CH683793A5

CH683793A5 - Clapet muni d'un détecteur de position par contact et micropompe comportant un tel clapet.

Info

Publication number: CH683793A5
Application number: CH2833/90A
Authority: CH
Inventors: Lintel Harald Van
Original assignee: Westonbridge Int Ltd
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1994-05-13

Description

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Description

La présente invention concerne un clapet, muni d'un détecteur de position du type dans lequel le corps de clapet est réalisé par usinage d'une plaquette en silicium à l'aide des techniques de photolithographie, et une micropompe comportant un tel clapet.

Ces micropompes peuvent être utilisées notamment pour l'administration in situ de médicaments, la miniaturisation de la pompe permettant éventuellement une implantation permanente de celle-ci dans le corps. Ces pompes permettent un dosage précis de faibles quantités de fluide à injecter.

De telles micropompes sont décrites notamment dans l'article «A piézoélectrique micropump based on micromachining of Silicon» de H. van Lintel et al. paru dans Sensors and Actuators, n° 15, 1988, pp 153-157. Ces micropompes comportent essentiellement un empilement de trois plaquettes, c'est-à-dire une plaquette en silicium disposée entre deux plaquettes en verre.

La plaquette en silicium est gravée pour former une cavité, qui avec l'une des plaquettes en verre définit la chambre de pompage, un clapet d'aspiration et un clapet de refoulement mettant la chambre de pompage en communication respectivement avec un canal d'entrée et un canal de sortie, et un clapet de régulation. Un élément de commande, tel que par exemple une pastille piézoélectrique, est prévu sur une paroi de la chambre. Cette pastille piézoélectrique peut être déformée lorsqu'elle est soumise à une tension électrique, ce qui provoque une déformation de la paroi de la chambre de pompage et, par suite, une variation de volume de cel-le-ci.

Le fonctionnement de la micropompe est le suivant. Au repos, les clapets d'aspiration et de refoulement sont en position fermée. Lorsqu'une tension électrique est appliquée, la paroi de la chambre de pompage se déforme et la pression augmente dans cette dernière jusqu'à ce que le clapet de refoulement s'ouvre. Le fluide contenu dans la chambre de pompage est alors refoulé vers le canal de sortie. Pendant cette phase, le clapet d'aspiration est maintenu fermé par la pression régnant dans la chambre de pompage. Au contraire, lorsque la tension électrique est supprimée ou inversée, la pression dans celle-ci diminue. Ceci induit la fermeture du clapet de refoulement puis l'ouverture du clapet d'aspiration. Il y a alors aspiration du fluide dans la chambre de pompage.

Comme on l'a déjà indiqué, ces micropompes sont utilisées notamment pour l'administration de médicaments. Il est donc important de pouvoir contrôler le bon fonctionnement de ces micropompes. Or, on a constaté que certains clapets situés en aval de la chambre de pompage pouvaient parfois rester en position fermée, par exemple lorsque la chambre de pompage contient des bulles d'air, ou bloqués en position ouverte, par exemple lorsque la pression dans le canal de sortie devient trop élevée.

De tels disfonctionnements doivent évidemment pouvoir être détectés. L'invention a justement pour but de fournir un clapet muni d'un détecteur de position qui, de plus, soit simple, fiable et peu coûteux.

De manière précise, l'invention a pour objet un clapet comportant une première plaquette en une matière susceptible d'être usinée par des techniques photolithographiques et une seconde plaquette, accolée à la première plaquette, pour définir un siège de clapet, qui se caractérise en ce qu'il comprend un détecteur de position par contact comportant un premier contact électrique disposé en regard de la face arrière du corps de clapet, à une distance telle qu'il y a un contact mécanique entre le corps de clapet et le premier contact électrique lorsque le clapet est en position ouverte, un second contact électrique fixé ou couplé électriquement à la première plaquette, et un circuit de détection sensible à l'impédance électrique entre les deux contacts électriques.

Le contact mécanique entre le corps de clapet et le premier contact électrique assure ainsi la plus grande différence d'impédance électrique possible entre les positions ouverte et fermée du clapet.

