EP3838410A1 - Dispositif à actionnement pneumatique à substrats à base de papier - Google Patents

Dispositif à actionnement pneumatique à substrats à base de papier Download PDF

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EP3838410A1
EP3838410A1 EP20213732.9A EP20213732A EP3838410A1 EP 3838410 A1 EP3838410 A1 EP 3838410A1 EP 20213732 A EP20213732 A EP 20213732A EP 3838410 A1 EP3838410 A1 EP 3838410A1
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EP
European Patent Office
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membrane
substrate
layer
zone
cavity
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Pending
Application number
EP20213732.9A
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German (de)
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Inventor
Raphaël TROUILLON
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a pneumatically actuated device.
  • This device has the particularity of having at least one paper-based substrate.
  • a pneumatically actuated device can be, for example, a mechanical actuator or a fluidic valve.
  • microfluidic devices provided with a paper-based substrate having a hydrophobic surface treatment.
  • Such solutions are in particular described in the patent application WO2013 / 181656A1 and in the patent application EP3053652A1 .
  • the microfluidic circuit produced by embossing can be closed from above with a transparent adhesive film using mainly materials based on poly (ethylene terephthalate) (PET) or ethylene vinyl acetate. (EVA).
  • PET poly (ethylene terephthalate)
  • EVA ethylene vinyl acetate.
  • the aim of the invention is therefore to provide such a device.
  • This device has the particularity of comprising at least one paper-based substrate.
  • the first substrate comprises a recess made on its second layer and into which the said control orifice emerges.
  • the membrane is produced in the form of an integral layer deposited over the entire external surface of the second layer of the first substrate, covering said recess.
  • the first substrate comprises a cavity produced opposite the zone of deformation of the membrane, the membrane and the cavity delimiting a chamber, called the first chamber, of non-zero volume, said control orifice. opening inside said cavity.
  • the membrane is produced in the form of an integral layer deposited on the external surface of the second layer of the first substrate, covering said cavity.
  • the device comprises a plate provided with an opening, said plate being applied against the membrane, its opening being cut out to define said zone of deformation of the membrane.
  • the membrane is made of a material of silicone polymer or polysiloxane type.
  • the invention also relates to an actuation system comprising pneumatic equipment and at least one pneumatically actuated device as defined above, said pneumatic equipment being connected to the control orifice of the device in order to be able to control a deformation of the device. the membrane.
  • the system comprises several juxtaposed pneumatically actuated devices produced in the same substrate, said substrate comprising several juxtaposed cavities, a single membrane common to all the devices covering all of the cavities produced.
  • the system comprises several juxtaposed actuation devices produced in the same substrate, said substrate comprising a common cavity, a single membrane common to all the devices covering said cavity and a plate deposited on said membrane comprising several juxtaposed openings. defining several zones of deformation of the membrane.
  • the membrane is deposited by thermal sealing.
  • the first substrate comprises a cavity produced by embossing said first substrate.
  • the method comprises a step of affixing a plate on said membrane, said plate being provided with an opening cut to define the zone of deformation of the membrane.
  • the pneumatically actuated device of the invention comprises a substrate 2 formed of at least two layers 20, 21, advantageously only two layers.
  • the paper used is sold under the trademark “Powercoat” (registered trademark) having a basis weight of 219 g / m 2 .
  • the second layer 21 of the substrate 2 is deposited on the first layer of “Powercoat”.
  • the second layer 21 is advantageously a vinylidene polymer, advantageously polyvinylidene chloride (hereinafter PVDC) or polyvinylidene fluoride (PVDF), advantageously polyvinylidene chloride. In the remainder of the description, it is chosen to use a second layer 21 based on PVDC.
  • PVDC polyvinylidene chloride
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVDC layer 21 can thus be deposited on this new substrate (P5N coated with PVDC at 12 gm -2 ).
  • the figure 1 shows an example of the process for manufacturing substrate 2.
  • the layer 21 of PVDC is deposited on the first layer 20 of paper by coating.
  • the PVDC layer is deposited at a thickness between 5 and 20 ⁇ m, which corresponds to basis weights between 15 and 25 g / m 2 .
  • This technique makes it possible to deposit a preparation based on PVDC on the paper then to scrape the excess to keep only a thin functional layer. Drying is then carried out to evaporate the excess water. Drying can be carried out at room temperature; it is possible to carry it out at temperatures up to 70 ° C or even 90 ° C to speed up the process.
  • the PVDC used can be a commercial aqueous emulsion named Diofan A050 (Solvay-registered trademark).
  • such a two-layer substrate 2 may be referenced 2.1 and 2.2.
  • the figure 2 illustrates an alternative embodiment of the method of figure 1 .
  • This variant embodiment consists in using a mask 28 deposited on the first layer 20, in order to produce a recess at the level of the second layer, over its entire thickness, and to delimit an uncoated zone.
  • step E20 The mask 28 is deposited on the first layer 20.
  • the coating principle is then similar to that described for step E10 above.
  • the figure 3 illustrates the principle of embossing a substrate 2 obtained.
  • This step consists of embossing the substrate 2 in order to functionalize it.
  • the embossing is carried out on the upper face of its second layer 21.
  • the embossing can consist in placing the substrate between two dies of a press, a lower die M1 in hollow and an upper die M2 in relief. During the press, the reliefs are duplicated on said upper face of the substrate so as to form an imprint. Other techniques can of course be considered.
  • a hollow or concavity pattern is produced by embossing said substrate 2, for example forming a cavity 22 as shown in Figure figure 3 .
  • E32 A substrate 2 is thus obtained provided with the cavity 22 obtained by embossing.
  • the cavity 22 may have a hollow shape of constant section over its entire height, with a circular contour. In this case, it may for example have a diameter of 8mm and a depth of 0.5mm.
  • the embossing can thus make it possible to produce a pattern forming a concavity on the upper face of the second layer of the substrate.
  • This concavity can be in any possible form. It will be seen that it can for example take the form of a longitudinal channel, for example with a square section.
  • first substrate 2.1 When the device has only one substrate, the latter is referenced 2.1.
  • second substrate 2.2 When the device comprises two substrates, these are designated first substrate 2.1 and second substrate 2.2.
  • the microfluidic device of the invention may be produced by combining a first substrate 2.1 and a second substrate 2.2 produced according to the different variants shown respectively on the figure. figure 4 for the first substrate 2.1 and on the figure 5 for the second substrate 2.2:
  • the displacement of the membrane 3 can be controlled by pressure and / or vacuum, depending on the operation envisaged;
  • each substrate used may or may not have a concavity.
  • Each concavity can be produced by embossing according to the principle described above in conjunction with the figure 3 .
  • the membrane 3 is for example composed of a film made from a hyper-elastic two-component polymer material, for example a silicone or polysiloxane polymer. It may in particular be an elastomer of PDMS (for Polydimethylsiloxane) or ECOFLEX type (trademark registered by the company “Smooth-On” - for example Ecoflex 00-50). Its thickness can be between 20 and 500 ⁇ m.
  • the membrane 3 may be in the form of an integral layer interposed between the two substrates or of a pellet or disc deposited in a localized manner between the two substrates and coming to adhere to only part of each external surface of the two substrates.
  • the device of the invention is intended for use in a system integrating pneumatic equipment 5.
  • the pneumatic equipment 5 may include a pump capable of sucking or injecting air to control the displacement of the membrane.
  • the system may also include a control unit responsible for controlling said pump.
  • the fixing of the membrane 3 on the second PVDC layer 21 of a substrate and the assembly between two substrates by their second layer can be carried out.
  • any known solution for example by gluing, advantageously by thermal sealing.
  • the thermal sealing will be carried out by keeping the layers against each other, for example substrate + membrane or substrate + substrate, for a determined period (for example 20 minutes) and at a suitable temperature, which can range from 130 ° C and 170 ° C. During the sealing time, the temperature can be kept constant or vary in the range from 130 ° C to 170 ° C.
  • the device is of the mechanical actuator type. It is made from a flat substrate 2.1 (without cavity) provided with a recess 29.1 (V2), and a membrane 3.
  • the membrane 3 is applied by its lower face against the upper face of the second PVDC layer of the substrate 2.1, leaving a zone of the membrane free at the level of the recess 29.1 of the substrate 2.1, this zone forming the deformation zone of the membrane 3.
  • This deformation zone is intended to remain free with respect to the substrate 2.1.
  • the zone of deformation of the membrane can be in the form of a disc.
  • the substrate 2.1 is pierced with the orifice 270.1 forming the control channel, advantageously in the axis of the deformation zone of the membrane 3.
  • a nozzle can be added through the control channel to allow the connection of a connector intended to be connected to the pneumatic equipment 5.
  • the orifice may have a diameter of 3.5mm.
  • the membrane 3 when the pneumatic equipment 5 injects air through the control channel, the membrane 3 is deformed, for example forming a dome at its deformation zone. When the pump is stopped, the membrane 3 returns to its initial position against the upper face of the substrate 2.1, by a simple elastic effect.
  • the device is a variant of that described above in conjunction with the figures 6 and 7 .
