FR2881222A1 - Procede de mesure de volume par profilometrie optique de surface dans un dispositif micromecanique et ensemble destine a une telle mesure - Google Patents

Abstract

Procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface dans un dispositif micromécanique et ensemble destiné à une telle mesureL'invention concerne un procédé mesure de volume par profilométrie optique de surface dans un dispositif micromécanique (100) fluidique, qui comprend les étapes suivantes :a) on fournit et on dispose un appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface,b) on fournit des moyens (24;44;64;84) permettant d'acquérir et de traiter les images provenant de l'appareil de profilométrie optique,c) on place ledit organe mobile (133) dans une première puis une deuxième positions et on active ledit appareil de profilométrie optique de surface pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image pour obtenir une première image dans ladite première position de l'organe mobile (133) puis dans ladite deuxième position,d) on compare ladite deuxième image à ladite première image de ladite face de référence pour déterminer la variation de volume de la cavité (138) engendrée par la déformation de l'organe mobile.

Description

2881222 1

L'invention concerne un procédé de mesure de variation de volume par profilométrie optique de surface dans un dispositif micromécanique, ledit dispositif micromécanique comprenant un empilement recouvert d'une plaque de fermeture transparente, ledit empilement comportant une plaque de support et une plaquette de silicium recouvrant ladite plaque de support et recouverte de ladite plaque de fermeture, au moins une cavité étant formée entre ladite plaque de fermeture et ladite plaquette de silicium, un organe mobile formé dans la plaquette de silicium étant apte à se rapprocher et à s'écarter de la plaque de support respectivement entre une première position et une deuxième position qui définissent une variation de volume de ladite cavité.

Le qualificatif transparent signifie ici que la plaque de fermeture laisse passer un rayonnement appartenant au domaine spectral s'étendant au moins de l'ultraviolet à l'infrarouge inclus.

Le mouvement de l'organe mobile formé dans la plaquette de silicium et qui se rapproche et s'écarte de la plaque de support, peut être engendré sous la pression d'un fluide dans ladite cavité, en particulier sous la pression d'un liquide pour l'organe mobile d'un organe de contrôle ou de sortie de liquide formant généralement une valve, ou par une sollicitation mécanique d'un actionneur, par exemple de type piézo- électrique ou autre, ou par une combinaison de sollicitations différentes.

Egalement, la présente invention se rapporte à la réalisation d'un ensemble destiné à la mesure de la variation de volume engendrée par la déformation d'un organe mobile tel qu'une membrane dans un dispositif micromécanique, en particulier de type fluidique, notamment un organe mobile formant l'organe de pompage de liquide d'une micropompe fonctionnant par exemple comme micropompe à usage médical qui délivre régulièrement une quantité contrôlée d'un médicament liquide.

Il existe des besoins de caractérisation du volume des cavités formées clans des dispositifs micromécaniques, en particulier fluidiques, d'une façon qui ne perturbe pas la structure du dispositif, en particulier sans contact.

En particulier, la mesure de la variation du volume de ces cavités est nécessaire pour caractériser l'aptitude au pompage propre à chacun de ces dispositifs fluidiques après sa fabrication, c'est-à-dire le volume pompé, en particulier de liquide, à chaque déflection de l'organe 2881222 2 mobile ou coup de pompe lorsque l'organe mobile considéré est la membrane de pompage d'une micropompe.

Cette mesure peut être un simple test de validation en production si les tolérances d'usinage sont suffisantes. Dans le cas contraire, cette mesure peut servir de calibration du volume de pompage de la micropompe. La valeur de cette mesure est alors indiquée dans la fiche d'identification de chaque dispositif fluidique (par exemple sous forme d'un codage analogique -par ajustage de la valeur de la résistance électrique d'une résistance- ou numérique au moyen d'une mémoire EEPROM, d'un code barre d'un circuit fusible, câblé ou codé par laser).

Ceci permet en effet, lors de la commande de la micropompe par le système de contrôle électronique, de pouvoir lire cette valeur afin que ce système calcule le nombre de coups de pompe à déclencher par unité de temps pour atteindre le débit désiré et donc délivrer la quantité de liquide avec une très grande précision.

De manière habituelle, dans le cas d'une micropompe telle que celle présentée par exemple dans le document WO 01/90577, cette mesure est réalisée par détermination de la quantité de liquide pompé (ou volume de pompage) à chaque coup de pompe ou mouvement d'aller- retour de la membrane de pompage.

Le mouvement aller de chaque coup de pompe correspond au mouvement de la membrane de pompage depuis une première position (dite basse , qui est éloignée de la plaque de fermeture) vers une deuxième position (dite haute , qui est proche de la plaque de fermeture), tandis que le mouvement retour de chaque coup de pompe correspond au mouvement de la membrane depuis cette deuxième position (dite haute ) vers cette première position (dite basse ).

Selon la structure de la micropompe, plusieurs situations 30 peuvent se présenter quant à la position de la membrane de pompage lorsque cette dernière est au repos.

