FR2813073A1 - Dispositif de positionnement et de guidage pour la connexion etanche de capillaires a un micro-composant - Google Patents

Dispositif de positionnement et de guidage pour la connexion etanche de capillaires a un micro-composant Download PDF

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Nicolas Sarrut
Patrick Pouteau
Yves Fouillet
Olivier Constantin
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Abstract

L'invention concerne le positionnement et le guidage de capillaires (6) pour la connexion de leurs premières extrémités à un micro-composant au moyen d'un dispositif (1) comprenant des canaux (4), chaque canal étant adapté en forme et en taille pour recevoir un capillaire et le guider vers l'emplacement qui lui est réservé dans le micro-composant. Le dispositif (1) comprend une zone de réception (5) des premières extrémités des capillaires (6), cette zone de réception (5) révélant les premières extrémités des canaux (4) sur une longueur déterminée et permettant la pose des premières extrémités des capillaires (6) au fond des premières extrémités des canaux.

Description

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DISPOSITIF DE POSITIONNEMENT ET DE GUIDAGE POUR LA CONNEXION ETANCHE DE CAPILLAIRES A UN MICRO-COMPOSANT DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un dispositif de positionnement et de guidage pour la connexion étanche de capillaires à un micro-composant.
Cette technique de connexion peut être utilisée pour tout composant de micro-fluidique. Les principales applications utilisant ce genre de composants relèvent des domaines chimique, biologique, pharmaceutique, médical (dosage de micro-volumes, réactions chimiques sur des micro-volumes, génotypage, diagnostic : puces à ADN).
Etat de la technique antérieure
Figure img00010006

