FR3132575A1 - Procédé de commande d'une seringue motorisée - Google Patents

Abstract

Procédé de commande d'une seringue motorisée Ce procédé de commande comporte : - entre un instant tdi et un instant tmi : - la commande (112) d'un premier actionneur pour qu'un premier piston de la seringue se déplace vers l'intérieur d'un réservoir de liquide, et - la commande (112) d'un second actionneur pour qu'un second piston se déplace vers l'intérieur du réservoir depuis une première position initiale jusqu'à une position terminale atteinte à l'instant tmi, - de l'instant tmi jusqu'à un instant tfi : - la commande (112) du premier actionneur pour que le premier piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir et, en même temps - la commande (112) du second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'extérieur du réservoir depuis sa position terminale jusqu'à une seconde position initiale atteinte à l'instant tfi. Fig. 2

Description

Procédé de commande d'une seringue motorisée

L’invention concerne un procédé et une unité de commande d’une seringue motorisée pour former, les unes après les autres, une série de gouttes ayant chacune un même volume cible prédéterminé. L’invention concerne également un support d’enregistrement d’informations pour la mise en œuvre de ce procédé ainsi qu’un appareil pour former, les unes après les autres, une telle série de gouttes ayant chacune un même volume cible prédéterminé.

De tels appareils sont utilisés pour, par exemple, déposer des séries de gouttes sur un substrat ou injecter cette série de gouttes dans un autre liquide.

Pour améliorer la précision sur le volume de chacune des gouttes formées, il a déjà été proposé d’utiliser des seringues motorisées comportant plusieurs pistons. Il a été également proposé des procédés de commande de telles seringues motorisées. L’utilisation de deux pistons dont l’un est plus petit que l’autre permet notamment d’augmenter la résolution et la précision sur le volume des gouttes formées.

Toutefois, il est souhaitable d’améliorer encore plus la précision sur le volume des gouttes formées.

L’invention vise à satisfaire ce souhait en proposant un procédé de commande d’une seringue motorisée qui permet d’obtenir une précision accrue.

Elle a donc pour objet un tel procédé de commande d'une seringue motorisée pour former, les unes après les autres, une série de gouttes ayant chacune un même volume cible prédéterminé, cette seringue motorisée comportant :
- une buse à la sortie de laquelle sont formées, les unes après les autres, chacune des gouttes de même volume cible,
- un réservoir apte à contenir le fluide avec lequel est formé chaque goutte, ce réservoir étant fluidiquement raccordé à la buse et la capacité de ce réservoir étant plusieurs fois supérieure au volume cible d'une goutte,
- un premier piston apte à se déplacer vers l'intérieur du réservoir pour pousser le fluide vers la sortie de la buse,
- au moins un second piston apte à se déplacer vers l'intérieur du réservoir pour pousser le fluide vers la sortie de la buse, les dimensions de ce second piston étant inférieures à celles du premier piston de sorte que, pour un déplacement identique, le volume de fluide déplacé par le second piston est inférieur au volume de fluide déplacé par le premier piston, le second piston étant déplaçable indépendamment du premier piston,
- un premier actionneur commandable apte à déplacer le premier piston,
- un second actionneur commandable apte à déplacer le second piston,
ce procédé comportant, pendant chaque intervalle [td_i; tf_i], la commande des premier et second actionneurs de manière à faire croître, à la sortie de la buse, une nouvelle goutte de la série de gouttes depuis un volume nul à l'instant td_{i jusqu'à son volume final}, l'indice i étant le numéro d'ordre de cette nouvelle goutte dans la série de gouttes,
dans lequel la commande des premier et second actionneurs comporte :
- entre l'instant td_iet un instant tm_i:
- la commande du premier actionneur pour que le premier piston se déplace vers l'intérieur du réservoir, et
- la commande du second actionneur pour que le second piston se déplace vers l'intérieur du réservoir depuis une première position initiale jusqu'à une position terminale atteinte à l'instant tm_i,
où l'instant tm_iest égal à td_i+x*T₀, T₀étant la durée de chaque intervalle [td_i; tf_i] et x étant un coefficient prédéterminé supérieur à zéro et inférieur à un, et
- de l'instant tm_ijusqu'à l'instant tf_i:
- la commande du premier actionneur pour que le premier piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir et, en même temps
- la commande du second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'extérieur du réservoir depuis sa position terminale jusqu'à une seconde position initiale atteinte à l'instant tf_i.

Les modes de réalisation de ce procédé peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
1) Le procédé comporte l'ajustement de l'écart entre les première et seconde positions initiales pour rapprocher, du volume cible, le volume de fluide poussé par le seul déplacement du premier piston entre les instants tdi et tfi.
2) Le procédé comporte l'ajustement des écarts entre les première et seconde positions initiales pour que, au fur et à mesure que les gouttes de la série sont formées, la moyenne de ces écarts tende vers zéro lorsque le nombre de gouttes dans la série de gouttes augmente.
3) Le procédé comporte l'ajustement des vitesses de déplacement des premier et second pistons pour que le débit moyen du fluide au niveau de la sortie de la buse pendant l'intervalle [td_i, tm_i] soit supérieur au débit moyen du fluide au niveau de la sortie de la buse pendant l'intervalle [tm_i; tf_i].
4) Le procédé comporte :
- pendant l'intervalle [tdi, tmi], la commande des premier et second actionneurs pour que le débit de fluide en sortie de la buse croîsse continûment en fonction du temps depuis le débit nul à l'instant tdi jusqu'à un débit maximal atteint à l'instant tmi, et
- à partir de l'instant tmi, la commande des premier et second actionneurs pour que le débit de fluide en sortie de la buse décroîsse continûment en fonction du temps depuis le débit maximale jusqu'à un débit nul.
5) Le procédé comporte la commande des premier et second actionneurs pour que le débit de fluide en sortie de la buse varie linéairement sur chacun des intervalles [tdi, tmi] et [tmi; tfi].
6) Le procédé comporte, pendant chaque intervalle [tdi, tfi], la commande des premier et second actionneurs pour que le débit de fluide en sortie de la buse soit uniquement modifié par paliers successifs, le débit restant constant pendant chaque palier.
7) L'instant tmi est inférieur ou égal à 1,1*tRmin,i, où tRmin,i est l'instant auquel le rayon de courbure de la goutte, qui croît depuis l'instant tdi jusqu'à l'instant tfi, est minimal.
8) L'instant tmi est compris entre 0,9* tRmin,i et 1,1* tRmin,i ou entre 0,95* tRmin,i et 1,05*tRmin,i .
9) Le procédé comporte, entre les instants tmi et tfi, la commande des premier et second actionneurs pour que le volume de fluide poussé par le seul déplacement du premier piston soit systématiquement supérieur au volume de fluide poussé par le seul déplacement du second piston.

L'invention a également pour objet un support d'enregistrement d'informations comportant des instructions exécutables par un microprocesseur, dans lequel ce support comporte des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par le microprocesseur, mettent en œuvre le procédé ci-dessus de commande d'une seringue motorisée.

L'invention a également pour objet un appareil pour former, les unes après les autres, une série de gouttes ayant chacune un même volume cible prédéterminé, cet appareil comportant :
- une seringue présentant :
- une buse à la sortie de laquelle sont formées, les unes après les autres, chacune des gouttes de même volume cible,
- un corps fixe à l'intérieur duquel est aménagé un réservoir apte à contenir le fluide, ce réservoir étant fluidiquement raccordé à la buse et la capacité de ce réservoir étant plusieurs fois supérieure au volume cible d'une goutte,
- un premier piston apte à se déplacer vers l'intérieur du réservoir pour pousser le fluide vers la sortie de la buse,
- au moins un second piston apte à se déplacer vers l'intérieur du réservoir pour pousser le fluide vers la sortie de la buse, les dimensions de ce second piston étant inférieures à celles du premier piston de sorte que, pour un déplacement identique, le volume de fluide déplacé par le second piston est inférieur au volume de fluide déplacé par le premier piston, le second piston étant déplaçable indépendamment du premier piston,
- un premier actionneur commandable apte à déplacer le premier piston,
- un second actionneur commandable apte à déplacer le second piston,
- une unité de commande configurée pour, pendant chaque intervalle [td_i; tf_i], commander les premier et second actionneurs de manière à faire croître, à la sortie de la buse, une nouvelle goutte de la série de gouttes depuis un volume nulle à l'instant td_{i jusqu'à son volume final}, l'indice i étant le numéro d'ordre de cette nouvelle goutte dans la série de gouttes,
dans lequel l'unité de commande est configurée pour :
- entre l'instant td_iet un instant tm_i:
- commander le premier actionneur pour que, le premier piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir, et
- commander le second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir depuis une première position initiale jusqu'à une position terminale atteinte à l'instant tm_i,
où l'instant tm_iest égal à td_i+x*T₀, T₀étant la durée de chaque intervalle [td_i; tf_i] et x étant un coefficient prédéterminé supérieur à zéro et inférieur à un, et
- de l'instant tm_ijusqu'à l'instant tf_i:
- commander le premier actionneur pour que le premier piston continue de se déplacer uniquement vers l'intérieur du réservoir et, en même temps
- commander le second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'extérieur du réservoir depuis sa position terminale jusqu'à une seconde position initiale atteinte à l'instant tf_i.

