FR2730551A1 - WATERPROOF CONNECTION PROCESS BETWEEN A MECHANICAL BODY AND THE GLASS WALL OF A COMPONENT - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet un procédé de raccordement étanche entre un organe mécanique et la paroi en verre d'un composant. The present invention relates to a sealed connection method between a mechanical member and the glass wall of a component.
De façon plus précise, la présente invention concerne un procédé qui permet d'assurer un raccordement étanche au liquide et au gaz entre un composant qui présente une paroi en verre munie d'un orifice pour un liquide et un organe également destiné à recevoir ce liquide. Ce problème se présente notamment mais non exclusivement dans le cas où l'on souhaite raccorder de façon étanche une micropompe du type à commande piézo-électrique ou un capteur, notamment un capteur de pression, dans lequel le corps de la pompe ou du capteur est constitué par un sandwich de verre et de silicium, le corps de ce capteur ou de cette pompe devant être raccordé de façon étanche à un récipient de stockage du liquide ou à une tubulure de sortie de la pompe. More specifically, the present invention relates to a method which makes it possible to ensure a tight connection to the liquid and to the gas between a component which has a glass wall provided with an orifice for a liquid and a member also intended to receive this liquid. . This problem arises in particular but not exclusively in the case where it is wished to tightly connect a micropump of the piezoelectric control type or a sensor, in particular a pressure sensor, in which the body of the pump or of the sensor is consisting of a glass and silicon sandwich, the body of this sensor or of this pump must be tightly connected to a liquid storage container or to an outlet pipe of the pump.
De façon encore plus précise, il existe encore un certain nombre de situations dans lesquelles il est nécessaire de réaliser une liaison étanche, y compris à la vapeur entre un organe tel qu'un capteur de pression ou une micropompe et une conduite de sortie ou un réservoir de stockage de liquide, cette organe ayant une paroi en verre ou en matériau analogue. C'est typiquement le cas de micropompes qui doivent être implantées dans le corps humain pour délivrer un débit parfaitement contrôlé de liquide.On comprend que, du fait de la présence d'une paroi en verre, la réalisation d'une liaison étanche est difficile, par les techniques classiques, car la liaison mécanique implique de soumettre l'ensemble à des températures élevées et à un refroidissement ultérieur, ce qui peut entraîner des contraintes mécaniques dans les pièces, ces contraintes pouvant affecter le fonctionnement de l'organe et même entraîner éventuellement ultérieurement une rupture de la liaison étanche. Even more precisely, there are still a certain number of situations in which it is necessary to form a sealed connection, including a vapor connection, between a member such as a pressure sensor or a micropump and an outlet pipe or a liquid storage tank, this member having a wall of glass or similar material. This is typically the case of micropumps which must be implanted in the human body to deliver a perfectly controlled flow of liquid. We understand that, due to the presence of a glass wall, the realization of a tight connection is difficult. , by conventional techniques, because the mechanical connection involves subjecting the assembly to high temperatures and subsequent cooling, which can cause mechanical stresses in the parts, these stresses can affect the functioning of the organ and even cause possibly later a rupture of the tight connection.
Un objet de la présente invention est de fournir un procédé de liaison hermétique entre un organe comportant une paroi en verre ou analogue et une pièce métallique de façon étanche et durable dans le temps. An object of the present invention is to provide a method of hermetic connection between a member comprising a glass wall or the like and a metal part in a sealed manner and durable over time.
Pour atteindre ce but, le procédé de raccordement étanche entre un composant destiné à recevoir un liquide, ledit composant présentant au moins une paroi en verre munie d'un orifice pour ledit liquide, et un organe destiné également à recevoir ledit liquide, ledit composant présentant un orifice ménagé dans une face plane, se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes::
- on fournit un connecteur réalisé en silicium présentant un premier orifice débouchant dans une première face et un deuxième orifice débouchant dans une deuxième face plane;
- on fixe de façon étanche ledit connecteur par sa première face sur ladite paroi en verre dudit composant de telle manière que lesdits orifices soient en regard;
- on dépose sur la face plane dudit organe autour dudit orifice une couche d'or;
- on dispose ladite face de l'organe recouverte d'or en regard de ladite deuxième face plane du connecteur avec contact de telle manière que les orifices coïncident;
- on chauffe au moins la zone de contact desdites faces à une température T prédéterminée de telle manière qu'on crée un eutectique entre le silicium et l'or, par quoi on obtient une liaison mécanique étanche entre ledit connecteur et ledit organe.To achieve this aim, the method of tight connection between a component intended to receive a liquid, said component having at least one glass wall provided with an orifice for said liquid, and a member also intended to receive said liquid, said component presenting an orifice formed in a flat face, is characterized in that it comprises the following stages:
- A connector made of silicon is provided having a first opening opening in a first face and a second opening opening in a second planar face;
- Said connector is fixed in a sealed manner by its first face to said glass wall of said component in such a way that said orifices are opposite;
- A layer of gold is deposited on the flat face of said member around said orifice;
- Said face of the member covered with gold is placed opposite said second flat face of the connector with contact so that the orifices coincide;
- At least the contact area of said faces is heated to a predetermined temperature T so that a eutectic is created between silicon and gold, whereby a sealed mechanical connection is obtained between said connector and said member.