Dans de nombreuses applications de microfluidique, il est nécessaire de connecter des microcomposants fluidiques (ensemble de micro-canaux, microréservoirs, micro-réacteurs, micro-valves, systèmes de chauffage...) entre eux ou à des systèmes extérieurs (réservoirs, systèmes d'injection...). Une solution retenue fréquemment pour assurer cette connexion consiste en l'utilisation de micro-tubes ou capillaires. Ceux-ci doivent s'insérer à l'intérieur du micro-composant pour déboucher sur une structure creuse
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du type canal, réservoir, réacteur.... L'étanchéité est ensuite assurée par collage.
Les capillaires peuvent être insérés perpendiculairement à une face principale d'un composant pour être connectés à des canaux s'étendant parallèlement à cette face, auquel cas il existe un coude à la connexion entre capillaires et canaux. Les capillaires peuvent aussi être insérés dans la tranche du composant comme cela est divulgué dans le document "Utilizing the {111} plane switch-over etching process for micro fluid control applications" de R.E. OOSTERBROEK et al., Proc. of the Micro Total Analysis Systems'98, 13-16 octobre 1998, pages 137-140.
Le problème qui se pose alors est de réussir à insérer facilement un nombre relativement important de capillaires (par exemple 50) en parallèle sur un micro-composant fluidique. Ces capillaires peuvent être indépendants entre eux ou assemblés sous forme d'une nappe plane.
Des capillaires en silice fondue gainée de polyimides sont couramment utilisés en électrophorèse capillaire (voir le document WO 00/30751). De tels capillaires, par exemple ceux fabriqués par la société Polymicro, peuvent avoir un diamètre intérieur compris entre 2 et 500 um et un diamètre extérieur compris entre 100 et 700 um. La société Polymicro fabrique aussi des nappes de capillaires, mais apparemment pas pour des applications de micro-fluidique.
L'utilisation de colle pour assurer une connexion étanche est courante. On peut se référer à ce sujet à l'article "Novel interconnection and channel
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technologies for microfluidics" de N.J. MOURLAS et al., Proc. of the Micro Total Analysis Systems'98, 13-16 octobre 1998, pages 27-30.
I1 n'est donc pas facile d'insérer un ensemble de capillaires, qu'ils soient indépendants entre eux ou groupés en nappe, dans un micro-composant.
Il peut être avantageux que cette insertion se fasse par la tranche des micro-composants afin d'assurer un positionnement des capillaires dans le prolongement de canaux de micro -composants. Ce type de connexion permet d'éviter des coudes dans le circuit fluidique et l'injection de fluide en est amélioré. En outre, ceci facilite l'architecture globale de l'application et procure un gain de place sur le microcomposant. Exposé de l'invention La présente invention permet d'apporter une solution au problème posé en proposant un positionnement et un guidage des capillaires, disposés ou non en nappes, qui leur permet de pénétrer facilement dans le micro-composant fonctionnalisé. Quelle que soit la fonction du micro-commposant, la solution proposée s'intègre à celui-ci.
Cette solution s'adapte parfaitement à une connexion dans la tranche des micro-composants plans (puce en silicium par exemple).
Le guidage des capillaires pouvant s'intégrer complètement au micro-composant, il est possible de venir connecter des capillaires très
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faiblement espacés, typiquement assemblés à un pas d'une centaine de micromètres. Un premier objet de l'invention consiste en un dispositif de positionnement et de guidage de capillaires pour la connexion de leurs premières extrémités à un micro-composant, le dispositif comprenant des canaux, chaque canal étant adapté en forme et en taille pour recevoir un capillaire et le guider vers l'emplacement qui lui est réservé dans le micro-composant, le dispositif comprenant une zone de réception des premières extrémités des capillaires, cette zone de réception révélant les premières extrémités des canaux sur une longueur déterminée et permettant la pose des premières extrémités des capillaires au fond des premières extrémités des canaux. Le dispositif peut comprendre un premier substrat, comportant sur l'une de ses faces des rainures, et un deuxième substrat solidaire de ladite face du premier substrat de manière à recouvrir les rainures à l'exception d'une zone de ladite face du premier substrat constituant ladite zone de réception, les rainures constituant ainsi lesdits canaux.
Selon une variante de réalisation, le dispositif peut comprendre un premier substrat, comportant sur l'une de ses faces des rainures, et un deuxième substrat, comportant sur l'une de ses faces des rainures en correspondance avec les rainures du premier substrat, le premier substrat étant solidarisé avec le deuxième substrat de façon que les rainures correspondantes se superposent pour constituer lesdits
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canaux, à l'exception de la zone de ladite face du premier substrat constituant ladite zone de réception.
Les rainures peuvent avoir une forme en V ou en U. Le dispositif peut être réalisé en silicium ou en plastique. I1 peut notamment constituer une partie d'un micro-composant ou lui être associé.
Un deuxième objet de l'invention consiste en un procédé de réalisation d'un dispositif de positionnement et de guidage de capillaires, comprenant les étapes suivantes .
- formation de rainures sur une face d'un premier substrat, chaque rainure étant adaptée en forme et en taille pour recevoir et guider un capillaire, - éventuellement, formation de rainures sur une face d'un deuxième substrat en correspondance avec les rainures du premier substrat, - mise en contact adhérent de ladite face du premier substrat avec ladite face du deuxième substrat, avec éventuellement superposition des rainures correspondantes, pour obtenir des canaux de guidage des capillaires, à l'exception d'une zone de ladite face du premier substrat, cette zone servant de zone de réception pour des premières extrémités des capillaires.
Les étapes de formation de rainures peuvent consister à former des rainures en forme de V ou de U. Ces rainures peuvent être formées par gravure. Si le substrat à graver est en silicium, les rainures peuvent être formées par gravure chimique pour obtenir des rainures en forme de V. Les rainures peuvent être
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formées par gravure plasma pour obtenir des rainures en forme de U. Le deuxième substrat peut présenter un évidement correspondant à ladite zone de réception pour que, lorsque le deuxième substrat est mis en contact adhérent avec ladite face du premier substrat, ladite zone de réception soit ainsi constituée. Eventuellement, l'évidement du deuxième substrat laissant subsister une partie surplombant la zone de réception après la mise en contact adhérent du deuxième substrat sur ladite face du premier substrat, cette partie surplombante est éliminée. L'élimination de la partie surplombante peut être obtenue par une méthode choisie parmi la découpe et le clivage.