Parmi ces différentes situations, on peut citer, de façon non exhaustive: - le cas où la membrane subit depuis sa position initiale de repos, une déformation en réponse à l'actionneur piézo-électrique (ou tout autre type de commande notamment électrostatique), puis un retour à sa 2881222 3 position de repos. Ici, la position de repos correspond à l'une des deux positions extrêmes parmi la première position, dite basse , et la deuxième position, dite haute , et l'autre position parmi la première position et la deuxième position est une position de déformation. Parmi ces deux hypothèses, le document WO 01/90577 présente une micropompe dans laquelle la position de repos de la membrane de pompage coïncide avec la première position, dite basse .

- le cas où la membrane subit depuis sa position initiale de repos, formant une position intermédiaire, une première déformation en réponse à un premier type de sollicitation de l'actionneur, afin de venir dans sa première position, dite basse , puis une deuxième déformation en réponse à un deuxième type de sollicitation de l'actionneur, afin de venir dans sa deuxième position, dite haute , puis cette membrane est à nouveau sollicitée par l'actionneur afin de venir en position basse. On a un actionnement de type push-pull , à savoir qu'il faut d'abord attirer la membrane vers le bas pour aspirer le liquide puis pousser la membrane pour expulser le liquide. La membrane est donc déformée en position haute et en position basse. Lorsque la membrane n'est plus sollicitée, celle-ci revient à sa position de repos intermédiaire.

Ainsi, cette procédure de mesure du volume de pompage est relativement longue (plusieurs minutes) puisqu'il est nécessaire de remplir avec du liquide tout le circuit fluidique de la micropompe, de faire la mesure du volume de liquide entrant ou sortant de la micropompe pour un ou plusieurs coups de pompe, et enfin de sécher le circuit fluidique. De plus, il est nécessaire d'effectuer une inspection visuelle de la membrane après cette mesure, afin de vérifier l'absence de toute anomalie et en particulier que la membrane n'est pas restée bloquée en position déformée.

On comprend que cette mesure nécessite de multiples 30 manipulations et traitements qui sont trop longs pour une caractérisation en série nécessaire lors de la production de type industriel.

De plus, du fait du passage du liquide, il existe un risque de contamination par des résidus solides tels que des poussières ou des particules. Ainsi, pour s'assurer de l'absence de bactéries, une décontamination est réalisée: après séchage de l'ensemble une 2881222 4 stérilisation aux rayons gamma est possible mais sans séchage, la stérilisation est rendue plus complexe.

La présente invention a donc pour objectif de surmonter les inconvénients des techniques de caractérisation de variation de volume d'un dispositif fluidique de l'art antérieur, notamment celles qui utilisent le passage de liquide.

A cette fin, la présente invention se propose de fournir un procédé de mesure de volume sans contact avec la cavité interne du dispositif fluidique.

Cet objectif est rempli grâce au procédé de mesure de variation de volume par profilométrie optique de surface selon l'invention qui est caractérisé en ce que l'on réalise les étapes suivantes: a) on fournit et on dispose un appareil de profilométrie optique de surface de sorte que la face de l'organe mobile tournée en direction de la plaque de fermeture soit la face de référence pour la mesure, b) on fournit des moyens d'acquisition et de traitement d'image permettant d'acquérir et de traiter les images provenant de l'appareil de profilométrie optique, c) on place ledit organe mobile dans ladite première position et on active ledit appareil de profilométrie optique de surface pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image pour obtenir une première image de ladite face de référence dans ladite première position de l'organe mobile, d) on place ledit organe mobile dans ladite deuxième position et on active ledit appareil de profilométrie optique de surface pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image pour obtenir une deuxième image de ladite face de référence dans ladite deuxième position de l'organe mobile, et e) on compare ladite deuxième image à ladite première image de ladite face de référence pour déterminer la variation de volume de la cavité engendrée par la déformation de l'organe mobile.

A noter que dans l'étape d), l'organe mobile est placé dans sa deuxième position par une déformation engendrée de façon mécanique, notamment par un actionneur et donc, de façon avantageuse, sans passage de fluide, en particulier de liquide, dans la cavité.

2881222 5 Ainsi, on comprend que grâce à l'invention, on effectue très simplement la mesure de variation de volume de la cavité sans contact et sans passage de fluide, et en particulier de liquide, dans la cavité.

Cette mesure est donc effectuée par comparaison des images de la face de l'organe mobile tournée vers la cavité, obtenues dans une première position (notamment au repos) et dans une deuxième position (notamment après déflexion), selon des techniques de mesure de profilométrie optique.

Selon un premier mode de réalisation du procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface, ledit appareil de profilométrie optique de surface est un interféromètre fonctionnant soit en lumière blanche par détection du maximum de cohérence de deux fronts d'onde polychromatiques, soit en lumière monochromatique avec décalage de phase (PSI), soit fonctionnant en microscopie holographique digitale de sorte que lesdites première image et deuxième image sont des images d'interférences.

Selon ce premier mode de réalisation du procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface, de façon préférentielle, ledit appareil de profilométrie optique de surface comporte un miroir de référence et, lors de l'étape a), on place une plaque compensatrice, optiquement équivalente à ladite plaque de fermeture transparente, sur ledit miroir de référence.

Selon un deuxième mode de réalisation du procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface, ledit appareil de profilométrie optique de surface est un instrument fonctionnant selon le principe de la microscopie confocale.

Selon une mise en oeuvre préférentielle du procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface selon l'invention, ledit dispositif micromécanique est une micropompe, ladite cavité est une chambre de pompage, ledit organe mobile est une membrane et l'on mesure la variation du volume de la chambre de pompage entre la première position de la membrane, dite position basse atteinte lorsque ladite membrane termine son déplacement dans la direction opposée à la plaque de fermeture (par exemple lorsque ladite membrane est en butée mécanique), et la deuxième position de la membrane correspondant à une position haute atteinte lorsque ladite membrane termine son déplacement 2881222 6 vers la plaque de fermeture (par exemple lorsque ladite membrane est en butée mécanique).

L'expression la membrane est en butée mécanique doit s'entendre de toutes les situations dans lesquelles il existe une butée mécanique, c'est-à-dire un stoppage du mouvement de la membrane par contact, que ce soit la membrane elle-même qui réalise ce contact, ou que ce soit une autre pièce qui lui est attachée de façon solidaire.

La présente invention a aussi pour objectif de fournir un ensemble de mesure de variation de volume par profilométrie optique de surface clans un dispositif micromécanique fluidique surmontant les inconvénients de l'art antérieur.

A cet effet, selon la présente invention ledit ensemble de mesure comporte: - un dispositif micromécanique comprenant un empilement recouvert d'une plaque de fermeture transparente, ledit empilement comportant une plaque de support et une plaquette de silicium recouvrant ladite plaque de support et recouverte de ladite plaque de fermeture, au moins une cavité étant forrnée entre ladite plaque de fermeture et ladite plaquette de silicium, un organe mobile formé dans la plaquette de silicium étant apte à se rapprocher et à s'écarter de la plaque de support respectivement entre une première position, dite basse, et une deuxième position, dite haute, qui définissent une variation de volume de ladite cavité, - un appareil de profilométrie optique de surface monté de telle sorte que la face de l'organe mobile tournée en direction de la plaque de fermeture soit la face de référence pour la mesure lorsqu'un faisceau lumineux est dirigé sur le dispositif micromécanique fluidique, - des moyens d'acquisition et de traitement d'image permettant d'acquérir et de traiter les images provenant de l'appareil de profilométrie optique et de déterminer la variation de volume de la cavité engendrée par la déformation de l'organe mobile en comparant une première image de ladite face de référence dans ladite première position de l'organe mobile à une deuxième image de ladite face de référence dans ladite deuxième position de l'organe mobile.

En conséquence, grâce à cet ensemble de mesure par 35 profilométrie optique, on peut mettre en oeuvre le procédé selon l'invention et effectuer très simplement la mesure de variation de volume 2881222 7 de la cavité sans contact et sans passage de fluide, et en particulier de liquide, dans la cavité Selon un premier mode de réalisation de l'ensemble de mesure par profilométrie optique selon la présente invention, ledit appareil de profilométrie optique de surface est un interféromètre fonctionnant soit en lumière blanche par détection du maximum de cohérence de deux fronts d'onde polychromatiques, soit en lumière monochromatique avec décalage de phase (PSI), soit fonctionnant en microscopie holographique digitale de sorte que lesdites première image et deuxième image sont des images d'interférences.

De préférence, selon ce premier mode de réalisation de l'ensemble de mesure par profilométrie optique, ledit appareil de profilométrie optique de surface comporte un miroir de référence et en ce qu'une plaque compensatrice, optiquement équivalente à ladite plaque de fermeture transparente, est placée sur ledit miroir de référence.

Selon un deuxième mode de réalisation de l'ensemble de mesure par profilométrie optique, ledit appareil de profilométrie optique de surface est un instrument fonctionnant selon le principe de la microscopie confocale.

Selon un agencement préférentiel de l'ensemble de mesure par profilométrie optique, ledit dispositif micromécanique est une micropompe, ladite cavité est une chambre de pompage, ledit organe mobile est une membrane et l'on mesure la variation du volume de la chambre de pompage entre la première position de la membrane, correspondant par exemple à une position de repos, et la deuxième position de la membrane, correspondant par exemple à une position déformée.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en section longitudinale schématique d'une micropompe; - la figure 2 représente schématiquement un premier montage utilisable pour mettre en oeuvre le procédé de mesure conforme au premier mode de réalisation de la présente invention selon des première et deuxième variantes; et, 2881222 8 - la figure 3 représente schématiquement un deuxième montage utilisable pour mettre en oeuvre le procédé de mesure conforme au premier mode de réalisation de la présente invention selon les première et deuxième variantes, ainsi que selon la troisième variante; - la figure 4 représente schématiquement un troisième montage également utilisable pour mettre en oeuvre le procédé de mesure conforme à l'une des trois variantes du premier mode de réalisation de la présente iinvention; et - la figure 5 représente schématiquement un quatrième montage utilisable pour mettre en oeuvre le procédé de mesure conforme à la troisième variante du premier mode de réalisation de la présente invention: - la figure 6 représente schématiquement un cinquième montage utilisable pour mettre en oeuvre le procédé de mesure conforme au deuxième mode de réalisation de la présente invention.

Sur la figure 1 est visible une micropompe 100 formant un ensemble fluidique formé essentiellement d'une plaque de fermeture en verre 120 et d'un empilement 130, la plaque de fermeture en verre 120 surmontant l'empilement 130.