On comprend que, grâce à l'invention, on résout le problème de la liaison entre la paroi de verre et l'organe destiné à recevoir le liquide par l'interposition d'un connecteur en silicium et la mise en oeuvre d'une liaison mécanique par création d'un eutectique entre le silicium et l'or. It is understood that, thanks to the invention, the problem of the connection between the glass wall and the member intended to receive the liquid is solved by the interposition of a silicon connector and the implementation of a connection mechanical by creating an eutectic between silicon and gold.
Cet eutectique correspond à une température relativement basse qui évite ainsi d'introduire par contrainte thermique des forces induites dans l'ensemble constitué par les deux pièces raccordées.This eutectic corresponds to a relatively low temperature which thus avoids introducing by thermal stress induced forces into the assembly constituted by the two connected parts.
De préférence, ledit organe est en titane, cet organe pouvant être par exemple la paroi d'un récipient dans lequel est stocké le liquide à distnbuer, par exemple par une micropompe ou la tubulure de sortie de la micropompe. Preferably, said member is made of titanium, this member possibly being, for example, the wall of a container in which the liquid to be dispensed is stored, for example by a micropump or the outlet pipe of the micropump.
De préférence, le connecteur en silicium est fixé sur la paroi en verre du composant par soudage anodique. Preferably, the silicon connector is fixed to the glass wall of the component by anodic welding.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles:
- la figure 1 est une vue en perspective simplifiée d'une micropompe;
- la figure 2 est une vue en coupe verticale de la micropompe de la figure 1 sur laquelle sont raccordés respectivement une conduite et un réservoir par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention;
- la figure 3 est une vue de dessus d'un connecteur en silicium utilisé dans la mise en oeuvre du procédé ; et
- la figure 4 est une vue en coupe verticale selon le plan IV-IV de la figure 3.Other characteristics and advantages of the present invention will appear better on reading the following description of an embodiment of the invention given by way of non-limiting example. The description refers to the appended figures in which:
- Figure 1 is a simplified perspective view of a micropump;
- Figure 2 is a vertical sectional view of the micropump of Figure 1 to which are respectively connected a pipe and a reservoir by the implementation of the method according to the invention;
- Figure 3 is a top view of a silicon connector used in the implementation of the method; and
FIG. 4 is a view in vertical section along the plane IV-IV of FIG. 3.
Comme on l'a déjà indiqué, l'invention s'applique notamment au raccordement étanche des orifices d'entrée et de sortie d'une micropompe à différents organes. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une telle micropompe qui est constituée par une première paroi en verre 10 dans laquelle sont ménagés respectivement un orifice d'entrée et un orifice de sortie de la pompe, une plaque de silicium 12 constituant une membrane déformable et deux pièces de verre 14 et 16 fixés sur l'autre face de la plaque de silicium 12 en laissant une partie de la face externe 12a de la membrane de silicium libre. Pour éviter l'introduction de contraintes mécaniques dans cette structure, la liaison entre le verre 10, 14, 16 et le silicium 12 est réalisée de préférence par soudage anodique.Cette technique connue en soi consiste à porter l'ensemble des pièces en silicium et en verre à une température de l'ordre de 300-C et à placer ce sandwich entre deux électrodes en contact avec les plaques de silicium et de verre en appliquant un potentiel négatif de l'ordre de -800 volts à l'électrode appliquée contre le verre. On obtient ainsi une soudure étanche à relativement basse température entre la membrane de silicium et les différentes pièces de verre. Le fonctionnement de la pompe est commandé par un capteur piézo-électrique 18 qui est fixé sur la face nue 12a de la membrane en silicium 12. Les contraintes mécaniques induites par la commande électrique du capteur piézo-électrique 18 provoquent des déformations de la membrane 12, ce qui commande l'entrée et la sortie du liquide dans la micropompe. As already indicated, the invention applies in particular to the sealed connection of the inlet and outlet orifices of a micropump to different members. In Figure 1, there is shown schematically such a micropump which is constituted by a first glass wall 10 in which are respectively provided an inlet orifice and an outlet orifice of the pump, a silicon plate 12 constituting a deformable membrane and two pieces of glass 14 and 16 fixed on the other face of the silicon plate 12 leaving part of the external face 12a of the silicon membrane free. To avoid the introduction of mechanical stresses in this structure, the connection between the glass 10, 14, 16 and the silicon 12 is preferably carried out by anodic welding. This technique known per se consists in wearing all the silicon parts and glass at a temperature of the order of 300-C and to place this sandwich between two electrodes in contact with the silicon and glass plates by applying a negative potential of the order of -800 volts to the electrode applied against glass. There is thus obtained a sealed weld at relatively low temperature between the silicon membrane and the various pieces of glass. The operation of the pump is controlled by a piezoelectric sensor 18 which is fixed to the bare face 12a of the silicon membrane 12. The mechanical stresses induced by the electrical control of the piezoelectric sensor 18 cause deformations of the membrane 12 , which controls the entry and exit of the liquid in the micropump.
