évidement 10 de ladite première partie
1 peut être circulaire, ladite troisième partie 3 adoptant par exemple une
forme circulaire
15 de telle façon à former un inter-espace 30 circulaire.
Sur les figures 2a et 2b l'évidement de la première partie 1 est
rectangulaire, la troisième partie 3 adoptant une forme rectangulaire de telle
façon à
former un inter-espace 30 rectangulaire.
Selon le mode de réalisation précédent, les coins de l'inter-espace
rectangulaire sont arrondis afin de limiter les contraintes impliquées par des
coins
anguleux lors de l'oscillation de la membrane 2. En effet, en conservant un
angle droit,
on expose la membrane 2 à un risque de déchirure au niveau desdits coins.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on fait varier
le signal d'excitation de la membrane 2, via des moyens de commande agissant
sur les
moyens 4 générateurs de mouvements de va-et-vient, de telle manière à changer
le sens
de circulation du fluide. Par exemple, on change le sens de circulation du
fluide en
faisant varier la fréquence d'excitation de la membrane.
Selon un premier prototype, et selon les constatations de l'inventeur, un
changement
aspiration/refoulement a été mesuré, à titre d'exemple non limitatif autour de
225-275
Hz. Dans cette gamme de fréquence, le mode de vibration principal constaté est
un
mode dit de torsion, un mode dit de flexion étant constaté aux autres
fréquences.
L'inventeur a également constaté que la position de la ou les trous 20
influence les performances du dispositif. En effet, lorsque les trous 20 sont
disposés au
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niveau des coins, le mode de torsion est prédominant aux alentours de 225-275
Hz, le
dispositif fonctionnant alors en refoulement. Inversement, en dehors de cette
plage de
fréquences, le dispositif fonctionne en aspiration.
La position des trous 20 au niveau des coins permet donc d'obtenir de
meilleures performances en mode de torsion, les ouvertures 20 s'ouvrant de
manière
plus importante.
De même, l'inventeur a constaté que dans le cas des trous 20 disposés
à mi-distance entre le bord de la première partie 1 et le bord de la troisième
partie 3, les
performances en aspiration sont meilleures. En effet, le mode de flexion
permet un plus
grand débattement et une meilleure ouverture des trous 20 disposés à mi-
distance entre
le bord de la première partie 1 et le bord de la troisième partie 3.
L'inventeur a par ailleurs constaté deux pics de résonances situés aux
alentours de 100 Hz et 175/200 Hz, les pics de résonances engendrant une
déflexion de
la membrane 2 plus importante et donc une augmentation du débit. Selon un mode
de
réalisation, il est possible d'exciter la membrane 2 à sa ou ses fréquences de
résonance.
Il est bien entendu que les fréquences et autres paramètres ci-dessus et
ci-dessous mentionnés le sont à titre d'exemple non limitatif, pour un
prototype donné.
Ces paramètres (les fréquences de changement de régime et les fréquences de
résonnance notamment) dépendent des paramètres du dispositif tels que le
matériau
utilisé pour la membrane, les dimensions de la membrane (épaisseur en
particulier), la
tension exercée sur la membrane et le poids de la partie mobile notamment, et
sont
spécifiques au dispositif réalisé.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, les
moyens générateurs d'oscillations 4 comprennent des moyens électromagnétiques
qu'on
excite par un signal à courant alternatif et sur lequel on applique un offset
sur la tension
de telle manière à changer le mode de fonctionnement du dispositif, c'est-à-
dire changer
le sens de circulation du fluide.
Par exemple, à titre d'exemple non limitatif, un offset de 125 mV sur
une tension de 500 mV pic à pic décalera l'origine des zéros en tension à 125
mV.
Ainsi, le signal délivré aux moyens électromagnétiques avant amplification
oscillera
entre -125 mV et 375 mV. Un tel offset a pour effet de changer l'origine de la
vibration
de la membrane 2, de la partie mobile 31 plus précisément.
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Selon les constatations de l'inventeur et selon le prototype testé, un
changement positif dans les offsets permet de faire fonctionner le dispositif
en
refoulement, alors qu'un changement négatif dans les offsets permet de faire
fonctionner le dispositif en aspiration.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens générateurs
de mouvements de va-et-vient 4 comprennent des moyens électromagnétiques tels
qu'un couple aimant 40 associé à une bobine 41. L'aimant 40 peut être
solidaire de la
troisième partie, et la bobine est solidaire d'un support distinct, par
exemple en liaison
rigide avec la première partie 1. D'autre moyens connus de l'homme du métier
peuvent
également être envisagés, tels que des moyens piézoélectriques ou
électrostatiques.