  • the device may also include a plate 4 affixed against the upper face of the membrane 3 (V3).
  • This plate 4 can be made of plastic material or any other rigid or semi-rigid material.
  • An advantageous option is to use a plate made of a paper (or any other cellulose-based material) coated with PVDC (according to the principle described in figure 1 ). This plate 4 can then be heat sealed / glued to the upper face of the membrane 2. This approach makes it possible to reduce the mass of plastic polymers in the system.
  • the paper used as the plate can be P5N (industrially coated tracing paper of PVDC at 5 g / m 2 sec) with an additional adhesion layer of PVDC (12 g / m 2 sec).
  • the plate 4 comprises an opening 40, the section of which is configured to define the zone of deformation of the membrane 3 when the latter is actuated.
  • said opening 40 can take all types of shapes. By way of example, it may be a circular opening 40 (variant V100), in the form of a rectangle (variant V200), eight (variant V300), etc.
  • the figure 9 illustrates the operating principle of the device in its second embodiment.
  • the pump of the pneumatic equipment 5 is connected via a hermetic link on the control channel of the diaphragm 3.
  • the pneumatic equipment 5 injects air through the control channel.
  • the membrane 3 is deformed by following the deformation zone defined by the opening 40 made through the plate 4.
  • the membrane 3 deforms into a dome.
  • the device is of the mechanical actuator type and comprises a single substrate 2.1 (V4).
  • the substrate 2.1 has a recess 29.1 and is embossed so as to create a recess 26.1 around the recess 29.1.
  • the recess may have a circular contour and a depth at least equivalent to the thickness of the membrane 3.
  • E101 The membrane 3, for example in the form of a disc, is housed in the recess 26.1.
  • E102 The membrane 3 housed in the recess is fixed to the upper face of the substrate 2.1, to cover the recess 29.1, leaving its deformation zone free.
  • E103 The orifice 270.1 format the control channel is made through the substrate 2.1, advantageously in the axis of the deformation zone of the membrane.
  • the figure 11 illustrates the operating principle of the device in its third embodiment.
  • the pump of the pneumatic equipment 5 is connected via a hermetic link on the control channel of the diaphragm 3.
  • the pneumatic equipment 5 injects air through the control channel. Pressurized, the membrane 3 deforms at its deformation zone, for example forming a dome.
  • the device is a variant of that described above in connection with the figures 10 and 11 .
  • the device may also include a plate 4 affixed against the upper face of the membrane 3. This plate 4 has the same characteristics as those described above.
  • the plate 4 comprises an opening 40, the section of which is configured to define the zone of deformation of the membrane 3 when the latter is actuated.
  • This opening may for example be narrower than the recess 29.1 made below the membrane 3.
  • said opening 40 can take all types of shapes. By way of example, it may be a circular opening 40 (variant V100), in the form of a rectangle (variant V200), eight (variant V300), etc.
  • the figure 13 illustrates the operating principle of the device in its fourth embodiment.
  • the pump of the pneumatic equipment 5 is connected via a hermetic link on the control channel of the diaphragm 3.
  • the pneumatic equipment 5 injects air through the control channel.
  • the membrane 3 is deformed by following the deformation zone defined by the opening 40 made through the plate 4.
  • the membrane 3 deforms into a dome.
  • the device is of the mechanical actuator type and comprises a single substrate 2.1 (V5).
  • Substrate 2.1 has a cavity 22.1.
  • the cavity can be produced by embossing according to the principle described above in conjunction with the figure 3 .
  • the deformable membrane 3 is deposited on the upper face of the second PVDC layer of the substrate 2 so as to cover the opening of the cavity 22.1 and close the latter.
  • the membrane 3 is affixed hermetically to the surface of the substrate.
  • the cavity and the membrane thus define a chamber 23.1 having an internal space of non-zero volume.
  • the substrate 2.1 is provided with the orifice 270.1, forming the control channel of the membrane 3.
  • the control channel opens into the chamber 23.1 delimited by the cavity 22.1 and the membrane 3.
  • a nozzle can be added through this port to allow the connection of a fitting intended to be connected to the pump of the pneumatic equipment.
  • the figure 15 illustrates the operating principle of the device in its fifth embodiment.
  • the pneumatic equipment pump 5 is connected via a hermetic link on the control channel of the diaphragm 3.
  • the pneumatic equipment 5 injects air through the control channel into the chamber. Pressurized, the membrane 3 deforms at its deformation zone, for example forming a dome.
  • the membrane deforms towards the inside of the cavity 22.1 (in dotted lines on the figure 15 ).
  • the device is a variant (V6) of that described above in connection with the figures 14 and 15 .
  • the device may additionally include a plate 4 affixed against the upper face of the membrane 3. This plate 4 may have the same characteristics as that already described above.
  • the plate 4 comprises an opening 40, the section of which is configured to define the zone of deformation of the membrane 3 when the latter is actuated.
  • said opening 40 can take all types of shapes. By way of example, it may be a circular opening 40 (variant V100), in the form of a rectangle (variant V200), eight (variant V300), etc.
  • the figure 17 illustrates the operating principle of the device in its sixth embodiment.
  • the pump of the pneumatic equipment 5 is connected via a hermetic link on the control channel of the diaphragm 3.
  • the pneumatic equipment 5 injects air through the control channel.
  • the membrane 3 is deformed by following the deformation zone defined by the opening 40 made through the plate 4.
  • the membrane 3 deforms into a dome.
  • the membrane deforms towards the inside of the cavity 22.1 (in dotted lines on the figure 17 ).
  • the device is of the fluidic type and comprises two substrates 2.1, 2.2.
  • Two orifices 240.2, 250.2 are for example made through the second substrate, each opening into the chamber 23.2.
  • the operation could be reversed.
  • the control is carried out on the side of the second substrate 2.2 and the fluid is sucked through the first substrate 2.1. A single orifice through each substrate is then sufficient.
  • the device is an evolution of that described above in connection with the figures 18 and 19 (V4 and V10).
  • the device has two substrates 2.1, 2.2.
  • the first substrate 2.1 has a recess 29.1 and is embossed so as to create a recess 26.1 around its recess 29.1.
  • the recess 26.1 may have a circular contour and a depth at least equivalent to the thickness of the membrane 3.
  • the second substrate 2.2 has a cavity 22.2, for example produced by embossing according to the principle described above in connection with the figure 3 .
  • the two PVDC layers of the two substrates 2.1, 2.2 face each other.
  • the membrane 3 for example in the form of a disc or pellet, is housed in the recess 26.1 and covers said recess 29.1.
  • the membrane 3 housed in the recess is fixed by its lower face to the upper face of the second layer of the first substrate 2.1, on a part peripheral to the recess 29.1.
  • the membrane 3 is also affixed by its upper layer to the lower PVDC layer of the second substrate 2.2 at the periphery of its cavity 22.2 to cover the latter and close it hermetically, forming the chamber 23.2.
  • E202 The orifice 270.1, forming the control channel, is made through the first substrate 2.1, advantageously in the axis of the deformation zone of the membrane 3.
  • Two orifices 240.2, 250.2 are for example made through the second substrate 2.2, each opening into the chamber 23.2.
  • the device could be reversed.
  • the control is then carried out on the side of the second substrate 2.2 and the fluid is sucked through the first substrate 2.1. A single orifice through each substrate would then be sufficient.
  • This realization is a variant of that of figures 20 and 21 . It has two substrates 2.1, 2.2 (V2 and V11).
  • the device has two substrates 2.1, 2.2.
  • the first substrate 2.1 is flat and provided with a recess 29.1.
  • the second substrate 2.2 has a cavity 22.2, for example produced by embossing according to the principle described above in connection with the figure 3 as well as an annular counterbore 27.2 produced at the periphery of the cavity 22.2 and on which the membrane 3 will bear support.
  • the counterbore can also be produced by embossing according to the same principle.
  • the counterbore may have a depth at least equivalent to the thickness of the membrane 3.
  • the two PVDC layers of the two substrates 2.1, 2.2 face each other.
  • the membrane 3 for example in the form of a disc, comes to bear and is fixed by its periphery on the counterbore 27.2, thus covering the cavity 22.2 and closing it hermetically, forming the chamber 23.2.
  • the membrane 3 thus housed is fixed to the upper face of the first substrate 2.1, by a zone peripheral to its recess 29.1, leaving its deformation zone free.
  • E221 The membrane 3 is thus held between the two substrates 2.1, 2.2, while retaining its free deformation zone towards the interior of the cavity 22.2.
  • E222 The orifice 270.1, forming the control channel, is made through the first substrate 2.1, advantageously in the axis of the deformation zone of the membrane 3.
  • Two orifices 240.2, 250.2 are for example made through the second substrate 2.2, each opening into the chamber 23.2.
  • this counterboring principle to house the membrane 3 can be applied to other embodiments described, to replace the full deposition of the membrane 3 over the entire substrate.
  • a membrane is then used in the form of a pellet or a disc which is positioned on the edge of the cavity.
  • the device could be reversed.
  • the control is then carried out on the side of the second substrate 2.2 via an orifice and the fluid is sucked through the first substrate 2.1. A single orifice through each substrate would then be sufficient.
