FR2957535A1 - Systeme microfluidique pour l'analyse et le diagnostic ainsi que son procede de fabrication - Google Patents

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Mathias Bruendel
Frieder Haag
Jochen Rupp
Ulrike Scholz
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Abstract

Système microfluidique (1) pour des applications de diagnostic et d'analyse composé principalement de couches superposées (3, 5, 7, A', B')comprenant : - au moins un substrat (3) notamment sous la forme d'une couche de câblage (15) ayant au moins une ouverture et/ou un canal (11, 12) pour le passage d'un fluide (F), - au moins une première couche de conduites (6) ayant au moins un canal (K2) pour le passage d'un fluide (F), - au moins une première couche de puce (5) ayant au moins un élément actif (14) notamment micromécanique, cet élément actif notamment micromécanique (14) coopérant avec le canal (K2), et - la couche de puce (5) est prévue entre la couche de conduites (6) et le substrat (3), et - la couche de puce (5) comporte au moins un canal (V) reliant l'orifice et/ou le canal (11, 12) du substrat (3) au canal (K2) de la couche de conduites (6) par une liaison fluidique.

Description

1 Domaine de l'invention L'invention se rapporte à un système microfluidique d'analyse et de diagnostic composé principalement de couches superposées.
L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un système microfluidique. Bien que l'invention s'applique à différents systèmes microfluidiques, elle sera décrite dans le cas de systèmes microfluidiques principalement réalisés en technique du silicium.
Etat de la technique Les systèmes microfluidiques d'analyse et de diagnostic sont connus entre autres sous la dénomination « laboratoire sur une puce » et sont fabriqués sur des substrats en verre ou en matière plastique. Les substrats ont des structures de canaux ou de soupapes ou de vannes pour le passage des fluides à analyser. On a en outre des éléments actifs micromécaniques tels que par exemple des pompes coopérant avec les structures de canaux et de soupapes. Les pompes permettent par exemple de transférer ou de doser le fluide passant dans les canaux.
On réalise de tels systèmes microfluidiques principalement en matière plastique à cause de la simplicité de la réalisation, par exemple par injection ou par une technique d'impression ou de moulage. De tels systèmes microfluidiques peuvent également comporter des conducteurs métalliques structurés et des branchements appropriés. Les systèmes microfluidiques ainsi réalisés sont relativement économiques. Toutefois les fonctions ou les domaines d'application possibles sont limités. C'est ainsi que l'on ne peut par exemple pas faire d'analyse optique par des capteurs d'image CCD. En outre la réalisation des structures de canaux ou de soupape est relativement imprécise à cause de la technique d'injection de matière plastique utilisée. Les éléments actifs micromécaniques tels que les pompes ou les moyens analogues sont réalisés en silicium et sont appliqués directement sur les orifices correspondants des canaux ; il en est de même des contacts électriques servant à commander les éléments
2 actifs micromécaniques sur le substrat. Les éléments actifs micromécaniques sont juxtaposés par le dessus sur les canaux correspondants ou les orifices des canaux et ils ont ainsi chacun sa propre liaison de canal ou son alimentation. En outre du fait des contacts électriques d'un élément actif micromécanique fabriqué en technique du silicium, il faut appliquer des procédés de mise en contact compliqués et coûteux car les substrats en matière plastique et les éléments actifs micromécaniques en silicium ont des tolérances totalement différentes et la précision des structures est également très différente. Le document DE 602 14 167 T2 décrit un système microfluidique comportant plusieurs couches empilées les unes sur les autres. Dans les différentes couches il y a des canaux ou des chambres qui correspondent à toute l'épaisseur de la couche respective si la matière est enlevée. Cette structure de couche tridimensionnelle est utilisée pour séparer des fluides. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un système microfluidique pour des applications de diagnostic et d'analyse composé 20 principalement de couches superposées comprenant : - au moins un substrat notamment sous la forme d'une couche de câblage ayant au moins une ouverture et/ ou un canal pour le passage d'un fluide, - au moins une première couche de conduites ayant au moins un 25 canal pour le passage d'un fluide, - au moins une première couche de puce ayant au moins un élément actif notamment micromécanique, cet élément actif notamment micromécanique coopérant avec le canal, et - la couche de puce est prévue entre la couche de conduites et le 30 substrat, et - la couche de puce comporte au moins un canal reliant l'orifice et/ou le canal du substrat au canal de la couche de conduites par une liaison fluidique.