En se référant maintenant à la figure 2, on va décrire la mise en oeuvre de l'invention pour réaliser une connexion étanche entre la micropompe 20 de la figure 1 et, d'une part, une conduite de sortie 22 et, d'autre part, un réservoir de stockage du liquide 24. Sur cette figure, on a représenté l'orifice de sortie 26 et l'orifice d'entrée 28 de la pompe qui sont respectivement percés dans la plaque de verre 10. Referring now to FIG. 2, we will describe the implementation of the invention for making a sealed connection between the micropump 20 of FIG. 1 and, on the one hand, an outlet pipe 22 and, on the other hand, a liquid storage tank 24. In this figure, the outlet orifice 26 and the inlet orifice 28 of the pump are shown, which are respectively drilled in the glass plate 10.
Pour réaliser la liaison étanche entre l'orifice 26 de sortie ménagé dans la plaque 10 et la tubulure 22 qui est de préférence réalisée en titane, on commence par fixer un connecteur en silicium 30 en regard de l'orifice 26 sur la face externe de la plaque de verre 10. To make the sealed connection between the outlet orifice 26 formed in the plate 10 and the tube 22 which is preferably made of titanium, one begins by fixing a silicon connector 30 opposite the orifice 26 on the external face of the glass plate 10.
Les figures 3 et 4 montrent un exemple de réalisation de ce connecteur. Il comporte bien sûr un orifice axial 32 et une première face plane de surface réduite 34 destinée à être fixée sur la plaque de verre 10 de la micropompe et une deuxième face plane de surface plus importante 36 destinée à être fixée sur une extrémité de la conduite 22. Figures 3 and 4 show an embodiment of this connector. It of course has an axial orifice 32 and a first flat face of reduced surface 34 intended to be fixed on the glass plate 10 of the micropump and a second flat face of larger surface 36 intended to be fixed on one end of the pipe 22.
La face 34 du connecteur 30 est soudée sur la plaque de verre 10 par une technique de soudage anodique déjà décrite. Avant de mettre en place la tubulure 22, on réalise sur sa face plane de connexion 22a un dépôt d'or d'épaisseur réduite 38. Ce dépôt peut être réalisé par toute technique convenable, par exemple par pulvérisation, par électrodéposition, par fusion ou par une combinaison de ces techniques.The face 34 of the connector 30 is welded to the glass plate 10 by an anode welding technique already described. Before installing the tubing 22, a deposit of reduced thickness of gold is made on its flat connection face 22a. This deposit can be carried out by any suitable technique, for example by spraying, by electrodeposition, by fusion or by a combination of these techniques.
Dans un deuxième temps, on dispose en regard l'extrémité 22a munie de son dépôt d'or 38 avec la face de connexion 36 du connecteur 30. On élève localement la température à une valeur de l'ordre de 400-C. A cette température on réalise un eutectique entre le silicium dont est constitué le connecteur 30 et le dépôt d'or, ce qui assure une liaison mécanique étanche entre l'extrémité de la conduite 22 et le connecteur 30. En outre, cette liaison est obtenue à une température relativement basse, de l'ordre de 400in, ce qui permet d'éviter l'introduction de contraintes thermiques dans l'ensemble constitué par le corps de la micropompe et la tubulure 22. In a second step, we have opposite the end 22a provided with its gold deposit 38 with the connection face 36 of the connector 30. The temperature is raised locally to a value of the order of 400-C. At this temperature, an eutectic is produced between the silicon of which the connector 30 is made and the gold deposit, which ensures a sealed mechanical connection between the end of the pipe 22 and the connector 30. In addition, this connection is obtained at a relatively low temperature, of the order of 400in, which avoids the introduction of thermal stresses into the assembly formed by the body of the micropump and the tubing 22.