  • the device is of the fluidic valve type and comprises two substrates 2.1, 2.2 (V6 and V10).
  • the first substrate 2.1 and the second substrate 2.2 are each provided with a cavity 22.1, 22.2, for example produced by embossing according to the principle described above in connection with the figure 3 .
  • the second embossed substrate 2.2 is turned over with respect to the first substrate 2.1 so as to present its second layer 21.2 of PVDC facing the second layer 21.1 of PVDC of the first substrate 2.1.
  • the membrane 3 is in the form of an integral layer interposed between the two substrates.
  • E242 The three elements are assembled together.
  • the membrane 3 thus adheres to the two layers of PVDC around the two cavities and thus delimits two spaces 230.1, 230.2 which are hermetic with respect to one another.
  • the second substrate 2.2 is pierced with two orifices 240.2, 250.2 each opening independently into the second space 230.2. Each orifice forms a fluid inlet / outlet channel. A nipple can be fitted through each port to connect a hose to it.
  • the first substrate 2.1 is pierced with a single orifice 270.1 opening into the first space 230.1. This orifice forms the control fluid inlet / outlet control channel making it possible to actuate the membrane 3.
  • a nozzle can be added through this orifice to allow the connection of a fitting intended to be connected to pneumatic equipment.
  • the figure 26 illustrates the production of several actuator-type devices in accordance with the invention on the same paper-based substrate 2. Each device can for example be addressed individually by the pneumatic equipment 5. The same membrane 3 can be used for all the devices and the same plate 4 provided with several openings 40 can be used to cover the entire membrane 3.
  • state E260 all actuators are at rest.
  • state E261 the pneumatic equipment 5 controls the actuation of the membrane at the level of the actuator A2 and the actuator A3.
  • the figure 27 is an alternative embodiment of the solution of the figure 26 .
  • a single cavity 23.1 is made in the first substrate. Air injection is common and makes it possible to actuate several actuators A1, A2, A2 at once.
  • the plate 4 and its openings 40a, 40b, 40c make it possible to define the zones of deformation of the membrane 3. In state E270, all the actuators are at rest. In state E271, all actuators are active. The membrane 3 is deformed at the level of the three openings 40a, 40b, 40c made through the plate 4.
  • the figure 28 illustrates the production on the same support of several devices of the microfluidic valve type.
  • the support of all the valves is composed of two substrates 2.1, 2.2 only, each embossed with several cavities to form each valve.
  • a membrane common to all the valves is interposed between the two substrates.
  • Each valve can for example be addressed individually by the pneumatic equipment 5.
  • the figure 30 illustrates an example of application of a device of the invention used as a mechanical actuator. This application consists for example in switching an electric switch 6.
  • E301 The membrane 3 is deformed and pushes the switch 6 to its closed position, allowing the electrical circuit to be closed.

Abstract

L'invention concerne un dispositif à actionnement pneumatique, ce dispositif comportant :- Un premier substrat (2.1) composé d'au moins deux couches superposées, une première couche (20) réalisée en papier et une deuxième couche (21) déposée sur la première couche, réalisée dans un matériau à base de polymère de vinylidène et présentant une surface externe,- Une membrane (3) déformable comprenant une zone de déformation et une zone de fixation située en périphérie de sa zone de déformation, ladite membrane étant fixée par sa zone de fixation uniquement sur ladite surface externe de la deuxième couche du premier substrat,- Un orifice (270.1) de commande réalisé à travers le premier substrat (2.1), suivant un axe traversant ladite zone de déformation de la membrane.

Description

    Domaine technique de l'invention
  • La présente invention se rapporte à un dispositif à actionnement pneumatique. Ce dispositif présente la particularité de présenter au moins un substrat à base de papier.
    • Etat de la technique
  • Un dispositif à actionnement pneumatique peut être par exemple un actionneur mécanique ou une vanne fluidique.
  • Dans différents domaines, notamment dans le domaine de l'analyse biologique, il a été proposé d'employer des dispositifs micro-fluidiques dotés d'un substrat à base de papier présentant un traitement de surface hydrophobe. De telles solutions sont notamment décrites dans la demande de brevet WO2013/181656A1 et dans la demande de brevet EP3053652A1 .
  • Dans ces solutions antérieures, le circuit micro-fluidique réalisé par embossage peut être fermé par le dessus avec un film adhésif transparent en utilisant principalement des matériaux à base de poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) ou d'éthylène-acétate de vinyle (EVA). L'écoulement des échantillons biologiques est alors possible en imposant une pression positive en entrée du circuit à l'aide d'une ou plusieurs pompes.
  • Il est aujourd'hui souhaitable de proposer des dispositifs à actionnement pneumatique qui puissent être faciles à fabriquer et à transporter, fiables, d'un fonctionnement simple et d'un coût particulièrement réduit.
  • Le but de l'invention est donc de proposer un tel dispositif.
  • Ce dispositif présente la particularité de comporter au moins un substrat à base de papier.
    • Exposé de l'invention
  • Ce but est atteint par un dispositif à actionnement pneumatique, ce dispositif comportant :
    • Un premier substrat composé d'au moins deux couches superposées, une première couche réalisée en papier et une deuxième couche déposée sur la première couche, réalisée dans un matériau à base de polymère de vinylidène et présentant une surface externe,
    • Une membrane déformable comprenant une zone de déformation et une zone de fixation située en périphérie de sa zone de déformation, ladite membrane étant fixée par sa zone de fixation uniquement, par scellement thermique, sur ladite surface externe de la deuxième couche du premier substrat,
    • Un orifice de commande réalisé à travers le premier substrat, suivant un axe traversant ladite zone de déformation de la membrane.
  • Selon une réalisation particulière, le premier substrat comporte un évidement réalisé sur sa deuxième couche et dans lequel débouche ledit orifice de commande.
  • Selon une autre réalisation particulière, la membrane est réalisée sous la forme d'une couche intégrale déposée sur toute la surface externe de la deuxième couche du premier substrat, recouvrant ledit évidement.
  • Selon une autre réalisation particulière, le premier substrat comporte une cavité réalisée en vis-à-vis de la zone de déformation de la membrane, la membrane et la cavité délimitant une chambre, dite première chambre, de volume non nul, ledit orifice de commande débouchant à l'intérieur de ladite cavité.
  • Selon une autre réalisation particulière, la membrane est réalisée sous la forme d'une couche intégrale déposée sur la surface externe de la deuxième couche du premier substrat, recouvrant ladite cavité.
  • Selon une autre réalisation particulière, le dispositif comporte une plaque dotée d'une ouverture, ladite plaque étant appliquée contre la membrane, son ouverture étant découpée pour définir ladite zone de déformation de la membrane.
  • Selon une autre réalisation particulière, le dispositif comporte :
    • Un deuxième substrat composé d'au moins deux couches superposées, une première couche réalisée en papier et une deuxième couche déposée sur la première couche et réalisée dans un matériau à base de polymère de vinylidène,
    • Le deuxième substrat étant fixé par sa deuxième couche, par scellement thermique, à la zone de fixation de la membrane, à l'opposé dudit premier substrat, ladite membrane étant maintenue fixée entre le premier substrat et le deuxième substrat,
    • Le deuxième substrat comportant une cavité réalisée en vis-à-vis de la zone de déformation de la membrane, ladite cavité délimitant avec la membrane une chambre, dite deuxième chambre,
    • Le deuxième substrat comportant au moins un orifice débouchant dans la deuxième chambre.
  • Selon une autre réalisation particulière, la membrane est réalisée dans un matériau de type polymère silicone ou polysiloxane.
  • L'invention concerne également un système d'actionnement comprenant un équipement pneumatique et au moins un dispositif à actionnement pneumatique tel que défini ci-dessus, ledit équipement pneumatique étant raccordé sur l'orifice de commande du dispositif en vue de pouvoir commander une déformation de la membrane.
  • Selon une réalisation particulière, le système comporte plusieurs dispositifs à actionnement pneumatique juxtaposés réalisés dans un même substrat, ledit substrat comportant plusieurs cavités juxtaposées, une unique membrane commune à tous les dispositifs venant recouvrir l'ensemble des cavités réalisées.
  • Selon une autre réalisation particulière, le système comporte plusieurs dispositifs à actionnement juxtaposés réalisés dans un même substrat, ledit substrat comportant une cavité commune, une unique membrane commune à tous les dispositifs venant recouvrir ladite cavité et une plaque déposée sur ladite membrane comportant plusieurs ouvertures juxtaposées définissant plusieurs zones de déformation de la membrane.
  • L'invention concerne enfin un procédé de fabrication d'un dispositif à actionnement pneumatique tel que défini ci-dessus, le procédé comportant les étapes suivantes :
    • Fabrication d'un premier substrat composé d'au moins deux couches superposées, une première couche réalisée en papier et une deuxième couche déposée sur la première couche et réalisée dans un matériau à base de polymère de vinylidène,
    • Dépôt sur ledit substrat d'une membrane déformable qui comporte une zone de déformation et une zone de fixation située en périphérie de sa zone de déformation, ladite membrane étant fixée par scellement thermique par sa zone de fixation uniquement sur ladite deuxième couche du premier substrat,
    • Réalisation d'un orifice de commande à travers le substrat, suivant un axe traversant ladite zone de déformation de la membrane.