Comme on peut l'observer à la figure 5, le dispositif est mis en place
au sein d'un packaging 7 sous la forme d'un boitier recevant le dispositif, de
telle façon
à le rendre étanche. Le packaging 7 comprend respectivement un logement pour
le
dispositif ainsi que pour l'aimant, des orifices 70 aptes à recevoir un
système vis écrou
ou tout autre type de maintien mécanique pour maintenir le packaging 7 à un
support,
ainsi qu'une entrée 71 et une sortie 72 pour le passage du fluide à faire
circuler. Telle
qu'illustrée à la figure 5, la bobine 41 est prévue intérieur au chemin du
fluide entre
l'entrée 71 et la sortie 72 du dispositif. Alternativement, il est bien
entendu que la
bobine 41 peut être située à l'extérieure afin qu'elle ne soit pas exposée au
fluide, ce
qui peut être important pour certaines applications.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un
dispositif, selon l'invention, pour la génération d'écoulement de fluide
comprenant les
étapes suivantes :
- on dépose par enduction une couche de résine 104 sur la face
avant d'un wafer de silicium 100;
- on réalise une photolithographie et une gravure DRIE anisotrope
pour définir un ou plusieurs motifs en saillie sur le wafer de silicium, de
dimensions
correspondantes dudit au moins un trou 20, destinés à créer ledit au moins un
trou 20 ;
- on réalise une enduction par tournette de l'élastomère 101 de la
membrane 2 selon l'épaisseur désirée ;
- on dépose une couche d'aluminium 103 puis une couche de résine
104' sur la face arrière du wafer de silicium ;
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- on réalise une photolithographie et une gravure DRIE anisotrope
sur la totalité de l'épaisseur du wafer silicium obtenant ainsi la première
partie 1 et la
troisième partie 3 ;
- on supprime chimiquement les restes de résine et l'aluminium
restant sur le wafer de silicium ;
- on effectue une gravure plasma RIE de l'élastomère afin de
libérer les trous 20 ;
- optionnellement, on applique une couche de Si02 entre la face
avant du wafer de silicium et la couche d'élastomère pour améliorer
l'adhérence entre
les deux parties.
D'une manière générale, le matériau utilisé pour la membrane peut
être un élastomère tel que par exemple le SILASTIC , ou encore le HV 1540/20P
de
chez Dow Corning.
Un banc réalisé pour tester le dispositif selon l'invention est illustré
schématiquement à la figure 6. Ce banc forme deux récipients R1, R2, séparés
par une
cloison sur laquelle est fixé le dispositif selon l'invention, au travers
d'une ouverture de
la cloison. L'étanchéité entre le dispositif est la cloison est assurée par un
joint torique
50. Les moyens générateurs de mouvement sont électromagnétiques et comprennent
un
couple aimant 40 et bobine 41.
Dans un tel système, la membrane 2 sépare les volumes respectifs des
deux récipients R1, R2. Selon les tests réalisés, les volumes des deux
récipients R1, R2
sont remplis d'un liquide (i.e. de l'eau), et de manière à ce que le
dispositif et sa
membrane 2 soient totalement immergés.
Le générateur de mouvements de va-et-vient est piloté de manière à
déformer le trou de la membrane selon un mode de déformation du trou, par
exemple en
excitant le couple aimant/bobine à une fréquence donnée (avec ou sans offset
de
tension).
Ces essais ont permis de confirmer la pertinence du procédé, par
l'observation d'un débit net constant au travers de la membrane dans un sens
donné, ce
débit pouvant être suivi par une évolution constante de la différence de
niveau h du
liquide entre les deux récipients R1, R2. Lors de ces tests, le trou (ou
chacun des trous)
de la membrane n'est associé à aucun dispositif régulateur d'écoulement
rapporté tel
que soupape (ou valve ou autre élément obturant le trou pour imposer un
sens
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d'écoulement), ni ne possède une géométrie propre ou un accessoire imposant un
sens
préférentiel de circulation de fluide au travers de la membrane.
Plus encore ces tests ont permis de démontrer que ce dispositif
fonctionne au refoulement ou à l'aspiration, le changement de sens de
l'écoulement
pouvant être obtenu en changeant le mode de déformation du trou.
Les débits nets obtenus lors des essais ont été compris entre 10 et
000 1.1L/min avec de l'eau. Toutefois des débits supérieurs peuvent être
envisagés,
raisonnablement au moins jusqu'à 900mL/min en optimisant la taille et le
nombre des
ouvertures notamment.
10 La simplicité et le très faible coût de fabrication du
dispositif mis en
oeuvre selon l'invention permet éventuellement de concevoir la membrane
perforée et
son support comme un ensemble amovible du dispositif, à usage unique.
Après chaque usage, cet ensemble membrane perforée/support peut
être simplement retiré du corps du dispositif, et mis au rebut. Lors d'un
nouvel usage on
le remplace par un nouvel ensemble non usagé : ce composant du dispositif,
jetable n'a
pas besoin d'être nettoyé et/ou stérilisé avant de procéder à une nouvelle
utilisation du
dispositif.
Naturellement, d'autres modes de réalisation auraient pu être envisagés par
l'homme du
métier sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les
revendications ci-
après.
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NOMENCLATURE
1. Partie fixe,
5 10. Evidement de la partie fixe,
2. Membrane en élastomère souple,
20. Trous,
3. Troisième partie,
30. Inter-espace,
10 31. Partie mobile,
4. Moyens générateurs d'oscillations,
40. Aimant,
41. Bobine,
50. Joint torique,
15 7. Packaging,
70. Orifices,
71. Entrée,
72. Sortie.
100. Silicium,
20 101. Elastomère,
102. Nickel,
103. Aluminium,
104,104'. Résine.
