WO2006056967A1 - Dispositif microfluidique mecanique, le procede de fabrication d'un empilement intermediaire et de ce dispositif microfluidique, et une micropompe. - Google Patents

Dispositif microfluidique mecanique, le procede de fabrication d'un empilement intermediaire et de ce dispositif microfluidique, et une micropompe. Download PDF

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WO2006056967A1 PCT/IB2005/053953 IB2005053953W WO2006056967A1 WO 2006056967 A1 WO2006056967 A1 WO 2006056967A1 IB 2005053953 W IB2005053953 W IB 2005053953W WO 2006056967 A1 WO2006056967 A1 WO 2006056967A1
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cavity
support plate
plate
rear cavity
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Niklaus Schneeberger
Antoine Blondel
Vincent Schneider
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Debiotech Sa
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00349—Creating layers of material on a substrate
    • B81C1/00357—Creating layers of material on a substrate involving bonding one or several substrates on a non-temporary support, e.g. another substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/036—Micropumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0174—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate for making multi-layered devices, film deposition or growing
    • B81C2201/019—Bonding or gluing multiple substrate layers

Definitions

  • microfluidic device a fluidic micromechanical device and in particular a micromechanical device in which liquid circulates.
  • the invention relates to particular forms of fluidic devices constituting an input control member or liquid outlet which is for example formed of a non-return valve, or a member of pressure measurement, in particular of liquid pressure, or a pumping member.
  • the present invention also relates to a micropump constituting a fluidic micromechanical device and which particularly, but not exclusively, forms a micropump for medical use which regularly delivers a controlled amount of a liquid medicine.
  • micromechanical devices and in particular of these fluidic devices and in particular of these micropumps, is based on micro-machining technologies of silicon or of any other micro-machinable material, in particular using photolithographic techniques. and physicochemical attacks (wet chemical attack - for example KOH-, plasma type dry attack called “DRIE” for "Deep Reactive Ion Etching” ”), laser ablation, micro-replication, micro plastic injection or others.
  • physicochemical attacks wet chemical attack - for example KOH-, plasma type dry attack called “DRIE” for "Deep Reactive Ion Etching”
  • DRIE plasma type dry attack
  • micro-replication micro plastic injection or others.
  • the control of the micropump is effected by varying the volume of the pumping chamber (alternation of decreases and increases), for example by means of a control performed by a piezoelectric actuator.
  • micromechanical devices having a structure with a movable member that must be “released” from the rest of the structure
  • capacitive structures such as those used in accelerometers or gyroscopes
  • the structures with a membrane operating in bending as in some pressure sensors.
  • this type of micromechanical structure fluidic or not, can be achieved with a stack comprising a support plate, in particular made of silicon, covered with a layer of silicon oxide (or more generally an intermediate layer), - even covered with a wafer or layer of silicon.
  • This stack is commercially available and is usually referred to as SOI (“SILICON-ON-INSULATOR").
  • this type of stack makes it possible to use, for the manufacture of a micromechanical device, particularly a fluidic one, elements initially having constant and strictly controlled thicknesses.
  • this movable member is capable of passing, in a reversible manner, from a position spaced apart to a close position, or from contact, with respect to the face of the support plate turned in the direction of the silicon wafer (parallel surface on stacking).
  • This displacement of the movable member is induced by a control which locally is either a passage of liquid or gas causing a pressure difference between the two faces of the movable member or an external force, especially mechanical force that may result from a piezoelectric actuator.
  • This face, from which the movable member moves towards and away form either a surface on which the movable member comes into abutment in normal operation, or a surface whose movable member approaches without coming into contact and / or support in normal operation, the support may in this second case intervene in case of a problem as a security limiting the movement of the movable member.
  • This movement back and forth of the movable member can be considered "perpendicular" type since it occurs in a direction perpendicular to the plane of the different layers of the stack. It is very important to respect a constant thickness, and preferably pre-established for the movable member.
  • this thickness influences the elastic properties of the movable member, that is to say its behavior or its operating parameters, especially with respect to a theoretical behavior established on the basis of a model microfluidic device having dimensions selected.
  • the thickness of the movable member will change its flexibility, and therefore its ability to move.