  • Selon une réalisation particulière, la membrane est déposée par scellement thermique.
  • Selon une autre réalisation particulière, le premier substrat comporte une cavité réalisée par embossage dudit premier substrat.
  • Selon une autre réalisation particulière, le procédé comporte une étape d'apposition d'une plaque sur ladite membrane, ladite plaque étant dotée d'une ouverture découpée pour définir la zone de déformation de la membrane.
  • Selon une autre réalisation particulière, le procédé peut comporter des étapes de :
    • Dépôt d'un deuxième substrat sur la membrane, ledit deuxième substrat étant composé d'au moins deux couches superposées, une première couche réalisée en papier et une deuxième couche déposée sur la première couche et réalisée dans un matériau à base de polymère de vinylidène, le deuxième substrat étant fixé par sa deuxième couche, par scellement thermique, à la zone de fixation de la membrane, à l'opposé dudit premier substrat, ladite membrane étant maintenue fixée entre le premier substrat et le deuxième substrat,
    • Réalisation d'une cavité dans ledit deuxième substrat en vis-à-vis de la zone de déformation de la membrane, ladite cavité délimitant avec la membrane une chambre, dite deuxième chambre,
    • Réalisation à travers le deuxième substrat de deux orifices débouchant dans la deuxième chambre.
    Brève description des figures
  • D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels :
    • La figure 1 illustre le procédé de réalisation d'un substrat employé dans le dispositif de l'invention ;
    • La figure 2 illustre le procédé de réalisation d'un substrat employé dans le dispositif de l'invention, selon une variante de réalisation ;
    • La figure 3 illustre le principe d'embossage d'un substrat employé dans le dispositif conforme à l'invention ;
    • La figure 4 représente différentes variantes possibles du premier substrat employé dans le dispositif micro-fluidique de l'invention ;
    • La figure 5 représente différentes variantes possibles du deuxième substrat employé dans le dispositif micro-fluidique de l'invention ;
    • La figure 6 représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une première réalisation ;
    • La figure 7 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 6 ;
    • La figure 8 représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une deuxième réalisation ;
    • La figure 9 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 8 ;
    • La figure 10 représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une troisième réalisation ;
    • La figure 11 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 10 ;
    • La figure 12 représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une quatrième réalisation ;
    • La figure 13 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 12 ;
    • La figure 14 représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une cinquième réalisation ;
    • La figure 15 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 14 ;
    • La figure 16 représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une sixième réalisation ;
    • La figure 17 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 16 ;
    • La figure 18A représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une septième réalisation ; La figure 18B représente une variante de réalisation du dispositif de la figure 18A ;
    • La figure 19A illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 18A ; La figure 19B illustre le principe de fonctionnement de la variante de la figure 18B ;
    • La figure 20 représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une huitième réalisation ;
    • La figure 21 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 20 ;
    • La figure 22 représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une neuvième réalisation ;
    • La figure 23 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 22 ;
    • La figure 24 représente les étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, selon une dixième réalisation ;
    • La figure 25 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 24 ;
    • Les figures 26 à 28 représentent un système complet doté de plusieurs dispositifs conformes à l'invention, selon trois variantes de réalisation ;
    • La figure 29 représente, selon plusieurs variantes de réalisation, le dispositif en vue de dessus et illustre plusieurs exemples de réalisation de la zone de déformation de la membrane employée dans le dispositif ;
    • La figure 30 illustre un exemple d'application de l'une des variantes du dispositif conforme à l'invention ;
    Description détaillée d'au moins un mode de réalisation
  • Dans la suite de la description, les termes "supérieur", "inférieur", "au-dessus", "au-dessous" sont à comprendre en prenant comme référence un axe tracé verticalement sur la feuille.
  • Le dispositif à actionnement pneumatique de l'invention comporte un substrat 2 formé d'au moins deux couches 20, 21, avantageusement uniquement deux couches.
  • La première couche 20 du substrat 2 est formée d'un papier présentant les propriétés suivantes :
    • Bonne résistance mécanique à la traction et bonne cohésion de surface préalable,
    • Faible absorption d'eau,
    • Énergie de surface permettant l'étalement de la préparation de couchage.
  • De manière non limitative, le papier employé est vendu sous la marque « Powercoat » (marque déposée) présentant un grammage de 219 g/m2.
  • La deuxième couche 21 du substrat 2 est déposée sur la première couche en « Powercoat ».
  • Cette deuxième couche doit avantageusement présenter les caractéristiques suivantes :
    • Être thermoscellable ;
    • Être imperméable aux fluides (gaz notamment pour actionner la membrane - voir ci-après) ;
    • Être résistante à l'embossage ;
    • Pouvant être étalée ou laminée sur le papier, et y adhérer solidement ;
    • Être déformable par embossage à température ambiante ;
    • Être résistante à la déchirure ;
  • La deuxième couche 21 est avantageusement un polymère de vinylidène, avantageusement du polychlorure de vinylidène (ci-après PVDC) ou du polyfluorure de vinylidène (PVDF), avantageusement du polychlorure de vinylidène. Dans la suite de la description, on choisit d'employer une deuxième couche 21 à base de PVDC.
  • Le PVDC désigne différents copolymères à base de chlorure de vinylidène qui peuvent être associés à d'autres polymères aux propriétés complémentaires. La copolymérisation du chlorure de vinylidène avec différents co-monomères conduit à une gamme de polymères semi-cristallins aux propriétés spécifiques remarquables (imperméabilité à l'oxygène, à différents gaz et à la vapeur d'eau, scellabilité, imprimabilité, transparence...). Les principaux co-monomères utilisés sont :
    • les acrylates de méthyle, d'éthyle ou de butyle ;
    • l'acrylonitrile, le méthacrylate de méthyle, le méthacrylonitrile ;
    • le chlorure de vinyle ;
    • des acides carboxyliques insaturés ;
  • Il faut noter qu'il est également possible de remplacer la première couche 20 du substrat (par exemple de type "Powercoat HD") par un papier semi-transparent, similaire à du papier calque (par exemple du P5N (marque déposée), produit par la société Arjowiggins). La couche 21 de PVDC peut ainsi être déposée sur ce nouveau substrat (P5N enduit de PVDC à 12 g m-2).
  • La figure 1 représente un exemple du procédé de fabrication du substrat 2.
  • E10 : La couche 21 de PVDC est déposée sur la première couche 20 de papier par enduction. La couche de PVDC est déposée à une épaisseur comprise entre 5 et 20 µm, ce qui correspond à des grammages compris entre 15 et 25 g/m2. Cette technique permet de déposer une préparation à base de PVDC sur le papier puis de racler l'excès pour ne garder qu'une fine couche fonctionnelle. Un séchage est ensuite effectué pour évaporer le surplus d'eau. Le séchage peut être réalisé à température ambiante il est possible de le réaliser à des températures allant jusqu'à 70°C voire 90°C pour accélérer le processus. Le PVDC utilisé peut être une émulsion aqueuse commerciale nommée Diofan A050 (Solvay-marque déposée).
  • E11 : le substrat 2 obtenu comporte ainsi les deux couches 20, 21 superposées.
  • Dans la suite de la description, un tel substrat 2 à deux couches pourra être référencé 2.1 et 2.2.
  • La figure 2 illustre une variante de réalisation du procédé de la figure 1. Cette variante de réalisation consiste à employer un masque 28 déposé sur la première couche 20, afin de réaliser un évidement au niveau de la deuxième couche, sur toute son épaisseur, et de délimiter une zone non enduite.
  • E20 : Le masque 28 est déposé sur la première couche 20. Le principe d'enduction est ensuite similaire à celui décrit pour l'étape E10 ci-dessus.
  • E21 : L'enduction avec la couche de PVDC est terminée.
  • E22 : Le masque 28 est retiré, laissant un évidement 29 formant une zone non enduite de deuxième couche 21 sur la première couche 20.
  • La figure 3 illustre le principe d'embossage d'un substrat 2 obtenu.
  • E30 : Cette étape consiste à réaliser un embossage du substrat 2 afin de le fonctionnaliser. L'embossage est réalisé sur la face supérieure de sa deuxième couche 21.
  • De manière connue, comme illustré sur la figure 3, l'embossage peut consister à placer le substrat entre deux matrices d'une presse, une matrice M1 inférieure en creux et une matrice M2 supérieure en relief. Lors de la presse, les reliefs sont dupliqués sur ladite face supérieure du substrat de manière à former une empreinte. D'autres techniques peuvent bien entendu être envisagés.
  • E31 : Un motif en creux ou concavité est réalisé par embossage dudit substrat 2, formant par exemple une cavité 22 comme représenté sur la figure 3.
  • E32 : On obtient ainsi un substrat 2 doté de la cavité 22 obtenue par embossage.