Sur la figure 2, on a également représenté la liaison étanche entre la conduite d'entrée 26 de la micropompe 20 et un orifice de sortie 40 du réservoir 24 contenant le liquide destiné à circuler dans la pompe. FIG. 2 also shows the sealed connection between the inlet pipe 26 of the micropump 20 and an outlet orifice 40 of the reservoir 24 containing the liquid intended to circulate in the pump.
On utilise la technique déjà décrite qui consiste à fixer un deuxième connecteur 30' sur la plaque de verre 10 en regard de l'orifice 28 à réaliser un dépôt d'une mince couche d'or 38' sur la face de la paroi du réservoir autour de l'orifice 40 puis à chauffer l'ensemble de telle manière que, aux alentours de 400-C, on obtienne un eutectique entre l'or et le silicium. Les deux organes, c'est-à-dire le réservoir 24 et la tubulure 22, peuvent être réalisés avec le même matériau. On obtient ainsi une liaison mécanique étanche entre le réservoir, plus précisément son orifice 40, et le connecteur 30', c'est-à-dire entre le réservoir 24 et le corps de la micropompe 20.We use the technique already described which consists in fixing a second connector 30 'on the glass plate 10 opposite the orifice 28 to deposit a thin layer of gold 38' on the face of the wall of the tank. around the orifice 40 and then heating the assembly in such a way that, around 400-C, a eutectic is obtained between the gold and the silicon. The two members, that is to say the reservoir 24 and the tubing 22, can be made with the same material. A sealed mechanical connection is thus obtained between the reservoir, more precisely its orifice 40, and the connector 30 ′, that is to say between the reservoir 24 and the body of the micropump 20.
De préférence, le connecteur 30 ou 30' présente une surface relativement importante pour sa face 36 destinée à être fixée sur l'embout de la tubulure 22 ou sur la plaque du réservoir 24. En revanche, la surface de l'extrémité 36 destinée à être fixée sur la plaque de verre est relativement réduite. Cette disposition permet une meilleure répartition des contraintes thermiques, ce qui favorise le relâchement des contraintes internes mécaniques. Une partie des contraintes est absorbée par l'or qui est un métal relativement mou. La plus grande partie du reste des contriantes est absorbée par le connecteur en silicium, ce dernier matériau étant très résistant. Preferably, the connector 30 or 30 ′ has a relatively large surface for its face 36 intended to be fixed on the end piece of the tube 22 or on the tank plate 24. On the other hand, the surface of the end 36 intended to to be fixed on the glass plate is relatively reduced. This arrangement allows a better distribution of thermal stresses, which favors the relaxation of internal mechanical stresses. Part of the stress is absorbed by gold which is a relatively soft metal. Most of the rest of the components are absorbed by the silicon connector, the latter being very resistant.
Sur la figure 2, on a montré que la tubulure 22 est fixée par le connecteur 30 sur la micropompe. En revanche, il est important que la tubulure 22 ne soit pas solidaire rigidement de la plaque 42 formant le réservoir 24. En effet, cela induirait des contraintes au niveau des connecteurs 30 et 30' du fait de la différence de coefficients de dilatation thermique entre le verre et le matériau dont est faite la paroi 42. Pour résoudre ce problème, la tubulure 22 traverse librement la paroi 42 par un orifice 44. L'étanchéité entre la plaque 42 et la tubulure 22 peut être réalisée avec un dépôt d'un matériau à faible température de prise telle qu'une calle 46. In Figure 2, it has been shown that the tubing 22 is fixed by the connector 30 on the micropump. On the other hand, it is important that the tubing 22 is not rigidly rigidly attached to the plate 42 forming the reservoir 24. In fact, this would induce stresses at the connectors 30 and 30 'due to the difference in thermal expansion coefficients between the glass and the material from which the wall 42 is made. To solve this problem, the tubing 22 freely crosses the wall 42 through an orifice 44. The sealing between the plate 42 and the tubing 22 can be carried out with a deposit of a low setting temperature material such as calle 46.
Dans l'exemple décrit précédemment, on a envisagé le cas d'une micropompe. Il va de soi que le procédé selon l'invention peut être utilisé par la liaison étanche entre d'autres composants présentant une paroi en verre ou analogue et d'autres organes tels que tubulures, réservoirs, etc., dans lesquels doit circuler un liquide. In the example described above, we have considered the case of a micropump. It goes without saying that the method according to the invention can be used by the sealed connection between other components having a glass wall or the like and other members such as pipes, tanks, etc., in which a liquid must circulate. .
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |