EP2580474A1 - Micro pompe a onde progressive ultra sonore pour liquide - Google Patents

Micro pompe a onde progressive ultra sonore pour liquide

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Publication number
EP2580474A1
EP2580474A1 EP11727252.6A EP11727252A EP2580474A1 EP 2580474 A1 EP2580474 A1 EP 2580474A1 EP 11727252 A EP11727252 A EP 11727252A EP 2580474 A1 EP2580474 A1 EP 2580474A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
micro pump
blade
piezoelectric
transducers
pump according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11727252.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Camilo Hernandez
Yves Bernard
Adel Razek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2580474A1 publication Critical patent/EP2580474A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/003—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by piezoelectric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/14—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action having plate-like flexible members

Definitions

  • the present invention relates to a liquid ultrasonic progressing ultrasonic wave pump, whose activation is based on the use of two piezoelectric linear transducers, at least one being used as a piezoelectric linear actuator.
  • piezoelectric transducers relies on the property of certain materials, such as quartz, synthetic ceramics or PZTs (Titano-lead zirconate), to electrically polarize under the action of a mechanical stress, and vice versa to deform under the action of an electric field.
  • This reciprocal phenomenon known as the reverse piezoelectric effect, is widely used to make actuators.
  • a possible linear structure of transverse progressive wave micro-pump generated by means of piezoelectric actuators is described in US 5,961,298.
  • the structure consists essentially of a stack of two rectangular plates tightly clamped against each other and sealingly placed between an inlet and an outlet of a chamber of the pump.
  • One of the plates is preferably fixed, while the other plate is excited by a series of piezoelectric actuators distributed on one face of the plate opposite the interface between the two plates, over the entire length of the interface. .
  • Each actuator is composed of two pairs
  • B10026WO actuators electrically powered by sinusoidal signals in phase quadrature, each member being itself constituted by two linear piezoelectric elements, one able to expand under the action of the control signal, the other adapted to to contract under the action of this same control signal.
  • the arrangement of the actuators along the entire length of the interface, the choice of the control signals and the sequencing of these signals make it possible to locally deform the plate so as to create between the two plates a closed cavity accommodating the fluid. moving from the inlet to the outlet of the pump, in the direction of propagation of the traveling wave.
  • the present invention aims to overcome the above disadvantages by providing a micro pump structure for liquid using a reduced number of piezoelectric elements and offering good flexibility of use.
  • micro ultrasonic progressive wave pump for the displacement of a liquid, characterized in that it comprises:
  • a flexible metal blade each end portion of which rests on one of the two piezoelectric linear transducers;
  • B10026WO - Excitation means for exciting at least the piezoelectric linear transducer located near the inlet of the micro pump so that it generates a transverse vibration in the blade and the channel in a progressive wave moving towards the output of the micro pump.
  • the piezoelectric linear transducer located near the output of the micro pump is used as a damper for the transverse vibration.
  • it is advantageously connected to a load RL whose resistance and inductance are chosen so as to reduce, or even cancel, the reflection of the progressive wave.
  • the piezoelectric linear transducer located near the inlet is preferably positioned at 7 ⁇ / 8 of the end closest to the blade, ⁇ being the length of the progressive wave, whereas the piezoelectric linear transducer located near the exit is positioned at ⁇ / 8 + ⁇ / 2 ⁇ said left end, n being a positive integer.
  • the two piezoelectric transducers are used as vibrators so as to excite two consecutive modes of vibration of the blade.
  • the excitation means preferably simultaneously excite the two piezoelectric linear transducers, one with a first sinusoidal electrical signal at an intermediate frequency with respect to the frequencies of the two consecutive modes of vibration, the other with a second signal. sinusoidal electric at the same intermediate frequency, but in phase quadrature with the first signal.
  • the sealed channel is preferably attached to the blade by gluing.
  • the sealed channel is a PolyDiMethylSiloxane film.
  • the two piezoelectric transducers are Langevin structures.
  • FIG. 1 schematically illustrates an elevational view of a micro pump according to the invention
  • FIG. 2 represents the shape of the progressive wave generated in the blade according to the principles of the invention
  • FIG. 3 represents a piezoelectric linear transducer according to a Langevin structure
  • FIG. 4 illustrates an improvement of the previous Langevin structure, particularly adapted to the micro pump according to the invention
  • FIG. 5 illustrates a first way of exciting the micro pump according to the invention
  • FIG. 6 shows a partially exploded view, the structure of a demonstrator used to validate the operation of the micro pump according to the invention.
  • the simplification of the micro pump according to the invention compared to the known prior art is based on experimental studies and laboratory tests that have validated not only the fact that it is possible to create a wave in a progressive wave.
  • a micro pump 1 for a liquid essentially comprises two piezoelectric linear transducers 2 and 3, a flexible metal blade 4 resting on the two transducers 2 and 3 connecting them, and a sealed channel 5 of deformable material for transporting the liquid between an inlet E and an outlet of this channel 5.