  • A titre d'exemple, la cavité 22 peut présenter une forme en creux de section constante sur toute sa hauteur, avec un contour circulaire. Dans ce cas, elle peut par exemple présenter un diamètre de 8mm et une profondeur de 0.5mm.
  • Selon un aspect particulier, l'embossage peut ainsi permettre de réaliser un motif formant une concavité sur la face supérieure de la deuxième couche du substrat. Cette concavité peut se présenter sous toute forme possible. On verra qu'elle peut par exemple prendre la forme d'un canal longitudinal par exemple à section carrée.
  • Plusieurs motifs pourront être réalisés de manière juxtaposée sur un même substrat afin d'obtenir un ensemble d'actionneurs (voir figure 5).
  • Partant des principes décrits ci-dessus, le dispositif de l'invention peut se présenter sous différentes variantes de réalisation.
  • Ces variantes de réalisation ont toutes en commun de comporter :
    • Au moins un substrat 2.1 réalisé en deux couches, pouvant être obtenu selon le procédé décrit ci-dessus en liaison avec la figure 1 ou 2, et
    • Une membrane 3 déformable, de type hyper-élastique,
    • Le substrat portant un orifice 270.1 formant un canal de commande autour duquel la membrane 3 est apte à se déformer lorsqu'un fluide de commande (par exemple de l'air) est injecté par ledit orifice. La déformation de la membrane 3 est réalisée sur une zone de déformation ciblée, inférieure à la surface totale de la membrane.
  • Dans la suite de la description, lorsque le dispositif ne comporte qu'un seul substrat, ce dernier est référencé 2.1. Lorsque le dispositif comporte deux substrats, ceux-ci sont désignés premier substrat 2.1 et deuxième substrat 2.2.
  • Le dispositif micro-fluidique de l'invention pourra être réalisé en combinant un premier substrat 2.1 et un deuxième substrat 2.2 réalisé selon les différentes variantes représentées respectivement sur la figure 4 pour le premier substrat 2.1 et sur la figure 5 pour le deuxième substrat 2.2 :
    • Figure 4
    • V1 : Premier substrat 2.1 plan doté d'un orifice 270.1 élargi définissant une zone de déformation de la membrane ;
    • V2 : Premier substrat 2.1 doté d'un évidement 29.1 recouvert par la membrane 3 et définissant la zone de déformation de la membrane et d'un orifice 270.1 débouchant dans ledit évidement 29.1 ;
    • V3 : Premier substrat 2.1 dont la membrane est recouverte d'une plaque 4 définissant la zone de déformation de la membrane 3 ; Solution applicable également à la variante V1 et à la variante V2 ;
    • V4 : Premier substrat 2.1 doté d'un renfoncement 26.1 autour de son évidement 29.1 pour loger la membrane 3 ;
    • V5 : Premier substrat 2.1 doté d'une cavité 22.1 et d'un orifice 270.1 débouchant dans la cavité ; la membrane 3 vient recouvrir ladite cavité ;
    • V6 : Identique à V5 avec plaque 4 apposée sur la membrane 3 pour définir la zone de déformation de la membrane 3 ;
    • V7 : Premier substrat doté d'un lamage 27.1 autour de sa cavité pour loger la membrane 3 venant recouvrir sa cavité 22.1 ;
    Figure 5
    • V10 : Deuxième substrat 2.2 doté d'une cavité 22.2 et de deux orifices 240.2, 250.2;
    • V11 : Deuxième substrat doté d'un lamage 27.2 pour loger la membrane, le lamage 27.2 étant réalisé autour de la cavité 22.2 du deuxième substrat 2.2 ;
  • Il faut par ailleurs noter que :
    • La membrane peut être déposée sur toute la face supérieure du premier substrat 2.1 et fixée par sa zone de fixation, laissant une zone de déformation libre à la déformation définie par l'évidement 29.1 ou la largeur de l'orifice 270.1 ;
    • La membrane 3 déformable peut également être réalisée sous la forme d'une pastille venant se loger dans le renfoncement 26.1 ou dans l'un des lamages 27.1, 27.2 réalisés sur l'un des deux substrats ; La membrane est fixée de part et d'autre aux deux substrats situés au-dessus et au-dessous, tout en conservant sa zone de déformation libre de toute fixation, lui permettant de se déformer (en se bombant par pression ou dépression) ;
    • La membrane 3 déformable peut être fixée à la face supérieure du premier substrat 2.1 autour de l'évidement 29.1 par sa zone de fixation, conservant sa zone de déformation libre, et à la face inférieure du deuxième substrat, venant recouvrir la cavité 22.2 réalisée dans le deuxième substrat ;
    • La membrane 3 déformable peut être fixée à la face supérieure du premier substrat 2.1 et à la face inférieure du deuxième substrat et venant recouvrir la cavité 22.1 du premier substrat 2.1 et la cavité 22.2 du deuxième substrat 2.2 ;
  • Le déplacement de la membrane 3 peut être commandé par pression et/ou en dépression, selon le fonctionnement envisagé ;
  • Selon la variante de réalisation, chaque substrat employé pourra présenter ou non une concavité. Chaque concavité peut être réalisée par embossage selon le principe décrit ci-dessus en liaison avec la figure 3.
  • La membrane 3 est par exemple composée d'un film réalisé dans un matériau polymère bi-composant hyper-élastique par exemple un polymère silicone ou polysiloxane. Il peut notamment s'agir d'un élastomère de type PDMS (pour Polydimethylsiloxane) ou ECOFLEX (marque déposée par la société « Smooth-On »-par exemple Ecoflex 00-50). Son épaisseur peut être comprise entre 20 et 500µm.
  • La membrane 3 peut se présenter sous la forme d'une couche intégrale intercalée entre les deux substrats ou d'une pastille ou disque déposée de manière localisée entre les deux substrats et venant adhérer à une partie uniquement de chaque surface externe des deux substrats.
  • Le dispositif de l'invention est destiné à être employé dans un système intégrant un équipement pneumatique 5. L'équipement pneumatique 5 peut comporter une pompe capable d'aspirer ou d'injecter de l'air pour commander le déplacement de la membrane.
  • Le système peut également comporter une unité de commande chargée de commander ladite pompe.
  • Dans toutes les réalisations, la fixation de la membrane 3 sur la deuxième couche 21 en PVDC d'un substrat et l'assemblage entre deux substrats par leur deuxième couche (c'est-à-dire par la couche en PVDC) peuvent être réalisés par toute solution connue, par exemple par collage, avantageusement par scellement thermique. Le scellement thermique sera réalisé en maintenant les couches l'une contre l'autre, par exemple substrat+membrane ou substrat+substrat, pendant une durée déterminée (par exemple 20 minutes) et sous une température adaptée, pouvant aller de 130°C et 170°C. Pendant la durée du scellement, la température peut être maintenue constante ou varier dans la gamme allant de 130°C à 170°C.
  • Pour chaque réalisation du dispositif qui est décrite ci-dessous, il faut comprendre que les étapes sont indiquées à titre indicatif et que leur ordre peut bien entendu varier selon le procédé de fabrication envisagé.
  • Les descriptions des différentes réalisations du dispositif sont à considérer de manière non limitative et il faut considérer que certaines autres combinaisons pourraient être envisagées.
    • Première réalisation : Figures 6 et 7
  • Le dispositif est de type actionneur mécanique. Il est réalisé à partir d'un substrat 2.1 plan (sans cavité) doté d'un évidement 29.1 (V2), et d'une membrane 3.
  • E60 : La membrane 3 est appliquée par sa face inférieure contre la face supérieure de la deuxième couche en PVDC du substrat 2.1, laissant libre une zone de la membrane au niveau de l'évidement 29.1 du substrat 2.1, cette zone formant la zone de déformation de la membrane 3. Cette zone de déformation est destinée à rester libre par rapport au substrat 2.1. La zone de déformation de la membrane peut se présenter sous la forme d'un disque.
  • E61 : Le substrat 2.1 est percé de l'orifice 270.1 formant le canal de commande, avantageusement dans l'axe de la zone de déformation de la membrane 3. Un embout peut être ajouté à travers le canal de commande pour permettre la connexion d'un raccord destiné à être relié à l'équipement pneumatique 5. A titre d'exemple, l'orifice peut présenter un diamètre de 3.5mm.
  • Comme représenté sur la figure 7, lorsque l'équipement pneumatique 5 injecte de l'air à travers le canal de commande, la membrane 3 se déforme en formant par exemple un dôme au niveau de sa zone de déformation. Lorsque la pompe est stoppée, la membrane 3 revient vers sa position initiale contre la face supérieure du substrat 2.1, par simple effet élastique.
    • Deuxième réalisation : Figures 8 et 9
  • Dans cette deuxième réalisation, le dispositif est une variante de celui décrit ci-dessus en liaison avec les figures 6 et 7.
  • E80 : Le dispositif peut comporter en plus une plaque 4 apposée contre la face supérieure de la membrane 3 (V3).
