EP3060803B1 - Procede pour generer un ecoulement de fluide - Google Patents

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EP3060803B1
EP3060803B1 EP14824891.7A EP14824891A EP3060803B1 EP 3060803 B1 EP3060803 B1 EP 3060803B1 EP 14824891 A EP14824891 A EP 14824891A EP 3060803 B1 EP3060803 B1 EP 3060803B1
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EP
European Patent Office
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membrane
hole
fluid
flow
movements
Prior art date
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EP14824891.7A
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German (de)
English (en)
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EP3060803A1 (fr
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Alain Merlen
Farzam ZOUESHTIAGH
Abdelkrim Talbi
Philippe Pernod
Christophe FRANKIEWICZ
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
Universite Lille 2 Droit et Sante
Ecole Centrale de Lille
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Lille 2 Droit et Sante
Ecole Centrale de Lille
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Publication date
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    • 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
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    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/028—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms with in- or outlet valve arranged in the plate-like flexible member
    • 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
    • F04B45/00—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids
    • F04B45/04—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B45/047—Pumps having electric drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/1077—Flow resistance valves, e.g. without moving parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F7/00—Pumps displacing fluids by using inertia thereof, e.g. by generating vibrations therein

Definitions

  • the present invention relates to a method for generating a flow, as well as a device for generating a flow suitable for implementing the method.
  • the field of the invention relates to the field of devices for controlling and / or generating the flow of fluid, and more particularly micro-pumps or micro-mixers.
  • the invention will find particular application as a microTas for Lab-on-a-Chip applications.
  • Such a device for the generation of flows is known for example from the document US 5718567 which describes a diaphragm micropump comprising a pumping chamber connected to an inlet channel and a discharge channel, an inlet valve at one end of the diaphragm, and an outlet valve at the other end of the membrane, a membrane drive mechanism, the membrane constituting a deformable wall of the pumping chamber.
  • micro-pump requires the presence of said pumping chamber and valves to obtain compression and expansion of the fluid, which implies a relatively bulky device and generally complex to integrate.
  • the inlet valve When the pumping chamber is under pressure under the action of the membrane, the inlet valve is opened and the outlet valve is closed, causing the admission of fluid from the inlet channel to the pumping chamber.
  • the inlet valve When the pumping chamber is at overpressure, under the action of the membrane, the inlet valve is closed and the outlet valve is open, causing the fluid to flow back to the discharge channel.
  • the generation of the flow involves two diaphragm passages, a first passage from the inlet channel to the pumping chamber via the inlet valve and a second passage from the pumping chamber to the discharge channel through the outlet valve.
  • micro-pump Another disadvantage of such a micro-pump is that it can only generate the flow in one direction, the valves preventing the operation of the pump in the opposite direction.
  • micro-pump comprising a membrane extending above a fluid channel (10), the membrane comprising a fluid component (marked 4) having a passage through the membrane.
  • the mechanics of the fluid component marked 4 is such that the resistance to flow through the passage according to a deflection of the membrane in a first direction is greater than the resistance to flow of the passage according to a deflection of the membrane in a second direction and in such a way as to generate a net flow of fluid in said first direction when the membrane is actuated reciprocally.
  • the “ fluid component ” is the essential element which makes it possible to generate the flow in a given direction: such a pump has only one direction of operation, namely said first direction, and therefore cannot be two-way.
  • the fluid component is a conically shaped through hole, such as a diffuser.
  • This conical part is oriented in such a way as to present a preferred direction of flow (ie the direction of least resistance to flow) through the membrane, according to said first direction.
  • the fluid component comprises holes marked 4a in the membrane, as well as a membrane valve marked 4b, capable of closing or opening the holes by imposing a net flow, according to the first direction.
  • a membrane valve marked 4b capable of closing or opening the holes by imposing a net flow, according to the first direction.
  • it is not the geometry of the hole that creates the preferred direction of flow, but the addition of an additional component (the membrane valve, marked 4b).