L'invention a également pour objet une micropompe comportant un clapet muni d'un tel détecteur de position par contact.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels:

- la fig. 1 est une coupe schématique, suivant la ligne I—I, d'une micropompe comportant un clapet de refoulement selon l'invention,

- la fig. 2 est une vue de dessous, suivant la ligne 11—II, de la plaquette intermédiaire de la micropompe représentée sur la fig. 1,

- les fig. 3 et 4 montrent en coupe un clapet selon un premier mode de réalisation de l'invention, respectivement en position fermée et en position ouverte,

- la fig. 5 représente schématiquement un circuit de détection adapte au clapet des fig. 3 et 4,

- les fig. 6 et 7 montrent en coupe un clapet selon un second mode de réalisation de l'invention, respectivement en position fermée et en position ouverte, et

- la fig. 8 représente schématiquement un circuit de détection adapté au clapet des fig. 6 et 7.

On va tout d'abord se référer aux fig. 1 et 2 qui représentent une micropompe comportant un clapet selon l'invention.

Il est à noter que, par souci de clarté, les épaisseurs des diverses plaquettes composant la micropompe ont été fortement exagérées sur les dessins.

Cette micropompe comporte une plaquette de base 2, par exemple en verre, qui est percée de deux canaux 4 et 6 formant respectivement la conduite d'aspiration et la conduite de refoulement de la pompe. Ces canaux communiquent respectivement avec des raccords 8 et 10.

Le raccord 8 est branché sur un tuyau 12 lui-même raccordé à un réservoir 14 dans lequel se

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trouve la substance liquide à pomper. Le réservoir est obturé par un bouchon percé, un piston mobile 16 isolant le volume utile du réservoir 14 de l'extérieur. Ce réservoir peut contenir un médicament, par exemple au cas où la pompe est utilisée pour l'injection de ce médicament dans le corps humain avec un dosage précis. Dans cette application, la micropompe peut être portée sur le corps du patient, voire être implantée.

Le raccord de refoulement 10 peut être branché à une aiguille d'injection (non représentée) qui y est raccordée par un tuyau 18.

L'utilisation de cette manière de la micropompe est particulièrement appropriée pour le traitement à l'aide de peptides de certaines formes de cancer dont la médication est réalisée, de préférence, par un dosage précis et répété à des intervalles réguliers de petites quantités de médicaments. Une autre application est l'injection d'insuline pour le traitement du diabète.

Une plaquette 20 en silicium ou en un autre matériau usinable par gravure à l'aide des techniques de photolithographie est accolée à la plaquette en verre 2. Cette plaquette 20 est usinée pour définir un clapet d'aspiration 22, une chambre de pompage 24 et un clapet de refoulement 26 (qui constitue également un clapet de régulation). Une plaquette de fermeture en verre 28 est accolée à la plaquette 20 au-dessus du clapet d'aspiration 22; une pastille piézoélectrique 30 à la paroi de la chambre de pompage 24; et un support en verre 32 au-dessus du clapet de refoulement.

Le clapet d'aspiration 22 comporte une membrane 34 de forme générale circulaire percée en son centre d'un orifice de passage 36 et, du côté du canal d'entrée 4, une nervure annulaire 38. Cette dernière est recouverte d'une fine couche d'oxyde qui confère à la membrane 36 une certaine précontrainte tendant à appliquer le sommet de la nervure contre la plaquette en verre 2, cette dernière servant ainsi de siège au clapet 22. Lorsque ce clapet est ouvert, le canal d'entrée 4 est en communication avec la chambre de pompage 24 à travers l'orifice 36 et un autre orifice 40.

Le clapet de refoulement 26 comporte également une membrane 42 de forme générale circulaire, celle-ci sans orifice de passage, et une nervure annulaire 44 qui, comme pour le clapet d'aspiration, est recouverte d'une fine couche d'oxyde. L'ouverture de ce clapet de refoulement met directement en communication la chambre de pompage 24 avec le canal de sortie 6.

Enfin, on note que la pastille piézoélectrique, qui sert à commander les variations de volume de la chambre de pompage, est reliée par deux conducteurs électriques 46 et 48, d'une part, à des électrodes (non représentées) déposées sur les faces de la pastille piézoélectrique et, d'autre part, à une source de tension électrique 50.