  • the assembly preferably rests on a base 6 of a high acoustic impedance material, so as to avoid that vibrations are transported to the through this base.
  • An electronic module 7 connected to the two piezoelectric linear transducers 2 and 3 comprises the excitation means of these transducers.
  • the transducers 2 and 3 are used to generate, in the blade 4, a transverse wave moving along the blade from the transducer 2 to the transducer 3.
  • FIG. 2 illustrates various curves representing, at five successive instants, the pace of this wave.
  • the wave thus generated is a periodic function at the resonant frequency of the
  • linear piezoelectric transducers of the Langevin structure type, or other structures known in the German terminology "Tonpilz”, are preferably used.
  • These structures essentially comprise at least two piezoelectric ceramics 20 clamped and prestressed between two metal masses, an upper mass 21 and a lower mass 22, by means of a fastening element such as a metal screw 23.
  • the metal masses 21 and 22 serve firstly to protect the ceramics 20, and secondly, to calibrate the acoustic transducer thus formed at a predetermined frequency.
  • a sinusoidal electrical signal is applied to the two ceramics 20, they are deformed by contraction.
  • FIG. 4 illustrates a conical shape of the upper mass 21 particularly adapted to fulfill the two aforementioned objectives.
  • the lower mass 22 is preferably made of a heavy and rigid material, such as tungsten or steel, which is not very conducive to the propagation of vibrations. Conversely, the material for the upper mass 21
  • B10026WO is preferably light and flexible, such as aluminum, to provide a low acoustic impedance and promote the propagation of vibration towards the top of the structure.
  • the materials used for the different elements of the micro-pump 1, the dimensions in particular of the blade 4 and the channel 5, the type of linear transducers used, and their positioning relative to the blade must be correctly chosen according to the application. envisaged, the common principle of one application to another being the generation of a mechanical vibration through the transducers which is transmitted with the least possible losses to the blade 4 in the form of a progressive wave moving between the inlet and outlet, and which allows the displacement of a certain amount of liquid at a given speed between the inlet and the outlet of the micro pump.
  • the pumping performance will depend essentially on the specific characteristics of the progressive wave that can be generated in the blade, such as the wave frequency, its wave number and its amplitude. However, these characteristics are intimately related to the dynamic characteristics of the piezoelectric transducers. The exact choice of the transducers is thus conditioned by a prior knowledge of the amplitude and the frequency of deformation that one wishes to obtain at the level of the blade, and consequently in the fluid transport channel.
  • transducer 2 and 3 can be used to generate the traveling wave: According to a first possible implementation shown diagrammatically in FIG. 5, only the transducer located near the input of the channel, here the transducer 2, is used as a vibrator, the transducer 3 being used as a shock absorber of the vibration. To do this, the excitation means 7 of the transducer 2 will apply, on this
  • the B10026WO transducer a periodic supply voltage, preferably sinusoidal.
  • the transducer 2 then acts as a wave generator, the blade 4 is the electrical transmission line, and the transducer 3 represents the load of this line.
  • the latter is connected for example to a circuit RL having a resistor R in parallel with an inductance L.
  • the values R and L are chosen so as to adapt the load to the acoustic impedance of the blade.
  • the wave propagates in the blade without any reflection (ideal case) or a negligible reflection at the transition between the blade and the transducer 3 comes to affect the progressive nature of the wave.
  • the transducers 2 and 3 must be correctly positioned relative to the blade 4 so as to allow impedance matching.
  • ⁇ represents the length of the progressive wave
  • the transducer 2 used as vibrator must be positioned preferably at ⁇ / S of the left end of the blade 4, while the transducer 3 used as damper must be positioned at ⁇ / 8 + ⁇ / 2 ⁇ this same left end, expression in which n is a positive integer.
  • the operation of the micro pump is easily reversible taking care to use the same transducers 2 and 3.
  • the excitation means 7 will excite the transducer 3, while the transducer 2 will be used as shock absorber.
  • Input E and output S are then reversed in relation to those shown in the figures.
  • the two transducers 2 and 3 are used as vibrators so as to excite two consecutive modes of vibration of the blade 4. More precisely, knowing that a pure progressive wave is the sum of two standing waves offset 90 ° both in time and in space, the excitation means 7 will simultaneously excite the two piezoelectric linear transducers 2 and 3, one with a first sinusoidal electrical signal at an intermediate frequency with respect to frequencies of the two consecutive vibration modes, the other with a second sinusoidal electrical signal at the same frequency
  • the resulting vibration then consists of a progressive wave of variable amplitude and phase velocity.
  • the position of the transducers 2 and 3 along the blade must be precisely identified so as to effectively obtain a progressive wave.