  • the document US 2006/232167 A1 relates to a piezoelectric diaphragm having a membrane comprising an opening, marked 25.
  • This opening is provided with a " flap valve " arranged to close or open the opening in response to movements of the diaphragm.
  • the fluid flow through the membrane is obtained by virtue of the valve which allows fluid to flow in one direction, from the supply chamber, marked 61 to the outlet chamber marked 65.
  • This valve can be an accessory inserted into the opening.
  • the accessory can be a " ball valve ", or a precision orifice accessory.
  • each accessory is a rigid element having a non-deformable orifice.
  • micro-pump devices from the prior documents WO 02/097270 A1 , DE 10 2008 004 147 or US2006 / 232167 each use a membrane actuated with a reciprocating movement and allowing to generate a flow, according to a net flow, at least in a first direction through the membrane.
  • Such a device according to this prior art is suitable only for a compressible fluid and is not suitable for generating a flow from an incompressible fluid, such as for example water.
  • the vibrations of the actuator marked 50 cause the vibration of the first wall marked 30 and in turn generates a pressure fluctuation in the chamber of the central space marked 21. Due to the bottleneck 23, this fluctuation dissipates essentially through the second opening marked 11.
  • the fluid flow in the central space being high, the internal pressure in the central space marked 21 is less than the pressure of the supply passage marked 22, which generates a pressure gradient creating a flow of fluid from the supply passage 22 to the central space 21.
  • the object of the invention is in particular to overcome the various drawbacks of these known techniques.
  • an objective of the invention is to provide a device allowing easier integration and making the devices more compact, and according to the inventor's wishes, not requiring a pumping chamber and valves for its operation, or even in general, any other flow regulating device, and in particular those taught in the cited prior art.
  • Another objective of the invention is, at least in one particular embodiment, to provide a device of simple design and at the same time reducing manufacturing costs.
  • Another objective of the invention is, at least in one particular embodiment, to provide a device making it possible to obtain better performance.
  • Another object of the invention is to provide a method for generating a flow of fluid.
  • the method implemented makes it possible to generate a flow by a single passage of the fluid through the membrane, advantageously without requiring a pumping chamber to compress or expand the fluid, or a valve and as encountered in the state of the art. known by the document US 5,718,567 .
  • the controlled deformation of the membrane, at least at the level of said at least one hole allows the implementation of a mode of deformation of said at least one hole which generates a flow of fluid.
  • this hole is not associated with any added flow regulating device such as a valve (or “ valve ” or other element blocking the hole to impose a flow direction), nor has its own geometry or an accessory imposing a preferential direction of fluid circulation through the membrane.
  • a first advantage of the method according to the invention is that it requires, for its implementation, only a device of extremely simple structure, comprising only for essential elements, on the one hand, the membrane provided with said at least one hole (deformable), and on the other hand, back and forth movement generating means associated with this membrane.
  • the general principle of the invention is therefore based on the implementation of a method for generating a flow of fluid implemented in a device comprising a membrane 2 provided with at least one hole 20 as well as means 4 generators of back and forth movements.
  • a flow is generated through the membrane by actuating said membrane, at least at the level of said at least one hole, according to a mode of deformation of said at least one hole causing openings and closings of said at least one hole and disturbing the fluid to generate said flow.
  • the method implemented makes it possible to generate a flow by a single passage of the fluid through the membrane, and not two as in the document US 5718567 .
  • the method according to the invention does not require a pumping chamber, or valves, to compress or expand the fluid and as encountered in the state of the art known from the document. US 5,718,567 .
  • this hole is not associated with any attached flow regulating device such as a valve (or“ valve ”or other element blocking the hole to impose a flow direction), nor has its own geometry or an accessory imposing a preferential direction of fluid circulation through the membrane.