  • the microfluidic device is a detector, for example a pressure detector, changes in thickness of the movable member will influence its measurement performance. Also, if the microfluidic device constitutes a micro pump, the differences in thickness of the portion of the mobile member forming the pumping membrane will cause a change in the pumping volume, that is to say the volume of fluid displaced with each round-trip movement of the pumping membrane. In addition, this mobility of the movable member is not systematically obtained, irreversible irreversible welding may occur during the manufacture of the micromechanical device, so that this weld damages the functionality of the device and in particular the movable member which is supposed to remain free for the "perpendicular" movement, but which is locked in a fixed position against the opposite side of the support plate. However, the techniques proposed until now for the manufacture of microfluidic devices have not responded satisfactorily to these problems.
  • the object of the present invention is to provide a micromechanical device, and in particular a fluidic device, which can be manufactured in a simplified manner and constituting a reliable and reproducible micromechanical device in its function of moving the moving member back and forth through a stack.
  • the movable member has a specific thickness and avoiding any adhesion and / or fixing (such as welding ...), especially during the manufacturing process.
  • the microfluidic device is characterized in that it comprises a stack covered with a closure plate, said stack comprising a support plate, an intermediate layer on the support plate, and a plate made of a machinable material and disposed on the intermediate layer, said intermediate layer being of constant thickness on its surface, said plate extending facing the entire surface of said support plate and being covered with said closure plate, said closure plate and / or said wafer being machined (s) to define, between said closure plate and said wafer, at least one front cavity intended to be filled with liquid, at least one rear cavity being defined with a depth of more than of 2 .mu.m, between said support plate (108) and said wafer, or by conformation of the entire thickness of said intermediate layer.
  • the closure plate and either the intermediate layer or the support plate can be machined, (over part of its thickness for the closure plate and the support plate and in all its thickness for the intermediate layer), to define respectively the front and rear cavities, so that the wafer which forms the movable member is not machined, it remains intact in its thickness.
  • the wafer is preferably only subject to a possible structuring for the purpose of making passes through the entire thickness of the wafer in order to put in liquid communication the rear cavity and the front cavity.
  • This solution also has the additional advantage of allowing, thanks to the rear cavity, that the movable member can realize significant bending without coming into contact with the first face of the support plate, which considerably reduces the risk of adhesion and / or solder between the wafer and the support plate.
  • the rear cavity is limited to the thickness of the intermediate layer, and in a second embodiment, the rear cavity is formed in a portion of the height of the support plate.
  • a fluidic network is formed between the rear cavity and the front cavity, with a liquid flow between the two, "diagonally". This situation may give rise to the particular case in which there is a horizontal circulation in the rear cavity, namely that the rear cavity facing said movable member is in direct fluidic fluid connection with another rear cavity portion.
  • the control of the movement of the movable member is possible by several means; under the pressure of liquid or gas, in said front cavity or in the rear cavity, or by an external force such as an actuator, for example, piezoelectric, connected to the movable member, in particular if the organ mobile forms a pumping membrane.
  • said intermediate layer located between the wafer and said support plate, has a thickness of between 2 and 50 .mu.m, preferably between 5 and 30 .mu.m, preferably between 10 and 20 .mu.m.
  • said wafer has a thickness of between 3 and 100 ⁇ m, preferably between 5 and 50 ⁇ m, and preferably between 10 and 20 ⁇ m, preferably said wafer is made of silicon; preferably, said wafer is of constant thickness on its surface and only said closure plate is machined in order to define, between said closure plate and said wafer, said front cavity: this also constitutes a design making it possible to simplify the manufacturing process ;
  • said inlet valve opening is located facing said intact portion of the closure plate forming said inlet valve seat and the fluidic device further comprises a ring-shaped anti-adhesion member disposed on said wafer or on said closure plate by surrounding said inlet valve opening in a closed position of the inlet valve in which said movable member bears against said seat.
  • the liquid valve is a liquid outlet valve, in the direction of said conduit passing through said support plate and which forms a liquid outlet conduit, it is provided that said closure plate has an intact portion forming a valve seat. outlet, opposite which said wafer forms a movable member provided with an outlet valve opening in communication with a portion of said front cavity forming a downstream cavity of the valve.