L'empilement 130 comporte de façon superposée et de haut en bas sur la figure 1 trois éléments s'étendant sur toute la surface de la micropompe 100, à savoir une plaquette de silicium 132, une couche d'oxyde de silicium 134 et une plaque de support en silicium 136.

Ce type d'empilement dénommé communément SOI ( SILICON ON-INSULATOR ) est disponible dans le commerce sous la forme de plaques ou "wafer" notamment utilisés dans l'industrie électronique à semiconducteur.

Cette micropompe 100 intègre (de gauche à droite sur la figure 1) un organe de contrôle d'entrée de liquide, une partie de pompage 102, un organe de détection de pression et un organe de contrôle de sortie de liquide.

De manière préférentielle, outre la plaque de fermeture en verre 120 et l'empilement 130, la micropompe est munie d'une plaque de fermeture en verre supplémentaire 120' fixée par soudage de plaque sur la face de la plaque de support 136 opposée à la plaque de fermeture de verre 120, c'est-à-dire en partie basse sur la figure 1.

2881222 9 Une cavité est délimitée entre la plaque de fermeture de verre 120 et la plaquette de silicium 132. Pour délimiter la cavité, la plaquette de silicium 132 a été usinée sur sa face tournée vers la plaque de fermeture de verre 120.

Cet usinage a délimité une membrane de pompage 133 dans la plaquette de silicium 132.

Il faut noter que la plaque de fermeture en verre 120 sert, en plus de refermer de manière étanche la cavité de la micropompe 100 destinée à être remplie de liquide, de butée lors du mouvement ascendant de la membrane de pompage 133.

Afin d'empêcher une adhésion ou un effet de ventouse entre la membrane de pompage 133 et la plaque de fermeture 120, des éléments ponctuels 122 réalisés dans un matériau anti-adhésion sont repartis sur la face 120a de la plaque de fermeture 20 tournée en direction de l'empilement 130.

La plaque de fermeture 120' sert elle aussi d'élément de butée dans le mouvement descendant de la membrane 133 de pompage par contact entre la plaque 120' et une partie mobile de pompage 137 formée dans la plaque de support 136 et désolidarisée de cette dernière, la partie mobile de pompage 137 étant solidaire de la membrane 133 de pompage, par l'intermédiaire d'une portion 135 de la couche d'oxyde de silicium 134.

La combinaison de ces deux butées (plaques 120 et 120') permet de contrôler l'amplitude maximale du mouvement vertical de la membrane de pompage 133 et d'assurer la précision du volume maximal de liquide pompé à chaque mouvement d'aller-retour de la membrane de pompage 133.

Entre l'organe de contrôle d'entrée de liquide et le détecteur de pression, la micropompe 100 comprend la partie de pompage 102 munie d'une chambre de pompage 138 située dans la cavité délimitée entre la plaque de fermeture de verre 120 et la plaquette de silicium 132.

La membrane de pompage 133 présente une forme de disque et elle est située dans la plaquette de silicium 132, en regard d'une part de la chambre de pompage 138 et d'autre part d'un volume annulaire exempt de matière usiné dans la plaque de support 136 et qui permet de séparer du reste de la plaque de support en silicium 136 la partie mobile de pompage 137 en forme de cylindre plein et de section circulaire. La 2881222 10 partie mobile de pompage 137 est reliée à la membrane de pompage 133 par la portion 135 de la couche d'oxyde de silicium 134 laissée intacte.

Des moyens de commande de la micropompe 100, dénommés de manière générique actionneur, sont internes ou externes à la micropompe: ils sont par exemple situés en regard de la membrane de pompage 133.

Ces moyens de commande peuvent être notamment à fonctionnement de type piézo-électrique, électromagnétique ou pneumatique.

La micropompe 100 peut être utilisée dans de nombreuses applications, notamment comme pompe à usage médical pour la délivrance en continu d'un médicament liquide.

Une telle pompe peut être, grâce à ses dimensions très réduites, de type implantable , c'est-à-dire pouvant être disposée sous la peau du patient, ou bien de type externe et reliée, par son organe de contrôle d'entrée, au système circulatoire sanguin du patient par un port d'entrée au niveau de la peau.

Sur la figure 1, la micropompe 100 est représentée en position basse, de repos, formant une première position de la membrane de pompage 133 dans laquelle la membrane de pompage 133 est en réalité déjà légèrement défléchie par rapport au reste de la plaquette de silicium 132: la partie mobile de pompage 137 étant en effet légèrement surélevée par rapport au reste de la plaque de support 136, une couche anti adhésion 139 de forme annulaire étant interposée entre la partie mobile de pompage 137 et la plaque de fermeture supplémentaire 120'.

Cette première position, ou position basse, est ici atteinte par le fait que la face inférieure de la partie mobile de pompage 137 vient en contact contre la couche anti adhésion 139 qui forme ainsi une butée mécanique pour la première position de la membrane de pompage 133.

Alternativement, si la couche anti adhésion 139 est disposée sur la face inférieure de la partie mobile de pompage 137, dans la première position de la membrane de pompage 133, c'est alors la face inférieure de la couche anti adhésion 139 qui vient en butée mécanique contre la face supérieure de la plaque de fermeture en verre supplémentaire 120'.

2881222 11 La position haute ou deuxième position de la membrane de pompage 133 et de la partie mobile de pompage 137 est schématisée sur la figure 1 par des traits en pointillés.