Conformément à l'invention, la clapet de refoulement 26 est muni d'un détecteur de position par contact. Le bossage 56 visible sur la face arrière (celle qui n'est pas en contact avec le fluide de la pompe) du clapet ainsi que le support 32 font partie de ce détecteur de position par contact. Deux modes particuliers de réalisation de ce détecteur de position par contact vont maintenant être décrits.

Un premier mode de réalisation dans lequel le détecteur de position est de type capacitif est représenté sur les fig. 3 à 5.

Le support 32, par exemple en verre, peut comporter une gorge 52 sur sa face accolée à la plaquette 20. Une électrode 54, par exemple en Au, Al ou oxyde d'indium et d'étain (ITO), est formée sur le support 32. La distance entre l'électrode 54 et la partie supérieure de la face arrière du clapet 26, c'est-à-dire ici la surface du bossage 56, est telle qu'il y a un contact mécanique entre le corps de clapet et l'électrode 54, lorsque le clapet est en position ouverte. Pour réduire les capacités parasites entre l'électrode 54 et la plaquette en silicium 20, on augmente la distance entre elles en réalisant également une gorge 55 dans la plaquette 20. De même, la surface supérieure du bossage 56 peut être isolée, par exemple par une fine couche d'oxyde (~< 1 um).

Ainsi, lorsque le clapet 26 est fermé (fig. 3), la distance entre le clapet et l'électrode 54 est de l'ordre de 5 um alors que, lorsque le clapet 26 est ouvert (fig. 4), le clapet et l'électrode sont en contact.

Le circuit schématisé sur la fig. 5 permet de détecter la position du clapet. Il comprend une résistance 58 reliée, d'une part, à une source de tension alternative et, d'autre part, à l'électrode 54; un transistor 60 dont le collecteur est relié à une source de tension continue à 3 V et la base à l'électrode 54; et une résistance 62 disposée entre l'émetteur du transistor 60 et la terre. Le clapet 26 se comporte comme un interrupteur 64 qui, selon la structure utilisée, peut être résistif et/ou capacitif. La plaquette en silicium 20 est reliée à la masse directement ou, comme représenté, par le conducteur 46 du circuit de commande de la pastille piézoélectrique; dans ce cas, le condensateur 66 représente la capacité entre elles.

Dans ce mode de réalisation, le conducteur 46 formant l'un des contacts électriques est fixé à la plaquette 20. Il pourrait également être seulement couplé électriquement à celle-ci, par exemple pour former un condensateur à air.

Un signal de haute fréquence, par exemple à 30 kHz (pour que le signal de détection soit suffisamment modulé en fonction de la position du clapet, compte-tenu des impédances des composants et éviter des interférences avec le signal d'excitation de la pastille piézoélectrique) est appliqué à l'électrode 54 à travers la résistance 58. Le signal détecté sur l'emetteur du transistor 60 est fonction de la position, ouverte ou fermée, du clapet.

La durée du signal détecté permet également de distinguer entre un défaut de fonctionnement dû à la présence d'une bulle d'air dans la chambre de pompage, qui peut se traduire par une ouverture incomplète mais aussi par une refermeture rapide du clapet après qu'il a été ouvert par une commande sur la pastille piézoélectrique, et un défaut de fonctionnement dû à une pression élevée dans le canal de sortie de la micropompe, qui se traduit par une ouverture prolongée du clapet.

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Un circuit de détection de type passif peut également être utilisé, dans certains cas. Lorsqu'un signal de commande est appliqué à la pastille piézoélectrique (signal continu de 130 V environ), un bref signal d'interférence apparaît sur l'émetteur du transistor 60 au moment où le clapet est en position ouverte (fig. 4). Ce signal ne permet cependant pas de détecter la durée pendant laquelle le clapet est en position ouverte.

Un second mode de réalisation dans lequel ie détecteur de position par contact est de type résistif est représenté sur les fig. 6 à 8.

Les fig. 6 et 7 sont identiques aux fig. 4 et 5, sauf qu'une électrode supplémentaire 68 est réalisée sur la face arrière du clapet 26, en regard de l'électrode 54. Cette électrode est par exemple en Au, Al ou oxyde d'indium et d'étain, et elle est reliée à un conducteur 70, en un même matériau, qui traverse la gorge 52.