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un système microfluidique composé principalement de couches superposées, le procédé comprenant les étapes suivantes : s i réalisation d'au moins une ouverture et/ ou d'un canal pour faire passer des fluides dans un substrat notamment sous une forme d'une couche de câblage, ii réalisation d'au moins un canal pour le passage du fluide dans au moins une couche de puce, cette couche ayant au moins un 10 élément actif notamment un élément micromécanique, iii fixation de la couche de puce sur le substrat pour que les orifices et/ou les canaux communiquent avec au moins un canal de la couche de puce, iv fixation d'une première couche de passage sur la couche de puce, 15 v réalisation d'au moins un canal dans la première couche de passage de façon que le canal de la couche de puce relie le canal de la couche de puce au canal de la couche à conduite de passage. Le système microfluidique d'analyse et de diagnostic et 20 son procédé de fabrication a l'avantage que les canaux des différentes couches de conduites communiquent et que les éléments actifs notamment micromécaniques ne sont pas limités à une unique couche de conduites mais peuvent également avoir plusieurs couches de puces et de conduite empilées. On diminue ainsi globalement l'encombrement 25 sur la couche de conduites inférieure. En même temps on augmente considérablement la flexibilité du système microfluidique car il n'est plus nécessaire que les éléments actifs notamment les éléments micromécaniques et les canaux se trouvent dans une seule couche ; on peut également prévoir des dispositions complexes de canaux. Enfin le 30 procédé de fabrication d'un système microfluidique est simplifié considérablement car les canaux qui coopèrent respectivement avec différents éléments actifs notamment micromécaniques ne sont plus réalisés par des techniques compliquées, par exemple par des mises en structure ou par des dégagements faits a posteriori. On réduit 35 également le nombre des orifices nécessaires pour le branchement des
4 éléments actifs notamment micromécaniques dans la couche de conduites la plus basse car par exemple à l'aide d'un canal on pourra alors appliquer du fluide à différents autres canaux qui communiquent avec plusieurs éléments actifs notamment des éléments micromécaniques. Les éléments actifs au sens de la présente description sont des éléments actifs micromécaniques mais aussi des circuits intégrés spécifiques à une application (circuit ASIC). Selon un autre développement préférentiel, le système io microfluidique comporte une seconde couche de puce sur la première couche de conduites et cette seconde couche et notamment au moins un autre élément actif, coopèrent avec au moins un canal. L'avantage de cette solution est de pouvoir installer d'autres éléments actifs sans nécessiter de place supplémentaire sur la couche de conduites la plus 15 basse et cela permet de réaliser la première couche de conduites dans la couche de liaison ce qui permet de supprimer une couche adhésive supplémentaire pour fixer la seconde couche de puce sur la première couche de conduites. Selon un autre développement préférentiel une seconde 20 couche de conduites comporte au moins un canal relié aux orifices et/ou aux canaux du substrat et en particulier la seconde couche de conduites se trouve sous le substrat. L'avantage de cette solution est de permettre de manière simple, de relier les canaux de la première couche de conduites à l'autre couche de conduites, par exemple une couche 25 existante et ses canaux, sans nécessiter des branchements compliqués ou supplémentaires. Cela augmente la flexibilité du système microfluidique. Selon un autre développement préférentiel, la couche de puce et/ou l'élément actif comporte au moins une zone de contact pour 30 le branchement électrique et/ou fluidique. L'avantage de cette solution est de permettre de manière simple de relier l'élément actif et/ou la couche de puce, par contact électrique et en même temps par une liaison fluidique avec un canal. Si la couche de puce comporte par exemple une pompe, elle permettra de pomper à travers la zone de 35 contact, du fluide à mettre en contact dans un canal. Selon un autre développement préférentiel, le système microfluidique comporte un boîtier notamment sous la forme d'une masse pressée. L'avantage de cette solution est que le système microfluidique est globalement protégé contre les intempéries. Si le 5 boîtier se présente sous la forme d'une masse pressée, il permet une protection simple et économique du système microfluidique. Un autre avantage est que grâce au montage dans un boîtier on compense les différences de tolérance et les imprécisions de structure entre les branchements de l'élément actif de la couche de puce et du substrat en matière plastique de la couche inférieure de conduites ; en effet ces différences seront atténuées car les branchements ne sont plus