  • u (x, t) D l [s (y n x) ⁇ cos (y "x)] cos t) + D 2 [sm (y n + 1 x) - cos (y n + i x)] s (Stt) + D 3 [sin (Y " +1 x) - cos (y” +1 x)] cos ⁇ t) + D 4 [s (y "x) - cos ⁇ j n x)] sin ⁇ at)
  • x is the position along the blade
  • y n and y n + 1 represents the wave number of two consecutive modes
  • ⁇ is the intermediate frequency applied
  • Z3 ⁇ 4 to D 4 are constants depending on the excitation frequency, the material used for the blade 4, the boundary conditions and the position of the transducers.
  • micro pump is reversible by reversing the manner of exciting each of the transducers 2 and 3.
  • Blade 4 With regard to the flexible metal blade 4, the choice of the metallic material used, in particular its density and its elasticity coefficient, and the length, width and thickness dimensions of the blade must be adjusted according to the wavelength. , the frequency and the amplitude of the progressive wave that one wishes to obtain. Blade 4 must meet the three criteria below:
  • the material used for the blade must be a good acoustic conductor, since it is to transmit, ideally integrally, the vibration generated by the piezoelectric transducers;
  • the acoustic impedance of the blade at the excitation frequency must correspond to that of the piezoelectric transducers 2 and 3, which conditions in particular the dimensions of the blade in length, width and thickness.
  • the blade must also be dimensioned so that the resulting weight of the channel carrying the fluid is negligible in comparison with the transverse forces generated by the blade, so as not to disturb the progression of the wave.
  • the base 6 must offer a low conduction of acoustic waves, again to promote the transmission of vibrations generated by the transducer 2 (vibrator-damper mode), or by the two transducers 2 and 3 (vibrator mode). vibrator) to the blade 4.
  • This can be achieved by various means, including the choice of a material with low acoustic conduction.
  • it can be ensured that the acoustic impedance of the base 6 is much greater than the acoustic impedance of the blade 4. Knowing that the acoustic impedance Z 0 can be defined by the relation:
  • the channel 5 must be made of a sufficiently deformable material so that the deformation on its wall in contact with the blade 4 induced by the progressive wave effectively causes the displacement of the liquid.
  • the sealed channel may for example be made in the form of a PDMS film
  • a demonstrator illustrated schematically in FIG. 6 has been made to validate the operation of the micro pump according to the principles indicated above.
  • two commercially available Langevin transducers with resonant frequencies of 28 kHz have been used by adding aluminum cones adapted to the resonant frequency of the transducers in the upper part.
  • the blade 5 of the demonstrator was made of aluminum (duralium).
  • the sealed channel (not shown in Figure 6) incorporates at its ends two tanks respectively at its entrance and exit. It confines the liquid to be transported and carries out the interface with the blade.
  • the micro pump according to the invention has all the advantages associated with its (piezoelectric) technology, in particular the absence of a radiated magnetic field and the absence of a moving part at the level of the actuators.
  • the micro pump according to the invention has a channel covering the entire fluid and allows to actuate channels whose deformation will generate flow contrary to the known techniques of the prior art. The results of the study showed that it was not necessary to generate a wave whose amplitude would correspond to the height of the channel to allow the delivery of the liquid, unlike the teaching of US 5,961,298.
  • the optimal dimensions of the different constituents of the micro pump can be determined for each application envisaged using a numerical modeling.
  • the entire upper part of the pump according to the invention is here released.
  • the assembly can thus be easily equipped with sensors allowing an operation that adapts to variations in the behavior of the pump.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Micro pompe (1) à onde progressive ultrasonore pour le déplacement d'un liquide qui comporte : - Deux uniques transducteurs (2, 3) linéaires piézoélectriques; - Une lame (4) métallique flexible dont chaque partie extrémale repose sur l'un des deux transducteurs linéaires piézoélectriques; - Un canal (5) étanche en matériau déformable pour le transport du liquide depuis une entrée (E) vers une sortie (S) de la micro pompe, ledit canal (5) reposant longitudinalement sur ladite lame (4) entre lesdits transducteurs linéaires piézoélectriques (2, 3); - Des moyens d'excitation (7) pour exciter au moins le transducteur (2) linéaire piézoélectrique situé près de l'entrée (E) de la micro pompe de manière à ce qu'il génère une vibration transverse dans la lame (4) et le canal (5) selon une onde progressive se déplaçant vers la sortie (S) de la micro pompe.

Description

MICRO POMPE A ONDE PROGRESSIVE ULTRASONORE POUR
LIQUIDE
La présente invention concerne une micro pompe à onde progressive ultrasonore pour liquide, dont l'activation repose sur l'utilisation de deux transducteurs linéaires piézoélectriques, au moins un étant utilisé comme actionneur linéaire piézoélectrique.