Dans cette deuxième position, la membrane de pompage 133 s'est rapprochée par déformation de la face 120a de la plaque de fermeture 120 et des éléments anti adhésion 122. Ici, cette deuxième position, ou position haute, voit la face supérieure de la membrane de pompage 133 venir en contact contre les éléments ponctuels 122 antiadhésion qui forment ainsi une butée mécanique pour la deuxième position de la membrane de pompage 133.

Comme la membrane de pompage 133 est solidaire de la plaquette de silicium 132 dans laquelle elle est formée, la périphérie circulaire de la membrane de pompage 133 reste dans le plan général de la plaquette de silicium 132 de sorte que la membrane 133 forme dans cette deuxième position, comme on peut le voir sur la figure 1 par les traits en pointillés, un profil plutôt courbe sur son pourtour.

Grâce à l'actionneur (non représenté) mentionné précédemment, la membrane de pompage 133 effectue des séries d'aller-retour de haut en bas et de bas en haut (flèche 140) entre ses deux positions extrêmes formant la première et la deuxième positions, ce qui faisant varier le volume de la chambre de pompage 138, permet de réaliser la fonction de pompage.

Dans sa deuxième position, la membrane de pompage 133 est déformée sous tension .

Selon la présente invention, on cherche donc à mesurer la variation du volume de cette chambre de pompage 138 sans contact et sans passage d'un liquide dans la cavité comportant la chambre de pompage 138.

Cette mesure est effectuée en réalisant la visualisation de la position de la membrane de pompage 133 dans sa première position et dans sa deuxième position, puis en calculant la variation de volume de la chambre de pompage 138 correspondant à l'écart entre ces deux positions.

Le principe est une mesure optique de la topographie de la surface de la face supérieure de la membrane de pompage 133 avant et après actionnement de la pompe (c'est-à-dire en position basse et en 2881222 12 position haute), la différence entre les deux images donnant directement la valeur du volume de liquide pompé.

Selon un premier mode de réalisation, cette mesure ou détection optique de la topographie utilise des méthodes interférométriques.

On rappelle qu'un interféromètre est un dispositif optique qui divise un rayon de lumière en deux rayons séparés et qui les recombine. Le phénomène d'interférences résultant est enregistré sous la forme d'interférogrammes constitués de franges sombres et lumineuses qui sont directement corrélées à la topographie de l'objet.

Selon une première variante du premier mode de réalisation, on utilise la technique de l'interférométrie en lumière blanche basée sur la détection du maximum de cohérence entre deux fronts d'onde polychromatiques.

Sur la figure 2 est représenté un ensemble de mesure 10 comprenant un interféromètre simplifié avec un objectif du type Mirau, adapté aux grandissements moyens.

A partir d'une source de lumière blanche 14, on forme un faisceau collimaté de lumière blanche 16 qui passe au travers d'une lame séparatrice 18 qui sépare le faisceau en deux parties: une première partie de faisceau éclaire l'échantillon formé de la micropompe 100, tandis que la deuxième partie de faisceau est dirigée vers un miroir de référence 20.

Une tête de mesure interférométrique de type Mirau 12 est disposée sur le chemin optique formé entre la lame séparatrice 18 et l'échantillon (micropompe 100).

Cette tête de mesure interférométrique de type Mirau 12 comprend un objectif 13. Entre l'objectif 13 et la micropompe 100, la tête de mesure interférométrique de type Mirau 12 comprend en outre (de haut en bas sur la figure 2) le miroir de référence 20, une lame de compensation 21 et une autre lame séparatrice 23, L'objectif 13 est mobile en translation verticale grâce à un support mobile en translation 22.

Les deux faisceaux réfléchis respectivement par le miroir de référence 20 et par l'échantillon (micropompe 100) sont ensuite recombinés et transmis à travers la lame séparatrice 18 vers la caméra CCD 24. Le phénomène d'interférence produit une série de franges 2881222 13 sombres et brillantes. Cette figure d'interférence appelée interférogramme est projetée sur la caméra CCD 24 et enregistrée. En amont de la caméra CCD 24 est disposé un sélecteur d'agrandissement 26.

A chaque point de mesure, l'intensité des franges est maximale 5 dans le plan de cohérence où la différence de chemin optique parcouru par les deux parties de faisceau est nulle.

En réalisant une translation (grâce au support 22) de l'objectif 13 de la tête de mesure interférométrique 12 ou de l'échantillon (micropornpe 100) autour du point de focalisation, avec un enregistrement des interférogrammes à intervalles connus (VSI Vertical Scanning Interferometry), il est ainsi possible de reconstituer le relief de lasurface de l'échantillon à partir de la modulation en intensité du signal en fonction de la position verticale.

En particulier, ici, on va reconstituer le relief de la face 15 supérieure de la membrane de pompage 133.

Cette technique permet notamment de détecter des surfaces présentant des discontinuités.

La méthode consiste à obtenir une représentation, notamment topographique, de la membrane de pompage 133 en position basse et en position haute, la différence entre les deux images permettant de calculer la variation de volume de la chambre de pompage, c'est-à-dire le volume de pompage nominal de la pompe.

La face de la membrane de pompage 133 tournée vers la chambre de pompage 138 (face supérieure sur la figure 1) sert donc de 25 surface réfléchissante.