  • a first advantage of the method according to the invention is that it requires, for its implementation, only a device of extremely simple structure, comprising only for essential elements, on the one hand, the membrane provided with said at least one hole (deformable), and on the other hand, back and forth movement generating means associated with this membrane.
  • the hole may present different possible forms, it is not configured to impose a preferential direction of flow through the membrane.
  • the back and forth movements are periodic movements, such as for example oscillating movements. It is still possible to generate a flow of fluid by means of pseudoperiodic movements or even aperiodic movements.
  • back and forth movements of the membrane 2 are generated which create flexural movements of the membrane 2.
  • movements of the membrane are generated which create torsional movements of the membrane, or even tension movements and / or compression movements of the membrane.
  • the movements generated can also be a combination of all or part of these different movements.
  • the mode of deformation (bending and / or torsion and / or compression and / or tension) makes it possible, in combination with the openings and closings of said at least one hole, to generate the flow of fluid through the membrane 4.
  • Said at least one hole 20 allows fluid to flow through the membrane, in a first direction, from one side of the membrane to the other, and in a second opposite direction.
  • this hole is not associated with any flow regulator device such as valve, valves, or other obturator system, nor does it have its own geometry creating a lower flow resistance in a given direction, and thus a preferential direction. flow through the membrane.
  • the direction of flow of the fluid through the membrane by controlling the excitation of the back-and-forth movement generating means.
  • One can for example change the direction of flow of the fluid by modifying the mode of deformation of said membrane 2.
  • the direction of flow of the fluid can be changed by varying the frequency of oscillation. of membrane 2.
  • the means 4 for generating reciprocating movements comprise electro-active or magneto-active means, such as for example an electrostatic actuator, an electromagnetic actuator, or even piezoelectric actuator.
  • the means 4 for generating back and forth movements are excited by a variable current signal.
  • an offset is applied to the voltage positively or negatively, so as to generate the flow.
  • the hole or holes are of submillimeter or millimeter dimension.
  • Said hole 20 may be a slot.
  • the width of the slit can be between 1 micron and 500 microns.
  • the length of said slit may be between 1 micron and 2000 microns.
  • the dimensions of the hole are those of the holes when the membrane is unstressed.
  • the pattern of said at least one hole 20 can be chosen from an H pattern ( figure 3a ), U ( figure 3b ), in sinusoid (ie W) ( figure 3c ).
  • the H and U shapes ensure maximum opening, while the sinusoidal opening provides maximum length.
  • the hole can still be simply circular in shape.
  • said at least one hole 20 comprises several holes forming closely spaced parallel lines ( figure 3 d) . Two neighboring lines are brought together by a dimension less than the length of the holes. Such patterns make it possible to obtain a more rigid opening 20 and therefore to limit leaks when the device is stopped.
  • the means for generating back-and-forth movements are separate from the membrane and cooperate with said membrane to actuate and deform the membrane at least at said hole.
  • the membrane can be active, comprising an ionic polymer excited by electrodes.
  • the membrane can be active, comprising a flexible material loaded with magnetic nano-materials (for example Fe, FexOy, permanent magnet, ...) or dielectric (for example LiNBO3, SiO2, ..), or metallic (for example Carbon nanotube, graphene, ..). The introduction of these materials makes it possible to make said membrane intrinsically active and can be used, for example, as a flexible piezoelectric, or dielectric, or ionic, or magnetic active material.
  • the device comprises a third part 3 made of rigid material, such as silicon for example, linked to one of the faces of the mobile part of the membrane 2, said third part 3 being arranged at the center of the membrane. 'recess 10.
  • the third part is of smaller dimension than that of the recess 10 so as to form an inter-space 30 between said first part and said third part 3, and so as to form a movable part comprising the movable part of the membrane. 2 and the third part 3 in a particular configuration in the center of the recess 10.
  • the movement generating means 4 are able to cooperate with said third part 3 in such a way as to actuate the movable part as well as the hole or holes 20 of the membrane 2 at the level of the inter-space.