Le fonctionnement des transducteurs piézoélectriques repose sur la propriété qu'ont certains matériaux, tels que le quartz, des céramiques synthétiques ou des PZT (Titano-Zirconate de plomb), de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique, et réciproquement de se déformer sous l'action d'un champ électrique. Ce phénomène réciproque, connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse, est utilisé largement pour réaliser des actionneurs.
De nombreuses micro pompes utilisant des actionneurs piézoélectriques ont déjà été développées, et peuvent être classifiées, comme proposé dans l'article intitulé « Classification and comparison of micropumps in view of operational conditions and restrictions » - Camilo Hernandez, Yves Bernard et al. - ACTUATOR 2008, llth International Conférence on new actuators, Bremenn Germany, 9-11 June 2008 - pages 818-822, selon que leur structure utilise ou non des valves. Dans les structures sans valve, on connaît notamment les micro pompes dites péristaltiques, dans lesquelles une force sous la forme d'une onde transversale progressive est appliquée sur les parois d'un canal contenant le liquide de façon à générer un déplacement de ce liquide dans le sens de propagation de l'onde.
Une structure linéaire possible de micro pompe à onde progressive transversale générée par l'intermédiaire d'actionneurs piézoélectriques est décrite dans le document US 5 961 298. La structure consiste essentiellement en un empilement de deux plaques rectangulaires étroitement serrées l'une contre l'autre et placées de façon étanche entre une entrée et une sortie d'une chambre de la pompe. L'une des plaques est de préférence fixe, tandis que l'autre plaque est excitée par une série d'actionneurs piézoélectriques répartis sur une face de la plaque opposée à l'interface entre les deux plaques, sur toute la longueur de l'interface. Chaque actionneur est composé de deux paires
B10026WO d'organes de commande alimentés électriquement par des signaux sinusoïdaux en quadrature de phase, chaque organe étant lui-même constitué de deux éléments linéaires piézoélectriques, l'un apte à se dilater sous l'action du signal de commande, l'autre apte à se contracter sous l'action de ce même signal de commande. L'agencement des actionneurs sur toute la longueur de l'interface, le choix des signaux de commande et le séquencement de ces signaux permettent de déformer localement la plaque de façon à créer entre les deux plaques une cavité fermée accueillant le fluide, la cavité se déplaçant depuis l'entrée vers la sortie de la pompe, dans la direction de propagation de l'onde progressive.
Une telle structure présente plusieurs inconvénients : Ainsi, le canal de transport du fluide étant créé localement directement par la cavité formée entre les plaques, des joints d'étanchéité doivent obligatoirement être prévus en périphérie de chacune de ces plaques pour éviter que le fluide ne s'échappe et vienne interférer notamment avec les actionneurs piézoélectriques. En outre, dans une telle structure, l'amplitude de la déformation doit être de la dimension du canal d'écoulement pour pouvoir créer localement une cavité fermée. Enfin et surtout, cette structure requiert un nombre important d'éléments piézoélectriques, ce qui non seulement augmente son coût, mais ne favorise pas la miniaturisation de la structure.
La présente invention a pour objectif de pallier les inconvénients précédents en proposant une structure de micro pompe pour liquide utilisant un nombre réduit d'éléments piézoélectriques et offrant une bonne souplesse d'utilisation.
Ce but est atteint selon l'invention qui a pour objet une micro pompe à onde progressive ultrasonore pour le déplacement d'un liquide, caractérisée en ce qu'elle comporte :
- Deux uniques transducteurs linéaires piézoélectriques ;
- Une lame métallique flexible dont chaque partie extrémale repose sur l'un des deux transducteurs linéaires piézoélectriques ;
- Un canal étanche en matériau déformable pour le transport du liquide depuis une entrée vers une sortie de la micro pompe, ledit canal reposant longitudinalement sur ladite lame entre lesdits transducteurs linéaires piézoélectriques;
B10026WO - Des moyens d'excitation pour exciter au moins le transducteur linéaire piézoélectrique situé près de l'entrée de la micro pompe de manière à ce qu'il génère une vibration transverse dans la lame et le canal selon une onde progressive se déplaçant vers la sortie de la micro pompe.
Selon des caractéristiques additionnelles :
- Dans un premier mode de réalisation, le transducteur linéaire piézoélectrique situé près de la sortie de la micro pompe est utilisé comme amortisseur de la vibration transverse. Dans ce cas, il est avantageusement relié à une charge RL dont la résistance et l'inductance sont choisies de manière à réduire, voire annuler, la réflexion de l'onde progressive.
- Dans ce cas, le transducteur linéaire piézoélectrique situé près de l'entrée est positionné de préférence à 7λ/8 de l'extrémité la plus proche de la lame, λ représentant la longueur de l'onde progressive, alors que le transducteur linéaire piézoélectrique situé près de la sortie est positionné à Ίλ/8 + ηλ/2 άβ ladite extrémité gauche, n étant un entier positif.