  • the fluidic device to fulfill the role of a liquid filter, it is provided that in said front cavity are formed an upstream zone of the filter and at least one downstream zone of the filter, separated from each other by at least one filter wall which extends over the entire thickness of the closure plate, facing a portion of said rear cavity and said movable member of the wafer, and in that at least one point element is disposed between said filter wall thin and said movable member to move movable member towards the rear cavity, whereby the liquid can pass from said upstream zone of the filter to said downstream zone of the filter by liquid passages delimited between the thin filter wall of the closure plate and the wafer, adjacent said point element, retaining the particles having a larger size audits said passages of liquid.
  • said downstream zone of the filter comprises at least a front lateral cavity portion, in that said upstream zone of the filter comprises a central front cavity portion, and in that said movable member is traversed by a passage fluid fluid communicating said rear cavity and said central front cavity portion.
  • the micropump further comprises at least one anti-adhesion element disposed on the face of the wafer or closure plate facing the front cavity; - Said wafer has at least one passage therethrough from one side to allow the communication of liquid between the front cavity and the rear cavity.
  • liquid valve is a liquid inlet valve
  • the portion of said front cavity forms an upstream cavity of the fluid inlet valve.
  • liquid inlet and said closure plate comprises an intact portion forming an inlet valve seat, opposite which said wafer forms a movable member provided with an inlet valve opening in communication with a portion of said cavity rear forming a cavity downstream of the valve.
  • said inlet valve opening is located facing said intact portion of the closure plate forming said inlet valve seat and the fluidic device further comprises a ring-shaped anti-adhesion member disposed on said wafer or on said closure plate by surrounding said inlet valve opening in a closed position of the inlet valve in which said movable member bears against said seat.
  • the liquid valve is a liquid outlet valve, in the direction of said conduit passing through said support plate and which forms a liquid outlet conduit, it is provided that said closure plate has an intact portion forming a valve seat. outlet, opposite which said wafer forms a movable member provided with an outlet valve opening in communication with a portion of said front cavity forming a downstream cavity of the valve.
  • said outlet valve opening is not located opposite said intact portion of the closure plate forming said outlet valve seat and the fluidic device further comprises an anti-adhesion element disposed on said wafer or said closure plate facing said outlet valve seat.
  • said front cavity comprises at least one lateral front cavity portion and one central front cavity portion separated from each other by at least one filter wall formed in the closure plate, and that said movable member is traversed by a liquid passage placing in fluid communication said rear cavity and said central front cavity portion, said movable member being able to move between a first closed position, resting against said filter wall, wherein said filter wall prevents liquid passage between the central front cavity portion and the front front cavity portion, and an open position, wherein movable member is deformed towards said rear cavity, whereby the central front cavity portion is in fluid communication with the porti a front side cavity at the location of the end of said filter wall.
  • the present invention relates to the method of manufacturing an intermediate stack capable of forming a microfluidic device, comprising the following steps: a) providing a support plate made of a first material, and then either (first mode of realization) bl) is carried on said support plate an intermediate layer of a second machinable material having a constant thickness, cl) said intermediate layer structure to form at least one rear cavity and at least one intact area, or (second mode embodiment) b2) one side of the support plate is machined to form at least one rear cavity with a depth of more than 2 ⁇ m, and c2) an intermediate layer is made on said machined face of the support plate in a second machining material having a constant thickness, d) providing a wafer made of a machinable material and having a first face and a second e) the second face of the wafer is fixed in a sealed manner by a physico-chemical operation to said first face of the intermediate layer, in order to delimit in said wafer at least one zone; located opposite the
  • Such an intermediate stack advantageously allows the subsequent realization of multiple forms of microfluidic devices, among which a micropump, having thicknesses well controlled, whether by the thickness of the rear cavity made throughout the thickness of said intermediate layer, only by controlling the thickness of the wafer.
  • such an intermediate stack makes it possible to manufacture microfluidic devices by reducing the number of manufacturing steps compared with the use of an SOI type stack.
  • this method above further comprises, after step e), the following step: f) the first face of said wafer is machined in order to reduce its thickness.