  • Cette plaque 4 peut être réalisée en matériau plastique ou tout autre matériau rigide ou semi-rigide. Une option avantageuse est d'utiliser une plaque réalisée dans un papier (ou tout autre matériau à base de cellulose) enduit couché avec du PVDC (selon le principe décrit en figure 1). Cette plaque 4 peut ensuite être thermosoudée/collée à la face supérieure de la membrane 2. Cette approche permet de réduire la masse de polymères plastiques dans le système. Le papier utilisé comme plaque peut être du P5N (papier calque couché industriellement de PVDC à 5 g/m2sec) avec une couche d'adhésion supplémentaire de PVDC (12 g/m2sec).
  • E81 : De manière particulière, la plaque 4 comporte une ouverture 40 dont la section est configurée pour définir la zone de déformation de la membrane 3 lorsque celle-ci est actionnée.
  • En référence à la figure 29, ladite ouverture 40 peut prendre tous types de formes. A titre d'exemple, il peut s'agir d'une ouverture 40 circulaire (variante V100), en forme de rectangle (variante V200), de huit (variante V300),...
  • La figure 9 illustre le principe de fonctionnement du dispositif dans sa deuxième réalisation. La pompe de l'équipement pneumatique 5 est connectée via une liaison hermétique sur le canal de commande de la membrane 3. L'équipement pneumatique 5 injecte de l'air à travers le canal de commande. Mise sous pression, la membrane 3 se déforme en suivant la zone de déformation définie par l'ouverture 40 réalisée à travers la plaque 4. Sur cette figure 9, la membrane 3 se déforme en dôme.
    • Troisième réalisation : Figures 10 et 11
  • Dans cette réalisation, le dispositif est de type actionneur mécanique et comporte un seul substrat 2.1 (V4).
  • E100 : Le substrat 2.1 comporte un évidement 29.1 et est embossé de manière à créer un renfoncement 26.1 autour de l'évidement 29.1. Le renfoncement peut présenter un contour circulaire et une profondeur au moins équivalente à l'épaisseur de la membrane 3.
  • E101 : La membrane 3, se présentant par exemple sous la forme d'un disque est logé dans le renfoncement 26.1.
  • E102 : La membrane 3 logée dans le renfoncement est fixée sur la face supérieure du substrat 2.1, pour recouvrir l'évidement 29.1, laissant sa zone de déformation libre.
  • E103 : L'orifice 270.1 format le canal de commande est réalisé à travers le substrat 2.1, avantageusement dans l'axe de la zone de déformation de la membrane.
  • La figure 11 illustre le principe de fonctionnement du dispositif dans sa troisième réalisation. La pompe de l'équipement pneumatique 5 est connectée via une liaison hermétique sur le canal de commande de la membrane 3. L'équipement pneumatique 5 injecte de l'air à travers le canal de commande. Mise sous pression, la membrane 3 se déforme au niveau de sa zone de déformation, formant par exemple un dôme.
    • Quatrième réalisation : Figures 12 et 13
  • Dans cette quatrième réalisation, le dispositif est une variante de celui décrit ci-dessus en liaison avec les figures 10 et 11.
  • E120 : Le dispositif peut comporter en plus une plaque 4 apposée contre la face supérieure de la membrane 3. Cette plaque 4 présente les mêmes caractéristiques que celles décrites ci-dessus.
  • E121 : De manière particulière, la plaque 4 comporte une ouverture 40 dont la section est configurée pour définir la zone de déformation de la membrane 3 lorsque celle-ci est actionnée. Cette ouverture peut être par exemple plus étroite que l'évidement 29.1 réalisé au-dessous de la membrane 3.
  • En référence à la figure 29, ladite ouverture 40 peut prendre tous types de formes. A titre d'exemple, il peut s'agir d'une ouverture 40 circulaire (variante V100), en forme de rectangle (variante V200), de huit (variante V300),...
  • La figure 13 illustre le principe de fonctionnement du dispositif dans sa quatrième réalisation. La pompe de l'équipement pneumatique 5 est connectée via une liaison hermétique sur le canal de commande de la membrane 3. L'équipement pneumatique 5 injecte de l'air à travers le canal de commande. Mise sous pression, la membrane 3 se déforme en suivant la zone de déformation définie par l'ouverture 40 réalisée à travers la plaque 4. Sur cette figure 13, la membrane 3 se déforme en dôme.
    • Cinquième réalisation : Figures 14 et 15
  • Dans cette réalisation, le dispositif est de type actionneur mécanique et comporte un seul substrat 2.1 (V5).
  • E140 : Le substrat 2.1 est doté d'une cavité 22.1. La cavité peut être réalisée par embossage selon le principe décrit ci-dessus en liaison avec la figure 3.
  • E141 : La membrane 3 déformable est déposée sur la face supérieure de la deuxième couche en PVDC du substrat 2 de manière à recouvrir l'ouverture de la cavité 22.1 et refermer celle-ci. La membrane 3 est apposée de manière hermétique sur la surface du substrat. La cavité et la membrane définissent ainsi une chambre 23.1 présentant un espace interne de volume non nul.
  • E142 : Le substrat 2.1 est muni de l'orifice 270.1, formant le canal de commande de la membrane 3. Le canal de commande débouche dans la chambre 23.1 délimitée par la cavité 22.1 et la membrane 3. Un embout peut être ajouté à travers cet orifice pour permettre la connexion d'un raccord destiné à être relié à la pompe de l'équipement pneumatique.
  • La figure 15 illustre le principe de fonctionnement du dispositif dans sa cinquième réalisation. La pompe de l'équipement pneumatique 5 est connectée via une liaison hermétique sur le canal de commande de la membrane 3. L'équipement pneumatique 5 injecte de l'air à travers le canal de commande dans la chambre. Mise sous pression, la membrane 3 se déforme au niveau de sa zone de déformation, formant par exemple un dôme.
  • A l'inverse, il est également possible de réaliser une commande en dépression. Dans ce cas, la membrane se déforme vers l'intérieur de la cavité 22.1 (en pointillés sur la figure 15).
    • Sixième réalisation : Figures 16 et 17
  • Dans cette sixième réalisation, le dispositif est une variante (V6) de celui décrit ci-dessus en liaison avec les figures 14 et 15.
  • E160 : Le dispositif peut comporter en plus une plaque 4 apposée contre la face supérieure de la membrane 3. Cette plaque 4 peut présenter les mêmes caractéristiques que celle déjà décrite ci-dessus.
  • E161 : De manière particulière, la plaque 4 comporte une ouverture 40 dont la section est configurée pour définir la zone de déformation de la membrane 3 lorsque celle-ci est actionnée.
  • En référence à la figure 29, ladite ouverture 40 peut prendre tous types de formes. A titre d'exemple, il peut s'agir d'une ouverture 40 circulaire (variante V100), en forme de rectangle (variante V200), de huit (variante V300),...
  • La figure 17 illustre le principe de fonctionnement du dispositif dans sa sixième réalisation. La pompe de l'équipement pneumatique 5 est connectée via une liaison hermétique sur le canal de commande de la membrane 3. L'équipement pneumatique 5 injecte de l'air à travers le canal de commande. Mise sous pression, la membrane 3 se déforme en suivant la zone de déformation définie par l'ouverture 40 réalisée à travers la plaque 4. Sur cette figure 17, la membrane 3 se déforme en dôme.
  • A l'inverse, il est également possible de réaliser une commande en dépression. Dans ce cas, la membrane se déforme vers l'intérieur de la cavité 22.1 (en pointillés sur la figure 17).
    • Septième réalisation : Figures 18A, 18B et 19A et 19B
  • Dans cette réalisation, le dispositif est de type fluidique et comporte deux substrats 2.1, 2.2.
  • Sur la figure 18A, on a ainsi :
    • E180 : Le dispositif comporte deux substrats 2.1, 2.2. Le premier substrat 2.1 est plan et non déformé et présente un évidement 29.1 définissant la zone de déformation de la membrane 3. Le deuxième substrat 2.2 présente une cavité 22.2, par exemple réalisée par embossage selon le principe décrit ci-dessus en liaison avec la figure 3. Les deux couches en PVDC des deux substrats se font face.
    • E181 : La membrane 3 est apposée par sa couche supérieure sur la couche inférieure en PVDC du deuxième substrat 2.2 pour recouvrir sa cavité 22.2 et la refermer de manière hermétique, formant la chambre 23.2. Le premier substrat 2.2 est fixé partiellement, par sa couche supérieure en PVDC, sur la couche inférieure de la membrane 3, en laissant la zone de déformation de la membrane au-dessus de l'évidement 29.1.
    • E182 : La membrane 3 est ainsi prise en sandwich et maintenue entre les deux substrats 2.1, 2.2.
    • E183 : L'orifice 270.1, formant le canal de commande, est réalisé à travers le premier substrat 2.1, avantageusement dans l'axe de zone de déformation de la membrane.
  • Deux orifices 240.2, 250.2 sont par exemple réalisés à travers le deuxième substrat, chacun débouchant dans la chambre 23.2.
  • En fonctionnement, selon la figure 19A :
    • E190 : un fluide F peut être injecté dans la chambre 23.2 à travers le premier orifice 240.2 pour remplir ladite chambre 23.2.
