EP1163057A1 - Dipositif d'ejection de gouttes de liquide - Google Patents

Dipositif d'ejection de gouttes de liquide

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EP1163057A1
EP1163057A1 EP00911001A EP00911001A EP1163057A1 EP 1163057 A1 EP1163057 A1 EP 1163057A1 EP 00911001 A EP00911001 A EP 00911001A EP 00911001 A EP00911001 A EP 00911001A EP 1163057 A1 EP1163057 A1 EP 1163057A1
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EP
European Patent Office
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liquid
cavity
mass
microfluidic system
percussion
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EP00911001A
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Yves Fouillet
Muriel Moreau
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods

Definitions

  • the present invention relates to a device for ejecting drops of liquid.
  • liquid drop ejection devices of the prior art include continuous jet devices and controlled drop devices.
  • the latter the only ones concerned by the invention, are used in particular in ink jet printer heads. They are subdivided into two large families:
  • a heating element 17 is disposed near the cavity 18 provided with an opening 19, and filled with a liquid 20 supplied by a pipe 21.
  • Such devices are notably used in office applications. However, they involve a rise in temperature of the liquid medium, which can modify its characteristics and which is therefore incompatible with biological applications.
  • the object of the present invention is to propose a device for electing drops of liquid making it possible to overcome the drawbacks of the devices of the prior art, by proposing a structure which is simple to produce and exhibits very rapid dynamics, supporting significant overpressures of the liquid. , without causing the temperature of the liquid to rise.
  • the present invention relates to a device for ejecting drops of liquid comprising:
  • a body provided with at least one cavity, filled with said liquid, and with an outlet for this liquid;
  • Means for transmitting to the liquid a sufficient pulse to cause the ejection of at least one drop characterized in that the body is non-deformable and in that these means comprise means for striking a wall of said body.
  • the invention can associate several orifices with the same cavity and the same striker.
  • the percussion means comprise a metallic mass driven by an electromagnet, the mass then moving in the axis of the outlet orifice of the cavity.
  • the cavity can be produced in a silicon substrate.
  • the cavity can for example have a width of the order of a few millimeters and the orifice a width of about 200 ⁇ .
  • the same cavity may have an opening with a width of approximately 60 ⁇ m.
  • the consumable part of the device consists solely of the substrate. With such a consumable part, simple to produce, operating costs are minimized.
  • the cavity forms a capillary located between an upstream microfluidic system and a downstream microfluidic system, the mass moving in a direction perpendicular to the cavity.
  • the cavity then has a diameter of between a few micrometers and a few hundred micrometers.
  • This first embodiment makes it possible to eject drops without adding a deformable membrane and without adding active elements machined on the substrate.
  • the percussion device comprises at least one arm flexible which supports a mass and an electrostatic actuator.
  • the cavity forms a capillary arranged between an upstream microfluidic system and a downstream microfluidic system.
  • Such a second embodiment makes it possible to miniaturize the device of the invention.
  • the device of the invention can have different dimensions, but it is particularly advantageous when it is miniaturized. It is then a question of ejecting drops of very small volume (less than mm 3 ).
  • the device of the invention can then be developed using the same technology, for example a technology of the “silicon” type.
  • the device of the invention can be used in many fields: for example the field of printer heads, the field of biology with micropipettes for dosing, or systems for depositing liquids or chemical or biological reagents on biochips, or the field of distributing a liquid in the form of droplets (injectors, etc.).
  • FIG. 3 illustrates the liquid drop ejection device of the invention
  • FIG. 5 and 6 illustrate two exemplary embodiments of liquid drop ejection devices, with percussion added according to the invention
  • - Figures 7 and 8 illustrate two embodiments of liquid drop ejection devices, with integrated percussion according to the invention.
  • the device for ejecting drops of liquid according to the invention comprises:
  • non-deformable body 28 provided with a cavity filled with a liquid 27, and with one (or more) orifice (s), or nozzle (s) 29, this body having a solid wall 30;
  • a device 23 for striking this wall 30, comprising a mass 24 moved by an actuator 25.