réalisés directement sur le substrat en matière plastique mais sont faits en technique d'assemblage et de liaison adaptées de manière appropriée. La masse pressée peut être une masse de résine époxyde avec comme charge, du dioxyde de silicium. En particulier dans le domaine médical les canaux des couches à puce et des couches de conduites et/ou la masse pressée comporte du parylène qui est une matière inerte hydrophobe optiquement transparente et biocompatible. Les canaux des couches à puce et des couches de conduites ou/et de la masse pressée en particulier les zones de la masse pressée recevant le fluide peuvent être revêtues de parylène. La masse pressée peut également comporter des matières plastiques biocompatibles telles que par exemple des copolymères de cyclo-oléfines, des polycarbonates et/ou des polymères de cyclo-oléfines. Selon un autre développement préférentiel, la couche de puce comporte du silicium et au moins une couche de conduites en matière plastique. L'avantage de cette solution est d'augmenter globalement la précision et le domaine fonctionnel du système microfluidique ; il est par exemple possible de transporter des fluides, de les préparer de les analyser et de les exploiter. Selon un autre développement préférentiel on a une couche de contact et/ ou une couche de câblage pour le branchement de la couche de puce et/ou de l'élément actif. Il en résulte l'avantage d'augmenter la souplesse de la fabrication du système microfluidique
6 car d'une part on peut utiliser une couche de contact par exemple sous la forme d'une plaque de circuit ou une couche de câblage, mince par rapport à son épaisseur dans la direction verticale ce qui réduit d'autant l'encombrement du système microfluidique. En même temps le système microfluidique sera adapté à son application. Selon un autre développement préférentiel des fils de liaison et/ ou des contacts flip-chip relient électriquement l'élément actif et/ou de la couche de puce avec une couche de contact. On a ainsi l'avantage que les fils de liaison permettent d'une manière très simple et économique d'assurer le branchement de l'élément actif et/ou de la couche de puce avec une couche de contact ainsi que le branchement de plusieurs couches de puce entre elles, et les contacts flip-chip permettent la réalisation d'un système microfluidique particulièrement compact.
Selon un autre développement du procédé on a une seconde couche de puce comportant notamment un élément actif sur la première couche de conduites en particulier de façon que l'élément actif coopère avec au moins un canal. L'avantage est que de cette manière d'autres couches de puce et ainsi le cas échéant d'autres éléments notamment actifs puissent être installés sans augmenter l'encombrement de la couche de conduites la plus basse. De plus on augmente également la souplesse du système microfluidique en ce que par l'installation de plusieurs couches de puce, les unes sur les autres, réalisent des fonctions nécessitant la coopération de plusieurs éléments actifs, par exemple une diode laser et une photodiode mesurant la transmission de la lumière du laser à photodiode à travers un liquide. Les canaux des couches de puce peuvent être réalisés par exemple par le procédé de tranchée dans un plan lors de la fabrication de la plaquette si la couche de puce est en silicium.
Selon un autre développement préférentiel, une seconde couche de conduites comportent au moins un canal qui communique avec les orifices et/ou les canaux du substrat et en particulier la seconde couche de conduites est sous le substrat. L'avantage est de permettre de cette manière simple de relier les canaux de la première couche de conduites avec une autre couche de conduites par exemple
7 une couche existant déjà sans prévoir pour cela des branchements compliqués. Cela augmente la souplesse du système microfluidique. L'élément actif et/ ou la couche de puce peuvent être branchés par des fils de liaison et/ou en technique flip-chip et/ou par une couche de câblage. L'avantage de ces solutions est que les fils de liaison permettent un branchement particulièrement simple. Le branchement en technique flip-chip est possible tout comme le branchement par une couche de câblage aboutissant à une réalisation particulièrement compacte du système microfluidique.