Les modes de réalisation de cet appareil peuvent comporter la caractéristique suivante :
- Le second piston est apte à coulisser à l'intérieur du premier piston pour pousser le fluide vers la sortie.

L'invention a également pour objet une unité de commande pour la réalisation de l'appareil ci-dessus, dans laquelle l'unité de commande est configurée pour, pendant chaque intervalle [td_i; tf_i], commander les premier et second actionneurs de manière à faire croître, à la sortie de la buse, une nouvelle goutte de la série de gouttes depuis un volume nulle à l'instant td_{i jusqu'à son volume final}, l'indice i étant le numéro d'ordre de cette nouvelle goutte dans la série de gouttes,
dans laquelle l'unité de commande est configurée pour :
- entre l'instant td_iet un instant tm_i:
- commander le premier actionneur pour que, le premier piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir, et
- commander le second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir depuis une première position initiale jusqu'à une position terminale atteinte à l'instant tm_i,
où l'instant tm_iest égal à td_i+x*T₀, T₀étant la durée de chaque intervalle [td_i; tf_i] et x étant un coefficient prédéterminé supérieur à zéro et inférieur à un, et
- de l'instant tm_ijusqu'à l'instant tf_i:
- commander le premier actionneur pour que le premier piston continue de se déplacer uniquement vers l'intérieur du réservoir et, en même temps
- commander le second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'extérieur du réservoir depuis sa position terminale jusqu'à une seconde position initiale atteinte à l'instant tfi.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la est une illustration schématique, en coupe verticale, d’un appareil pour former, les unes après les autres, une série de gouttes ayant chacune un même volume cible prédéterminé,
- la est un organigramme d’un procédé de commande mis en œuvre dans l’appareil de la ;
- la est un graphique illustrant, sur un même axe, les différents volumes cibles cumulés à atteindre à l’aide de l’appareil de la ;
- les figures 4 et 5 illustrent schématiquement, pour des lois de commande différentes, l’évolution du débit de liquide éjecté par une seringue au cours du temps pour former une goutte.

Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l’homme du métier ne sont pas décrites.

Dans la suite de cette description, des exemples détaillés de modes de réalisation sont d’abord décrits dans un chapitre I en référence aux figures. Ensuite, dans un chapitre II, des variantes de ces modes de réalisation sont présentées.
Enfin, les avantages des différents modes de réalisation sont présentés dans un chapitre III.

Chapitre I : Exemples de modes de réalisation.

La représente un appareil 2 pour former, les unes après les autres,
une série de N₀gouttes ayant toutes un même volume cible V_c. Le nombre N₀de gouttes de la série est typiquement compris entre 2 et 10 000 ou entre 2 et 1000. Le plus souvent, ce nombre N₀est supérieur à cinq ou dix.

Le volume cible V_cest typiquement fournis ou sélectionné par l’utilisateur de l’appareil 2. Typiquement, le volume V_cest compris entre 1 µL et 10 000 µL ou entre 1 µL et 1000 µL.

Par la suite, ce premier exemple de réalisation est décrit dans le cas particulier où les gouttes sont des gouttes de liquide. La représente un exemple d'un goutte G_ien cours de formation. Par la suite, l’indice i est le numéro d’ordre de la goutte dans la série de gouttes formées. L’indice i est donc un nombre entier. La première goutte formée est la goutte G₁et la dernière goutte formée est la goutte G_N0.
Ici, la goutte G_iest formée dans un fluide environnant 6 et sur une face plane 8 d’un substrat 10. Chaque goutte G_iprésente un axe 12 de symétrie de révolution autour duquel la goutte G_iprésente une infinité de symétries de révolution. La face 8 est horizontal et l’axe 12 est vertical. La face 8 est tournée vers le haut. Dans cette configuration, la goutte G_iest une goutte sessile. La goutte G_iest formée en éjectant du liquide à travers un trou 14 traversant de part en part le substrat 10 et débouchant sur la face 8.

Pour former la série de gouttes G_isur le substrat 10, l’appareil 2 comporte :
- une seringue motorisée 20,
- une unité 22 de commande de la seringue 20, et
- une interface homme-machine 24 raccordée à l’unité 22 commande.

Après la formation de chaque goutte G_i, la goutte G_iest retirée du substrat 10 par un dispositif non représenté. Par exemple, la goutte G_iest retirée :
- en déplaçant le fluide 6, ou
- en déplaçant le substrat 10 ou un support pour amener la goutte G_ien contact avec ce support qui retient la goutte G_iune fois que le substrat 10 est éloigné de ce support.

La seringue 20 est apte à éjecter, de façon contrôlée, le liquide à travers le trou 14 pour former, les unes après les autres, les N₀gouttes G_i. Ici, la seringue 20 présente un axe de symétrie de révolution confondue avec l’axe 12. Par exemple, la seringue 20 présente une infinité de symétries de révolution autour de cet axe 12.

À cet effet, la seringue 20 comporte notamment :
- une buse 30 dont la sortie supérieure est fluidiquement raccordée au trou 14,
- un réservoir 32 de liquide à éjecter fluidiquement raccordé à l’entrée de la buse 30,
- un grand piston 34 capable de s’enfoncer à l’intérieur du réservoir 32 pour pousser le liquide vers l’entrée de la buse 30,
- un petit piston 36 capable lui aussi de s’enfoncer à l’intérieur du réservoir 32 pour pousser lui aussi le liquide vers l’entrée de la buse 30,
- un actionneur électrique 38 apte à déplacer le piston 34,
- un actionneur électrique 40 apte à déplacer le piston 36, et
- un corps rigide 42 à l’intérieur duquel les pistons 34, 36 se déplacent.

Ici, la buse 30 s’étend vers le bas dans le prolongement du trou 14 le long de l’axe 12. L’entrée de la buse 30 débouche dans une paroi supérieure du réservoir 32.

Le réservoir 32 est aménagé à l’intérieur du corps 42. Ce réservoir 32 contient le liquide à éjecter pour former les N₀gouttes G_i. À cet effet, il est capable de contenir un volume de liquide supérieur à N₀*V_C. Dans ce texte, le symbole «*» désigne l’opération de multiplication arithmétique.

Le piston 34 s’étend le long de l’axe 12. Il comporte une extrémité inférieure 44 et une extrémité supérieure 46. Ici, l’extrémité 46 est un cylindre de révolution de section circulaire dont la génératrice est confondue avec l'axe 12. Son diamètre D₁est typiquement compris entre 5 mm et 30 mm. La surface de sa face supérieure horizontale est notée par la suite S₁. La surface S₁est égal à π*(D₁/2)².L’extrémité supérieure 46 forme une paroi inférieure du réservoir 32. L’extrémité inférieure 44 est aussi une extrémité cylindrique de section circulaire dont la génératrice est confondue avec l’axe 12.

Le piston 34 comporte un évidement 50 creusé à l’intérieur des extrémités 44 et 46. Le piston 36 coulisse à l’intérieur de cet évidement 50. Cet évidement 50 s’étend le long de l’axe 12 et débouche dans la face horizontale de l’extrémité supérieure 46 du piston 34.

Le piston 34 est déplaçable en translation le long de l’axe 12 entre une position complètement rétractée et une position complètement enfoncée. Dans la position complètement rétractée, le volume du réservoir 32 est supérieur au volume N₀*V_c. Dans la position complètement enfoncée, le volume restant de liquide dans le réservoir 32 est inférieur ou égal à N₀*V_c. De préférence, dans la position complètement enfoncée, le volume restant est très petit, c’est-à-dire inférieur à 10 µL ou à 1 µL. Ainsi, le volume mort de la seringue 20 est très petit.

L’étanchéité entre l’extrémité 46 et le corps 42 est, par exemple, assurée par un joint torique 56.

Pour déplacer le piston 34 par rapport au corps 42 le long de l’axe 12, l’actionneur 38 est interposé entre le corps 42 et extrémité 44. Ici, l’actionneur 38 comporte :
- un moteur pas-à-pas 60 qui transforme une impulsion électrique en un mouvement angulaire, et
- un système vis-écrou 62 qui transforme le mouvement angulaire en un mouvement de translation du piston 34.

Chaque impulsion électrique fait tourner le moteur 60 d’un angle prédéterminé appelé « pas angulaire » est noté α₁. Le pas angulaire α₁correspond à la résolution angulaire minimale du moteur 60. Ici, le moteur 60 peut tourner, en alternance, dans le sens horaire et dans le sens anti-horaire. Par exemple, le sens de rotation est déterminé par le signe de l’impulsion électrique reçue. Ainsi, l’actionneur 38 permet de faire avancer et, en alternance, de faire reculer le piston 34 le long de l’axe 12.