  • the actuator 25 acts on the mass 24 so that it strikes the wall 30 in a movement along the axis of the nozzle 29.
  • the propagation of the shock through the wall 30 and the liquid 27 causes the ejection of one (or more) drop (s) 26 of liquid.
  • the physical phenomena involved could, in an ideal case, be assimilated to those of an elastic shock. They will be all the more so as the different parts of the device involved in the propagation of the shock will be less absorbent. In particular, a rigid wall will be more efficient in transmitting energy.
  • the device is optimized so that the cavity does not deform under the impact of the striker and that energy is efficiently transmitted between the striker and the liquid.
  • the device of the invention can be an attached percussion device, that is to say independent of the cavity containing the liquid.
  • the percussion system 23 consists for example of a metallic mass 24 which is located in the field of an electromagnet 25. By the action of this, the mass can move in a reciprocating motion back and forth and strike the wall 30 thereby causing the ejection of drops of liquid 26.
  • the body, which forms the head 36 can be produced in a silicon wafer or in any other machinable material, for example glass, quartz or plastic. It then has an orifice 29 whose nozzle shape is obtained by etching. It may also have another orifice, not shown in the figure, to allow a supply of liquid.
  • the dimensions L (width of the body 28) and 1 (width of the orifice 29) can then be of the order of a few millimeters and approximately 200 ⁇ m respectively.
  • the cavity has the shape of a capillary, produced in a substrate 40, located between an upstream microfluidic system 41 and a downstream microfluidic system 42.
  • the percussion device 23 is then placed perpendicular to the cavity.
  • the cavity can then have a diameter of between a few micrometers and a few hundred micrometers.
  • a microfluidic system is a fluid handling system (pumps, filters, mixers ...), or a chemical or biochemical reaction system, or a measurement or detection system ....
  • microfluidic systems are for example microfluidic systems for biological analysis. This is called “ ⁇ TAS” ( ⁇ Total Analysis System) or “Lab-on-ship”.
  • the device of the invention can also be an integrated percussion device, by integrating the percussion device directly on the substrate of the cavity.
  • the percussion device comprises flexible arms 45, for example membranes, which support a mass 46 and an electrostatic microactuator 47.
  • the principle of electrostatic bonding is then used to strike the mass 46, which is also integrated into the substrate of the cavity.
  • the flexible arms 45 can also be etched in the substrate.
  • the electrostatic force being in 1 / d 2 where d is the air gap of the electrostatic actuator 47, speeds and therefore significant energies are obtained at the time of the impact.
  • FIG 8 illustrates a variant of this embodiment using an upstream microfluidic system 54 and a downstream microfluidic system 55 arranged on either side of the cavity 48 in the form of a capillary.
  • the microfluidic systems are then integrated into a support which acts as an intermediary between the mass and the capillary.

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Coating Apparatus (AREA)
  • Nozzles (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'éjection de gouttes de liquide comportant: un corps indéformable (28) muni d'une cavité, remplie dudit liquide (20), et d'au moins un orifice (19) de sortie de ce liquide; des moyens pour transmettre au liquide une impulsion suffisante pour provoquer l'éjection d'au moins une goutte (26); ces moyens comportant des moyens de percussion (23) d'une paroi (30) dudit corps (28).

Description

DISPOSITIF D'EJECTION DE GOUTTES DE LIQUIDE
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif d'éjection de gouttes de liquide.