Avantageusement, le premier substrat et/ou le deuxième substrat sont des substrats traités pour constituer un micro-composant.
Un troisième objet de l'invention concerne un procédé de positionnement et de guidage de capillaires pour la connexion de leurs premières extrémités à un micro-composant, utilisant un dispositif comprenant des canaux, chaque canal étant adapté en forme et en taille pour recevoir un capillaire et le guider vers l'emplacement qui lui est réservé dans le micro-composant, le dispositif comprenant une zone de réception révélant les premières extrémités des canaux sur une longueur déterminée, le procédé comprenant les étapes suivantes - positionnement des premières extrémités des capillaires en regard de la zone de réception,
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chaque capillaire étant placé en regard du canal qui lui est affecté, - translation des capillaires par rapport au dispositif afin de disposer les premières extrémités des capillaires dans les premières extrémités correspondantes des canaux, - translation des capillaires par rapport au dispositif pour faire pénétrer les capillaires dans le dispositif jusqu'à l'emplacement qui leur est réservé dans le micro-composant, - mise en place de moyens d'étanchéité sur la zone de réception pour assurer l'étanchéité entre les capillaires et le dispositif. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à 1a lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels .
- les figures 1A à 1D décrivent le positionnement et le guidage de capillaires assemblés en nappe au moyen d'un dispositif selon la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale montrant un capillaire mis en place dans un micro-composant grâce à un dispositif selon l'invention associé à ce micro-composant, - la figure 3 montre un dispositif selon l'invention en cours de réalisation.
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Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Le reste de la description va porter sur des dispositifs où les canaux de positionnement et de guidage des capillaires sont constitués uniquement de rainures réalisées sur une face d'un substrat.
Les figures 1A à 1D montrent un dispositif 1 de positionnement et de guidage de capillaires. Ce dispositif est en fait associé à un micro-composant pour former un même ensemble. Le dispositif 1 est formé à partir d'un premier substrat 2 et d'un deuxième substrat 3. Un exemple de fabrication de ce dispositif sera donné plus loin. Le substrat 2 comporte, sur sa face supérieure, des rainures 4 de section triangulaire permettant l'insertion de capillaires. Le substrat 3 est solidaire de la face supérieure du substrat 2 et recouvre les rainures 4 à l'exception d'une zone 5 appelée zone de réception des capillaires.
Dans l'exemple représenté par les figures 1A à 1D, les capillaires 6 sont assemblés en nappe par un élément de maintien 7. Les rainures 4 sont d'une taille prévue pour recevoir les capillaires 6 sans que ceux-ci en débordent. La section triangulaire des rainures permet un positionnement axial précis des capillaires.
Comme le montre la figure 1A, les extrémités des capillaires 6 sont d'abord placées au- dessus de la zone de réception 5 et en regard de leurs
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rainures 4 respectives. Par translation verticale, les extrémités des capillaires 6 sont alors disposées dans les rainures 4 de la zone de réception 5.
Une translation horizontale permet alors de faire pénétrer les capillaires 6 dans le dispositif 1 par glissement dans les rainures 4. C'est ce que montre la figure 1B. La translation de la nappe de capillaires est poursuivie jusqu'à ce que l'élément de maintien 7 vienne en butée sur le substrat 2 du dispositif 1. C'est ce que montre la figure 1C.
Comme le montre la figure 1D, un cordon de colle 8 est déposé sur la zone de réception 5, dans l'angle formé par l'assemblage des substrats 2 et 3 du dispositif 1. La colle utilisée doit être suffisamment fluide pour assurer l'étanchéité entre les capillaires 6 et le dispositif 1 en bouchant les espaces existant entre les capillaires et les rainures. La colle pénètre dans le dispositif par capillarité occupant ainsi tous les espaces éventuels de fuite.
La coupe de la figure 2 montre de quelle manière la colle 8 occupe l'espace entre le capillaire 6 et 1e dispositif 1. Dans cette position, l'extrémité du capillaire 6 a atteint la zone correspondant au micro-composant. Pour éviter que la colle ne progresse jusqu'à l'extrémité du capillaire et ne le bouche, il est possible de jouer sur les deux paramètres suivants. Un premier paramètre est constitué par la longueur de pénétration des capillaires dans le micro-composant plus loin est l'extrémité du capillaire, moins grand est le risque de bouchage. Un second paramètre est
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constitué par la viscosité de la colle : plus la colle est visqueuse, moins elle peut migrer à l'intérieur du micro-composant. Ces deux paramètres sont néanmoins à optimiser, en fonction du diamètre du capillaire et de la section de la rainure, pour limiter les volumes morts. La réalisation du dispositif de positionnement et de guidage selon l'invention dépend de l'application dans laquelle il s'insère. Le dispositif peut être réalisé par une technologie silicium ou par une technologie plastique.
La technologie silicium met en #uvre deux substrats en silicium que l'on grave. La figure 3 représente des substrats 2 et 3 gravés et rendus solidaires par collage.
Le substrat 2 en silicium subit une gravure chimique anisotrope à l'hydroxyde de potassium KOH pour obtenir des rainures 4 de section triangulaire. Une gravure plasma permettrait d'obtenir des rainures à section en U.
Le substrat 3, également en silicium, est gravé pour obtenir, sur l'une de ses extrémités, un évidement 9 correspondant à la zone de réception 5. Le substrat 3 possède donc une partie surplombante 10 au- dessus de la zone de réception 5.
Les substrats 2 et 3 peuvent avoir subi d'autres traitements concernant la réalisation du micro-composant. Ils sont collés l'un à l'autre, comme le montre la figure 3, par exemple par une technique d'adhérence moléculaire. La partie surplombante 10 peut
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alors être découpée ou clivée pour révéler la zone de réception 5. A titre d'exemple, les substrats 2 et 3 peuvent être des plaques de silicium de 450 um d'épaisseur. Les rainures 4 peuvent avoir 600 um de largeur, 424 pm de profondeur. Le pas entre les rainures peut être de 700 um. La longueur (dans le sens des rainures) de la zone de réception peut être de 2 mm. La longueur de pénétration des capillaires dans le micro-composant peut être de 500 um. Un tel dispositif permet de recevoir des capillaires de 360 gm de diamètre extérieur et de 164 gm de diamètre intérieur. La colle utilisée peut être une colle durcissant aux ultraviolets.
La technologie plastique permet aussi de réaliser des dispositifs de dimensions microscopiques (canaux de quelques centaines de micromètres) par moulage, usinage, embossage...
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Claims (16)