Selon un autre développement préférentiel on réalise le canal de la première couche de conduites et/ou on fixe la première couche de conduites en enlevant au moins en partie une couche de liaison. On a ainsi l'avantage que la couche de liaison utilisée pour fixer la première couche de conduites constitue en même temps un canal pour le passage d'un fluide ce qui évite une couche de liaison supplémentaire pour avoir un canal, simplifiant d'autant le procédé de fabrication. Selon un autre développement préférentiel, dans une autre étape on munit le système microfluidique d'un boîtier en particulier par injection à la presse ou injection en coulée. L'avantage est que le système microfluidique peut être protégé d'une manière particulièrement simple et économique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière 25 détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre dans ses parties la - ld les étapes d'un procédé de réalisation d'un système microfluidique correspondant à un premier mode de réalisation de l'invention, 30 - la figure 2 montre dans ses parties 2a - 2d les étapes d'un procédé de réalisation d'un système microfluidique selon un second mode de réalisation, - la figure 3 montre dans ses parties 3a, 3b des systèmes microfluidiques correspondant respectivement à un troisième et un 35 quatrième mode de réalisation, - la figure 4 montre en coupe un système microfluidique selon le premier mode de réalisation coopérant avec d'autres systèmes fluidiques ou des éléments micromécaniques actifs, - la figure 5 montre dans ses parties 5a, 5b deux systèmes 5 microfluidiques correspondant respectivement à un cinquième et à un sixième mode de réalisation, - la figure 6 montre dans ses parties 6a, 6b un système microfluidique selon un septième mode de réalisation, - la figure 7 montre en coupe un système microfluidique selon un 10 huitième mode de réalisation de l'invention, - la figure 8 montre en coupe un système microfluidique selon un neuvième mode de réalisation avec plusieurs couches de conduites et de puce, - la figure 9 montre en coupe un système microfluidique selon un 15 dixième mode de réalisation avec une structure de soupape, - la figure 10 montre en coupe un onzième mode de réalisation d'un système microfluidique. Description de modes de réalisation de l'invention Les figures la - d montrent les étapes d'un procédé de 20 réalisation d'un système microfluidique correspondant à un premier mode de réalisation de l'invention. Selon les figures la - d, la référence 1 se rapporte à un système microfluidique. Les figures montrent en outre un substrat 3 muni d'ouvertures 11 pour le passage d'un fluide F. Le substrat 3 25 comporte des pattes de contact 10 pour le branchement électrique du substrat 3. Selon la figure, le côté supérieur du substrat 3 comporte une couche formant une puce 5, en silicium. La couche de puce en silicium 5 présente sur sa face inférieure une couche adhésive 4 pour fixer la couche de puce 5 sur le substrat 3. La couche adhésive 4 30 comporte en outre des orifices de passage 12 correspondant aux orifices de passage 11. La couche de puce 5 est réalisée comme capteur de débit 14 et comporte une surface de détection pour le capteur de débit 14. Le capteur de débit 14 coopère avec un canal K2 à réaliser dans une première couche formant des conduites 6. Chaque fois latéralement par 35 rapport à la surface de détection, dans la direction verticale, s'étendent
9 des canaux V pour le passage d'un fluide F. Les canaux V ont été dégagés par la gravure en tranchée du silicium et ces canaux correspondent aux orifices de passage 11, 12. La couche de la puce 5 porte une seconde couche de puce 7 réalisée comme second élément actif sous la forme d'une pompe 8. Cette seconde couche de puce 7 est fixée sur la face supérieure de la première couche de puce 5 par une couche de liaison 6. Les orifices de passage 11, 12 du substrat 3 et de la couche adhésive 4 correspondent aux canaux V pour appliquer au canal K2 un fluide F provenant d'une seconde couche de conduites 2 munie de canaux Ki. Après avoir relié le substrat 3 par la couche adhésive 4, la première couche de puce 5, la première couche de conduction 6 et la seconde couche de puce 7, on relie la première couche de puce 5 à la seconde couche de puce 7 par des fils de liaison 9 au substrat 3. Ensuite on loge les couches empilées 3, 4, 5, 6, 7 dans la masse pressée 13 selon la figure 1c. Dans la dernière étape selon la figure ld on enlève une couche de liaison 6 entre la première couche de puce 5 et la seconde couche de puce 7 par destruction thermique, chimique ou physique ; cet enlèvement est au moins partiel et ici il est total de façon à former le canal K2. Ensuite on applique le système microfluidique 1 ainsi intégré dans un substrat de matière plastique 2 comportant d'autres canaux fluidiques K1 de façon que les canaux K1 communiquent par une liaison fluidique avec le canal K2 par la liaison V et avec les orifices de passage 11, 12. Le fluide F peut ainsi passer dans la direction R à travers les canaux Ki, les canaux V ainsi que le canal K2 à travers le système microfluidique 1. La figure 2 montre dans ses parties 2a - 2d, en coupe, les étapes d'un procédé de réalisation d'un système microfluidique selon un second mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 montre dans ses figures 2a - 2d pour l'essentiel un mode de réalisation analogue à celui du système microfluidique de la figure 1. A la différence de la figure 1, la couche de liaison 6 de la figure 2a sera structurée avant l'assemblage vertical