La plaque de fermeture 120 formant un capot, qui peut notamment jouer le rôle de limiteur de course pour la membrane de pompage 133, doit être transparente dans le domaine visible pour cette technique. Une plaque de fermeture 120 en verre est donc possible mais non une plaque de fermeture en silicium.

Cette plaque de fermeture induit par ailleurs des interfaces optiques supplémentaires. Il est alors nécessaire de placer une plaque équivalente sur le miroir de référence 20 afin d'équilibrer les deux bras de l'interféromètre. On utilise donc une plaque de compensation 21 en verre de même épaisseur et de même indice optique que la plaque de fermeture 120.

2881222 14 Il n'y a pas d'ambiguïté sur la face observée lors de la détection, entre la face (avant) de la membrane 133 tournée vers la chambre de pompage 138 et la face (arrière) de la plaque de fermeture 120 tournée vers la chambre de pompage 138 car l'interféromètre ne peut pas à la fois se focaliser sur la membrane en position basse et observer des franges d'interférences sur cette face arrière. Ceci est du à la très faible longueur de cohérence de la lumière blanche (inférieure au micron).

C'est ce principe qui permet de repérer des discontinuités telles que celles rencontrées autour de la membrane 133. Ainsi la présence de particules est notamment révélée par des discontinuités sur la surface de la membrane 133.

On considère maintenant une deuxième variante du premier mode de réalisation: elle consiste à combiner la méthode de la première variante décrite précédemment à celle dite Phase Shifting Interferometry ou PSI (technique du décalage de phase) pour améliorer la résolution.

Dans le cas de cette deuxième variante, on peut utiliser le même montage que celui décrit précédemment en relation avec la figure 2, seule la source de lumière change car elle doit être désormais monochromatique. Au lieu de remplacer la source de lumière blanche 14 de la figure 1 par une source de lumière monochromatique, une variante consiste à la conserver et à ajouter un filtre que l'on dispose de préférence à l'avant de la lame séparatrice 18.

De plus, il n'est plus nécessaire de déplacer l'échantillon (micropompe 100) ou la tête de mesure (objectif 13) sauf si la profondeur de champ de l'objectif utilisé n'est pas suffisante pour observer toute la profondeur de la cavité (chambre de pompage 138).

La figure 3 présente une vue simplifiée d'un montage du type Michelson qui est bien adapté aux faibles grandissements et qui peut s'utiliser pour la deuxième variante du premier mode de réalisation.

Dans cet ensemble de mesure 30, une source laser 34 envoie un faisceau collimaté 36 sur une lame séparatrice 38, ce qui sépare le faisceau 36 en une première partie de faisceau incident 36a1 dirigée sur la micropompe 100 formant l'échantillon et en une deuxième partie de faisceau incident 36b1 dirigée sur le miroir de référence 40 recouvert de la plaque de compensation 41 de verre.

2881222 15 Les faisceaux réfléchis (première partie de faisceau réfléchi 36a2 et deuxième partie de faisceau réfléchi 36b2) sont ensuite recombinés par la lame séparatrice 38 et passent dans un objectif 33 puis dans un ensemble optique 46, formé d'une série de lentilles et d'un diaphragme, situé en avant d'une caméra CCD 44.

Le phénomène d'interférence produit une série de franges sombres et brillantes formant un interférogramme qui est projeté sur la caméra CCD 44 et enregistré.

Un autre objectif (non représenté) peut être ajouté au dessus 10 de l'échantillon (micropompe 100) pour améliorer la résolution transversale.

Ici, des franges d'interférences apparaissent à chaque variation de hauteur égale à la moitié de la longueur d'onde de la source de lumière utilisée. Il faut alors effectuer un dépliement de la phase pour obtenir la cartographie des hauteurs.

La détermination de la variation de volume de la chambre de pompage 138 consiste encore une fois à soustraire les images obtenues entre les positions haute et basse de la membrane 133.

La combinaison des techniques VSI et PSI exploite les 20 avantages des deux méthodes.

Il est à noter que l'interféromètre de type Michelson représenté sur la figure 3 peut aussi être utilisé pour la première variante du premier mode de réalisation en remplaçant la source laser par une source lumineuse blanche.

Un interféromètre de type Linnik peut également être utilisé pour les forts grandissements. Le montage correspondant 30' est illustré sur la figure 4 et il sera présenté par ses différences avec le montage de type Michelson de la figure 3. En conséquence, les mêmes signes de référence que ceux de la figure 3 sont repris en relation avec la figure 4 pour désigner les mêmes éléments.

Dans ce cas, le faisceau de lumière blanche 36 issu de la source 34 est séparé par une lame séparatrice 38 en deux parties de faisceau 36a, 36b qui sont dirigées respectivement vers un miroir de référence 40 et l'échantillon (micropompe 100) via deux objectifs séparés (respectivement un premier objectif 48 et un deuxième objectif 49).

2881222 16 Les faisceaux réfléchis sont ensuite recombinés et analysés par une caméra CCD 44 après le passage de la lame séparatrice 38.

La lame de compensation 41 est bien évidemment placée sur le miroir de référence 40.Cet interféromètre de type Linnik représenté sur la figure 4 peut être utilisé pour la première variante, la deuxième variante et une troisième variante de réalisation du premier mode de réalisation du procédé conforme à la présente invention.