    • E191 : La pompe de l'équipement pneumatique 5 est connectée via une liaison hermétique sur le canal de commande de la membrane 3. L'équipement pneumatique 5 injecte de l'air à travers le canal de commande. Mise sous pression, la membrane 3 se déforme vers l'intérieur de la cavité 22.2 en suivant sa zone de déformation. En se déformant, la membrane 3 pousse le fluide F en dehors de la chambre 23.2 à travers le deuxième orifice 250.2.
    • E192 : La membrane 3 peut se déformer jusqu'à expulser tout le fluide en dehors de la chambre 23.2.
  • Comme illustré par les figures 18B et 19B, dans cette réalisation, le fonctionnement pourrait être inversé. La commande est réalisée du côté du deuxième substrat 2.2 et le fluide est aspiré à travers le premier substrat 2.1. Un seul orifice à travers chaque substrat est alors suffisant.
    • Huitième réalisation : Figures 20 et 21
  • Dans cette huitième réalisation, le dispositif est une évolution de celui décrit ci-dessus en liaison avec les figures 18 et 19 (V4 et V10).
  • E200 : Le dispositif comporte deux substrats 2.1, 2.2. Le premier substrat 2.1 présente un évidement 29.1 et est embossé de manière à créer un renfoncement 26.1 autour de son évidement 29.1. Le renfoncement 26.1 peut présenter un contour circulaire et une profondeur au moins équivalente à l'épaisseur de la membrane 3. Le deuxième substrat 2.2 présente une cavité 22.2, par exemple réalisée par embossage selon le principe décrit ci-dessus en liaison avec la figure 3.
  • Les deux couches en PVDC des deux substrats 2.1, 2.2 se font face.
  • La membrane 3, se présentant par exemple sous la forme d'un disque ou pastille est logée dans le renfoncement 26.1 et vient recouvrir ledit évidement 29.1.
  • La membrane 3 logée dans le renfoncement est fixée par sa face inférieure sur la face supérieure de la deuxième couche du premier substrat 2.1, sur une partie périphérique à l'évidement 29.1.
  • La membrane 3 est également apposée par sa couche supérieure sur la couche inférieure en PVDC du deuxième substrat 2.2 en périphérie de sa cavité 22.2 pour recouvrir celle-ci et la refermer de manière hermétique, formant la chambre 23.2.
  • E201 : La membrane 3 est ainsi maintenue entre les deux substrats 2.1, 2.2, tout en conservant sa zone de déformation libre vers l'intérieur de la cavité 22.2.
  • E202 : L'orifice 270.1, formant le canal de commande, est réalisé à travers le premier substrat 2.1, avantageusement dans l'axe de la zone de déformation de la membrane 3.
  • Deux orifices 240.2, 250.2 sont par exemple réalisés à travers le deuxième substrat 2.2, chacun débouchant dans la chambre 23.2.
  • En fonctionnement, selon la figure 21 :
    • E210 : un fluide F peut être injecté dans la chambre 23.2 à travers le premier orifice 240.2 pour remplir ladite chambre.
    • E211 : La pompe de l'équipement pneumatique 5 est connectée via une liaison hermétique sur le canal de commande de la membrane 3. L'équipement pneumatique 5 injecte de l'air à travers le canal de commande. Mise sous pression, la membrane 3 se déforme vers l'intérieur de la cavité 22.2 en suivant sa zone de déformation. En se déformant, la membrane 3 pousse le fluide F en dehors de la chambre 23.2 à travers le deuxième orifice 250.2.
    • E212 : La membrane 3 peut se déformer jusqu'à expulser tout le fluide en dehors de la chambre 23.2.
  • Comme dans la réalisation précédente, le dispositif pourrait être inversé. La commande est alors réalisée du côté du deuxième substrat 2.2 et le fluide est aspiré à travers le premier substrat 2.1. Un seul orifice à travers chaque substrat serait alors suffisant.
    • Neuvième réalisation : Figures 22 et 23
  • Cette réalisation est une variante de celle des figures 20 et 21. Elle comporte deux substrats 2.1, 2.2 (V2 et V11).
  • E220 : Le dispositif comporte deux substrats 2.1, 2.2. Le premier substrat 2.1 est plan et doté d'un évidement 29.1. Le deuxième substrat 2.2 présente une cavité 22.2, par exemple réalisée par embossage selon le principe décrit ci-dessus en liaison avec la figure 3 ainsi qu'un lamage 27.2 annulaire réalisé en périphérie de la cavité 22.2 et sur laquelle va venir prendre appui la membrane 3. Le lamage peut également être réalisé par embossage selon le même principe. Le lamage peut présenter une profondeur au moins équivalente à l'épaisseur de la membrane 3.
  • Les deux couches en PVDC des deux substrats 2.1, 2.2 se font face.
  • La membrane 3, se présentant par exemple sous la forme d'un disque, vient prendre appui et se fixer par sa périphérie sur le lamage 27.2, venant ainsi recouvrir la cavité 22.2 et la refermer de manière hermétique, formant la chambre 23.2.
  • La membrane 3 ainsi logée est fixée sur la face supérieure du premier substrat 2.1, par une zone périphérique à son évidement 29.1, laissant sa zone de déformation libre.
  • E221 : La membrane 3 est ainsi maintenue entre les deux substrats 2.1, 2.2, tout en conservant sa zone de déformation libre vers l'intérieur de la cavité 22.2.
  • E222 : L'orifice 270.1, formant le canal de commande, est réalisé à travers le premier substrat 2.1, avantageusement dans l'axe de la zone de déformation de la membrane 3.
  • Deux orifices 240.2, 250.2 sont par exemple réalisés à travers le deuxième substrat 2.2, chacun débouchant dans la chambre 23.2.
  • En fonctionnement, selon la figure 23 :
    • E230 : Un fluide F peut être injecté dans la chambre à travers le premier orifice 240.2 pour remplir ladite chambre.
    • E231 : La pompe de l'équipement pneumatique 5 est connectée via une liaison hermétique sur le canal de commande de la membrane 3. L'équipement pneumatique 5 injecte de l'air à travers le canal de commande. Mise sous pression, la membrane 3 se déforme vers l'intérieur de la cavité 22.2 en suivant sa zone de déformation. En se déformant, la membrane 3 pousse le fluide F en dehors de la chambre 23.2 à travers le deuxième orifice 250.2.
    • E232 : La membrane 3 peut se déformer jusqu'à expulser tout le fluide en dehors de la chambre 23.2.
  • Il faut noter que ce principe de lamage pour loger la membrane 3 peut s'appliquer à d'autres réalisations décrites, pour remplacer le dépôt intégral de la membrane 3 sur tout le substrat. On utilise alors une membrane sous la forme d'une pastille ou d'un disque venant se positionner sur le bord de la cavité.
  • De manière identique, le dispositif pourrait être inversé. La commande est alors réalisée du côté du deuxième substrat 2.2 via un orifice et le fluide est aspiré à travers le premier substrat 2.1. Un seul orifice à travers chaque substrat serait alors suffisant.
    • Dixième réalisation : Figures 24 et 25
  • Dans cette réalisation, le dispositif est de type vanne fluidique et comporte deux substrats 2.1, 2.2 (V6 et V10).
  • E240 : Le premier substrat 2.1 et le deuxième substrat 2.2 sont chacun munis d'une cavité 22.1, 22.2, par exemple réalisée par embossage selon le principe décrit ci-dessus en liaison avec la figure 3.
  • E241 : Le deuxième substrat 2.2 embossé est retourné par rapport au premier substrat 2.1 de manière à présenter sa deuxième couche 21.2 de PVDC en vis-à-vis de la deuxième couche 21.1 de PVDC du premier substrat 2.1. La membrane 3 se présente sous la forme d'une couche intégrale intercalée entre les deux substrats.
  • E242 : Les trois éléments sont assemblés entre eux. La membrane 3 adhère ainsi aux deux couches de PVDC autour des deux cavités et délimite ainsi deux espaces 230.1, 230.2 hermétiques l'un par rapport à l'autre.
  • E243 : Le deuxième substrat 2.2 est percé des deux orifices 240.2, 250.2 débouchant chacun de manière indépendante dans le deuxième espace 230.2. Chaque orifice forme un canal d'entrée/sortie de fluide. Un embout peut être adapté à travers chaque orifice pour y connecter un flexible. Le premier substrat 2.1 est percé d'un seul orifice 270.1 débouchant dans le premier espace 230.1. Cet orifice forme le canal de commande d'entrée/sortie du fluide de commande permettant d'actionner la membrane 3. Un embout peut être ajouté à travers cet orifice pour permettre la connexion d'un raccord destiné à être relié à un équipement pneumatique.
  • En fonctionnement, selon la figure 25 :
    • E250 : Un équipement pneumatique 5, par exemple une pompe, est connectée par une liaison sur l'embout agencé à travers l'orifice 270.1 en vue de pouvoir commander le déplacement de la membrane 3. La liaison entre l'espace 230.1 et l'équipement pneumatique 5 est hermétique.