Etat de la technique antérieure Les dispositifs d'éjection de gouttes de liquide de l'art antérieur comprennent les dispositifs à jets continus et les dispositifs à gouttes commandées. Ces derniers, seuls concernés par l'invention, sont employés en particulier dans les têtes d'imprimantes à jet d'encre. Ils se subdivisent en deux grandes familles :
- les dispositifs à membrane déformable, tels que décrits dans le document référencé [1] en fin de description, dans lesquels l'éjection d'une goutte de liquide est due à la déformation d'une membrane 11. Comme illustré sur la figure 1 une cavité 12, délimitée par cette membrane 11 et remplie d'un liquide 13 au moyen d'une canalisation 14, voit son volume diminué par la commande d'un actionneur 10 agissant sur ladite membrane 11. Le liquide 13 ayant une compressibilité négligeable, une telle diminution de volume entraîne l'éjection d'une goutte 15 de liquide à travers une ouverture, ou « buse » 16. Comme décrit dans le document [2], de tels dispositifs sont notamment utilisés dans des applications biologiques. Mais ils présentent de nombreux inconvénients, notamment : l'intégration d'une membrane déformable fragilise les structures et rend la technologie souvent complexe. D'autre part, pour éjecter/ les gouttes à une vitesse importante, il est nécessaire d'avoir une déformation rapide de la membrane, ce qui nécessite un actionneur ayant une grande dynamique ;
- les dispositifs de type « bubble-iet » tels que décrits dans le document [3], dans lesquels l'élection d'une goutte 22 de liquide est également due à une variation du volume d'une cavité 18 ; mais celle- ci est alors provoquée par une vaporisation locale du liquide. Comme illustré sur la figure 2, un élément chauffant 17 est disposé à proximité de la cavité 18 munie d'une ouverture 19, et remplie d'un liquide 20 alimenté par une canalisation 21. De tels dispositifs sont notamment utilisés dans des applications bureautiques. Mais, ils impliquent une élévation de température du milieu liquide, ce qui peut en modifier les caractéristiques et qui est donc incompatible des applications biologiques.
La présente invention a pour obi et de proposer un dispositif d'élection de gouttes de liquide permettant de pallier les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur, en proposant une structure simple à réaliser présentant une dynamique très rapide, supportant des surpressions du liquide importantes, sans entraîner d'élévation de température du liquide.
Exposé de l'invention
La présente invention concerne un dispositif d'éjection de gouttes de liquide comportant :
- un corps muni d'au moins une cavité, remplie dudit liquide, et d'un orifice de sortie de ce liquide ;
- des moyens pour transmettre au liquide une impulsion suffisante pour provoquer l'éjection d'au moins une goutte ; caractérisé en ce que le corps est indéformable et en ce que ces moyens comportent des moyens de percussion d'une paroi dudit corps.
Contrairement aux dispositifs de l'art connu dans lesquels les dispositifs d'éjection, qui présentent des éjections simultanées, associent à chaque orifice une cavité et un percuteur, l'invention peut associer plusieurs orifices à une même cavité et un même percuteur. Dans un premier mode de réalisation les moyens de percussion comprennent une masse métallique mue par électroaimant, la masse se déplaçant alors dans l'axe de l'orifice de sortie de la cavité.
Avantageusement la cavité peut être réalisée dans un substrat en silicium. La cavité peut par exemple avoir une largeur de l'ordre de quelques millimètres et l'orifice une largeur d'environ 200 μ . Pour d'autres applications, la même cavité peut avoir un orifice d'une largeur d'environ 60 μm. Dans ce premier mode de réalisation la partie consommable du dispositif est constituée uniquement du substrat. Avec une telle partie consommable, simple à réaliser, on minimise les coûts d'exploitation.
Dans une variante de ce premier mode de réalisation, la cavité forme un capillaire situé entre un système microfluidique amont et un système microfluidique aval, la masse se déplaçant dans une direction perpendiculaire à la cavité. La cavité a alors un diamètre compris entre quelques micromètres et quelques centaines de micromètres.
Ce premier mode de réalisation permet d'éjecter des gouttes sans ajout de membrane déformable et sans ajout d'éléments actifs usinés sur le substrat.
Dans un second ' mode de réalisation le dispositif de percussion comporte au moins un bras souple qui supporte une masse et un actionneur électrostatique. Dans une variante de ce mode de réalisation la cavité forme un capillaire disposé entre un système microfluidique amont et un système microfluidique aval.
Un tel second mode de réalisation permet de miniaturiser le dispositif de l'invention.