Un circuit de détection est représenté schématiquement sur la fig. 8. Il comprend une résistance 72 disposée entre l'électrode 54 et une source de tension, par exemple tension alternative à 30 kHz. La présence ou l'absence d'un signal de tension alternative sur le conducteur 54 indique la position fermée ou ouverte du clapet. Comme avec le circuit de la fig. 5, la détection de la fermeture du circuit et la mesure de la durée de cette fermeture permettent de connaître la présence et la nature d'un défaut de fonctionnement de la micropompe.

Bien entendu, la source de tension à 30 kHz et la détection du signal ne sont actifs, de préférence, que pendant les intervalles de temps de mesure.

Le détecteur de position par contact selon l'invention présente les propriétés suivantes:

- pas d'étalonnage nécessaire, puisque le détecteur doit seulement distinguer deux valeurs de signal, qui correspondent respectivement à la position ouverte et à la position fermée (ou incomplètement ouverte) du clapet,

- peu sensible aux interférences avec les signaux extérieurs (par exemple, au signal de commande de la pastille piézoélectrique),

- composants simples et peu coûteux.

En ce qui concerne les modes de réalisation décrits plus haut, on peut ajouter que le détecteur de position par contact de type capacitif (fig. 3 à 5) fonctionne de manière satisfaisante même s'il n'y a pas un bon contact électrique entre le clapet et l'électrode 54, alors que le circuit électrique du détecteur de position par contact de type résistif (fig. 6 à 8) est particulièrement simple.

Claims

Revendications

1. Clapet comportant une première plaquette (20) en une matière susceptible d'être usinée par des techniques photolithographiques pour définir un corps de clapet (26) et une seconde plaquette (2), accolée à ladite première plaquette, pour définir un siège de clapet, qui se caractérise en ce qu'il comprend un détecteur de position par contact comportant un premier contact électrique (54) disposé en regard de la face arrière du corps de clapet, à une distance telle qu'il y a un contact mécanique entre le corps de clapet et le premier contact électrique lorsque le clapet est en position ouverte, un second contact électrique (46, 68) fixé ou couplé électriquement à ladite première plaquette, et un circuit de détection (58, 60, 62; 72) sensible à l'impédance électrique entre lesdits contacts électriques.

2. Clapet selon la revendication 1, caractérisé en ce que un support (32) est fixé sur ladite première plaquette (20) en regard de la face arrière du corps de clapet, ce support recevant ledit premier contact électrique (54).

3. Clapet selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la face arrière du clapet comporte un bossage (56) en regard du-dit premier contact électrique.

4. Clapet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second contact électrique est une seconde électrode (68) disposée en regard du premier contact électrique, le circuit de détection (72) étant sensible à la résistance électrique entre lesdits contacts électriques.

5. Clapet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite première plaquette (20) est en un matériau semiconducteur, caractérisé en ce que ledit second contact électrique (46) est relié à ladite première plaquette et conductive-ment isolé dudit premier contact électrique (54), et en ce que le circuit de détection est sensible à la capacité électrique entre lesdits contacts électriques.

6. Clapet selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de détection comporte un générateur tension alternative.

7. Micropompe comportant une première plaquette (20) en un matériau susceptible d'être usiné par des techniques photolithographiques de manière à définir avec au moins une seconde plaquette (2), accolée face à face à la première plaquette, une chambre de pompage (24), et comportant des moyens pour aspirer et refouler un fluide de ladite chambre de pompage, caractérisé en ce qu'elle comprend, en aval de la chambre de pompage, au moins un clapet selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.

8. Micropompe comportant une première plaquette (20) en un matériau susceptible d'être usiné par des techniques photolithographiques de manière à définir avec au moins une seconde plaquette (2) accolée face à face à la première plaquette, une chambre de pompage (24), un clapet d'aspiration (22) à travers lequel ladite chambre de pompage peut sélectivement communiquer avec une entrée (4) de la micropompe et un clapet de refoulement (26) à travers lequel ladite chambre de pompage peut sélectivement communiquer avec une sortie (6) de la micropompe, des moyens (30, 46, 48, 50) étant prévus pour provoquer une variation périodique de volume de ladite chambre de pompage, caractérisée en ce que le clapet de refoulement (26) est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.

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