Puisque le système 62 transforme le mouvement angulaire du moteur 60 en un déplacement du piston 34, le pas angulaire α₁correspond également à un « pas volumétrique » noté pv₁et exprimé en litres. Le pas pv₁correspond à la résolution volumétrique minimale qu’il est possible d’atteindre en déplaçant seulement le piston 34. Ainsi, le moteur 60 permet, à l’aide du seul piston 34, de déplacer uniquement des volumes de liquides qui sont des multiples entiers du pas pv₁.

Le piston 36 s’étend le long de l’axe 12 depuis une extrémité inférieure 64 jusqu’à une extrémité supérieure 66. L’extrémité 66 débouche à l’intérieur du réservoir 32. Ici, l’extrémité 66 débouche dans la face supérieure horizontale de l’extrémité 46 du piston 34. Dans ce mode de réalisation, l’extrémité 66 est un cylindre plein de révolution de section circulaire et de diamètre D₂. La face supérieure horizontale de cette extrémité 66 présente une surface S₂. La surface S₂est égale à π*(D₂/2)².

Le piston 36 est conçu pour présenter une résolution volumétrique pv₂plus petite et, de préférence, deux ou cinq ou dix fois plus petite que la résolution volumétrique pv₁et cela pour une résolution angulaire α₂identique à la résolution angulaire α₁. Pour cela, le diamètre D₂est inférieur au diamètre D₁et, de préférence, deux fois ou trois fois ou cinq fois inférieure. Ici, le diamètre D₂est compris entre 0,5 mm et 5 mm et, de préférence, entre 0,5 mm et 3 mm.

L’extrémité 66 est montée à accomplissement à l’intérieur d’un canal rectiligne 70 qui débouche dans le réservoir 32. Ce canal 70 forme la partie supérieure de l’évidement 50. Il est donc creusé à l’intérieur de l’extrémité 46. L’étanchéité entre le canal 70 et l’extrémité 66 est assurée, par exemple, par un joint torique 72.

Le piston 36 est déplaçable, en translation le long de l’axe 12, entre une position complètement rétractée et une position complètement sortie. Dans la position complètement rétractée, par exemple, l’extrémité 66 est entièrement reçue à l’intérieur du canal 70. Dans la position complètement sortie, par exemple, l’extrémité 66 est entièrement située en dehors du canal 70. Dans la position complètement sortie, l’extrémité 66 est en saillie à l’intérieur du réservoir 32 au-delà de l’extrémité 46 du piston 34.

Pour déplacer le piston 36 à l’intérieur de l’évidement 50 le long de l’axe 12, l’actionneur 40 est interposé entre l’extrémité 64 et l’extrémité 44 du piston 34. L’actionneur 40 comporte :
- un moteur pas-à-pas 80 qui transforme une impulsion électrique en un mouvement angulaire, et
- un système vis-écrou 82 qui transforme le mouvement angulaire en un déplacement en translation du piston 36.

Par exemple, le moteur 80 et le système vis-écrou 82 sont identiques, respectivement, au moteur 60 et au système vis-écrou 62.

L’unité 22 de commande est raccordée aux actionneurs 38 et 40 et, plus précisément, aux moteurs 60 et 80 pour les commander. L’unité 22 est aussi raccordée à l’interface homme-machine 24 pour acquérir les valeurs des paramètres qui lui permettent d’établir les lois de commande des actionneurs 38 et 40. En particulier, l’interface homme-machine 24 permet à l’unité 22 d’acquérir les valeurs des paramètres tels que :
- la valeur du nombre N₀de gouttes à former,
- la valeur du volume cible V_cde chaque goutte, et
- la valeur d’un volume V_Rminpour lequel le rayon de courbure moyen de la goutte G_ien cours de formation est minimal.

L’unité 22 est configurée pour exécuter le procédé de la . Elle comporte à cet effet :
- un microprocesseur 90 apte à exécuter des instructions, et
- une mémoire 92 comportant les instructions et les données nécessaires pour mettre en œuvre le procédé de la lorsqu’elles sont exécutées par le microprocesseur 90.

L’interface homme-machine 24 comporte, par exemple, un écran 94 et un clavier 96.

Le fonctionnement de l’appareil 2 va maintenant être décrit en référence au procédé de la et à l’aide des figures 3 et 4.

Initialement, lors d’une étape 100, le volume V_Rminpour lequel le rayon de courbure moyen de chaque goutte G_ien cours de formation est minimal, est déterminé.

Ici, pour cela, il est procédé de façon expérimentale. Par exemple, à l’aide de la seringue 20 ou à l’aide de toute autre seringue ou appareil équivalent, le volume d’une goutte réalisée dans le même liquide que les gouttes G_i, formées sur le même substrat que le substrat 10 et dans le même fluide environnant que le fluide 6, est progressivement augmenté depuis un volume nul jusqu’au volume cible V_C. Ici, lorsque le volume d’une goutte est nul, cette goutte n’existe pas encore. Par contre, elle commence à exister dès que son volume et supérieur à zéro. De plus, la croissance du volume de cette goutte est réalisée dans les mêmes conditions que celles rencontrées lors de la formation de chacune des gouttes G_i. En particulier, le champ de gravité et les conditions de température et de pression sont les mêmes.

En parallèle, pour une multitude de volumes intermédiaires de la goutte G_ien cours de formation entre son volume nul et le volume V_C, des photos du contour de cette goutte sont réalisées. Ensuite, un module d’analyse d’images traite chacune de ces photos pour en extraire le contour de la goutte, puis le rayon de courbure moyen de cette goutte. Par exemple, pour cela, un appareil d’analyse de forme de gouttes commercialisé par la société Krüss Scientifique ® peut être utilisé.

À l’issue de ces mesures, le volume de la goutte qui correspond au plus petit rayon de courbure moyen est retenu. Ce volume retenu est égal au volume V_Rmin.

Ensuite, lors d’une étape 102 d’initialisation, le nombre N₀de gouttes, le volume cible V_cet le volume V_Rminsont acquis par l’unité 22 par l’intermédiaire de l’interface homme-machine 24.

Ici, une durée T₀est également acquise par l’unité 22 par l’intermédiaire de l’interface homme-machine 24. La durée T₀est la durée souhaitée pour faire croître chaque goutte G_idepuis un volume nul jusqu’au volume V_c. Cette durée T₀est choisie pour être compatible avec les vitesses maximales de déplacement des pistons 34, 36 atteignables à l’aide des moteurs 60 et 80.

Lors de cette étape 102, le réservoir 32 est également rempli avec un volume de liquide supérieure N₀*V_C.

Ensuite, une phase 104 de commande des actionneurs 38 et 40 pour former la série de N₀gouttes commence. Lors de cette phase 104, les gouttes G_isont formées sur le substrat 10 les unes après les autres.

Pour commencer à former la goutte G_i, l’unité 22 commence à commander les actionneurs 38 et 40 à un instant td_i. À l’instant td_i, le volume de la goutte G_iest nul. À cet instant td_i, les vitesses de déplacement des pistons 34 et 36 sont également nulles. Les positions des pistons 34 et 36 le long de l’axe 12 à, l’instant td_i, sont notées, respectivement, yd₁,_iet yd_2,i.

Par la suite, toutes les positions du piston 34 sont des positions le long de l’axe 12 et sont repérées par rapport à une origine fixe par rapport au corps 32. Toutes les positions du piston 34 sont aussi des positions le long de l’axe 12 mais elles sont repérées par rapport à un origine fixe par rapport au piston 34. Ainsi, les positions du piston 36 sont des positions relatives par rapport à la position du piston 34. A l'inverse, les positions du piston 34 sont des positions absolues par rapport à la position du corps 42.

De l’instant td_ijusqu’à un instant tf_i, l’unité 22 commande les actionneurs 38 et 40 pour former la goutte G_i. À l’instant tf_i, l’unité 22 arrête de commander les actionneurs 38 et 40 pour former cette goutte G_icar sa formation est terminée. Ainsi, pour former la goutte G_i, les actionneurs 38 et 40 sont uniquement commandés pendant l’intervalle [td_i; tf_i]. La vitesse de déplacement des pistons 34 et 36 est nulle à l’instant tf_i. Les positions des pistons 34 et 36 le long de l’axe 12 à l’instant tf_i, sont notées, respectivement, yf₁,_iet yf_2,i.

Les gouttes sont formées les unes après les autres. Ainsi, l’intervalle [td_i+1; tf_i+1] pendant lequel la goutte G_i+1est formée suit l’intervalle [td_i; tf_i]. Entre les instants tf_iet td_i+1, il existe généralement un temps mort pendant lequel aucun des actionneurs 38 et 40 n’est commandé. Typiquement, ce temps mort est mis à profit pour retirer la goutte G_idu substrat 10 avant de commencer la formation de la goutte G_i+1.

Ici, lors d’une étape 110, l’unité 22 établit automatiquement les lois de commande des actionneurs 38 et 40 à utiliser pendant l’intervalle [td_i; tf_i] pour former la goutte G_i.