- Dans un deuxième mode de réalisation possible, les deux transducteurs piézoélectriques sont utilisés comme vibrateurs de façon à exciter deux modes de vibration consécutifs de la lame. Dans ce cas, les moyens d'excitation excitent de préférence simultanément les deux transducteurs linéaires piézoélectriques, l'un avec un premier signal électrique sinusoïdal à une fréquence intermédiaire par rapport aux fréquences des deux modes de vibration consécutifs, l'autre avec un deuxième signal électrique sinusoïdal à la même fréquence intermédiaire, mais en quadrature de phase avec le premier signal.
- le canal étanche est de préférence fixé à la lame par collage.
- le canal étanche est un film en PolyDiMethylSiloxane.
- les deux transducteurs piézoélectriques sont des structures de Langevin.
La présente invention et les avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description suivante d'un exemple de réalisation conforme à la présente invention, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles :
- la figure 1 illustre schématiquement une vue en élévation d'une micro pompe selon l'invention ;
B10026WO - la figure 2 représente l'allure de l'onde progressive générée dans la lame selon les principes de l'invention ;
- la figure 3 représente un transducteur linéaire piézoélectrique selon une structure de Langevin ;
- la figure 4 illustre une amélioration de la structure de Langevin précédente, particulièrement adaptée à la micro pompe selon l'invention ;
- la figure 5 illustre une première manière d'exciter la micro pompe selon l'invention ;
- la figure 6 représente en vue partiellement éclatée, la structure d'un démonstrateur utilisé pour valider le fonctionnement de la micro pompe selon l'invention.
La simplification de la micro pompe selon l'invention par rapport à l'art antérieur connu repose sur les études expérimentales et essais faits en laboratoire qui ont permis de valider non seulement le fait qu'il est possible de faire naître une onde progressive dans une lame métallique à l'aide de deux transducteurs linéaires piézoélectriques uniquement, mais aussi, que cette onde progressive peut déformer suffisamment la paroi d'un film ou canal étanche déposé sur la lame pour permettre le transport d'un liquide entre une entrée et une sortie du canal.
Comme cela est schématisé sur la figure 1, une micro pompe 1 pour liquide selon l'invention comporte essentiellement deux transducteurs linéaires piézoélectriques 2 et 3, une lame métallique flexible 4 reposant sur les deux transducteurs 2 et 3 en les reliant, et un canal étanche 5 en matériau déformable pour le transport du liquide entre une entrée E et une sortie de ce canal 5. L'ensemble repose de préférence sur un socle 6 en un matériau à impédance acoustique élevée, de façon à éviter que des vibrations ne soient transportées au travers de ce socle. Un module électronique 7 relié aux deux transducteurs linéaires piézoélectriques 2 et 3 comporte les moyens d'excitation de ces transducteurs.
Les transducteurs 2 et 3 sont utilisés de manière à générer, dans la lame 4, une onde progressive transversale se déplaçant le long de la lame depuis le transducteur 2 vers le transducteur 3. La figure 2 illustre différentes courbes représentant à cinq instants successifs l'allure de cette onde. L'onde ainsi générée est une fonction périodique à la fréquence de résonance de la
B10026WO lame et présente des ventres (points hauts et bas des différentes courbes) qui se déplacent au cours du temps de la gauche vers la droite. Différentes stratégies d'alimentation des deux transducteurs permettant l'obtention de l'onde progressive seront explicitées dans la suite.
Quelle que soit la stratégie adoptée, on utilise de préférence des transducteurs linéaires piézoélectriques du type à structure de Langevin, ou autres structures connues sous la terminologie allemande « Tonpilz ». Ces structures, dont la constitution est rappelée à la figure 3, comportent essentiellement au moins deux céramiques piézoélectriques 20 serrées et précontraintes entre deux masses métalliques, une masse supérieure 21 et une masse inférieure 22, au moyen d'un élément de fixation tel qu'une vis métallique 23. Les masses métalliques 21 et 22 servent d'une part, à protéger les céramiques 20, et d'autre part, à étalonner le transducteur acoustique ainsi formé à une fréquence prédéfinie. Dans une telle structure, lorsqu'un signal électrique sinusoïdal est appliqué aux deux céramiques 20, celles-ci se déforment par contraction. Comme les céramiques 20 sont connectées mécaniquement en série et électriquement en parallèle, des ondes acoustiques longitudinales se propagent depuis les céramiques vers les masses. Un déplacement maximal des masses mises en mouvement dans la direction verticale peut être obtenu lorsque la fréquence du signal électrique sinusoïdal concorde avec la fréquence de résonance mécanique de la structure. Les structures de Langevin ont typiquement des fréquences de résonance pouvant aller de 20 à 200 kHz.
