FR2954305A1 - Procede de fabrication d'un dispositif microfluidique. - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique comprenant au moins un substrat et au moins une microstructure, notamment sous forme d'un canal ou d'un réservoir, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) déposer une fritte de verre sur un substrat selon un ou plusieurs motifs prédéfinis par une technique d'impression choisie dans le groupe constitué par les impressions par jet, en taille-douce, photolithographie, offset et dépôt électrostatique, b) éventuellement soumettre le substrat à un traitement thermique permettant la consolidation de la fritte de verre, et c) cuire le(s) motif(s) à une température permettant de lier par fusion la fritte de verre audit substrat.

Description

1 PROCEDE DE FABRICATION D'UN DISPOSITIF MICROFLUIDIQUE

La présente invention concerne la fabrication d'un dispositif microfluidique.

Les dispositifs microfluidiques sont des structures connues utilisées en chimie, en particulier dans les domaines suivants : - la microréaction qui vise à produire toutes sortes de composés (molécules, particules, émulsions, ...) à partir de réactifs de départ introduits dans un dispositif microfluidique qui joue le rôle de réacteur de synthèse, - la microanalyse qui a pour but de détecter des composés spécifiques, et généralement de mesurer leur teneur, dans des échantillons de provenance variée, en particulier dans des fluides biologiques. Le dispositif microfluidique assure ici principalement la fonction de détecteur. Le rôle des dispositifs microfluidiques ne se limite pas cependant aux fonctions précitées; notamment, les dispositifs microfluidiques peuvent être conçus pour fonctionner en tant qu'échangeurs de chaleur, filtres, mélangeurs, des extracteurs, séparateurs (par exemple opérant par électrophorèse), dispositifs permettant de générer des gouttes de dimension donnée ou des particules solides, ou en tant que dispositifs permettant d'effectuer des opérations particulières (lyse cellulaire, amplification d'ADN, ...). Ces dispositifs peuvent être « ouverts », c'est-à-dire n'être composés que d'un seul élément sur lequel sont gravés ou sont déposés des motifs délimitant des microstructures, par exemple des microcanaux et des microréservoirs.

Plus généralement, les dispositifs microfluidiques sont « fermés » ; ils comprennent deux éléments, sous forme de plaque ou de feuille, qui sont superposés et liés ensemble, et au moins un des éléments étant gravé ou étant muni de motifs sur la surface qui fait face à l'autre élément pour former les microstructures, lesquelles microstructures sont étanches aux fluides. En général, les dispositifs microfluidiques comportent des ouvertures dans l'(les) élément(s) qui débouchent dans une ou plusieurs des microstructures pour l'introduction et l'évacuation des fluides. Dans les microstructures, on stocke ou on fait circuler un volume très faible de fluides dans le but soit de faire réagir les composés contenus dans ces fluides (ensemble ou avec un(des) composé(s) préalablement introduit(s) dans le dispositif microfluidique), soit de mélanger ou de séparer les constituants d'une partie d'un fluide afin d'analyser leurs propriétés chimiques et/ou physiques, à l'intérieur ou à l'extérieur du dispositif microfluidique. On peut aussi faire circuler un fluide dans une microstructure simplement pour mesurer une de ses propriétés chimique ou physique. En général, les microstructures présentent une section sensiblement carrée, rectangulaire, trapézoïdale, ovale ou circulaire, et une épaisseur qui varie de 1 à 1000 pm, de préférence de 10 à 500 pm. Les dimensions des microstructures varient selon qu'il s'agit d'un canal, d'un réservoir ou d'un élément de connexion de ces derniers; le plus souvent, la largeur est comprise entre 10 et 1000 pm, la longueur peut aller de quelques millimètres à plusieurs centimètres et la surface peut varier de 1 à 100 centimètres carrés. Les dispositifs microfluidiques peuvent être constitués de matériaux de différentes natures. Ils peuvent être par exemple en polymère, silicium ou métal. Cependant, ces matériaux ne sont pas satisfaisants à de nombreux égards : - les polymères sont sensibles aux solvants organiques (ils ont tendance à se dissoudre et à gonfler), résistent difficilement aux traitements prolongés à des températures supérieures à 200-300°C, se déforment sous l'effet de la pression, et ne sont pas entièrement inertes chimiquement (ils peuvent adsorber des composés présents dans les fluides, éventuellement les relarguer par la suite). En outre, l'état de surface des polymères est difficile à contrôler, en particulier parce qu'il peut évoluer dans le temps. Enfin, certains polymères ne sont pas adaptés aux techniques de détection opérant par spectroscopie en général, en particulier Raman, du fait des perturbations qu'ils peuvent occasionner, - le silicium est coûteux, n'est pas compatible avec certains fluides, n'est pas transparent et son caractère semi-conducteur empêche toute mise en oeuvre de techniques de pompage électrodynamique et électroosmotique des fluides. De surcroît, les méthodes utilisées pour former les microstructures telles que la photolithographie et la DRIE (« Deep Reactive Ion Etching » en anglais) sont coûteuses car elles imposent de travailler dans des enceintes protégées placées sous une atmosphère contrôlée, et - les métaux sont susceptibles de se corroder, ne sont pas transparents ni compatibles avec certains fluides biologiques. Pour remédier aux inconvénients précités, il a été proposé de fabriquer les dispositifs microfluidiques avec un matériau inerte tel que du verre, de la vitrocéramique ou de la céramique. Ces matériaux sont appréciés pour leur caractère isolant qui autorise le transport des fluides par électrocinétique et électroosmose, leur inertie chimique, leur bon état de surface et leur aptitude à pouvoir être modifiés chimiquement en surface de manière durable.