Le dispositif de l'invention peut présenter différentes dimensions, mais il est particulièrement intéressant lorsqu'il est miniaturisé. Il s'agit alors d'éjecter des gouttes de très petit volume (inférieur au mm3). Avantageusement, le dispositif de l'invention peut alors être élaboré selon une même technologie, par exemple une technologie de type « silicium ». Le dispositif de l'invention peut être utilisé dans de nombreux domaines : par exemple le domaine des têtes d'imprimantes, le domaine de la biologie avec les micropipettes pour dosage, ou les systèmes de dépôt de liquides ou de réactifs chimiques ou biologiques sur des biopuces, ou le domaine de la distribution d'un liquide sous forme de gouttelettes (injecteurs .... ) .
Brève description des dessins
Pour une meilleure clarté des figures, l'échelle n'est pas respectée.
- Les figures 1 et 2 illustrent deux dispositifs d'éjection de gouttes de liquide de l'art connu ;
- la figure 3 illustre le dispositif d'éjection de gouttes de liquide de l'invention ;
- la figure 4 illustre un pendule de l'art connu ;
- les figures 5 et 6 illustrent deux exemples de réalisation de dispositifs d'éjection de gouttes de liquide, à percussion rapportée selon l'invention ; - les figures 7 et 8 illustrent deux exemples de réalisation de dispositifs d'éjection de gouttes de liquide, à percussion intégrée selon l'invention.
Exposé détaillé de modes de réalisation
Comme illustré sur la figure 3, le dispositif d'éjection de gouttes de liquide selon l'invention comprend :
- un corps, indéformable 28 muni d'une cavité remplie d'un liquide 27, et d'un (ou plusieurs) orifice (s), ou buse (s) 29, ce corps ayant une paroi solide 30 ;
- un dispositif 23 de percussion de cette paroi 30, comprenant une masse 24 mue par un actionneur 25. L' actionneur 25 agit sur la masse 24 de telle sorte qu'elle percute la paroi 30, dans un mouvement selon l'axe de la buse 29.
La propagation du choc à travers la paroi 30 et le liquide 27 provoque l'éjection d'une (ou plusieurs) goutte (s) 26 de liquide. Les phénomènes physiques mis en jeu pourraient être, dans un cas idéal, assimilés à ceux d'un choc élastique. Ils le seront d'autant plus que les différentes parties du dispositif intervenant dans la propagation du choc seront moins absorbantes. En particulier, une paroi rigide sera plus efficace dans la transmission de l'énergie.
De manière générale, par le choix de matériaux, de dimensions et d'architecture appropriés, le dispositif est optimisé de façon à ce que la cavité ne se déforme pas sous le choc du percuteur et que l'énergie soit efficacement transmise entre le percuteur et le liquide.
Le principe d'un tel choc mécanique, bien connu en mécanique, peut être illustré schématiquement à l'aide du pendule de la figure 4. Par conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie, le mouvement imprimé à la première bille 32 est transmis à la dernière bille 33 sans perturber les billes intermédiaires 34. Les mécanismes intervenant dans la formation d'une goutte sont complexes et mettent en oeuvre des phénomènes de viscosité et de capillarité. Mais nous pouvons assimiler, par analogie et d'un point de vue macroscopique, le liquide 27 contenu dans la cavité, à ce pendule. Ainsi, par analogie et d'un point de vue macroscopique, le liquide 27 contenu dans la cavité peut être assimilé à ce pendule. Un choc provoqué sur la paroi 30 se propage dans l'épaisseur du matériau puis dans le liquide 27 pour finalement provoquer l'éjection d'une goutte 26 par l'orifice 29 de la cavité.
Dans un premier mode de réalisation le dispositif de l'invention peut être un dispositif à percussion rapportée, c'est-à-dire indépendant de la cavité contenant le liquide. Comme illustré sur la figure 5 le système de percussion 23 est constitué par exemple d'une masse métallique 24 qui se trouve dans le champ d'un électroaimant 25. Par action de celui-ci, la masse peut se déplacer selon un mouvement de va-et-vient 35 et venir percuter la paroi 30 en provoquant ainsi l'éjection de gouttes de liquide 26.