Pour l'application à une micro pompe pour liquide, il est nécessaire de dimensionner correctement les masses respectivement inférieure 22 et supérieure 21, ainsi que leur forme, afin d'ajuster la fréquence de résonance de l'ensemble. En outre, la forme de la masse supérieure 21 doit être modifiée de façon à d'une part, amplifier les déformations obtenues au sommet de la masse supérieure à l'endroit où est fixée la lame 4, et d'autre part, minimiser la zone de contact entre le transducteur et la lame 4. La figure 4 illustre une forme conique de la masse supérieure 21 particulièrement adaptée pour remplir les deux objectifs précités. La masse inférieure 22 est de préférence en un matériau lourd et rigide, tel que du tungstène ou de l'acier, peu favorable à la propagation des vibrations. A l'inverse, le matériau pour la masse supérieure 21
B10026WO est de préférence léger et souple, comme par exemple l'aluminium, afin d'offrir une faible impédance acoustique et favoriser la propagation de la vibration vers le sommet de la structure.
Les matériaux utilisés pour les différents éléments de la micro pompe 1, les dimensions notamment de la lame 4 et du canal 5, le type de transducteurs linéaires utilisés, et leur positionnement par rapport à la lame doivent être correctement choisis en fonction de l'application envisagée, le principe commun d'une application à une autre étant la génération d'une vibration mécanique par l'intermédiaire des transducteurs qui soit transmise avec le moins de pertes possibles à la lame 4 sous la forme d'une onde progressive se déplaçant entre l'entrée et la sortie, et qui permette le déplacement d'une certaine quantité de liquide à une vitesse donnée entre l'entrée et la sortie de la micro pompe.
Chaque application va ainsi imposer de nombreuses contraintes très variées qui vont des valeurs de débit et de contre-pression, pour un liquide particulier, à des exigences en termes de consommation électrique, d'encombrement, de biocompatibilité...Ainsi, une étude approfondie de la dynamique du fluide propre à chaque application doit être conduite préalablement au développement de la micro pompe.
Les différents essais conduits par la Demanderesse ont permis d'identifier certains critères de choix qui vont à présent être explicités :
Les performances en pompage vont dépendre essentiellement des caractéristiques spécifiques de l'onde progressive susceptible d'être générée dans la lame, telles que la fréquence de l'onde, son nombre d'onde et son amplitude. Or, ces caractéristiques sont intimement liées aux caractéristiques dynamiques des transducteurs piézoélectriques. Le choix exact des transducteurs est ainsi conditionné par une connaissance préalable de l'amplitude et de la fréquence de déformation que l'on souhaite obtenir au niveau de la lame, et par suite, dans le canal de transport du fluide.
Différentes stratégies d'alimentation des transducteurs 2 et 3 peuvent être utilisées pour générer l'onde progressive : Selon une première mise en œuvre possible schématisée sur la figure 5, seul le transducteur situé près de l'entrée du canal, ici le transducteur 2, est utilisé comme vibrateur, le transducteur 3 étant quant à lui utilisé comme amortisseur de la vibration. Pour ce faire, les moyens d'excitation 7 du transducteur 2 vont appliquer, sur ce
B10026WO transducteur, une tension d'alimentation périodique, de préférence sinusoïdale. Par analogie avec la théorie de la transmission dans une ligne électrique, le transducteur 2 joue alors le rôle de générateur d'onde, la lame 4 est la ligne de transmission électrique, et le transducteur 3 représente la charge de cette ligne. Ce dernier est relié par exemple à un circuit RL comportant une résistance R en parallèle avec une inductance L. Les valeurs R et L sont choisies de manière à adapter la charge à l'impédance acoustique de la lame. Ainsi, l'onde se propage dans la lame sans qu'aucune réflexion (cas idéal) ou une réflexion négligeable au niveau de la transition entre la lame et le transducteur 3 ne vienne affecter la nature progressive de l'onde. En cas d'absence de couplage adéquat entre les impédances de la lame 4 et du transducteur 3, la somme de l'onde générée par le transducteur 2 et de celle réfléchie par le transducteur 3 pourrait en effet conduire à générer une onde stationnaire. En outre, les transducteurs 2 et 3 doivent être correctement positionnés par rapport à la lame 4 de façon à permettre une adaptation d'impédance. Les essais de la Demanderesse ont montré que, si λ représente la longueur de l'onde progressive, le transducteur 2 utilisé comme vibrateur doit être positionné de préférence à Ίλ/S de l'extrémité gauche de la lame 4, alors que le transducteur 3 utilisé comme amortisseur doit être positionné à Ίλ/8 + ηλ/2 άβ cette même extrémité gauche, expression dans laquelle n est un entier positif. Il convient de noter que le fonctionnement de la micro pompe est facilement réversible en prenant soin d'utiliser les mêmes transducteurs 2 et 3. Pour obtenir un fonctionnement en sens inverse, les moyens d'excitation 7 exciteront le transducteur 3, alors que le transducteur 2 sera utilisé comme amortisseur. L'entrée E et la sortie S se retrouvent alors inversées par rapport à celles représentées sur les figures.