Ensuite, lors d’une étape 112, pendant l’intervalle [td_i; tf_i], l’unité 22 commande les actionneurs 38 et 40 en suivant les lois de commande établie lors de l’étape 110.

Enfin, lors d’une étape 114, pendant le temps mort entre l’instant tf_iet l’instant td_i+1, la goutte G_iest retirée du substrat 10, par exemple, comme précédemment indiquée.

Les étapes 110 à 114 sont réitérées pour former chaque goutte G_i.

Lors de l’étape 110, l’unité 22 établit automatiquement les lois de commande des actionneurs 38 et 40 qui vont permettre de former avec la plus grande précision possible la goutte G_i. Ces lois de commande sont établies à partir des paramètres acquis lors de l’étape 102.

Par la suite, les notations utilisées pour établir ces lois de commande sont d'abord introduites puis un exemple de méthode pour établir ces lois de commande est présenté.

Chaque intervalle [td_i; tf_i] est divisé en deux intervalles immédiatement consécutifs [td_i; tm_i] et [tm_i; tf_i]. L’instant tm_iest égal à td_i+ x*T₀, où :
-T₀est la durée de l’intervalle [td_i; tf_i], et
- x est un coefficient supérieur à 0 et inférieur à 1.

La durée de l’intervalle [td_i; tm_i] est donc égal à x*T₀ou xT₀et la durée de l’intervalle [tm_i; tf_i] est égal à (1-x)*T₀ou (1-x)T₀.

Pendant l’intervalle [td_i; tm_i], l’actionneur 40 est commandé pour avancer le piston 36 de la position initiale yd_2,ijusqu’à une position terminale yt₂atteinte à l'instant tm_i. Ici, la position yt₂est toujours la même quelle que soit la goutte G_iformée. La position yt₂ne dépend donc pas de l’indice i. Par exemple, la position yt₂est égale à la position complètement sortie du piston 36. Cette position yt₂est donc connue à l’avance. Il s’agit d’un paramètre préenregistré dans la mémoire 92.

La distance parcourue par le piston 36 entre les positions yd_2,iet yt₂est notée d_12,i. La distance d_12,iest un multiple entier d’un pas pd₂, où le pas pd₂est la distance parcourue par le piston 36 lorsque le moteur 80 tourne d’un pas angulaire α₂.

Pendant l’intervalle [td_i; tm_i], la vitesse instantanée de déplacement du piston 36 est notée v_12,i(t). Le débit instantané de liquide déplacé par le seul piston 36 pendant l’intervalle [td_i; tm_i] est noté Q_12,i(t). Le débit instantané Q_12,i(t) est égal à v_12,i(t)*S₂.

Pendant l’intervalle [tm_i; tf_i], l’actionneur 40 est commandé pour faire reculer le piston 36 de sa position terminale yt₂jusqu’à sa position yf_2,i. Ensuite, le piston 36 reste dans cette position yf_2,ijusqu’à l’instant td_i+1. Ainsi, la position initiale yd_{2,i +1}est égale à la position yf_2,i. La position yf_{2, i}correspond donc à position initiale du piston 36 au début de l'intervalle suivant [td_i+1; tf_i+1].

La distance parcourue par le piston 36 entre les positions yt₂est yf_2,1est notée d_22,i.

Pendant l’intervalle [tm_i, tf_i], la vitesse instantanée de déplacement du piston 36 est notée v_22,i(t). Le débit instantané de liquide déplacé par le seul piston 36 pendant l’intervalle [tm_i; tf_i] est noté Q_22,i(t). Le débit instantané Q_22,i(t) est égal à v_22,i(t)*S₂.

Pendant l’intervalle [td_i; tf_i], l’actionneur 38 est commandé pour avancer le piston 34 de sa position yd_1,iet jusqu’à sa position yf_1,i. Le piston 34 ne fait qu’avancer pendant toute la durée T₀de l’intervalle [td_i; tf_i]. Ainsi, il avance aussi bien pendant l’intervalle [td_i; tm_i] que pendant l’intervalle [tm_i; tf_i]. La distance parcourue par le piston 34 entre les positions yd_1,iet yf_1,iest notée d_1,i. La distance d_1,iest un multiple entier d’un pas pd₁, où le pas pd₁est la distance parcourue par le piston 34 lorsque le moteur 60 tourne d’un pas angulaire α₁.

Pendant l’intervalle [td_i; tm_i], la vitesse instantanée de déplacement du piston 34 est notée v_11,i(t). Le débit instantané de liquide déplacé par le seul piston 34 pendant l’intervalle [td_i; tm_i] est noté Q_11,i(t). Le débit instantané Q_11,i(t) est égal à v_11,i(t)*S₁. Le débit moyen de liquide déplacé par le seul piston 34 pendant l'intervalle [td_i; tm_i] est noté Qm_11,i. Le débit moyen Qm_11,iest égal à la moyenne arithmétique des débits instantanés Q_11,i(t) pendant l'intervalle [td_i; tm_i].

Pendant l’intervalle [tm_i; tf_i], la vitesse instantanée de déplacement du piston 34 est notée v_21,i(t). Le débit instantané de liquide déplacé par le seul piston 34 dans l’intervalle [tm_i; tf_i] est noté Q_21,i(t). Le débit instantané Q_21,i(t) est égal à v_21,i(t)*S₁. Ici, le débit instantané Q_21,i(t) est toujours maintenu supérieur au débit instantané de liquide aspiré par le piston 36 pendant l'intervalle [tm_i; tf_i]. Le débit moyen de liquide déplacé par le seul piston 34 pendant l'intervalle [tm_i; tf_i] est noté Qm_21,i. Le débit moyen Qm_21,iest égal à la moyenne arithmétique des débits instantanés Q_21,i(t) pendant l'intervalle [tm_i; tf_i].

Pendant l’intervalle [td_i; tm_i], le débit total instantané de liquide éjecté par la buse 30 est noté Q_1,i(t). Le débit moyen de liquide éjecté par la buse 30 sur l'intervalle [td_i; tm_i] est noté Qm₁. De façon correspondante, pendant l’intervalle [tm_i; tf_i], le débit total instantané de liquide éjecté par la buse 30 est noté Q_2,i(t). Le débit moyen de liquide éjecté par la buse 30 pendant l’intervalle [tm_i; tf_i] est noté Qm_2,i.

Un exemple de méthode susceptible d’être mise en œuvre par l’unité 22 lors de l’étape 110 pour établir les lois de commandes des actionneurs 38 et 40 est maintenant décrit.

La représente un axe sur lequel a été représentée une série de volumes cibles cumulés V_c,i-1à V_c,i+1.Le volume V_c,iest égal au cumul des volumes cibles des gouttes G₁à G_i. Ainsi, chaque volume V_c,iest égal à i*V_c. Deux volumes V_c,iet V_c,i+1immédiatement consécutifs sont séparés l’un de l’autre exactement par le volume cible V_c.

Sur le même axe, des graduations verticales, en trait plein, représentent les différents volumes de liquide susceptibles d’être déplacés par le seul piston 34. Chacune de ces graduations correspond à un volume égal à k*pv₁, où k est un nombre entier de pas volumétriques pv₁. Par conséquent, deux graduations verticales consécutives sont séparées l’une de l’autre par le pas volumétrique pv₁. Sur la , l’espace entre deux graduations consécutives a été exagéré pour améliorer la lisibilité de cette figure.

Comme illustré sur la , puisque le volume cible V_cn’est pas, généralement, un multiple entier du pas volumétrique pv₁, les volumes V_c,itombe entre deux graduations verticales consécutives. La précision sur le volume de la goutte G_iest donc faible si seul le piston 34 est utilisé. En effet, le piston 34, a lui-seul, permet seulement d'éjecter une volume de liquide soit inférieur soit supérieur au volume cible souhaité.

Ici, pour améliorer la précision, le piston 36 est utilisé pour corriger le volume déplacé par le seul piston 34 de manière à le rapprocher du volume cible V_cet donc pour améliorer la précision. Plus précisément, le piston 36 est utilisé pour rapprocher le volume k*pv₁ou (k+1)*pv₁déplacé par le seul piston 34, du volume V_c,isitué entre ces deux volumes k*pv₁ou (k+1)*pv₁.Le piston 36 rend cela possible car son pas volumétrique pv₂est bien plus faible que le pas volumétrique pv₁.