Le verre est préféré pour son coût, sa facilité de mise en oeuvre et sa transparence qui permet la détection des composés présents dans les fluides par des méthodes optiques. Sur un élément en verre, les canaux peuvent être obtenus par gravure physique, notamment par sablage (« sand blasting » en anglais) et par irradiation au moyen d'un laser CO2 (JP-A-2000-298109), ou par gravure chimique du verre directement ou d'une couche consolidée à base d'une poudre de verre préalablement déposée sur le verre (JP-A-2003-299944). Toutefois, les procédés de gravure physique et chimique peuvent altérer la surface de l'élément en verre en la rendant apte à diffuser la lumière, de sorte qu'il n'est plus possible d'utiliser les méthodes de détection optique opérant dans le visible avec ce type de dispositif microfluidique. En outre, la rugosité de la surface gravée est importante et doit être réduite par l'application de traitements supplémentaires thermiques et/ou chimiques, par exemple avec un acide.

Les parois des microstructures peuvent aussi être formées d'un matériau tel qu'une encre, une cire ou un matériau plastique. Le matériau est imprimé sur un premier et/ou deuxième substrat selon les techniques d'impression par jet d'encre, laser thermique, sérigraphie, taille-douce (notamment « intaglio ») ou offset, puis les substrats sont laminés (WO 99/29497).

Les microstructures peuvent encore être obtenues par moulage. Dans FR-A-2 830 206, un matériau précurseur d'un verre, d'une vitrocéramique ou d'une céramique est appliqué sur un élément en verre et mis en forme dans un moule sous vide. Ce procédé requiert des dispositifs spécifiques de mise sous vide et un moule en alliage spécial comportant des microstructures très fines, ledit procédé étant d'autant plus onéreux que les éléments à traiter ont des dimensions importantes. Dans WO-A-2008/143918, le dispositif microfluidique est obtenu à partir d'un mélange composé d'une fritte de verre et d'une charge ayant une conductivité thermique supérieure à celle de la fritte de verre. Ledit mélange est soit moulé directement, soit appliqué sur un substrat en verre puis mis en forme dans un moule avant de subir un traitement thermique de consolidation. La fabrication de dispositifs microfluidiques par moulage telle que décrite dans les documents précités a un coût élevé.

Pour former des dispositifs microfluidiques en verre, il a encore été proposé une méthode opérant par sérigraphie d'un mélange d'un matériau précurseur de verre, d'une vitrocéramique ou d'une céramique et d'un médium organique (FR-A-2 905 690). Même si la sérigraphie permet de produire un nombre élevé de dispositifs microfluidiques en une seule opération, cette technique ne permet pas d'obtenir des microstructures fines : en effet, leur dimension est limitée par la taille des mailles de l'écran de sérigraphie et les parois des microstructures ont une rugosité importante qui peut dans certains cas perturber le flux du fluide circulant. La présente invention vise à fabriquer un dispositif microfluidique possédant une ou plusieurs microstructures en verre de faible largeur et de hauteur élevée. Pour atteindre ce but, l'invention propose un procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique comprenant au moins un substrat et au moins une microstructure, notamment sous forme d'un canal ou d'un réservoir, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) déposer une fritte de verre sur un substrat selon un ou plusieurs motifs prédéfinis par une technique d'impression choisie dans le groupe constitué par les impressions par jet, en taille-douce, photolitographie, offset et dépôt électrostatique, b) éventuellement soumettre le substrat à un traitement thermique permettant la consolidation de la fritte de verre, et c) cuire le(s) motif(s) à une température permettant de lier par fusion la fritte de verre audit substrat.