D'autres dispositifs de percussion 23 sont bien entendu également possibles : dispositif piézoélectrique, pneumatique, électrique, etc. Le corps, qui forme la tête 36, peut être élaboré dans une plaque de silicium ou en tout autre matériau usinable, par exemple en verre, quartz ou plastique. Il présente alors un orifice 29 dont la forme de buse est obtenue par gravure. Il peut présenter également un autre orifice, non représenté sur la figure, pour permettre une alimentation en liquide. Les dimensions L (largeur du corps 28) et 1 (largeur de l'orifice 29) peuvent alors être respectivement de l'ordre de quelques millimètres et d'environ 200 μm.
Dans une variante de ce mode de réalisation, la cavité a la forme d'un capillaire, réalisé dans un substrat 40, situé entre un système microfluidique amont 41 et un système microfluidique aval 42. Le dispositif de percussion 23 est alors placé perpendiculairement à la cavité. La cavité peut alors avoir un diamètre compris entre quelques micromètres et quelques centaines de micromètres.
Un système microfluidique est un système de manipulation de fluide (pompes, filtres, mélangeurs...), ou un système de réaction chimique ou biochimique, ou un système de mesure ou de détection....
De tels systèmes microfluidiques sont par exemple des systèmes microfluidiques pour analyse biologique. On parle alors de « μ TAS » (μ Total Analysis System) ou de « Lab-on-ship ».
Dans un second mode de réalisation le dispositif de l'invention peut également être un dispositif à percussion intégrée, en intégrant le dispositif à percussion directement sur le substrat de la cavité.
Comme illustré sur la figure 7 le dispositif de percussion comporte des bras souples 45, par exemple des membranes, qui supportent une masse 46 et un microactionneur électrostatique 47. Sur cette figure sont également représentés la cavité 48 et sa paroi rigide 49, l'orifice ou buse 50, et une canalisation d'amenée de liquide 51, ainsN que la goutte éjectée 52. Un tel mode de réalisation permet de miniaturiser le dispositif de l'invention. On utilise alors le principe de collage électrostatique pour faire percuter la masse 46, elle aussi intégrée au substrat de la cavité. Les bras souples 45 peuvent être aussi gravés dans le substrat. La force électrostatique étant en 1/d2 où d est l'entrefer de l' actionneur électrostatique 47, on obtient des vitesses et donc des énergies importantes au moment du choc. La figure 8 illustre une variante de ce mode de réalisation en utilisant un système microfluidique amont 54 et un système microfluidique aval 55 disposés de part et d'autre de la cavité 48 en forme de capillaire. Les systèmes microfluidiques sont alors intégrés dans un support qui oue un rôle d'intermédiaire entre la masse et le capillaire.
REFERENCES
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[2] « High-Density Oligonucleotide Arrays » de A.P. Blanchard, R.J. Kaiser & L.E. Hood (Biosensors & Bioelectronics, volume 11, No. 6/7, pages 687-690, 1996)
[3] US-5 041 844

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'éjection de gouttes de liquide comportant : - un corps (28) muni d'une cavité, remplie dudit liquide (27), et d'au moins un orifice (29) de sortie de ce liquide ;
- des moyens pour transmettre au liquide une impulsion suffisante pour provoquer l'éjection d'au moins une goutte (26) ; caractérisé en ce que le corps (28) est indéformable et en ce que ces moyens comportent des moyens de percussion (23) d'une paroi (30) dudit corps (28) .
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la paroi (30) est rigide.
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de percussion (23) comprennent une masse (24) mue par un actionneur (25) .
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l' actionneur (25) est un électroaimant et la masse (24) est une masse métallique.
5. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la masse (24) se déplace dans l'axe de l'orifice (19) de sortie de la cavité (28) .
6. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la cavité est réalisée dans une plaque de silicium.
7. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la cavité forme un capillaire situé entre un système microfluidique amont (41) et un système microfluidique aval (42) .
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la masse (24) se déplace dans une direction perpendiculaire à la cavité.
9. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le dispositif de percussion comporte au moins un bras souple (45) qui supporte une masse (46), et un actionneur électrostatique (47).
10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la cavité (48) forme un capillaire disposé entre un système microfluidique amont (54) et un système microfluidique aval (55) .
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