Selon une deuxième stratégie possible d'alimentation, les deux transducteurs 2 et 3 sont utilisés comme vibrateurs de façon à exciter deux modes de vibration consécutifs de la lame 4. Plus précisément, sachant qu'une onde progressive pure est la somme de deux ondes stationnaires décalées de 90° à la fois dans le temps et dans l'espace, les moyens d'excitation 7 vont exciter simultanément les deux transducteurs linéaires piézoélectriques 2 et 3, l'un avec un premier signal électrique sinusoïdal à une fréquence intermédiaire par rapport aux fréquences des deux modes de vibration consécutifs, l'autre avec un deuxième signal électrique sinusoïdal à la même fréquence
B10026WO intermédiaire, mais en quadrature de phase avec le premier signal. La vibration résultante consiste alors en une onde progressive d'amplitude et de vitesse de phase variables. Ici, la position des transducteurs 2 et 3 le long de la lame doit être identifiée précisément de façon à obtenir effectivement une onde progressive.
Plus précisément, on peut montrer que la déformation de la lame est régie par l'équation suivante :
u(x,t) = Dl [s (ynx) ~ cos(y„x)]cos^t) + D2 [sm(yn+lx)- cos(y n+ix)]s (Stt) + D3 [sin(Y„+1x)- cos(y„+1x)]cos^t) + D4 [s (y„x)- cos{j nx)]sin{at)
dans laquelle :
x est la position le long de la lame,
yn et yn+l représente le nombre d'onde de deux modes consécutifs,
Ω est la fréquence intermédiaire appliquée,
et Z¾ à D4 sont des constantes dépendant de la fréquence d'excitation, du matériau utilisé pour la lame 4, des conditions aux limites et de la position des transducteurs.
Les études de la Demanderesse ont permis de montrer que les positions appropriées pour les transducteurs sont celles pour lesquelles on obtient des constantes Z¾ à D4 égales en valeur absolue, l'une au moins de ces constantes possédant un signe opposé aux trois autres.
Ici encore, la micro pompe est réversible en intervertissant la façon d'exciter chacun des transducteurs 2 et 3.
En ce qui concerne la lame métallique flexible 4, le choix du matériau métallique utilisé, notamment sa densité et son coefficient d'élasticité, et les dimensions en longueur, largeur et épaisseur de la lame doivent être ajustés en fonction de la longueur d'onde, de la fréquence et de l'amplitude de l'onde progressive que l'on souhaite obtenir. La lame 4 doit remplir les trois critères ci- dessous :
- Le matériau utilisé pour la lame doit être un bon conducteur acoustique, puisqu'il s'agit de transmettre, idéalement intégralement, la vibration générée par les transducteurs piézoélectriques ;
B10026WO - L'impédance acoustique de la lame à la fréquence d'excitation doit correspondre à celle des transducteurs piézoélectriques 2 et 3, ce qui conditionne notamment les dimensions de la lame en longueur, largeur et épaisseur.
- La lame doit être également dimensionnée de façon à ce que le poids résultant du canal transportant le fluide soit négligeable en comparaison avec les efforts transverses générés par la lame, ceci afin de ne pas perturber la progression de l'onde.
S'agissant du socle 6, ce dernier doit offrir une faible conduction des ondes acoustiques, là encore pour favoriser la transmission des vibrations générées par le transducteur 2 (mode vibrateur-amortisseur), ou par les deux transducteurs 2 et 3 (mode vibrateur-vibrateur) vers la lame 4. Ceci peut être obtenu par différents moyens, notamment par le seul choix d'un matériau à faible conduction acoustique. En variante, on peut faire en sorte que l'impédance acoustique du socle 6 soit beaucoup plus grande que l'impédance acoustique de la lame 4. Sachant que l'impédance acoustique Z0 peut être définie par la relation :
Z0 = p x C x A0
dans laquelle p est la densité du matériau, C est la vitesse du son et A0 la surface de contact entre le socle et chacun des transducteurs 2 et 3, on pourra choisir pour le socle 6 un matériau de grande densité et/ou des surfaces de contact importantes.
Enfin, le canal 5 doit être réalisé en un matériau suffisamment déformable pour que la déformation sur sa paroi en contact avec la lame 4 induite par l'onde progressive entraîne effectivement le déplacement du liquide.
Le canal étanche peut par exemple être réalisé sous la forme d'un film en PDMS
(PolyDiMethylSiloxane) .
Un démonstrateur illustré schématiquement sur la figure 6 a été réalisé pour valider le fonctionnement de la micro pompe selon les principes indiqués ci-dessus. Pour ce démonstrateur, deux transducteurs de Langevin du commerce présentant des fréquences de résonance de 28 kHz ont été utilisés en y ajoutant des cônes en aluminium adaptés à la fréquence de résonance des transducteurs dans la partie supérieure.