  • the operating mode of the device can be dual, that is to say that the membrane 2 is suitable, during the back and forth movements of the mobile part 31, in circulating a fluid in both directions, the device allowing both suction and discharge of the fluid.
  • a modification of the device is not necessary here to modify the direction of circulation of the fluid.
  • said at least one hole 20 must allow fluid to flow through the membrane, in a first direction, from one side of the membrane to the other, and in a second opposite direction.
  • the device is capable of causing a fluid to circulate through the membrane 2 during movements of the mobile part, and preferably capable of preventing the circulation of the fluid when the mobile part is at rest.
  • said at least one hole 20 may extend halfway between the edge of the first part 1 and the edge of the third part 3.
  • said at least one hole 20 is arranged at the level of the corners of said third part 3. Obviously, the position of the hole or holes 20 can be modified as needed.
  • the structure of the device is defined by the length and the width of the fixed part 1, which can, by way of non-limiting example, vary between 2 mm and 20 mm, as well as the length and the width of the flexible membrane 2. , which can vary between 2mm and 20mm as well.
  • the structure of the device is also defined by the length and width of the third part 3, which can vary between 500 ⁇ m and 10,000 ⁇ m, and by the length and width of the recess 10, which can vary between 500 ⁇ m and 10,000 ⁇ m.
  • the thickness of the fixed part 1 varies between 100 ⁇ m and 10,000 ⁇ m, that of the flexible elastomer membrane 10 varies between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m, and that of the third part 3 varies between 0 and 10,000 ⁇ m .
  • the width of said at least one hole 20 is between 1 ⁇ m and 500 ⁇ m and the length of said at least one hole is between 1 ⁇ m and 2000 ⁇ m.
  • the choice of the width of the recess 10, of the third part 3, as well as of the thickness of the membrane 2 results from a compromise between the flexibility of the desired membrane 2 and its robustness during actuation. .
  • a membrane 2 that is not very wide and thick will be more resistant but will not allow movement to be obtained.
  • a thin and wide membrane 2 will be flexible but not very resistant to the tensile and torsional forces applied to the membrane 2.
  • the length and width of said hole 20 are determining factors for the performance of the device, in particular for the flow rate and the pressures generated.
  • a hole 20 of large size for example 500 ⁇ m in width and 2000 ⁇ m in length, will make it possible to obtain high flow rates.
  • the third part 3 is advantageously arranged at the level of the recess 10 of the fixed part 1, and is arranged between the openings 20 of the membrane 2, thus forming the movable part 31.
  • Such an arrangement allows, during the movements of va -and-has just deformed the membrane 2 in particular at the level of the hole or holes 20 so as to circulate a fluid through the membrane 2.
  • the recess 10 of said first part 1 may be circular, said third part 3 for example adopting a circular shape so as to form a circular inter-space 30.
  • the recess of the first part 1 is rectangular
  • the third part 3 adopting a rectangular shape so as to form a rectangular inter-space.
  • the corners of the rectangular inter-space are rounded in order to limit the stresses involved by angular corners during the oscillation of the membrane 2. In fact, by keeping a right angle, the membrane 2 at a risk of tearing at said corners.
  • the excitation signal of the membrane 2 is varied, via control means acting on the means 4 generating back-and-forth movements, so as to change the direction of fluid flow.
  • the direction of flow of the fluid is changed by varying the excitation frequency of the membrane.
  • a suction / discharge change was measured, by way of non-limiting example around 225-275 Hz. In this frequency range, the main mode of vibration observed is a so-called torsion mode, a so-called bending mode being observed at the other frequencies.
  • the position of the hole or holes 20 influences the performance of the device. Indeed, when the holes 20 are arranged at the at the corners, the torsion mode is predominant around 225-275 Hz, the device then operating in discharge. Conversely, outside this frequency range, the device operates in suction.
  • the position of the holes 20 at the level of the corners therefore makes it possible to obtain better performance in torsion mode, the openings 20 opening more significantly.