des couches de puce 5 et 7 et des couches de conduction transversale 2, 6 pour réaliser au moins un canal K2. La suite de la réalisation du 10 système microfluidique 1 selon les figures 2b - d se fait de façon analogue selon la figure lb - d. L'étape d'enlèvement partiel à posteriori de la couche de liaison 6 selon la figure ld est supprimée. La figure 3 montre dans ses parties 3a, 3b un système 5 microfluidique selon un troisième et un quatrième mode de réalisation avec une représentation en coupe. La figure 3a montre également un système microfluidique pour l'essentiel analogue de celui de la figure 1. A la différence du système microfluidique 1 selon les figures 1 et 2, à la place des liaisons 10 filaires 9 installées pour le branchement, les fils de liaison branchent les deux couches de puce 5, 7 par des contacts flip-chip 24 pour réaliser la liaison électrique. Les contacts flip-chip (contacts retournés) sont chaque fois prévus entre les couches de puce 5, 7 et entre les couches de puce 5 et le substrat 3. Pour isoler les contacts flip-chip 24 15 on a structuré des sous-couches 4' autour des contacts flip-chip 24. En même temps les sous-couches 4' avec les contacts flip-chip 24 écartent les deux couches 5, 7 l'une de l'autre de même que le substrat 3 par rapport à la première couche de puce 5. Ainsi, entre les couches de puce 5, 7 on a au moins un canal K2 pour le passage des fluides F. En 20 variante on pourrait également appliquer une couche sacrificielle de liaison servant d'arrêt de fluage pour les sous-couches 4'. La couche sacrificielle de liaison peut être de nouveau enlevée après avoir entouré 13 le système microfluidique 1. La figure 3b montre un système microfluidique 1 sans 25 substrat 3. Lors de la réalisation de ce système microfluidique, on utilise un support temporaire avec un film adhésif à la place du substrat 3. Le branchement électrique de la première couche de puce 5 se fait à l'aide d'une mince couche de câblage 15 appliquée contre la face inférieure de la couche de puce 5 sur son bord gauche et son bord 30 droit ainsi que sur la masse pressée périphérique 13. Le système microfluidique 1 est ensuite appliqué sur un substrat en matière plastique 2 avec des canaux K1 selon la figure ld. Un tel procédé de fabrication consistant à prendre et à installer, réalise à la fois une liaison mécanique stable et une mise en 35 contact électrique et fluidique. Cette mise en contact mécanique ou
11 fluidique peut se faire par des techniques de collage, de soudage ou de brasage. En outre, selon l'invention, on utilise le substrat en matière plastique 2 avec les canaux K1 déjà pendant l'assemblage vertical, c'est-à-dire avant la fabrication du système microfluidique 1 pour les différentes couches de conduites et de puce Ei, E2, 5, 7 de sorte que la combinaison réalisée de cette manière formée des couches de conduites et de puce Ei, E2, 5, 7 et y compris le substrat en matière plastique 2 seront ensuite enrobés en commun avec une masse pressée 13. Les liaisons électriques entre les contacts du système microfluidique 1 peuvent être faites par exemple sur la face supérieure du substrat en matière plastique 2 qui peut comporter d'autres canaux Ki, pour former les chemins conducteurs reliés à une barrette de raccordement (non représentée). La figure 4 montre un premier mode de réalisation d'un 15 système microfluidique coopérant avec d'autres systèmes fluidiques ou des éléments micromécaniques actifs. Les figures 4a - c montrent un système microfluidique selon la figure 1. A gauche à la figure 4a, à côté du système microfluidique 1 on a un élément actif sous la forme d'un circuit intégré 20 16 spécifique pour une application sur le substrat 3. Le circuit intégré, spécifique pour une application 16 est relié par des fils de liaison 9 au substrat 3 ainsi qu'à la première couche de puce 5. A la figure 4b, à la place du circuit intégré spécifique à une application 16 on a prévu une autre couche de puce 17, réalisée sous la forme de l'élément actif d'un 25 élément chauffant 18. L'élément chauffant 18 coopère par un orifice 3a du substrat 3 avec des canaux K1 d'un substrat en matière plastique (non représenté). La mise en contact électrique de la couche de puce 17 se fait là encore à l'aide d'un fil de liaison 9 vers le substrat 3. A la fois la couche de puce 17 et le système micro fluidique 1 sont reliés par des 30 orifices de passage 3a, 3b à des canaux d'un substrat de matière plastique (non représenté). 1' La figure 4c montre deux systèmes microfluidiques 1, qui ont pratiquement la même structure. Le système microfluidique 1' diffère du système microfluidique 1 uniquement en ce qu'à la place de 35 la réalisation sous la forme d'un capteur de débit 14 et de pompe 8, les