De plus, dans ce mode de réalisation, les lois de commande des pistons 34 et 36 sont conçues pour atteindre en plus les objectifs suivants :
- Objectif 1) : La moyenne des écarts entre les positions yd_2,iet yf_2,idu piston 36 tend vers zéro quand l’indice i croit.
- Objectif 2) : L’instant tm_icorrespond à l’instant où le rayon de courbure moyen de la goutte en cours de formation est minimal.
- Objectif 3) : Le débit total de liquide éjecté par la buse 30 commence à décroître à partir de l’instant tm_ipour être nul à l’instant tf_i.
- Objectif 4) : Sur l’intervalle [tm_i, tf_i], le débit moyen Qm_2,ide liquide éjecté par la buse 30 est plus petit et, de préférence deux fois plus petit, que le débit moyen Qm_1,ide liquide éjecté par cette même buse lors de l’intervalle [td_i; tm_i].
- Objectif 5) : Sur l’intervalle [td_i, tm_i], le débit total de liquide éjecté par la buse 30 croît d’une valeur nulle à l’instant td_ijusqu’à une valeur maximale à l’instant tm_i.

L’objectif 1) permet d’éviter que, pendant la formation de la série de gouttes, le piston 36 avance ou recule sur une longueur importante à l’intérieur du piston 34. En effet, si l'objectif 1) n'est pas atteint, cette longueur est d'autant plus importante que le nombre N₀de gouttes est important. Dans ce dernier cas, la course maximale du piston 36 à l’intérieur du piston 34 impose une limite maximale sur le nombre N₀de gouttes d’une série. A l'inverse, lorsque l’objectif 1) est rempli, chaque position yd_2,idu piston 36 est systématiquement maintenue aux environs d’un point de départ fixe par rapport au piston 34 et il n'existe pas de limite maximale pour le nombre N₀.

Les objectifs 2) à 3) permettent d’améliorer encore plus la précision sur le volume de la goutte comme expliqué plus en détail dans le chapitre III suivant.

Les objectifs 4) et 5) permettent d’accélérer la formation de la goutte G_iet donc de permettre des durées T₀plus courtes.

La illustre un exemple de l’évolution au cours du temps des débits instantanés Q_1,i(t) et Q_2,i(t) obtenus quand les objectifs ci-dessus sont simultanément satisfaits et qu’en plus il est imposé que les débits instantanés Q_1,i(t) et Q_2,i(t) varient linéairement au cours du temps.

Ici, pour atteindre l’objectif 1), si le volume V_c,iest plus près de k*pv₁que de
(k+1)*pv₁, alors le piston 34 est commandé pour avancer de k*pd₁et le piston 36 est commandé pour ajouter un volume supplémentaire. Le volume supplémentaire ajouté par le piston 36 est égal à (yf_2,i-yd_2,i)*pv₂. Par conséquent, la position yf_2,iest déterminée pour que le volume supplémentaire (yf_2,i-yd_2,i)*pv₂soit aussi proche que possible de l’écart V_c,i-k*pv₁. Par exemple, dans ce cas, le nombre k de pas angulaires du moteur 60 est égal à E(V_c,i/pv₁), où le symbole E() désigne la fonction "partie entière". La position yf_2,iest quant à elle égale à yd_{2, i}+ j*pd₂, où j est égal à E[(V_c,i-k*pv₁)/pv₂]. Dans ce cas, la position yf_2,iest située au-dessus de la position yd_2,i.

Dans le cas inverse où le volume V_c,iest plus proche de (k+1)*pv₁que de k*pv₁, alors le piston 34 est commandé pour déplacer un volume (k+1)*pv₁et le piston 36 est commandé pour retirer un volume compensateur. C’est cette situation qui est illustrée sur la . Le volume compensateur est égal à -(yf_2,i-yd_2,i)*pv₂. Par conséquent, la position yf_2,iest déterminée pour que le volume compensateur -(yf_2,i-yd_2,i)*pv₂soit aussi proche que possible de l’écart (k+1)*pv₁-V_c,i. Dans ce cas, le nombre k de pas angulaire du moteur 60 est égal à E(V_c,i/pv₁) + 1 et la position yf_2,iest égale à yd_{2, i}- j*pv₂, où j est égal à E[((k+1)*pv₁-V_{c, i})/pv₂]. La position yf_2,iest donc située en-dessous de la position yd_2,iet non pas au-dessus comme dans le cas précédent.

Une fois que les nombres de pas k et j ont été calculés, les positions yf₁,_iet yf_2,isont connues. Les distances d_1,i, d_12,iet d_22,isont donc également connues. Il reste donc à déterminer la valeur du coefficient x et les vitesses instantanées v_11,i(t), v_12,i(t), v_21,i(t) et v_22,i(t) qui permettent d’atteindre les objectifs 2) à 5).

Dans cet exemple, il est imposé que ces vitesses instantanées v_11,i(t), v_12,i(t), v_21,i(t) et v_22,i(t) varient de façon linéaire au cours du temps. Ces vitesses sont donc définies par les équations suivantes :
- Équation (1) : v_11,i(t) = a_11,i*t
- Équation (2) : v_21,i(t) = a_21,i*t+b_21,i
- Équation (3) : v_12,i(t) = a_12,i*t
- Équation (4) : v_22,i(t) = a_22,i*t+b_22,i

Les équations ci-dessus et les conditions suivantes sont données dans le cas où, suite à un changement d'abscisse, l'instant td_iest égal à zéro et l'instant tf_iest égal à T₀.

Il existe donc sept inconnues à déterminer, à savoir la valeur du coefficient x et les valeurs des coefficients a_11,i, a_{21 i}, b_21,i, a_12,i, a_22,iet b_22,i. Ici, les valeurs de sept inconnues sont déterminées pour satisfaire les conditions de suivantes :
- Condition (1) : v_21,i(T₀) = 0
- Condition (2) : v_22,i(T₀) = 0
- Condition (3) : - Condition (4) : - Condition (5) : - Condition (6) : - Condition (7) :

Les conditions (1) et (2) traduisent le fait que les vitesses instantanées v_21,i(t) et v_22,i(t) sont nulles à l’instant tf_i, c’est-à-dire à l’instant T₀.

La condition (3) traduit le fait qu’à l’instant tm_i, c’est-à-dire à l’instant x*T₀, le volume de la goutte G_iest égal au volume V_Rmindéterminé lors de l’étape 100.

La condition (4) traduit le fait que le piston 34 parcourt la distance d_1,ientre les instants td_iet tf_i.

Les conditions (5) et (6) traduisent le fait que le piston 36 parcourt la distance d_12,ientre les instants td_iet tm_iet la distance d_22,ientre les instants tm_iet tf_i.

La condition (7) est introduite pour atteindre l’objectif 4). Ici, pour cela, il est imposé que le débit moyen Qm_11,isoit égal à M fois le volume moyen Qm_21,i, avec le nombre M supérieur à un. Cela garantit que le volume moyen Qm_1,iest supérieur à M fois le volume moyen Qm_2,icar le piston 36 augmente le débit pendant l’intervalle [td_i; tm_i] et diminue le débit pendant l’intervalle [tmi ; tf_i]. La valeur du nombre M est fixée pour que les lois de commande établies soient compatibles avec les vitesses instantanées maximales de déplacement des pistons 34 et 36 à l’aide des moteurs 60 et 80. Par exemple, dans cet exemple, le nombre M est égal à deux.

Les conditions (1) à (7) permettent d’obtenir une valeur unique pour les sept inconnues. Lors de l'étape 110, l'unité 22 détermine automatiquement les valeurs des coefficients x, a_11,i, a_{21 i}, b_21,i, a_12,i, a_22,iet b_22,iqui permettent de satisfaire les conditions (1) à (7).

À ce stade, une fois que les lois de commande des moteurs 60 et 80 ont été établies, lors de l’étape 112, l'unité 22 commande les moteurs 60 et 80 en appliquant ces lois de commande.

Ensuite, lors de l’étape 114, pendant le temps mort entre les instants tf_iet td_i+1, la goutte G_iest retirée du substrat 10, par exemple, en activant un déplacement du fluide 6 ou en amenant la goutte G_ien contact sur un support puis en éloignant la seringue 20 de ce support.

La illustre un exemple alternatif de lois de commande qui peut être mis en œuvre dans le procédé de la . Dans ce cas, la vitesse de déplacement des pistons 34 et 36 varie uniquement par paliers consécutifs. Sur chaque palier, la vitesse reste constante. Les nombres N_p1et N_p2de paliers sur, respectivement, les intervalles [0 ; xT₀] et [xT₀; T₀], sont supérieurs ou égaux à un et, de préférence, supérieur à deux ou quatre. Ici, pour simplifier l’illustration, les nombres N_p1et N_p2sont égaux à un. La durée de chacun de ces paliers sur l'intervalle [0 ; xT₀] est typiquement supérieure à x*T₀/(N_p1+1). La durée de chacun de ses paliers sur l'intervalle [xT₀; T₀] est typiquement supérieure à (1-x)*T₀/(N_p2+1).

Dans ce cas, lors de l’étape 110, les équations (1) à (4) sont remplacées par les équations de chacun des paliers pour chacun des pistons. Par exemple, pour établir ces lois de commande qui permettent d’obtenir un débit total qui varie comme illustrées sur la , les équations (1) à (4) sont remplacées par les équations suivantes :
- Équation (5) : v_11,i(t) = c_11,i,
- Équation (6) : v_21,i(t) = c_21,i,
- Équation (7) : v_12,i(t) = c_12,i,
- Équation (8) : v_22,i(t) = c_22,i.
où les coefficients c_11,i, c_21,i, c_12,iet c_22,isont des constantes à déterminer.