  • the inventor has found that in the case of the holes 20 arranged midway between the edge of the first part 1 and the edge of the third part 3, the suction performance is better. Indeed, the bending mode allows a greater clearance and better opening of the holes 20 arranged midway between the edge of the first part 1 and the edge of the third part 3.
  • the inventor has moreover observed two resonance peaks located around 100 Hz and 175/200 Hz, the resonance peaks causing a greater deflection of the membrane 2 and therefore an increase in the flow rate. According to one embodiment, it is possible to excite the membrane 2 at its resonant frequency or frequencies.
  • the frequencies and other parameters mentioned above and below are mentioned by way of nonlimiting example, for a given prototype. These parameters (the regime change frequencies and the resonance frequencies in particular) depend on the parameters of the device such as the material used for the membrane, the dimensions of the membrane (thickness in particular), the tension exerted on the membrane and the weight of the mobile part in particular, and are specific to the device produced.
  • the oscillation generating means 4 comprise electromagnetic means which are excited by an alternating current signal and to which an offset is applied to the voltage so as to change the mode. operating mode of the device, that is to say changing the direction of flow of the fluid.
  • an offset of 125 mV on a voltage of 500 mV peak to peak will shift the origin of the voltage zeros to 125 mV.
  • the signal delivered to the electromagnetic means before amplification will oscillate between -125 mV and 375 mV.
  • Such an offset has the effect of changing the origin of the vibration of the membrane 2, of the mobile part 31 more precisely.
  • a positive change in the offsets allows the device to operate in discharge mode, while a negative change in the offsets allows the device to operate in suction mode.
  • the back-and-forth movement generating means 4 comprise electromagnetic means such as a magnet couple 40 associated with a coil 41.
  • the magnet 40 may be integral with the third part.
  • the coil is integral with a separate support, for example in rigid connection with the first part 1.
  • Other means known to those skilled in the art can also be envisaged, such as piezoelectric or electrostatic means.
  • the device is placed within a packaging 7 in the form of a box receiving the device, so as to make it waterproof.
  • the packaging 7 respectively comprises a housing for the device as well as for the magnet, orifices 70 capable of receiving a screw-nut system or any other type of mechanical retention to hold the packaging 7 to a support, as well as an inlet 71 and an outlet 72 for the passage of the fluid to be circulated.
  • the coil 41 is provided inside the path of the fluid between the inlet 71 and the outlet 72 of the device. Alternatively, it is understood that the coil 41 can be located outside so that it is not exposed to the fluid, which can be important for certain applications.
  • the material used for the membrane can be an elastomer such as, for example, SILASTIC®, or else HV 1540 / 20P® from Dow Corning.
  • a bench produced to test the device according to the invention is illustrated schematically on figure 6 .
  • This bench forms two receptacles R1, R2, separated by a partition on which the device according to the invention is fixed, through an opening in the partition.
  • the seal between the device and the partition is ensured by an O-ring 50.
  • the movement generating means are electromagnetic and comprise a magnet 40 and coil 41 pair.
  • the membrane 2 separates the respective volumes of the two receptacles R1, R2. According to the tests carried out, the volumes of the two receptacles R1, R2 are filled with a liquid (i.e. water), and so that the device and its membrane 2 are completely submerged.
  • a liquid i.e. water
  • the back-and-forth movement generator is driven so as to deform the hole in the membrane according to a hole deformation mode, for example by exciting the magnet / coil couple at a given frequency (with or without voltage offset) .
  • the net flow rates obtained during the tests were between 10 and 10,000 ⁇ L / min with water. However, higher flow rates can be envisaged, reasonably at least up to 900mL / min by optimizing the size and the number of openings in particular.
  • the simplicity and very low cost of manufacturing the device used according to the invention optionally makes it possible to design the perforated membrane and its support as a removable assembly of the device, for single use.