Comme indiqué précédemment, le dépôt de la fritte de verre sur le substrat se fait par différentes techniques d'impression. Ainsi, la fritte de verre peut être déposée par la technique d'impression par jet qui peut être continu ou discontinu.

Dans l'impression par jet continu, la fritte de verre est appliquée sous la forme d'une suspension dans un médium comme expliqué plus loin. La suspension est mise sous pression dans une tête d'impression comportant au moins une buse qui permet son application à la surface du substrat selon un motif prédéfini en formant un bourrelet continu qui suit les contours du motif.

Dans l'impression par jet discontinu (aussi appelée impression par « goutte à la demande »), le jet est généré par des impulsions sous l'effet d'un signal spécifique contrôlé par ordinateur : le jet est composé de gouttes qui sont éjectées à partir d'un réservoir, au travers d'une buse, seulement aux endroits où elles doivent former le motif souhaité. Il existe différentes méthodes d'éjection des gouttes, par exemple mettant en oeuvre un dispositif combiné au réservoir comprenant un cristal piézo-électrique ayant la faculté de déformer ou un dispositif thermique qui génère des bulles dans le réservoir. Dans les deux cas, la fritte de verre est soumise à une pression importante qui la conduit à être expulsée sous la forme de fines gouttes.

L'impression par jet est particulièrement avantageuse : - elle se fait sans contact avec le substrat, - elle est fondée sur la production d'une image numérique qui n'a pas besoin de forme imprimante contrairement à d'autres techniques d'impression telle la sérigraphie (où il est impératif d'avoir un écran). - elle permet de réaliser rapidement des motifs de forme très variée, - elle permet de déposer des frittes de verre différentes à la surface du substrat, soit dans des zones différentes du substrat (dans un même plan), soit dans une même zone en superposant les frittes de manière à former notamment des parois « composites ». Ces parois peuvent avoir une largeur constante ou non et une hauteur variable afin de permettre notamment la réalisation de microstructures en trois dimensions. Les frittes de verre peuvent se différencier par exemple par leur indice optique et/ou leur granulométrie et/ou leur température de ramollissement et/ou leur résistance chimique aux acides, aux bases et à l'eau. La hauteur importante des microstructures peut être obtenue facilement en effectuant plusieurs passages de la buse d'impression au niveau des contours des microstructures pour augmenter l'épaisseur du motif imprimé, le cas échéant en opérant un séchage à température modérée entre chaque passage ou après plusieurs passages de manière à consolider les motifs. L'impression en taille douce (aussi appelée « intaglio ») utilise un moule dans lequel le ou les motifs à reproduire sont gravés. Le moule peut être plan ou cylindrique ; il peut être en métal, en verre ou constitué d'un polymère thermoplastique ou thermodurcissable, en particulier choisi parmi les silicones et les polydiméthylsiloxane (PDMS). Les moules en matériaux souples sont préférés. On enduit la surface du moule comportant le(s) motif(s) à reproduire avec la fritte de verre, éventuellement en mélange avec un médium, on retire l'excédent de fritte, le cas échéant on sèche, puis on applique le moule sur le substrat, la face comportant la fritte étant en contact avec le substrat. On exerce une pression sur le moule, on le retire et on obtient le motif imprimé sur le substrat.

On peut, le cas échéant, revêtir le moule avec un agent de démoulage avant l'application de la fritte de verre. On peut encore ajouter à la fritte de verre un agent de consolidation qui aide au démoulage et maintient la forme des motifs, par exemple une résine thermodurcissable ou photoréticulable.

L'impression par photolithographie consiste à appliquer un mélange contenant la fritte de verre et une résine photosensible sur le substrat, puis à exposer le mélange à une radiation lumineuse au travers d'un masque reproduisant l'image du motif à réaliser. L'épaisseur du mélange déposé détermine la hauteur des microstructures finales.

Le rayonnement lumineux appliqué modifie les propriétés chimiques de la résine dans les parties irradiées et crée des différences de solubilité qui rendent possible l'élimination des parties exposées ou non exposées par l'action d'un solvant adapté. Lorsque les parties irradiées deviennent plus solubles, l'image positive du masque est formée sur la résine. A l'inverse, on forme une image en négatif du masque lorsqu'on utilise une résine négative. Les parties ne correspondant pas à l'image du motif désiré sont éliminées au moyen d'un solvant de la résine.