Par rapport au cas précédent, les conditions (1) et (2) sont omises pour déterminer ces constantes.

CHAPITRE II : Variantes

Variantes de la seringue :

En variante, le piston 36 ne coulisse pas à l'intérieur du piston 34 mais est monté à coulissement à l'intérieur d'un tunnel aménagé en-dehors du piston 34. Typiquement, dans ce cas, ce tunnel débouche dans le réservoir 32 aussi près que possible de l'entrée de la buse 30. Par exemple, ce tunnel s'étend le long d'un axe perpendiculaire à l'axe 12. Dans ce cas, le piston 36 se déplace le long d'un axe perpendiculaire à l'axe de déplacement du piston 34.

La seringue peut comporter plusieurs petits pistons. Dans ce cas, de préférence, les dimensions de chacun des petits pistons sont différentes de sorte que, pour un déplacement identique, chacun des petits pistons déplace un volume de liquide qui est différent de celui déplacé par les autres petits pistons. Dans ce mode de réalisation, le déplacement de chacun des petits pistons est commandé par l'unité 22 pour remplir les mêmes fonctions que celles décrites en détail dans le cas du piston 36. Les tunnels à l'intérieur desquels coulissent chacun de ces petits pistons peuvent être aménagés à l'intérieur du piston 34 ou à l'intérieur d'un autre petit piston de taille supérieure ou à un autre emplacement comme décrit dans le paragraphe précédent.

Les résolutions angulaires des moteurs 60 et 80 ne sont pas nécessairement identiques. Par exemple, dans un mode de réalisation, la résolution α₂est plus petite que la résolution α₁.

En variante, la seringue est disposée par rapport au champ de pesanteur de manière à ce que la face 8 soit tournée vers le bas. Dans ce cas, les gouttes formées sur cette face 8 sont des gouttes pendantes et non pas des gouttes sessiles.

Variantes du procédé :

En variante, la valeur du volume VRmin n'est pas déterminée par expérimentation mais par simulation numérique. Pour cela, au lieu de mesurer expérimentalement les formes des différentes goutte de différents volumes, ces formes sont construites par simulation numérique à l'aide d'un modèle numérique qui relie les propriétés physiques interfaciales entre le liquide, le substrat et le fluide environnant aux caractéristiques géométriques de la goutte. Les propriétés physiques interfaciales sont la tension superficielle entre le liquide et le substrat, la tension superficielle entre le liquide et le fluide environnant et la tension superficielle entre le substrat et le fluide environnant ainsi que la tension de ligne au niveau de la ligne de contact entre le liquide, le substrat et le fluide. Par exemple, lorsque l'influence du champ de pesanteur sur la forme de la goutte est négligeable, le modèle numérique utilisé peut être celui décrit dans l'article suivant : Medale, M. et Al : "Sessile drops in weightlessness: an ideal playground for challenging Young’s equation", npj Microgravity 7, 30 (2021), publié le 4/08/2021. Ensuite, comme précédemment décrit, les rayons de courbure moyen de ces différentes gouttes sont déduits des formes obtenues par simulation numérique. Typiquement, dans ce cas, c'est l'unité 22 qui détermine automatiquement le volume VRmin dès qu'elle a acquise le volume cible Vc et les valeurs des différentes propriétés physiques interfaciales.

En variante la durée T₀n'est pas acquise par l'intermédiaire de l'interface 24. Par exemple, la durée T₀est une durée pré-enregistrée dans la mémoire 90 ou calculée automatiquement par l'unité 22 en fonction de vitesses instantanées maximales de déplacement des pistons 34 et 36. Dans ce dernier cas, de préférence, l'unité 22 calcule automatiquement la durée T₀de manière à la minimiser.

D'autres méthodes sont possibles pour établir les lois de commande lors de l'étape 110. Par exemple, les valeurs des coefficients x, a11,i, a21 i, b21,i, a12,i, a22,i et b22,i sont établies comme précédemment décrit. Ensuite, les variations linéaires des vitesses v11,i(t), v12,i(t), v21,i(t) et v22,i(t) sont chacune approximées par une succession de variations par paliers successifs. Les lois de commande obtenues sont alors des lois où les vitesses v11,i(t), v12,i(t), v21,i(t) et v22,i(t) varient uniquement par paliers successifs et non pas continûment.

De nombreuses autres lois de commande des actionneurs 38 et 40 sont possibles. En particulier certains des objectifs 1) à 5) précédemment décrits et certaines contraintes peuvent être omis ou modifiés. Par exemple, en variante, l'unité de commande est programmée pour faire varier le débit continûment, non pas linéairement, mais selon une autre loi de croissance ou de décroissance continue. Par exemple, la croissance et/ou la décroissance suivent une loi exponentielle.

Dans une autre variante, aucune contrainte n'est imposée pour la variation du débit pendant l'intervalle [td_i, tm_i]. Par exemple, le débit instantanée de liquide éjecté par la buse 30 pendant l'intervalle [td_i, tm_i] peut présenter des maximums locaux et des minimums locaux. Dans un autre exemple, pendant l'intervalle [tdi; tmi], les pistons 34 et 36 ne sont pas simultanément déplacés. Par exemple, le piston 34 est d'abord déplacé puis le piston 36 est déplacé.

Si la rapidité d'injection des gouttes est sans importance, le débit moyen Qm_1,ide liquide pendant l'intervalle [td_i, tm_i] n'a pas besoin d’être supérieur au débit moyen Qm_2,ide liquide pendant l'intervalle [tm_i; tf_{i]. Pour cela, il faut alors généralement allonger la durée T0 et la durée de l'intervalle [tdi; tmi].}

Si le nombre N0 de gouttes de la série est limité et si le piston 36 est assez long, alors il n'est pas nécessaire d'ajuster les écarts entre les positions yd2,i et yf2,i pour que la moyenne de ces écarts tende vers zéro.

Dans des cas particuliers, les positions yd2,i et yf2,i du piston 36 sont systématiquement confondues. Un exemple de cas particulier est le cas où le volume cible Vc sélectionné par l'utilisateur est un multiple entier du pas volumétrique pv1 du piston 34. Dans ces cas, le piston 36 est uniquement utilisé pour faire diminuer le débit de liquide pendant l'intervalle [tmi; tfi].

Le procédé du chapitre I a été décrit dans le cas particulier où l'instant tmi correspond exactement à l'instant, noté ici tRmin,i, où le volume de la goutte Gi en cours de formation présente un rayon de courbure minimal. En variante, la condition (3) peut être remplacée par une autre condition pour que l'instant tmi soit inférieur à l'instant tRmin,i ou légèrement supérieur à l'instant tRmin,i. Autrement dit, en variante, l'instant tmi est choisi pour être inférieur à 1,1*tRmin,i. Toutefois, dans la majorité des cas, il est intéressant de conserver l'instant tmi assez proche de l'instant tRmin,i. Ainsi, de préférence, l'instant tmi est choisi dans l'intervalle [0,9*tRmin,i ; 1,1*tRmin,i] ou dans l'intervalle [0,95*tRmin,i ; 1,05*tRmin,i]. Il est souligné que l'instant tRmin,i peut être calculé dès que les lois de commandes des actionneurs 38 et 40 sont connues puisque le volume VRmin est connu. L'instant tRmin,i peut aussi être mesuré expérimentalement.

Dans un mode de réalisation simplifié, l'instant tmi est choisi de façon arbitraire dans l'intervalle [1,1*tdi ; 0,9*tfi] ou dans l'intervalle [1,1*tdi ; 0,95*tfi]. Dans ce cas, l'étape 100 de détermination du volume VRmin peut être omise. Par exemple, l'instant tmi est choisi systématiquement égal à tdi+0,5*T0.

En variante, la goutte Gi est retirée du substrat 10 en même temps qu'elle est formée. Autrement dit, les étapes 112 et 114 sont exécutées en parallèle. Par exemple, pour cela, le fluide 6 est entraîné en déplacement en même temps que l'étape 112 est exécutée. Dans ce cas, le temps mort entre les instants tfi et tdi+1 peut être nul. Dans une autre variante, le fluide 6 est un fluide dans lequel la goutte Gi est miscible. Ainsi, au fur et à mesure de sa formation, la goutte Gi se dilue dans le fluide 6. Dans les cas où les étapes 112 et 114 sont exécutées en même temps, il n'est pas nécessaire que l'instant tmi corresponde à l'instant où le volume VRmin est atteint.

Autres variantes :

En variante, le fluide environnant est un liquide non-miscible avec le liquide de la goutte.