  • this perforated membrane / support assembly can simply be removed from the body of the device, and discarded. When it is used again, it is replaced by a new, unused set: this component of the device, which is disposable, does not need to be cleaned and / or sterilized before proceeding with a new use of the device.

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Description

  • 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 œuvre 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 5718567 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.
  • 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 A1 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.
  • 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 A1 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 A1 , DE 10 2008 004147 ou US2006/232167 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 :
    • le système d'obturateur du trou dans le document WO 02/097270 A1 ,
    • 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 A1 (un micro ventilateur, qui comprend (voir revendication 1) :
    • 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 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.
  • 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 telle que définie dans la revendication 1 à l'aide d'un procédé pour générer un écoulement de fluide mis en œuvre 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 œuvre 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 .
  • Selon la compréhension actuelle, la déformation contrôlée de la membrane, au moins au niveau dudit au moins un trou permet la mise en œuvre 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 œuvre, 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
    • 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.
  • Selon un mode de réalisation du procédé, le dispositif pour la génération d'un écoulement de fluide, convenant pour la mise en œuvre du procédé, comprend:
    • 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 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.
  • 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 œuvre d'un procédé pour générer un écoulement de fluide mis en œuvre 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 œuvre 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 .
  • 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 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.
  • 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 A1 , DE 10 2008 004147 ou US2006/232167 ) 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 œuvre, 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 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 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, FexOy, aimant permanent,...) ou diélectriques (par exemple LiNBO3, SiO2, ..), 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
  • Plus précisément, un tel dispositif destiné à la mise en œuvre 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, 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 µm et 10 000 µm, et par la longueur et la largeur de l'évidement 10, qui peuvent varier entre 500 µm et 10 000 µm.
  • L'épaisseur de la partie fixe 1, varie entre 100 µm et 10 000 µm, celle de la membrane 10 en élastomère souple, varie entre 10 µm et 200 µm, et celle de la troisième partie 3, varie entre 0 et 10 000 µm.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la largeur dudit au moins un trou 20 est comprise entre 1 µm et 500 µm et la longueur dudit au moins un trou est comprise entre 1 µm et 2000 µm.
  • 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 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 pressions générées. Par exemple, un trou 20 de taille importante, par exemple 500 µm de largeur et 2000 µm 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. 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 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 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.
  • 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 ;
    • 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 SiO2 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 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 10 000 µL/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.
  • La simplicité et le très faible coût de fabrication du dispositif mis en œuvre 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.
    • NOMENCLATURE
    • 1.
    Partie fixe,
    10.
    Evidement de la partie fixe,
    2.
    Membrane en élastomère souple,
    20.
    Trous,
    3.
    Troisième partie,
    30.
    Inter-espace,
    31.
    Partie mobile,
    4.
    Moyens générateurs d'oscillations,
    40.
    Aimant,
    41.
    Bobine,
    50.
    Joint torique,
    7.
    Packaging,
    70.
    Orifices,
    71.
    Entrée,
    72.
    Sortie.
    100.
    Silicium,
    101.
    Elastomère,
    102.
    Nickel,
    103.
    Aluminium,
    104,104'.
    Résine.

Claims (21)

  1. Procédé pour générer un écoulement de fluide mis en œuvre 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, dans lequel on génère un écoulement au travers de la membrane en actionnant ladite membrane, au moins au niveau dudit au moins un trou (20), 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 au travers de la membrane, dans un sens donné, et dans lequel le dispositif comprend pour éléments essentiels permettant la mise en œuvre du procédé, seulement, d'une part, la membrane (2) pourvue dudit au moins un trou (20) déformable, et d'autre part, les moyens générateurs de mouvement de va-et-vient associés à cette membrane (2) et procédé selon lequel 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 est provoqué par le mode de déformation du trou résultant de l'actionnement de la membrane, le trou n'étant 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.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les mouvements de va-et-vient sont des mouvements périodiques.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les mouvements de va-et-vient sont des mouvements pseudopériodiques ou encore des mouvements apériodiques.