Selon une variante, on dépose la résine photosensible sous la forme d'une couche ou d'un film à la surface du substrat, puis on expose la résine à une radiation lumineuse au travers d'un masque reproduisant l'image du motif à réaliser. L'épaisseur de la résine déposée détermine la hauteur des microstructures finales.

On applique ensuite la fritte de verre, généralement sous la forme d'une pâte, sur le motif en résine de manière à remplir les cavités dans la résine, puis ladite résine est éliminée. L'élimination de la résine peut être effectuée en utilisant un solvant adapté comme indiqué précédemment, et dans ce cas la fritte est de préférence appliquée en mélange avec une résine thermodurcissable ou photosensible qui a pour rôle d'augmenter la résistance de la fritte audit solvant. De manière avantageuse, la résine est éliminée en chauffant à une température au dessus de la température de dégradation de la résine, ce qui permet à la fois d'éliminer la résine et de consolider la fritte de verre.

L'impression offset est une technique améliorée de la lithographie. La distinction entre les parties imprimantes et les parties non-imprimantes se fait par les propriétés physico-chimiques des parties en question. Le principe de l'impression offset est basé sur la répulsion de deux matières l'une hydrophile et l'autre hydrophobe.

On utilise une plaque offset constituée d'une matière hydrophobe, par exemple un silicone ou le polydiméthylsiloxane (PDMS) dans laquelle est gravé le motif à reproduire. Les parties en relief de la plaque offset correspondent aux microstructures. La plaque offset est plongée dans un liquide hydrophobe qui se répartit sur les parties en relief. Le liquide hydrophobe est généralement une huile organique, silicone ou fluorée. La face imprimée de la plaque offset est mise en contact avec la face du substrat à imprimer, puis ladite plaque est retirée, laissant ainsi le liquide hydrophobe à la surface du substrat.

Une fritte de verre en suspension dans un médium est appliquée sur les motifs imprimés, par exemple par trempage (« dip-coating »), pulvérisation ou au moyen d'une tournette (« spin-coating » ou d'un tire-film. Du fait de son caractère hydrophile, la fritte de verre est repoussée par le composé hydrophobe et se répartit entre les motifs hydrophobes. Le substrat est porté à une température qui permet d'éliminer le composé hydrophobe et de cuire la fritte de verre qui forme ainsi les parois des microstructures. Le cas échéant, on peut ajouter au liquide hydrophobe un agent qui aide à la consolidation des motifs formés pour éviter qu'ils ne se déforment lors de l'application de la fritte de verre. Cet agent peut être une résine photosensible, thermoplastique ou thermodurcissable. L'impression par dépôt électrostatique procède par dépôt d'une fritte de verre qui est polarisée électriquement, positivement ou négativement, par exemple par application d'une décharge corona. Une électrode est placée au contact de la face opposée du substrat à imprimer. Un champ électrique est appliqué entre la buse et l'électrode de telle sorte que la fritte chargée soit attirée vers l'électrode et se dépose sur le substrat. La tête d'impression contenant la fritte de verre et l'électrode placées en regard l'un de l'autre sont fixes et le substrat est mobile. Le déplacement du substrat est opéré par ordinateur selon le motif à reproduire. La fritte de verre est déposée sur le substrat sous la forme d'une poudre ou d'une suspension dans un médium diélectrique, de préférence sous forme d'une poudre.

Les particules constituant la fritte de verre peuvent être enrobées d'un polymère isolant qui augmente la capacité de polarisation et contribue à un meilleur écoulement de la fritte, ce qui améliore la qualité du dépôt. Dans l'étape b), on traite le substrat à une température suffisante pour que le médium puisse être éliminé et que la fritte de verre soit dans un état de consolidation autorisant la manipulation du substrat sans endommagement des motifs imprimés. La température de traitement peut varier de 200 à 500°C, de préférence 300 à 500°C. Dans l'étape c), on porte le substrat à une température qui permet à la fritte de verre de se lier au substrat de manière durable. Cette température dite de « cuisson » de la fritte dépend bien évidemment de la nature chimique de la fritte utilisée, du substrat et éventuellement des couches fonctionnelles et des microstructures pouvant êtres présentes comme cela est précisé plus loin. En général, la température de cuisson est supérieure à la température à laquelle la fritte de verre commence à se ramollir, et inférieure d'au moins 100°C à la température de ramollissement ou de déformation du substrat. Lorsque le substrat est en verre, la température de ramollissement est la température à laquelle le verre a une viscosité égale à 107,6 poises (« softening point » en anglais).