12 couches de puce 5', 20 qui correspondent aux couches de puce 5, 7 se présentent sous la forme d'un élément chauffant 18 et d'un dispositif d'analyse 19. La mise en contact électrique des couches de puce 5', 20 se fait là encore à l'aide de fils de liaison 9 reliant le substrat 3 et la couche de puce 5', 20 respectives. La figure 5 montre deux systèmes microfluidiques correspondant respectivement à un cinquième et à un sixième mode de réalisation représentés en coupe. La figure 5a montre pratiquement un montage comportant un système microfluidique 1 comme celui de la figure 4a avec pour seule différence par rapport au système microfluidique 1 de la figure 4a, un unique canal V pour assurer la liaison fluidique entre les canaux K1 d'un substrat en matière plastique (non représenté) et les canaux K2. Une autre différence par rapport au système microfluidique 1 selon la figure 4a est que la couche de puce respective est réalisée comme capteur de pression 14' au lieu d'un capteur de débit 14 et à la place de la pompe 8 on a un capteur d'accélération 7 ; le canal K2 sert à solliciter la membrane de pression (non représentée) du capteur de pression 14'. La couche de puce 5 est fixée au substrat 3 par une couche adhésive 4. La figure 5b montre principalement un système microfluidique 1 selon la figure 5a. Les canaux K1 d'un substrat de matière plastique 2 sont reliés par l'ouverture 3a du substrat 3 aux canaux K2' obtenus par décomposition de la couche adhésive 4 pour avoir une liaison fluidique. Ces canaux K2' communiquent en outre avec les canaux V, K2. Aux figures 5a, b, la mise en contact du capteur de pression 14' dans la couche de puce 5 se fait par des débordements latéraux non représentés et par la technique des fils de liaison. La figure 6 est une vue en coupe d'un septième mode de réalisation d'un système microfluidique. A la figure 6a on a présenté un système microfluidique 1 qui pour l'essentiel est analogue au système microfluidique de la figure 5a. Le système microfluidique 1 comprend deux couches de puce 5 et 7. La première couche de puce 5 est réalisée comme capteur de pression 14' ; la seconde couche de puce 7 est réalisée sous la forme d'un circuit
13 intégré spécifique à l'application 16. Le circuit intégré spécifique à l'application 16 est relié par des fils de liaison 9 d'une part à la première couche de puce 5 et d'autre part au substrat 3. La figure 6 montre uniquement les couches de puce 5 et 7 du système microfluidique qui ont été échangées. A la figure 6a à gauche ou à la figure 6b à gauche on a fixé la première couche de puce 5 par une couche adhésive 4 sur le substrat 3 alors qu'à la figure 6a à droite ou à la figure 6b à droite on a dégagé la couche adhésive 4 en la détruisant de façon analogue au système microfluidique 1 de la figure 5 b en formant un canal horizontal K2' reliant l'orifice 3a du substrat 3 communiquant lui-même avec les canaux K1 d'un substrat de matière plastique (non représenté) à la fois au canal V et au canal K2. La figure 7 est une vue en coupe d'un huitième mode de réalisation d'un système microfluidique.
La figure 7a montre un système microfluidique 1 selon la figure 1d. Le substrat en matière plastique 2 comporte trois soupapes V1, V2, V3. La figure 7a montre l'état dans lequel les soupapes V1, V3 sont ouvertes et la soupape V2 fermée. Lorsqu'une soupape V1, V2, V3 est fermée, le fluide F ne peut passer de la droite vers la gauche dans les canaux horizontaux K1 du substrat en matière plastique 2. En outre la soupape V2 est installée entre les orifices 3a1, 3a2 du substrat 3 qui sont reliés aux canaux K1, K2, V. Lorsqu'un fluide F passe dans la direction R c'est-à-dire de la droite vers la gauche selon la figure 7a dans les canaux K1 du substrat en matière plastique 2, ce fluide passe ainsi tout d'abord la soupape ouverte V3 puis arrive ensuite sur la soupape fermée V2. La soupape fermée V2 oblige le fluide F à passer par l'ouverture 3a2 dans le canal vertical V de la couche de puce 5. Le fluide F continue à travers le canal K2 en passant entre les couches de puce 5, 7 et par un autre canal vertical V de la couche de puce 5 et par l'orifice 3a1 du substrat 3 pour revenir dans les canaux K1 du substrat de matière plastique 2. Comme la soupape V2 est fermée, le fluide F ne peut revenir en direction de la soupape V3 et c'est pourquoi il continue de la droite vers la gauche et passe alors dans la soupape VI ouverte. La figure 7b montre la situation des soupapes V1, V2, V3 dans laquelle la soupape V2 est ouverte et les soupapes V1, V3 sont
14 fermées. La pompe 8 peut alors pomper le fluide F dans les canaux K1, V, K2 pour permettre une circulation du fluide F. Les soupapes V1 - V3 permettent ainsi de commander le sens de passage du fluide F. On pourra alors réaliser des boucles de fluide, c'est-à-dire organiser le passage répété dans les canaux Ki, K2, V sans nécessiter des canaux spécialement conçus pour cela. Cette possibilité est utilisée dans le domaine de la technique médicale, par exemple pour multiplier des structures DNS par exemple sous la forme d'une chambre de réaction chauffée.