Le fait de faire décroître le débit de liquide éjecté à partir d'un instant tmi inférieur à 1,1*tRmin,i et, de préférence compris entre tdi + 0,9*tRmin,i et tdi + 1,1*tRmin,i, peut être mis en œuvre indépendamment du nombre de pistons utilisés dans la seringue. Par exemple, cet enseignement peut être mis en œuvre dans un procédé de commande d'une seringue motorisée comportant un seul piston. Cela peut aussi être mis en œuvre dans d'autres contextes qu'un procédé de commande pour former une série de plusieurs gouttes de même volume cible. Par exemple, cet enseignement peut être mis en œuvre dans un procédé de commande d'un seringue motorisée pour former une seule goutte de volume cible ou pour former une série de gouttes ayant chacune un volume cible différent. Ainsi, ce qui est décrit ici concerne également un procédé de commande d'une seringue motorisée pour former au moins une goutte ayant un volume cible prédéterminé, cette seringue motorisée comportant :
- une buse à la sortie de laquelle est formée la goutte de volume cible,
- un réservoir apte à contenir le fluide avec lequel est formé la goutte, ce réservoir étant fluidiquement raccordé à la buse et la capacité de ce réservoir étant supérieure au volume cible de la goutte,
- au moins un piston apte à se déplacer vers l'intérieur du réservoir pour pousser le fluide vers la sortie de la buse,
- pour chaque piston déplaçable, un moteur commandable apte à déplacer ce piston,
ce procédé comportant, pendant un intervalle [td_i; tf_i], la commande de chaque moteur de manière à faire croître la goutte à la sortie de la buse depuis un volume nul à l'instant tdi jusqu'à son volume final,
dans lequel la commande de chaque moteur comporte :
- entre l'instant td_iet un instant tm_i, la commande de chaque moteur pour passer d'un débit de liquide à la sortie de la buse nul à l'instant td_i, à un débit maximal à l'instant tm_i, où l'instant tm_iest supérieur à l'instant td_iet inférieur à l'instant tf_i, et
- de l'instant tm_ijusqu'à l'instant tf_i, la commande de chaque moteur pour que le débit de liquide à la sortie de la buse diminue à partir de l'instant tm_{i en passant par au moins une valeur intermédiaire entre le débit maximal et le débit nul}, et
dans lequel l'instant tmi est inférieur ou égal à 1,1*tRmin,i, et, de préférence, compris entre 0,9*tRmin,i et 1,1*tRmin,i ou entre 0,95*tRmin,i et 1,05*tRmin,i, où tRmin,i est l'instant auquel le rayon de courbure de la goutte, qui croît de l'instant tdi à l'instant tfi, est minimal.

CHAPITRE III : Avantages des modes de réalisation décrits

Le fait de déplacer le piston 36 en sens inverse du piston 34 avant d'atteindre l'instant tfi, permet d’accroître la précision et la répétabilité du volume de chaque goutte formée. Actuellement, ceci est expliqué comme suit : à l'instant tfi, lorsque le débit de liquide est arrêté, l'inertie du liquide dans la buse 30 peut entraîner l'éjection d'un surplus de liquide juste après l'instant tfi. A cause de cela, le volume de la goutte peut dépasser le volume cible. Le volume de ce surplus de liquide est d'autant plus important que l'inertie du liquide à l'instant tfi est importante. L'inertie du liquide croit avec le débit du liquide à l'intérieur de la buse. Le fait que le piston 36 se déplace en sens inverse du piston 34 pendant l'intervalle [tmi; tfi], permet de diminuer le débit de liquide éjecté par la sortie de la buse juste avant que l'instant tfi soit atteint. Dès lors, en diminuant le débit avant d'atteindre l'instant tfi, l'inertie du liquide à l'instant tfi est diminuée et le surplus de liquide est diminué ou éliminé. Cela améliore la précision sur le volume de la goutte formée. Cela permet aussi d'obtenir des gouttes dont les volumes sont similaires les uns aux autres. En d'autres termes, cela améliore la répétabilité du volume des gouttes formées. Ceci s'explique notamment par le fait que les différents phénomènes qui peuvent influer sur le volume d'une goutte se reproduisent pratiquement à l'identique lors de chaque formation d'une goutte puisque à la fin de la formation de chaque goutte, le piston 36 revient à proximité de sa position initiale.

Du fait que le piston 36 est plus petit que le piston 34, pour une résolution angulaire identique des moteurs 60 et 80, la résolution volumétrique obtenue avec le piston 36 est meilleure que celle obtenue à l'aide du piston 34. Dès lors, en ajustant avec le piston 36 le volume déplacé par le seul piston 34 pour le rapprocher du volume cible, la précision sur le volume de chacune des gouttes est accrue. De plus, ici, c'est le même piston 36 qui est utilisé pour diminuer ou éliminer le surplus de liquide éjecté après l'instant tfi et pour corriger le volume éjecté par le seul piston 34. Cela simplifie donc l'architecture de la seringue puisque le même piston est utilisé pour remplir ces deux fonctions.

Le fait que la moyenne des écarts yf_2,i-yd_{2,i tende vers zéro lorsque le nombre de gouttes dans la série de gouttes augmente, permet de maintenir toutes les positions initiales yd2,i du piston 36 proche d'un même point de départ et cela quel que soit le nombre de gouttes formées. Ainsi, l'appareil peut être utilisé pour former des séries de gouttes ayant un très grand nombre de gouttes sans que, en moyenne, le piston 36 se déplace vers l'intérieur ou vers l'extérieur du réservoir. G}râce à cela, la seule limitation sur le nombre de gouttes d'une série est le volume maximal du réservoir.

Le fait que le débit moyen de liquide éjecté par la sortie pendant l'intervalle [td_i, tm_i] est supérieur au débit moyen de liquide éjecté par la sortie pendant l'intervalle [tm_i; tf_i], permet de raccourcir la durée T₀sans pour autant détériorer la précision et la répétabilité du volume des gouttes.

Le fait de faire croître et décroître le débit continûment, et non pas par paliers, permet d'éviter des variations brusques de l'accélération et donc d'éviter ou de limiter les à-coups. Cela améliore la précision sur le volume de la goutte éjectée. Cela limite aussi les vibrations et rend l'appareil d'injection de gouttes plus robuste.

Le fait que la croissance et la décroissance du débit soit linéaire permet de simplifier la commande des moteurs.

Le fait de faire varier le débit par paliers, permet d'utiliser des moteurs qui ne permettent pas de faire varier le débit continûment. De telles moteurs sont plus simples, ce qui simplifie la fabrication de la seringue.

Le fait que l'instant tmi est inférieur ou égal à 1,1*tRmin,i, permet d'augmenter la précision sur le volume de la goutte formée. Cela résulte de l'observation par les inventeurs que sur l'intervalle [tRmin,i; tfi], la croissance du volume de la goutte est instable. Par exemple, cette croissance se fait par a-coup. En diminuant le débit de liquide éjecté par la sortie de la buse au moins à partir de l'instant 1,1*tRmin,i, le nombre et l'amplitude de ces instabilités sont diminués. La probabilité que l’occurrence d'une telle instabilité entraîne la formation d'une goutte dont le volume est inférieur ou supérieur au volume cible, est donc diminuée. De plus, à partir de l'instant tRmin,i, la pression à l'intérieur de la goutte décroît. Ainsi, à partir de cet instant tRmin,i, si les vitesses de déplacement des pistons sont maintenus constantes, le volume de la goutte augmente quand même de plus en plus vite. L'inertie du liquide éjectée par la sortie de la buse augmente donc aussi de plus en plus vite. Dès lors, en diminuant le débit au moins à partir de l'instant 1,1*tRmin,i, l'inertie du liquide à l'instant tfi est diminuée. Cela participe donc à l'amélioration de la précision sur le volume de la goutte formée.

Avant l'instant tRmin,i, la croissance du volume de la goutte est stable et, en tout état de cause, plus stable qu'après cet instant. De plus, avant l'instant tRmin,i, la pression à l'intérieur de la goutte est constante ou croît. Ainsi, le fait de commencer à faire décroître le débit de liquide éjecté avant cet instant n'apporte aucune amélioration sur la répétabilité ou la précision du volume de la goutte formée. Dès lors, choisir l'instant tmi entre 0,9* tRmin,i et 1,1* tRmin,i évite de commencer trop tôt à diminuer le débit, ce qui permet, avec le même matériel, d'obtenir des durées T0 plus courtes.

Le fait que pendant l'intervalle [tmi, tfi], le volume de liquide poussé par le piston 34 est supérieur au volume de liquide aspiré par le piston 36, permet de maintenir une croissance continue du volume de la goutte jusqu'à son volume final. Autrement dit, à aucun moment, le déplacement du piston 36 en sens inverse de piston 34 n’entraîne une diminution du volume de la goutte en cours de formation. Cela accroît la précision car le volume de la goutte ne varie pas, au cours du temps, de la même façon selon que son volume augmente au diminue.

Le fait que le piston 36 coulisse à l'intérieur du piston 34 permet d'éviter ou de limiter le volume mort. Le volume mort est le volume de liquide restant dans le réservoir 32 lorsque le piston 34 est dans sa position complètement enfoncée.