La durée de la cuisson varie selon la nature de la fritte de verre utilisé et du substrat. A titre indicatif, la durée peut aller de quelques minutes à 1 heure, de préférence de 10 à 30 minutes. La cuisson des motifs peut être effectuée selon les méthodes conventionnelles, par exemple dans un four, par rayonnement infrarouge ou microonde, par laser ou par effet Joule au moyen d'une résistance électrique en contact avec le substrat. Lorsque le substrat est en verre, il est important qu'après l'étape c), le refroidissement s'effectue à une vitesse pas trop élevée de manière à ce que les tensions dans le substrat soient les plus faibles possibles ; cette manière de procéder permet de découper le verre sans risque qu'il se brise. La vitesse de refroidissement est de préférence inférieure à 200°C par minute, avantageusement comprise entre 5 et 100°C par minute. La fritte de verre utilisable dans le cadre de l'invention doit comme cela a été dit précédemment pouvoir être fondue au cours de l'étape c) et donner un verre qui va former les parois des microstructures (canaux, réservoirs, ...). La fritte de verre doit être apte à fondre à une température inférieure à la température de ramollissement du ou des substrats formant le dispositif microfluidique final de manière à ce que le verre se lie par fusion au(x)dit(s) substrat(s). Il est également important qu'à la température de traitement, la fritte soit suffisamment fondue pour donner un verre compact qui est dénué de porosité ouverte ; en d'autres termes, le verre doit être aussi compact que possible, de sorte que les parois soient étanches aux fluides circulant dans les microstructures.

La fritte de verre se présente généralement sous la forme d'une poudre fine dont la taille des particules est adaptée à la technique d'impression choisie. A titre d'exemple, la taille moyenne des particules ne dépasse pas 100 pm, de préférence est comprise entre 1 et 50 pm, et avantageusement est comprise entre 1 et 20 pm. En règle générale, le verre constituant la fritte présente un coefficient de dilatation thermique proche de celui du substrat afin d'éviter l'apparition de tensions après la cuisson qui augmentent les risques de casse dans le dispositif microfluidique final. Ainsi, l'écart entre le coefficient de dilatation thermique du matériau précurseur et le coefficient de dilatation thermique du substrat est inférieur ou égal à 40 x 10-7 K-1, de préférence inférieur ou égal à 20 x 10-7 K-1, et avantageusement inférieur ou égal à 10 x 10-7 K-1. De manière avantageuse, la fritte de verre est composée d'un verre à base d'oxyde de bismuth qui lui confère une bonne résistance chimique.

La fritte conforme à l'invention peut être une fritte de verre unique ou un mélange de plusieurs frittes. La fritte de verre peut être utilisée sous la forme d'une poudre, mais le plus souvent elle est mise en suspension dans un médium (ou véhicule) de manière à obtenir une viscosité adaptée à la technique d'impression choisie, qui peut ainsi avoir l'apparence d'une pâte ou d'une suspension plus ou moins fluide. Le médium permet aussi une bonne conservation de la forme du motif jusqu'à l'étape de cuisson. Le médium est généralement l'eau, un solvant organique, par exemple l'huile de pin ou de ricin, ou inorganique ou un mélange de ces composés.