La figure 8 montre une vue en coupe d'un neuvième mode de réalisation d'un système microfluidique comportant plusieurs couches de conduites de passage et de puce. La figure 8 montre un système microfluidique 1 composé de quatre couches de puce 5, 7, A, B qui sont pratiquement empilées l'une sur l'autre dans un boîtier 13. Entre les couches de puce 5 et 7 et entre 7 et A et entre A et B on a des canaux horizontaux K2, K3, K5. Les canaux horizontaux K2, K3, K5 selon la figure 8 communiquent avec les canaux K1 du substrat de matière plastique 2 par l'intermédiaire de canaux verticaux V, V', K4 passant dans la couche de puce 5, 7, A respective. Les couches de puce 5, 7, A, B réalisées comme éléments actifs 14, 8, A', B' coopèrent avec les canaux respectifs K2, K3, K5. La couche de puce 5 et la couche de puce A sont reliées électriquement par des fils de liaison 9 au substrat 3. Un fluide F passe alors par exemple par les soupapes V1, V3 ouvertes, la soupape V2 étant fermée, à travers les orifices de passage 3a2 du substrat 3 dans un canal vertical V et ensuite dans le canal K2, le canal V', le canal K3, le canal K4 et le canal K5. Pour reconduire le fluide F du canal K5 entre les deux couches de puce A, B supérieures, dans les canaux K1 du substrat de matière plastique 2, il est prévu un canal de retour R (ce canal est représenté en pointillés à la figure 8) et qui traverse verticalement les couches de puce A, 7 et 5 et communique par un orifice de passage 3a1 du substrat 3 avec les canaux Ki. La soupape V2 fermée interdit le retour du fluide F. Les couches de puce 5, 7, A, B selon la figure 8 sont 35 réalisées sous la forme d'éléments actifs 14, 8, A', B'. L'élément actif 14
15 selon la figure 8 est un capteur de débit, l'élément actif 8 est une pompe, l'élément actif A' est un marqueur et l'élément actif B' est une caméra CCD. Globalement la figure 8 montre un module fermé, le diagnostic, intégré, assurant le transfert de l'échantillon d'un fluide dans la couche de puce 5, 7, une préparation d'échantillon d'un fluide F dans la couche de puce A et une analyse d'échantillon de fluide F à l'aide de la couche de puce B et de la caméra CCD, B'. En ouvrant et en fermant de manière appropriée les soupapes VI, V2, V3 on peut pomper une quantité définie d'échantillon du fluide F dans une chambre d'analyse K5 et préparer l'échantillon à l'aide de l'élément micromécanique actif A', par exemple en accumulant des particules fluorescentes sur certains composants du fluide F. Leur teneur peut s'analyser par exemple à l'aide de la caméra CCD, B'. Pour augmenter la capacité fonctionnelle des différentes couches de puce 5, 7, A, B ou du domaine d'application du système microfluidique, on peut prévoir plusieurs éléments actifs 14, 8, A', B' dans une unique couche de puce évitant des couches de puces supplémentaires. La figure 9 montre une section d'un dixième mode de réalisation d'un système microfluidique à structure de soupape. La figure 9 montre pratiquement un système microfluidique selon la figure 1d. La couche de puce 7 réalisée comme pompe 8 comporte une structure de soupape 8a qui, pour un actionnement approprié, par exemple à l'aide d'un élément piézo-électrique ou d'une soupape piézo- électrique, permet de fermer le canal vertical V de la figure 9 par rapport au canal K2 dans lequel la soupape 8 ferme l'ouverture par laquelle communiquent les canaux V et K2. La figure 10 est une coupe d'un onzième mode de réalisation d'un système microfluidique.
La figure 10 montre pratiquement un système microfluidique 1 selon la figure 1d. A la différence de la figure 1d, la couche de puce 7 n'est pas réalisée comme couche de puce avec un élément micromécanique actif mais cette couche se compose principalement d'un capuchon appliqué sur le dessus des canaux V. Le capuchon est préstructuré avec des canaux K2 de façon qu'un fluide F
16 venant du canal V passe par le canal K2 pour retourner dans un autre canal V. Le canal K2 entre les couches de puce 5, 7 est formé par une cavité dans le capuchon 7. Dans le cadre de l'invention, les couches de puce peuvent comporter des circuits électroniques notamment sous la forme de circuit intégré spécifique à une application. En outre dans le cadre de l'invention, les éléments actifs peuvent être réalisés notamment sous la forme d'élément chauffant, de pompe, de capteur de pression ou d'accélération, de système d'analyse en particulier de caméras CCD, d'éléments marqueurs, d'éléments mélangeurs ou d'éléments de filtre ou encore des modules à multiples usages comprenant des composants fluidiques et/ou à inertie ou des capteurs. Bien que la présente invention soit décrite ci-dessus à l'aide d'exemple de réalisation elle n'est pas limitée à ceux-ci et peut 15 être modifiée de différentes manières.