B10026WO La lame 5 du démonstrateur a été réalisée en aluminium (duralium). Le canal étanche (non représenté sur la figure 6) intègre à ses extrémités deux réservoirs respectivement à son entrée et à sa sortie. Il confine le liquide à transporter et réalise l'interface avec la lame.
Pour valider le principe de fonctionnement de la micro pompe, une faible quantité de liquide a été placée dans le réservoir d'entrée. Une attente suffisamment longue a été observée de manière à vérifier qu'aucun mouvement de liquide par capillarité n'apparaissait. Puis, les transducteurs ont été alimentés, et le remplissage du réservoir de sortie a pu être observé, validant ainsi le transport du liquide par l'onde progressive.
La micro pompe selon l'invention présente tous les intérêts associés à sa technologie (piézoélectrique) avec notamment l'absence de champ magnétique rayonné et l'absence de partie mobile au niveau des actionneurs. De plus, la micro pompe selon l'invention possède un canal couvrant tout le fluide et permet d'actionner des canaux dont la déformation va engendrer du flux contrairement aux techniques connues de l'art antérieur. Les résultats de l'étude ont montré qu'il n'était pas nécessaire de générer une onde dont l'amplitude correspondrait à la hauteur du canal pour permettre l'acheminement du liquide, contrairement à l'enseignement du document US 5 961 298.
Les dimensions optimales des différents constituants de la micro pompe peuvent être déterminées pour chaque application envisagée en utilisant une modélisation numérique.
Par rapport notamment à la micro pompe décrite dans le document US 5 961 298, toute la partie supérieure de la pompe selon l'invention est ici dégagée. L'ensemble peut ainsi être facilement équipé de capteurs permettant un fonctionnement adaptatif aux variations de comportement de la pompe.
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Claims

REVENDICATIONS
Micro pompe (1) à onde progressive ultrasonore pour le déplacement d'un liquide, caractérisée en ce qu'elle comporte :
- Deux uniques transducteurs (2, 3) linéaires piézoélectriques ;
- Une lame (4) métallique flexible dont chaque partie extrémale repose sur l'un des deux transducteurs linéaires piézoélectriques ;
- Un canal (5) étanche en matériau déformable pour le transport du liquide depuis une entrée (E) vers une sortie (S) de la micro pompe, ledit canal (5) reposant longitudinalement sur ladite lame (4) entre lesdits transducteurs linéaires piézoélectriques (2, 3) ;
- Des moyens d'excitation (7) pour exciter au moins le transducteur (2) linéaire piézoélectrique situé près de l'entrée (E) de la micro pompe de manière à ce qu'il génère une vibration transverse dans la lame (4) et le canal (5) selon une onde progressive se déplaçant vers la sortie (S) de la micro pompe.
2. Micro pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le transducteur (3) linéaire piézoélectrique situé près de la sortie (S) de la micro pompe est utilisé comme amortisseur de la vibration transverse.
3. Micro pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que le transducteur (3) linéaire piézoélectrique situé près de la sortie (S) de la micro pompe est relié à une charge RL dont la résistance et l'inductance sont choisies de manière à réduire, voire annuler, la réflexion de l'onde progressive.
4. Micro pompe selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le transducteur (2) linéaire piézoélectrique situé près de l'entrée (E) est positionné à 7λ/8 de l'extrémité la plus proche de la lame (4), λ représentant la longueur de l'onde progressive, alors que le transducteur (3) linéaire piézoélectrique situé près de la sortie (S) est positionné à Ίλ/8 + ηλ/2 άβ ladite extrémité gauche, n étant un entier positif.
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5. Micro pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux transducteurs (2, 3) piézoélectriques sont utilisés comme vibrateurs de façon à exciter deux modes de vibration consécutifs de la lame (4).
6. Micro pompe selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'excitation (7) excitent simultanément les deux transducteurs linéaires piézoélectriques (2, 3), l'un avec un premier signal électrique sinusoïdal à une fréquence intermédiaire par rapport aux fréquences des deux modes de vibration consécutifs, l'autre avec un deuxième signal électrique sinusoïdal à la même fréquence intermédiaire, mais en quadrature de phase avec le premier signal .
7. Micro pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit canal (5) étanche est fixé à la lame (4) par collage.
8. Micro pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit canal (5) étanche est un film en PolyDiMethylSiloxane.
9. Micro pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux transducteurs (2, 3) piézoélectriques sont des structures de Langevin.
10. Micro pompe selon la revendication 9, caractérisée en ce que chaque structure de Langevin comporte une masse supérieure (21) de forme conique adaptée pour d'une part, amplifier les déformations obtenues au sommet de la masse supérieure, à l'endroit où repose la lame 4, et d'autre part, minimiser la zone de contact entre le transducteur et la lame (4).
11. Micro pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un socle (6) en matériau à impédance acoustique choisie pour éviter la propagation des vibrations au travers dudit socle.
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