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le mode de déformation dudit au moins un trou comprend des mouvements de flexion de la membrane (2) et/ou des mouvements de torsion et/ou de compression et/ou de tension de la membrane (2) ou encore une combinaison de ces mouvements.
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la membrane (2) est apte, lors de ses mouvements de va-et-vient, à faire circuler un fluide au travers dudit au moins un trou (20) et apte à interdire la circulation du fluide lorsqu'elle est au repos.
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la membrane (2) génère des fuites au repos.
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit au moins un trou (20) 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 et dans lequel 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.
  8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on change le sens de circulation du fluide en modifiant le mode de déformation de la membrane (2).
  9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le fluide est un fluide incompressible.
  10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel le fluide est un fluide compressible.
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel lesdits moyens (4) générateurs de mouvements de va-et-vient comprennent un actionneur électromagnétique, un actionneur piézoélectrique un actionneur électrostatique, un actionneur magnétostrictif, un actionneur ferroélectrique, un actionneur thermique, ou encore un actionneur à mémoire de forme.
  12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel les moyens (4) générateurs de mouvements de va-et-vient sont distincts de la membrane (2) et coopèrent avec ladite membrane pour actionner et déformer la membrane au moins au niveau dudit trou, ou alternativement la membrane est une membrane active.
  13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel ledit au moins un trou (20) est de dimension submillimétrique ou millimétrique.
  14. Procédé selon la revendication 1 dans lequel ledit dispositif pour la génération d'un écoulement de fluide comprend :
    - une première partie (1), fixe, en matière rigide, présentant un évidement (10) traversant,
    - une deuxième partie, comprenant une membrane (2) liée à ladite première partie sur sa périphérie et recouvrant l'évidement (10),
    - des moyens (4) générateurs de mouvements de va-et-vient aptes à déformer 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 la membrane à faire circuler un fluide au travers de la membrane (2),
    de telle manière à permettre la génération d'un écoulement au travers de la membrane en excitant la membrane (2) de manière à actionner et déformer ledit au moins un trou (20) suivant un mode de déformation dudit au moins un trou et générant un écoulement au travers de la membrane dans un sens donné.
  15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel ledit dispositif comprend une troisième partie (3) en matériau rigide, liée à l'une des faces de la membrane (2), ladite troisième partie (3) étant disposée au niveau de l'évidement (10) et de dimensions inférieures à celles de l'évidement (10) de telle façon à former un inter-espace (30) entre ladite première partie (1) et ladite troisième partie (3), et de telle façon à former une partie mobile (31) comprenant la membrane (2) et la troisième partie (3) au niveau de l'évidement (10), lesdits moyens (14) générateurs de mouvement de va-et-vient coopérant avec la troisième partie rigide (3), ledit au moins un trou (20) étant situé au niveau dudit inter-espace (30).
  16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, dans lequel ledit au moins un trou (20) est de dimension submillimétrique ou millimétrique.
  17. Procédé selon l'une des revendications 14 à 16, dans lequel ledit au moins un trou comprend sélectivement, un motif de forme en H, en U, en W, en I, en sinusoïde, ou encore ledit au moins un trou comprend plusieurs fentes parallèles rapprochées.
  18. Procédé selon l'une des revendications 14 à 17 dans lequel 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, le dispositif comprenant des moyens de commande des moyens (4) 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.
  19. Procédé selon l'une des revendications 14 à 18, dans lequel lesdits moyens (4) générateurs de mouvement de va-et-vient comprennent un actionneur électromagnétique tel qu'un couple aimant (40) / bobine (41), un actionneur piézoélectrique, ou encore un actionneur électrostatique.
  20. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 19 dans un microTas.
  21. Utilisation du procédé des revendications 1 à 19, dans lequel la membrane perforée et son support sont conçus comme un ensemble amovible du dispositif, jetable, à usage unique.
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