  1. REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) de positionnement et de guidage de capillaires (6) pour la connexion de leurs premières extrémités à un micro-composant, le dispositif comprenant des canaux (4), chaque canal étant adapté en forme et en taille pour recevoir un capillaire et le guider vers l'emplacement qui lui est réservé dans le micro-composant, le dispositif comprenant une zone de réception (5) des premières extrémités des capillaires (6), cette zone de réception révélant les premières extrémités des canaux sur une longueur déterminée et permettant la pose des premières extrémités des capillaires au fond des premières extrémités des canaux.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier substrat (2), comportant sur l'une de ses faces des rainures (4), et un deuxième substrat (3) solidaire de ladite face du premier substrat de manière à recouvrir les rainures à l'exception d'une zone de ladite face du premier substrat constituant ladite zone de réception (5), les rainures constituant ainsi lesdits canaux.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier substrat, comportant sur l'une de ses faces des rainures, et un deuxième substrat, comportant sur l'une de ses faces des rainures en correspondance avec les rainures du premier substrat, le premier substrat étant solidarisé
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    avec le deuxième substrat de façon que les rainures correspondantes se superposent pour constituer lesdits canaux, à l'exception de la zone de ladite face du premier substrat constituant ladite zone de réception.
  4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les rainures (4) ont une forme en V ou en U.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est en silicium ou en plastique.
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à S, caractérisé en ce qu'il constitue une partie d'un micro-composant.
  7. 7. Procédé de réalisation d'un dispositif (1) de positionnement et de guidage de capillaires (6), comprenant les étapes suivantes - formation de rainures (4) sur une face d'un premier substrat (2), chaque rainure étant adaptée en forme et en taille pour recevoir et guider un capillaire (6), - éventuellement, formation de rainures sur une face d'un deuxième substrat en correspondance avec les rainures du premier substrat, - mise en contact adhérent de ladite face du premier substrat (2) avec ladite face du deuxième substrat (3), avec éventuellement superposition des rainures correspondantes, pour obtenir des canaux de
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    guidage des capillaires, à l'exception d'une zone de ladite face du premier substrat, cette zone servant de zone de réception (5) pour des premières extrémités des capillaires.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les étapes de formation de rainures (4) consistent à former des rainures en forme de V ou de U.
  9. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les rainures (4) sont formées par gravure.
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, le substrat (2) à graver étant en silicium, les rainures (4) sont formées par gravure chimique pour obtenir des rainures en forme de V.
  11. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, les rainures (4) sont formées par gravure plasma pour obtenir des rainures en forme de U.
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le deuxième substrat (3) présente un évidement (9) correspondant à ladite zone de réception (5) pour que, lorsque le deuxième substrat (3) est mis en contact adhérent avec ladite face du premier substrat (2), ladite zone de réception (5) soit ainsi constituée.
    <Desc/Clms Page number 15>
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, l'évidement (9) du deuxième substrat (3) laissant subsister une partie (10) surplombant la zone de réception (5) après la mise en contact adhérent du deuxième substrat (3) sur ladite face du premier substrat (2), cette partie surplombante (10) est éliminée.
  14. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'élimination de la partie surplombante (10) est obtenue par une méthode choisie parmi la découpe et le clivage.
  15. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que le premier substrat (2) et/ou le deuxième substrat (3) sont des substrats traités pour constituer un micro-composant.
  16. 16. Procédé de positionnement et de guidage de capillaires (6) pour la connexion de leurs premières extrémités à un micro-composant, utilisant un dispositif (1) comprenant des canaux (4), chaque canal étant adapté en forme et en taille pour recevoir un capillaire (6) et le guider vers l'emplacement qui lui est réservé dans le micro-composant, le dispositif (1) comprenant une zone de réception (5) révélant les premières extrémités des canaux (4) sur une longueur déterminée, le procédé comprenant les étapes suivantes .
    <Desc/Clms Page number 16>
    - positionnement des premières extrémités des capillaires (6) en regard de la zone de réception (5), chaque capillaire (6) étant placé en regard du canal (4) qui lui est affecté, - translation des capillaires (6) par rapport au dispositif (1) afin de disposer les premières extrémités des capillaires dans les premières extrémités correspondantes des canaux, - translation des capillaires (6) par rapport au dispositif (1) pour faire pénétrer les capillaires dans le dispositif jusqu'à l'emplacement qui leur est réservé dans le micro-composant, - mise en place de moyens d'étanchéité (8) sur la zone de réception (5) pour assurer l'étanchéité entre les capillaires (6) et le dispositif (1).
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