    • E251 : Une commande d'aspiration est appliquée à l'équipement pneumatique. Par aspiration, la membrane 3 se déforme vers l'intérieur de la cavité 22.1 pour aspirer un fluide F dans le deuxième espace 230.2 à travers l'orifice 240.2.
    • E252 : Le fluide F est stocké dans l'espace 230.2. L'aspiration est conservée pour maintenir la membrane 3 en position.
    • E253 : Un fluide de commande, par exemple de l'air, est injecté dans le premier espace 230.1 par l'équipement pneumatique 5. Mise sous pression, la membrane 3 se déforme dans l'autre sens vers l'intérieur de la cavité 22.2. En se déformant, la membrane 3 pousse le fluide F en dehors du deuxième espace 230.2 à travers le deuxième orifice 250.2.
    • E254 : Le fluide est totalement évacué du deuxième espace 230.2. Si la pression est relâchée, la membrane 3 revient vers sa position de repos par effet élastique.
  • La figure 26 illustre la réalisation de plusieurs dispositifs de type actionneur conformes à l'invention sur un même substrat 2 à base de papier. Chaque dispositif peut par exemple être adressé individuellement par l'équipement pneumatique 5. Une même membrane 3 peut être employée pour tous les dispositifs et une même plaque 4 munie de plusieurs ouvertures 40 peut être employée pour recouvrir toute la membrane 3.
  • Dans l'état E260, tous les actionneurs sont au repos. Dans l'état E261, l'équipement pneumatique 5 commande l'actionnement de la membrane au niveau de l'actionneur A2 et de l'actionneur A3.
  • La figure 27 est une variante de réalisation de la solution de la figure 26. Dans cette variante, une seule cavité 23.1 est réalisée dans le premier substrat. L'injection d'air est commune et permet d'actionner plusieurs actionneurs A1, A2, A2 d'un seul coup. La plaque 4 et ses ouvertures 40a, 40b, 40c permettent de définir les zones de déformation de la membrane 3. Dans l'état E270, tous les actionneurs sont au repos. Dans l'état E271, tous les actionneurs sont actifs. La membrane 3 se déforme au niveau des trois ouvertures 40a, 40b, 40c réalisées à travers la plaque 4.
  • La figure 28 illustre la réalisation sur un même support de plusieurs dispositifs de type vannes micro-fluidiques.
  • Le support de l'ensemble des vannes est composé des deux substrats 2.1, 2.2 uniquement, chacun embossé de plusieurs cavités pour former chaque vanne. Une membrane commune à toutes les vannes est intercalée entre les deux substrats. Chaque vanne peut par exemple être adressée individuellement par l'équipement pneumatique 5.
  • La figure 30 permet d'illustrer un exemple d'application d'un dispositif de l'invention employé comme actionneur mécanique. Cette application consiste par exemple à venir commuter un interrupteur 6 électrique.
  • E300 : la membrane 3 est au repos et l'interrupteur 6 est ouvert.
  • E301 : La membrane 3 est déformée et vient pousser l'interrupteur 6 vers sa position fermée, permettant de fermer le circuit électrique.
  • On comprend de ce qui précède que la solution de l'invention présente beaucoup d'avantages :
    • Elle est simple à fabriquer ;
    • Elle est facile à transporter, car peu lourde et peu encombrante ;
    • Elle est d'un fonctionnement fiable, la cavité étant entièrement hermétique lorsqu'elle est connectée à l'équipement pneumatique 5 ;
    • Elle est d'un coût particulièrement réduit, notamment du fait de l'utilisation d'un substrat à base de papier ;

Claims (15)

  1. Dispositif à actionnement pneumatique, caractérisé en ce qu'il comporte :
    - Un premier substrat (2.1) composé d'au moins deux couches superposées, une première couche (20) réalisée en papier et une deuxième couche (21) déposée sur la première couche, réalisée dans un matériau à base de polymère de vinylidène et présentant une surface externe,
    - Une membrane (3) déformable comprenant une zone de déformation et une zone de fixation située en périphérie de sa zone de déformation, ladite membrane étant fixée par sa zone de fixation uniquement, par scellement thermique, sur ladite surface externe de la deuxième couche du premier substrat,
    - Un orifice (270.1) de commande réalisé à travers le premier substrat (2.1), suivant un axe traversant ladite zone de déformation de la membrane.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier substrat (2.1) comporte un évidement (29.1) réalisé sur sa deuxième couche (21.1) et dans lequel débouche ledit orifice (270.1) de commande.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane est réalisée sous la forme d'une couche intégrale déposée sur toute la surface externe de la deuxième couche (21.1) du premier substrat (2.1), recouvrant ledit évidement (29.1).
  4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier substrat (2.1) comporte une cavité (22.1) réalisée en vis-à-vis de la zone de déformation de la membrane, la membrane et la cavité délimitant une chambre (23.1), dite première chambre, de volume non nul, ledit orifice de commande débouchant à l'intérieur de ladite cavité (22.1).
  5. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la membrane est réalisée sous la forme d'une couche intégrale déposée sur la surface externe de la deuxième couche (21.1) du premier substrat (2.1), recouvrant ladite cavité (22.1).
  6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque (4) dotée d'une ouverture (40), ladite plaque étant appliquée contre la membrane (3), son ouverture étant découpée pour définir ladite zone de déformation de la membrane (3).
  7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte :
    - Un deuxième substrat (2.2) composé d'au moins deux couches superposées, une première couche (20) réalisée en papier et une deuxième couche (21) déposée sur la première couche et réalisée dans un matériau à base de polymère de vinylidène, et en ce que
    - Le deuxième substrat est fixé par sa deuxième couche, par scellement thermique, à la zone de fixation de la membrane, à l'opposé dudit premier substrat, ladite membrane étant maintenue fixée entre le premier substrat et le deuxième substrat,
    - Le deuxième substrat comporte une cavité réalisée en vis-à-vis de la zone de déformation de la membrane, ladite cavité délimitant avec la membrane une chambre (23.2), dite deuxième chambre,
    - Le deuxième substrat (2.2) comporte au moins un orifice (240.2, 250.2) débouchant dans la deuxième chambre (23.2).
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la membrane (3) est réalisée dans un matériau de type polymère silicone ou polysiloxane.
  9. Système d'actionnement comprenant un équipement pneumatique (5), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif à actionnement pneumatique tel que défini dans l'une des revendications 1 à 8, ledit équipement pneumatique (5) étant raccordé sur l'orifice de commande du dispositif en vue de déformer la membrane (3).
  10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs dispositifs à actionnement pneumatique juxtaposés réalisés dans un même substrat (2.1), ledit substrat comportant plusieurs cavités juxtaposées, une unique membrane commune à tous les dispositifs venant recouvrir l'ensemble des cavités réalisées.
  11. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs dispositifs à actionnement juxtaposés réalisés dans un même substrat (2.1), ledit substrat comportant une cavité commune, une unique membrane commune à tous les dispositifs venant recouvrir ladite cavité et une plaque (4) déposée sur ladite membrane comportant plusieurs ouvertures juxtaposées définissant plusieurs zones de déformation de la membrane.
  12. Procédé de fabrication d'un dispositif à actionnement pneumatique tel que défini dans l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
    - Fabrication d'un premier substrat (2.1) composé d'au moins deux couches superposées, une première couche (20) réalisée en papier et une deuxième couche (21) déposée sur la première couche et réalisée dans un matériau à base de polymère de vinylidène,
    - Dépôt sur ledit substrat d'une membrane (3) déformable qui comporte une zone de déformation et une zone de fixation située en périphérie de sa zone de déformation, ladite membrane étant fixée, par scellement thermique, par sa zone de fixation uniquement sur ladite deuxième couche du premier substrat,
    - Réalisation d'un orifice (270.1) de commande à travers le substrat (2), suivant un axe traversant ladite zone de déformation de la membrane.
  13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le premier substrat comporte une cavité (22.1) réalisée par embossage dudit premier substrat (2.1).
  14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'apposition d'une plaque sur ladite membrane (3), ladite plaque (4) étant dotée d'une ouverture (40) découpée pour définir la zone de déformation de la membrane (3).
  15. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de :
    - Dépôt d'un deuxième substrat (2.2) sur la membrane, ledit deuxième substrat étant composé d'au moins deux couches superposées, une première couche (20) réalisée en papier et une deuxième couche (21) déposée sur la première couche et réalisée dans un matériau à base de polymère de vinylidène, le deuxième substrat étant fixé par sa deuxième couche, par scellement thermique, à la zone de fixation de la membrane, à l'opposé dudit premier substrat, ladite membrane étant maintenue fixée entre le premier substrat et le deuxième substrat,
    - Réalisation d'une cavité (22.2) dans ledit deuxième substrat en vis-à-vis de la zone de déformation de la membrane, ladite cavité délimitant avec la membrane une chambre (23.2), dite deuxième chambre,
    - Réalisation à travers le deuxième substrat (2.2) de deux orifices (240.2, 250.2) débouchant dans la deuxième chambre (23.2).
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EP3053652A1 (fr) 2015-02-03 2016-08-10 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Dispositif microfluidique et procédé de réalisation d'un dispositif microfluidique
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