La fritte de verre peut encore comprendre des additifs tels que des colorants et d'autres composés permettant de doter les canaux de propriétés spécifiques, par exemple un ou plusieurs métaux, notamment à base d'argent, d'or, de cuivre, d'étain, d'indium, de palladium ou de platine afin de conférer une conductivité électrique et/ou thermique, et/ou des composés minéraux, par exemple des oxydes métalliques tels que de l'oxyde de titane, notamment sous forme anatase, qui a des propriétés photocatalytiques sous irradiation UV. Selon la technique d'impression utilisée, la fritte de verre peut encore comprendre un ou plusieurs agents de mise en oeuvre, par exemple un agent rhéofluidifiant (impression par jet), un agent de démoulage ou un agent résistant aux solvants tel qu'une résine epoxy (impression en taille-douce) ou une résine photosensible durcissable positive ou négative (photolithographie). Le substrat sur lequel le motif ou la pluralité de motifs est appliqué peut être en verre, en un matériau cristallin tel que le quartz ou le saphir, en vitrocéramique, en céramique ou en métal. Bien qu'elle puisse varier dans une large mesure, l'épaisseur du substrat est de préférence faible, notamment inférieure à 4 mm, avantageusement inférieure ou égale à 2 mm, et mieux encore inférieure ou égale à 1 mm. De manière préférée, le substrat est en verre, notamment silico-sodo- calcique,borosilicate ou de silice, ou en quartz. Le substrat peut être revêtu d'une couche fonctionnelle sur tout ou partie de la face sur laquelle le motif ou la pluralité de motifs est déposé, la couche fonctionnelle pouvant être continue ou discontinue, notamment pouvant former des motifs identiques ou différents des motifs à base de fritte de verre conforme à l'invention. A titre d'exemples de telles couches, on peut citer les couches conductrices, notamment de l'électricité, chauffantes, isolantes, hydrophiles ou hydrophobes, adsorbantes d'un ou plusieurs constituants du(des) fluide(s) introduits dans le dispositif microfluidique, catalytiques, notamment photocatalytiques, métalliques, notamment permettant la détection par des méthodes magnétiques, à effet miroir, anti-reflet, bas émissives, anti-givre, antibuée, anti-solaire .... On préfère les couches conductrices, notamment parce qu'elles permettent la réalisation d'électrodes, et les couches métalliques parce qu'elles autorisent l'emploi de méthodes de détection in situ dans les microstructures, notamment dans les canaux. Le substrat peut aussi comporter des microstructures sur tout ou partie de la face sur laquelle la fritte de verre est déposée. Grâce à l'invention, il est possible d'imprimer le ou les motifs formant les dispositifs microfluidiques sur un substrat de dimensions importantes, puis de découper ledit substrat aux dimensions souhaitées pour obtenir un nombre élevé de dispositifs microfluidiques. Ainsi, il est possible d'utiliser des substrats présentant une surface pouvant atteindre plusieurs mètres carrés, ce qui permet de réaliser plusieurs centaines de dispositifs microfluidiques sur un substrat unique.

Dans sa version la plus simple, le procédé conforme à l'invention permet la fabrication de dispositifs microfluidiques « ouverts » qui ne comportent qu'un seul substrat comprenant un ou plusieurs motifs imprimés formant les microstructures.

Une variante de l'invention, préférée, permet de fabriquer des dispositifs microfluidiques « fermés » au moyen d'un deuxième substrat. Le procédé de fabrication des dispositifs microfluidiques fermés comprend ainsi une étape supplémentaire consistant à placer un deuxième substrat au-dessus du(des) motif(s) imprimé(s) après l'étape a) ou le cas échéant après l'étape b) de consolidation de la fritte de verre, puis à soumettre l'ensemble des deux substrats à la température requise pour cuire le(s) motif(s). Après l'étape c), les deux substrats sont liés ensemble par le verre qui résulte de la fusion de la fritte. Le deuxième substrat peut être identique au substrat sur lequel le ou les motifs sont déposés, ou être différent par ses dimensions et/ou la nature du matériau qui le constitue et/ou des couches fonctionnelles et/ou des microstructures présentes à la surface de la face en regard du ou des motifs imprimés. De préférence les deux substrats sont constitués du même matériau, et avantageusement, sont des substrats en verre.

Le dispositif microfluidique peut encore être constitué d'un ensemble de plusieurs substrats sur lesquels sont déposés des motifs imprimés obtenus dans les conditions de l'étape a) éventuellement après le traitement de l'étape b), lesdits substrats étant empilés les uns sur les autres, puis liés ensemble par cuisson de la fritte de verre dans les conditions de l'étape c).

Eventuellement, on peut appliquer une pression sur l'ensemble comprenant au moins un second substrat pendant l'étape c) afin d'assurer un meilleur contact entre les substrats et les motifs imprimés, et ainsi d'améliorer la qualité de la liaison, notamment de limiter les risques de fuite au sein des microstructures.

Tout comme à l'étape c) décrite pour la réalisation des dispositifs microfluidiques ouverts, la température de cuisson doit être supérieure à la température à laquelle la fritte de verre commence à se ramollir et être inférieure d'au moins 100°C à la température de ramollissement ou de déformation du substrat ayant la température de ramollissement ou de déformation la plus basse. Le dispositif microfluidique obtenu conformément à l'invention présente des microstructures ayant une largeur qui varie entre 10 pm et plusieurs mm, voire plusieurs cm, et une hauteur pouvant aller jusqu'à 1000 pm, de préférence comprise entre 5 et 200 pm, et avantageusement de l'ordre de 100 pm. Les dispositifs entièrement en verre sont intéressants en ce que le ou les substrats qui les constituent ont une épaisseur faible et sont transparents, ce qui permet leur utilisation dans des techniques de détection optique.

Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, des espaceurs peuvent être disposés entre les substrats dans le but de maintenir constante la distance qui les sépare. Les espaceurs sont généralement placés entre les substrats, avant que ceux-ci soient assemblés et cuits pour les lier ensemble.

Les espaceurs se présentent généralement sous d'éléments de forme et de dimension adaptées à l'espacement recherché et constitués d'un matériau qui résiste à la cuisson. Par exemple, les espaceurs peuvent être des billes des cylindres ou des éléments cruciformes que l'on dépose à la surface d'un des substrats. Le cas échéant, les espaceurs peuvent être maintenus en place par le biais d'une matière adhésive ne laissant pas de résidu après la cuisson. Les espaceurs sont généralement disposés à l'extérieur des motifs imprimés, par exemple dans les zones de séparation des motifs (entre les motifs) ou dans la zone périphérique des substrats. Le procédé de l'invention peut comprendre, en sus des étapes décrites ci-dessus, les étapes suivantes : - la découpe du(des) substrat(s), en particulier lorsque plusieurs motifs imprimés sont présents. La découpe peut être effectuée par tout moyen connu, par exemple au moyen d'un dispositif à molettes diamantées, ou à l'aide d'un laser. Elle est généralement réalisée entre les motifs, à une distance adaptée au mode de découpe choisi, dans des zones qui peuvent avoir subi un traitement visant à fragiliser le substrat (par exemple une préfissure) ou qui ont été matérialisées par exemple par un motif adapté (la découpe étant effectuée sur le motif), - le perçage d'orifice(s) dans le substrat pour mettre en relation la(les) microstructure(s) et l'extérieur et permettre ainsi l'entrée et la sortie des fluides. Les orifices peuvent se situer sur l'un et/ou l'autre des substrats. - l'application d'au moins un film polymère sur au moins l'une des faces du dispositif microfluidique final, notamment pour renforcer sa résistance aux chocs, - le traitement chimique ou physique de la surface interne d'au moins une microstructure, par exemple pour améliorer la compatibilité avec les fluides utilisés, tel qu'un traitement hydrophile ou lipophile, - l'insertion de pièces rapportées, par exemple des électrodes, des aimants, des valves, des joints et des éléments de connexion de toute nature. Les dispositifs microfluidiques entièrement en verre sont intéressants en ce que le ou les substrats qui les constituent ont une épaisseur faible et sont transparents, ce qui permet leur utilisation dans des techniques de détection optique. L'invention sera mieux comprise par référence aux figures suivantes. Les figures 1A et 1B décrivent la réalisation de motifs par la technique d'impression par jet continu et discontinu. La figure 2 décrit la réalisation de motifs par la technique d'impression en taille-douce. Les figures 3A et 3B décrivent la réalisation de motifs par la technique d'impression par photolithographie. La figure 4 décrit la réalisation de motifs par la technique d'impression offset.

La figure 5 décrit la réalisation de motifs par la technique d'impression par dépôt électrostatique. Dans la figure 1A, la fritte de verre 11 est éjectée à partir de la buse 12 d'une tête d'impression 13 et se dépose à la surface du substrat 14 sous la forme d'un bourrelet 15.

Dans la figure 1 B, des gouttes 16 (une seule goutte est représentée pour des raisons de simplification) sont éjectées à partir de la buse 12 de la tête d'impression 13. Les gouttes 16 se déposent sur le substrat 14 pour former un motif délimitant deux microstructures 16a et 16b ayant la forme par exemple de canaux.

Dans la figure 2, un moule 21, dans lequel les motifs à imprimer 22aû22d sont gravés en creux, est revêtu d'une couche de fritte de verre, puis l'excédent de fritte est éliminé par un moyen approprié, par exemple un racle (non représenté).

Le moule 21 est disposé sur le substrat 24, puis il est retiré de manière à former les motifs imprimés 25a-25d à base de fritte de verre. Dans la figure 3A, on applique un mélange 31 comprenant la fritte de verre et une résine photosensible sur le substrat 32, par exemple par spincoating. Un masque 33 reproduisant l'image du ou des motifs à réaliser est placé au dessus de la couche du mélange 31 et on imprime l'image par irradiation avec une lumière ultraviolette. Les parties de la couche de mélange 31 n'ayant pas été irradiées sont éliminées au moyen d'un solvant approprié. Dans le cas présent, le mélange de la fritte et de la résine ne subsiste qu'aux endroits qui correspondent aux contours des microstructures finales 34a-34d.