Selon une troisième variante du premier mode de réalisation, on met en oeuvre la technique de microscopie holographique digitale Cette troisième variante peut utiliser le montage de la figure 3 ou celui de la figure 4.

Dans ce cas, le miroir de référence 40 peut être éventuellement incliné selon le mode de reconstruction de l'hologramme digital choisi.

Un autre type de montage possible pour cette troisième variante et qui utilise deux lames séparatrices et deux miroirs est illustré sur la figure 5: c'est un montage fonctionnant en mode réflexion.

Sur l'ensemble de mesure 50 de la figure 5, une source laser 54 envoie un faisceau collimaté 56 sur une première lame séparatrice 58, ce qui sépare le faisceau 56 en une première partie de faisceau 56a dirigé sur un premier miroir 59 et en une deuxième partie de faisceau 56b dirigée sur un deuxième miroir 61, via une lentille.

Le faisceau réfléchi par le premier miroir 59 sert de faisceau de référence 66.

Les faisceaux issus des deux miroirs 59, 61 sont dirigés sur une deuxième lame séparatrice 63 située à l'arrière d'un objectif 52.

A la sortie de cette deuxième lame séparatrice 63, le faisceau issu du miroir 61 est dirigé sur la micropompe 100 formant l'échantillon, via l'objectif 52. Ce faisceau se réfléchit sur la membrane puis le faisceau réfléchi 68 est recombiné avec le faisceau de référence 66 issu du premier miroir 59, après passage par la lame séparatrice 63, et ensuite ce faisceau recombiné parvient sur la caméra CCD 64 qui enregistre l'interférogramme.

Selon cette technique d'interférométrie holographique ou holographie digitale, on met en oeuvre le principe qui consiste à enregistrer la distribution d'amplitude complexe de la lumière, à savoir l'amplitude et la phase.

2881222 17 On enregistre (de manière numérique grâce à la caméra CCD 64) la figure d'interférence entre le faisceau de référence 66 et le faisceau objet réfléchi par l'échantillon (membrane 133 de la micropompe 100) via le système de lames séparatrices 58 et 63 et de miroirs 59 et 61.

C'est cette distribution d'intensité que l'on nomme hologramme. La reconstruction de l'hologramme s'effectue de manière numérique, et le relief est réalisé par la méthode dite d'imagerie de phase. C'est principalement la technique d'analyse des interférogrammes qui change par rapport au PSI. Si l'objet n'introduit pas de déphasages inhomogènes à la réflexion, l'image de phase est liée au temps de vol de l'onde, c'est à dire au relief de l'objet. Si ce relief n'est pas trop important on obtient une cartographie de la surface en 3D.

La détermination de la variation de volume de la chambre de pompage volumes par soustraction des images en position basse et en position haute de la membrane de pompage de la micropompe 100 est alors similaire à celle décrite précédemment.

Selon un deuxième mode de réalisation, on utilise la technique de microscopie confocale pour réaliser la mesure ou détection optique de la topographie de la surface de la membrane de pompage.

En effet, les techniques de microscopie confocale sont utilisables pour caractériser les cavités microfluidiques.

L'ensemble de mesure 70 correspondant est illustré sur la figure 6.

Un objectif 72 est disposé au dessus de l'échantillon 25 (micropompe 100).

Une source de lumière laser 74 envoie son faisceau lumineux sur une lame séparatrice 76 qui dirige le faisceaux lumineux incident sur la micropompe 100, et en particulier sur la face de la membrane de pompage 133 tournée vers la chambre de pompage 138.

Le faisceau réfléchi par la membrane 133 parvient à une série de photodétecteurs ou une caméra CCD 84.

En amont de la caméra CCD 84 est disposé un filtre diaphragme confocal ou pinhoie 78, de sorte que seule l'image du plan focal 82 parvient à la caméra CCD 84.

Il est nécessaire de réaliser un balayage, dans un plan (X, Y) parallèle à la micropompe 100, de l'ouverture du diaphragme confocal 78 2881222 18 (pinhole) afin d'enregistrer une image complète de la cavité à travers la plaque de fermeture transparente 120.

Ce diaphragme confocal 78 permet d'éliminer le signal provenant de plans hors focalisation (traits pointillées et mixtes sur la figure 5).

L'échantillon (micropompe 100) ou la tête de mesure complète est alors déplacé(e) pour mesurer une autre coupe horizontale de l'échantillon. L'acquisition en série de ces sections optiques permet la reconstruction 3D de la membrane de pompage en position basse.

Cette procédure est répétée en position haute de la membrane et la différence des deux profils donne la variation de volume de la cavité.

Il faut noter que ces techniques mises en oeuvre conformément à la présente invention permettent simultanément de détecter et de localiser les défauts de la membrane de pompage 133 d'un diamètre équivalent à la longueur d'onde du faisceau de lumière utilisé, c'est-à-dire typiquement de l'ordre du micromètre.