Claims (14)

1. Procédé de commande d'une seringue motorisée pour former, les unes après les autres, une série de gouttes ayant chacune un même volume cible prédéterminé, cette seringue motorisée comportant :
   - une buse à la sortie de laquelle sont formées, les unes après les autres, chacune des gouttes de même volume cible,
   - un réservoir apte à contenir le fluide avec lequel est formé chaque goutte, ce réservoir étant fluidiquement raccordé à la buse et la capacité de ce réservoir étant plusieurs fois supérieure au volume cible d'une goutte,
   - un premier piston apte à se déplacer vers l'intérieur du réservoir pour pousser le fluide vers la sortie de la buse,
   - au moins un second piston apte à se déplacer vers l'intérieur du réservoir pour pousser le fluide vers la sortie de la buse, les dimensions de ce second piston étant inférieures à celles du premier piston de sorte que, pour un déplacement identique, le volume de fluide déplacé par le second piston est inférieur au volume de fluide déplacé par le premier piston, le second piston étant déplaçable indépendamment du premier piston,
   - un premier actionneur commandable apte à déplacer le premier piston,
   - un second actionneur commandable apte à déplacer le second piston,
   ce procédé comportant, pendant chaque intervalle [td_i; tf_i], la commande (112) des premier et second actionneurs de manière à faire croître, à la sortie de la buse, une nouvelle goutte de la série de gouttes depuis un volume nul à l'instant td_{i jusqu'à son volume final}, l'indice i étant le numéro d'ordre de cette nouvelle goutte dans la série de gouttes,
   caractérisé en ce que la commande (112) des premier et second actionneurs comporte :
   - entre l'instant td_iet un instant tm_i:
   - la commande du premier actionneur pour que le premier piston se déplace vers l'intérieur du réservoir, et
   - la commande du second actionneur pour que le second piston se déplace vers l'intérieur du réservoir depuis une première position initiale jusqu'à une position terminale atteinte à l'instant tm_i,
   où l'instant tm_iest égal à td_i+x*T₀, T₀étant la durée de chaque intervalle [td_i; tf_i] et x étant un coefficient prédéterminé supérieur à zéro et inférieur à un, et
   - de l'instant tm_ijusqu'à l'instant tf_i:
   - la commande du premier actionneur pour que le premier piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir et, en même temps
   - la commande du second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'extérieur du réservoir depuis sa position terminale jusqu'à une seconde position initiale atteinte à l'instant tf_i.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le procédé comporte l'ajustement (110) de l'écart entre les première et seconde positions initiales pour rapprocher, du volume cible, le volume de fluide poussé par le seul déplacement du premier piston entre les instants tdi et tfi.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le procédé comporte l'ajustement (110) des écarts entre les première et seconde positions initiales pour que, au fur et à mesure que les gouttes de la série sont formées, la moyenne de ces écarts tende vers zéro lorsque le nombre de gouttes dans la série de gouttes augmente.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le procédé comporte l'ajustement (110) des vitesses de déplacement des premier et second pistons pour que le débit moyen du fluide au niveau de la sortie de la buse pendant l'intervalle [td_i, tm_i] soit supérieur au débit moyen du fluide au niveau de la sortie de la buse pendant l'intervalle [tm_i; tf_i].
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le procédé comporte :
   - pendant l'intervalle [tdi, tmi], la commande (112) des premier et second actionneurs pour que le débit de fluide en sortie de la buse croîsse continûment en fonction du temps depuis le débit nul à l'instant tdi jusqu'à un débit maximal atteint à l'instant tmi, et
   - à partir de l'instant tmi, la commande (112) des premier et second actionneurs pour que le débit de fluide en sortie de la buse décroîsse continûment en fonction du temps depuis le débit maximale jusqu'à un débit nul.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le procédé comporte la commande (112) des premier et second actionneurs pour que le débit de fluide en sortie de la buse varie linéairement sur chacun des intervalles [tdi, tmi] et [tmi; tfi].
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le procédé comporte, pendant chaque intervalle [tdi, tfi], la commande (112) des premier et second actionneurs pour que le débit de fluide en sortie de la buse soit uniquement modifié par paliers successifs, le débit restant constant pendant chaque palier.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'instant tmi est inférieur ou égal à 1,1*tRmin,i, où tRmin,i est l'instant auquel le rayon de courbure de la goutte, qui croît depuis l'instant tdi jusqu'à l'instant tfi, est minimal.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'instant tmi est compris entre 0,9* tRmin,i et 1,1* tRmin,i ou entre 0,95* tRmin,i et 1,05*tRmin,i .
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le procédé comporte, entre les instants tmi et tfi, la commande (112) des premier et second actionneurs pour que le volume de fluide poussé par le seul déplacement du premier piston soit systématiquement supérieur au volume de fluide poussé par le seul déplacement du second piston.
11. Support (92) d'enregistrement d'informations comportant des instructions exécutables par un microprocesseur, caractérisé en ce qu'il comporte des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par le microprocesseur, mettent en œuvre un procédé de commande d'une seringue motorisée conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Appareil pour former, les unes après les autres, une série de gouttes ayant chacune un même volume cible prédéterminé, cet appareil comportant :
    - une seringue (20) présentant :
    - une buse (30) à la sortie de laquelle sont formées, les unes après les autres, chacune des gouttes de même volume cible,
    - un corps fixe (42) à l'intérieur duquel est aménagé un réservoir (32) apte à contenir le fluide, ce réservoir étant fluidiquement raccordé à la buse et la capacité de ce réservoir étant plusieurs fois supérieure au volume cible d'une goutte,
    - un premier piston (34) apte à se déplacer vers l'intérieur du réservoir pour pousser le fluide vers la sortie de la buse,
    - au moins un second piston (36) apte à se déplacer vers l'intérieur du réservoir pour pousser le fluide vers la sortie de la buse, les dimensions de ce second piston étant inférieures à celles du premier piston de sorte que, pour un déplacement identique, le volume de fluide déplacé par le second piston est inférieur au volume de fluide déplacé par le premier piston, le second piston étant déplaçable indépendamment du premier piston,
    - un premier actionneur (38) commandable apte à déplacer le premier piston,
    - un second actionneur (40) commandable apte à déplacer le second piston,
    - une unité (22) de commande configurée pour, pendant chaque intervalle [td_i; tf_i], commander les premier et second actionneurs de manière à faire croître, à la sortie de la buse, une nouvelle goutte de la série de gouttes depuis un volume nulle à l'instant tdi jusqu'à son volume final, l'indice i étant le numéro d'ordre de cette nouvelle goutte dans la série de gouttes,
    caractérisé en ce que l'unité (22) de commande est configurée pour :
    - entre l'instant td_iet un instant tm_i:
    - commander le premier actionneur pour que, le premier piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir, et
    - commander le second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir depuis une première position initiale jusqu'à une position terminale atteinte à l'instant tm_i,
    où l'instant tm_iest égal à td_i+x*T₀, T₀étant la durée de chaque intervalle [td_i; tf_i] et x étant un coefficient prédéterminé supérieur à zéro et inférieur à un, et
    - de l'instant tm_ijusqu'à l'instant tf_i:
    - commander le premier actionneur pour que le premier piston continue de se déplacer uniquement vers l'intérieur du réservoir et, en même temps
    - commander le second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'extérieur du réservoir depuis sa position terminale jusqu'à une seconde position initiale atteinte à l'instant tf_i.
13. Appareil selon la revendication 12, dans lequel le second piston (36) est apte à coulisser à l'intérieur du premier piston (34) pour pousser le fluide vers la sortie.
14. Unité (22) de commande pour la réalisation d'un appareil conforme à l'une quelconque des revendications 12 à 13, dans laquelle l'unité de commande est configurée pour, pendant chaque intervalle [td_i; tf_i], commander les premier et second actionneurs de manière à faire croître, à la sortie de la buse, une nouvelle goutte de la série de gouttes depuis un volume nulle à l'instant td_{i jusqu'à son volume final}, l'indice i étant le numéro d'ordre de cette nouvelle goutte dans la série de gouttes,
    caractérisé en ce que l'unité (22) de commande est configurée pour :
    - entre l'instant td_iet un instant tm_i:
    - commander le premier actionneur pour que, le premier piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir, et
    - commander le second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'intérieur du réservoir depuis une première position initiale jusqu'à une position terminale atteinte à l'instant tm_i,
    où l'instant tm_iest égal à td_i+x*T₀, T₀étant la durée de chaque intervalle [td_i; tf_i] et x étant un coefficient prédéterminé supérieur à zéro et inférieur à un, et
    - de l'instant tm_ijusqu'à l'instant tf_i:
    - commander le premier actionneur pour que le premier piston continue de se déplacer uniquement vers l'intérieur du réservoir et, en même temps
    - commander le second actionneur pour que le second piston se déplace uniquement vers l'extérieur du réservoir depuis sa position terminale jusqu'à une seconde position initiale atteinte à l'instant tfi.