Dans la figure 3B, on applique une résine photosensible 35 sur le substrat 32, par exemple par spin-coating. Un masque 33 reproduisant l'image du ou des motifs à réaliser est placé au dessus de la résine 35 et on imprime l'image par irradiation avec une lumière ultraviolette. Les parties de la résine 35a-35d n'ayant pas été irradiées sont éliminées au moyen d'un solvant approprié. Dans le cas présent, la résine ne subsiste qu'aux endroits qui correspondent aux microstructures finales 38a-38d. La fritte de verre 37 est appliquée sur les motifs en résine 35a-35d, puis ceux-ci sont éliminés en traitant le substrat à une température supérieure à la température de dégradation de la résine.

Dans la figure 4A, la plaque offset se présente sous la forme d'un tampon de silicone 41 qui comporte des reliefs 42a-42b à l'image des microstructures. Le tampon 41 est trempé dans un bac 43 contenant un liquide hydrophobe 44, par exemple une huile silicone. Lorsque le tampon 41 est retiré du bac 42, le liquide prélevé 45 se répartit à la surface des reliefs. Le tampon 41 est appliqué sur le substrat 46, ce qui permet de transférer le liquide prélevé 45 pour former les motifs 46a-46d.

Une fritte de verre 47 est déposée sur les motifs, par exemple par spincoating. La fritte de verre se répartit rapidement entre les motifs hydrophobes 46a-46d. Le substrat est ensuite traité à une température permettant d'éliminer le composé hydrophobe et de cuire la fritte de verre qui forme ainsi les parois des structures 48a et 48b. Dans la figure 5, la fritte 51 s'écoule d'une buse 52 d'une tête d'impression 53. Une électrode 54 est disposée sur la face opposée du substrat 55 à imprimer La tête d'impression 53 et l'électrode 54 sont reliées aux bornes d'un générateur électrique 56. Le substrat 55 se déplace entre la tête d'impression 53 et l'électrode 54 selon un motif prédéfini. La fritte 51 s'écoule de la buse 52 sous l'impulsion du courant électrique.

Les dépôts de fritte 57a-57c sont traitées thermiquement afin que la fritte se lie au substrat 55 par fusion et forme les parois des microstructures 58a et 58b. Les dispositifs microfluidiques décrits dans les figures 1 à 5 sont des dispositifs microfluidiques ouverts, qui peuvent être recouverts par un substrat, notamment transparent, par exemple en verre, en quartz ou en saphir, pour former des dispositifs microfluidiques fermés. Pour ce faire, on applique le substrat sur les motifs imprimés et on chauffe à une température variant de la température à laquelle la fritte de verre commence à se ramollir à la température de ramollissement ou de déformation du substrat diminuée de 100°C.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique comprenant au moins un substrat et au moins une microstructure, notamment sous forme d'un canal ou d'un réservoir, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) déposer une fritte de verre sur un substrat selon un ou plusieurs motifs prédéfinis par une technique d'impression choisie dans le groupe constitué par les impressions par jet, en taille-douce, photolithographie, offset et dépôt électrostatique, b) éventuellement soumettre le substrat à un traitement thermique permettant la consolidation de la fritte de verre, et c) cuire le(s) motif(s) à une température permettant de lier par fusion la fritte de verre audit substrat.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une microstructure a une largeur qui varie entre 10 pm et plusieurs mm, voire plusieurs cm, et une hauteur pouvant aller jusqu'à 1000 pm, de préférence comprise entre 5 et 200 pm, et avantageusement de l'ordre de 100 pm.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou2, caractérisé en ce que la fritte de verre est une poudre ou une suspension dans un médium.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fritte de verre contient en outre un agent de consolidation choisi parmi les résines photosensibles ou non, thermoplastiques ou thermodurcissables.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape b) est opérée à une température qui varie de 200 à 500°C, de préférence 300 à 500°C.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la température de cuisson de l'étape c) est supérieure à la température à laquelle la fritte de verre commence à se ramollir, et inférieure d'au moins 100°C à la température de ramollissement ou de déformation du substrat.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le substrat est en verre, en un matériau cristallin tel que le quartz ou le saphir, en vitrocéramique, en céramique ou en métal.
8. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le substrat est en verre et que la température de ramollissement est la température à laquelle le verre a une viscosité égale à 10',6 poises.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à placer un deuxième substrat au-dessus du(des) motif(s) imprimé(s) après l'étape a) ou le cas échéant après l'étape b) de consolidation de la fritte de verre, puis à soumettre l'ensemble des deux substrats à la température requise pour cuire le(s) motif(s).
10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le deuxième substrat est identique au premier substrat.