Claims (3)

19 REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface dans un dispositif micromécanique (100) fluidique, ledit dispositif micromécanique (100) comprenant un empilement (30) recouvert d'une plaque de fermeture (120) transparente, ledit empilement (30) comportant une plaque de support (136) et une plaquette de silicium (132) recouvrant ladite plaque de support (136) et recouverte de ladite plaque de fermeture (120), au moins une cavité (138) étant formée entre ladite plaque de fermeture (120) et ladite plaquette de silicium (132), un organe mobile (133) formé dans la plaquette de silicium (132) étant apte à se rapprocher et à s'écarter de la plaque de support (136) respectivement entre une première position et une deuxième position qui définissent une variation de volume de ladite cavité (138), caractérisé en ce que l'on réalise les étapes suivantes: a) on fournit et on dispose un appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface de sorte que la face de l'organe mobile (133) tournée en direction de la plaque de fermeture (120) soit la face de référence pour la mesure, b) on fournit des moyens d'acquisition et de traitement d'image (24;44;64;84) permettant d'acquérir et de traiter les images provenant de l'appareil de profilométrie optique (10;50;30;70), c) on place ledit organe mobile (133) dans ladite première position (basse) et on active ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image (24;44;64;84) pour obtenir une première image de ladite face de référence dans ladite première position de l'organe mobile (133), d) on place ledit organe mobile (133) dans ladite deuxième position (haute)et on active ledit appareil de profilométrie optique (10; 50;30;70) de surface pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image (24;44;64;84) pour obtenir une deuxième image de ladite face de référence dans ladite deuxième position de l'organe mobile (133), et e) on compare ladite deuxième image à ladite première image de ladite face de référence pour déterminer la variation de volume de la cavité (138) engendrée par la déformation de l'organe mobile (133).

2881222 20 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface est un interféromètre (10;50;30) fonctionnant soit en lumière blanche par détection du maximum de cohérence de deux fronts d'onde polychromatiques, soit en lumière monochromatique avec décalage de phase (PSI), soit fonctionnant en microscopie holographique digitale de sorte que lesdites première image et deuxième image sont des images d'interférences.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface comporte un miroir de référence (20; 40) et en ce que lors de l'étape a), on place une plaque compensatrice (21; 41), optiquement équivalente à ladite plaque de fermeture (120) transparente, sur ledit miroir de référence(20; 40).

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface est un instrument (70) fonctionnant selon le principe de la microscopie confocale.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif micromécanique (100) est une micropompe, en ce que ladite cavité (138) est une chambre de pompage (138) , en ce que ledit organe mobile (133) est une membrane (133) et en ce que l'on mesure la variation du volume de la chambre de pompage entre la première position de la membrane (133), dite position basse atteinte lorsque ladite membrane (133)termine son déplacement dans la direction opposée à la plaque de fermeture (120) ,et la deuxième position de la membrane (133) correspondant à une position haute atteinte lorsque ladite membrane (133) termine son déplacement vers la plaque de fermeture (120).

6. Ensemble de mesure de volume par profilométrie optique (10;30; 50;70) de surface dans un dispositif micromécanique (100) fluidique, ledit ensemble de mesure comportant: - un dispositif micromécanique (100) comprenant un empilement (30) recouvert d'une plaque de fermeture (120) transparente, ledit empilement (30) comportant une plaque de support (136) et une plaquette de silicium (132) recouvrant ladite plaque de support (136) et recouverte de ladite 2881222 21 plaque de fermeture (120), au moins une cavité (138) étant formée entre ladite plaque de fermeture (120) et ladite plaquette de silicium (132), un organe mobile (133) formé dans la plaquette de silicium (132) étant apte à se rapprocher et à s'écarter de la plaque de support (136) respectivement entre une première position, dite basse, et une deuxième position, dite haute, qui définissent une variation de volume de ladite cavité (138), - un appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface monté de telle sorte que la face de l'organe mobile (133) tournée en direction de la plaque de fermeture (120) soit la face de référence pour la mesure lorsqu'un faisceau lumineux est dirigé sur le dispositif micromécanique (100) fluidique, - des moyens d'acquisition et de traitement d'image (24;44;64; 84) permettant d'acquérir et de traiter les images provenant de l'appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) et de déterminer la variation de volume de la cavité (138) engendrée par la déformation de l'organe mobile (133) en comparant une première image de ladite face de référence dans ladite première position de l'organe mobile (133) à une deuxième image de ladite face de référence dans ladite deuxième position de l'organe mobile (133).

7. Ensemble de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface est un interféromètre (10;30;50) fonctionnant soit en lumière blanche par détection du maximum de cohérence de deux fronts d'onde polychromatiques, soit en lumière monochromatique avec décalage de phase (PSI), soit fonctionnant en microscopie holographique digitale de sorte que lesdites première image et deuxième image sont des images d'interférences.

8. Ensemble de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface comporte un miroir de référence (20; 40) et en ce qu'une plaque compensatrice (21;41), optiquement équivalente à ladite plaque de fermeture (120) transparente, est placée sur ledit miroir de référence (20; 40).

2881222 22 9. Ensemble de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30; 70) de surface est un instrument (70) fonctionnant selon le principe de la microscopie confocale..

10. Ensemble de mesure selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que ledit dispositif micromécanique (100) est une micropompe (100), en ce que ladite cavité (138) est une chambre de pompage (138), en ce que ledit organe mobile (133) est une membrane (133) et en ce que l'on mesure la variation du volume de la chambre de pompage entre la première position de la membrane (133) et la deuxièrne position de la membrane (133).