20 NOMENCLATURE NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 système microfluidique 2 couche de conduites 3 substrat 4 couche adhésive 5 couche de puce 5' couche de puce 6 couche de liaison/couche de conduites 7 couche de puce 8 pompe/élément actif 9 fil de liaison 10 patte de contact 11 orifice de passage 12 orifice de passage 13 masse pressée 14 capteur de débit/ élément actif 14' capteur de pression/élément actif 15 couche de câblage 16 circuit intégré spécifique à une application 17 couche de puce 18 élément chauffant 20 couche de puce 24 contact flip-chip K1, K2, K2', K3, K4, K5 canaux V1, V2, V3 soupapes F fluide 35

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS1 °) Système microfluidique (1) pour des applications de diagnostic et d'analyse composé principalement de couches superposées (3, 5, 7, A', B') caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un substrat (3) notamment sous la forme d'une couche de câblage (15) ayant au moins une ouverture et/ ou un canal (11, 12) pour le passage d'un fluide (F), - au moins une première couche de conduites (6) ayant au moins un canal (K2) pour le passage d'un fluide (F), - au moins une première couche de puce (5) ayant au moins un élément actif (14) notamment micromécanique, cet élément actif notamment micromécanique (14) coopérant avec le canal (K2), et - la couche de puce (5) est prévue entre la couche de conduites (6) et le substrat (3), et - la couche de puce (5) comporte au moins un canal (V) reliant l'orifice et/ou le canal (11, 12) du substrat (3) au canal (K2) de la couche de conduites (6) par une liaison fluidique. 2°) Système microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde couche de puce (7) prévue sur la première couche à conduite (6) et la couche de puce (5) comporte notamment au moins un autre élément actif (8) et celui-ci coopère au moins avec le canal (K2). 3°) Système microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde couche de conduites (2) ayant au moins un canal (K1) communiquant avec les orifices et/ou les canaux (11, 12) du substrat (3) et en particulier la seconde couche de conduites (2) se trouve sous le substrat (3). 4°) Système microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de puce (5) et/ou l'élément actif (14, 8) comportent au moins 35 une zone de contact pour le branchement électrique et/ou fluidique. 5 1019 5°) Système microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système microfluidique (1) comporte un boîtier (13) notamment sous la forme d'une masse pressée. 6°) Système microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de puce (5, 7) comporte du silicium et au moins une couche de conduites (2, 6) en matière plastique. 7°) Système microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que une couche de contact et/ou une couche de câblage (15) pour le branchement de la couche de puce (5, 7) et/ou de l'élément actif (14, 8). 15 8°) Système microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que des fils de liaison (9) et/ou des contacts flip-chip (24) pour relier électriquement l'élément actif (14, 8) et/ou la couche de puce (5, 7) à 20 une couche de contact (10). 9°) Procédé de réalisation d'un système microfluidique (1) composé principalement de couches superposées, procédé caractérisé par les étapes suivantes : 25 i réalisation d'au moins une ouverture et/ou d'un canal (11, 12) pour faire passer des fluides (F) dans un substrat (3) notamment sous une forme d'une couche de câblage (15), ii réalisation d'au moins un canal (V) pour le passage de fluide (F) dans au moins une couche de puce (5), cette couche ayant au 30 moins un élément actif (14) notamment un élément micromécanique, iii fixation de la couche de puce (5) sur le substrat (3) pour que les orifices et/ou les canaux (11, 12) communiquent avec au moins un canal (V) de la couche de puce (5), 20 iv fixation d'une première couche de passage (6) sur la couche de puce (5), v réalisation d'au moins un canal (K2) dans la première couche de passage (6) de façon que le canal (V) de la couche de puce (5) relie le canal (V) de la couche de puce (5) au canal (K2) de la couche à conduite de passage. 10°) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' on a une seconde couche de puce (7) comportant notamment un élément actif (8) sur la première couche de conduites (6) notamment de façon que l'élément actif (8) coopère avec au moins un canal (K2). 11 °) Procédé selon au moins la revendication 9, caractérisé par une seconde couche de conduites (2) comportant au moins un canal (K1) de façon à relier les orifices et/ou les canaux (11, 12) du substrat (3) et notamment la seconde couche de passage (2) se trouve sous le substrat (3). 12°) Procédé selon au moins la revendication 9, caractérisé en ce qu' on réalise le canal (K2) de la première couche de conduites (6) et/ou on fixe la première couche de conduites (6) en enlevant au moins en partie 25 une couche de liaison. 13°) Procédé selon au moins la revendication 9, caractérisé en ce que dans une autre étape on munit le système microfluidique (1) d'un 30 boîtier (13) notamment réalisé par une presse d'injection ou une presse de coulée. 35
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