  • the method of manufacturing an intermediate stack further comprises, after step e), the following step: g) the wafer is structured from the first face by physico-chemical etching in order to create passages in communication with said rear cavity to form at least one fluidic channel.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a microfluidic device from an intermediate stack obtained according to the method defined above, this method of manufacturing a microfluidic device further comprising the following steps: h) is provided a closure plate made of a machinable material having a first face and a second face, i) partially machining said second face of the closure plate to form at least one machined zone delimiting a front cavity, j) sealingly connecting by a physico-chemical method, preferably by plate welding, the second face of the plate of closing the first face of the wafer so that the front cavity and the rear cavity are at least partially facing each other, on both sides of the wafer, with communication between them at the location said passages, whereby said movable member is adapted to reversibly approach said support plate towards the rear cavity or closure plate towards the front cavity; said closure plate and / or in said support plate at least one conduit passing right through and in communication with said rear cavity or with the front cavity.
  • this method of manufacturing a microfluidic device further comprises the following steps: h) providing a closure plate made of a machinable material having a first face and a second face, i) partially machining said second face of the closure plate to form at least one machined area defining a front cavity, j) sealing is connected by a physicochemical method, preferably by plate welding, the second face of the closure plate to the first face of the wafer so that the front cavity and the rear cavity are at least partially facing one another, on both sides of the wafer, with communication between them at the location of said passages, whereby said movable member is adapted to reversibly approach said support plate towards the rear cavity or the closure plate towards the cavity before, k) in said closure plate and / or in said support plate, at least one duct passing therethrough and communicating with said rear cavity or with the front cavity.
  • the thickness of said intermediate layer is between 3 and 30 microns.
  • the method of manufacturing a microfluidic device further comprises, before step g), the following steps: f) depositing a layer of anti-adhesion material on the first face of the wafer or on the second face of the closure plate; f2) structuring the layer of anti-adhesion material to form at least one anti-adhesion element.
  • the method of manufacturing a microfluidic device further comprises, before step k), the following step: the second face of the support plate is thinned by mechanical polishing or by wet etching with or without stopping electrochemical attack.
  • said intermediate layer is silicon oxide
  • said wafer is of silicon
  • said wafer is of constant thickness on its surface and in that only said closure plate is machined in order to define, between said closure plate and said wafer, said front cavity.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a micropump forming a device microfluidic according to a first embodiment of the present invention
  • FIGS. 2 to 12 are sectional views showing the various stages of manufacture of the micropump of FIG. 1
  • FIG. 13 represents a view in longitudinal section and in partial perspective of the portion of the support plate belonging to the pumping member,
  • FIGS. 14 to 16 are views similar to that of FIG. 13 showing the successive stacking of the various plates constituting the micropump
  • FIG. 17 represents a sectional view of another type of fluidic device according to the present invention, forming a filter
  • machining reserved for machining, intended to vary the thickness of a plate or certain areas of a plate
  • Structuring reserved for machining that favors the preservation of the thickness of the material of a layer in certain areas and the removal of all the material of this layer in other areas.
  • FIG. 1 a micro-pump 100 according to a first embodiment of the invention is only illustrated in its pumping body part, the accessories such as fluidic connections, priming system and control device, preferably piezoelectric devices. electric, not being represented.
  • the micropump 100 of FIG. 1 forms a stack which comprises, from top to bottom, the different plates or layers:
  • a wafer 104 formed of a thin wafer, preferably made of silicon, having a thickness of between 3 and 100 microns, preferably between 5 and 50 microns, preferably between 8 and 20 microns, an intermediate layer; preferably made of silicon oxide and having a thickness of between 2 and 50 micrometers, preferably between 5 and 30 micrometers, and preferably between 10 and 20 micrometers,
  • a support plate 108 made of silicon and having a thickness of between 200 and 800 micrometers.
  • the silicon wafer 104, the intermediate layer 106 and the support plate 108 form between them an intermediate stack 110.
  • This intermediate layer 106 is here made of silicon oxide, but it is possible to envisage using any other machinable material, even silicon. It should be noted that it is preferable to use a material different from that forming the support plate 108 (which is not necessarily machinable), in order to have different behaviors of these two materials during micromachining ( in particular different chemical etch selectivity properties).
  • the wafer 104 is here made of silicon but it is possible to consider using any other machinable material, such as glass, metal, ceramic or plastic.
  • the micro-pump 100 forms a fluidic assembly incorporating different members that together perform the pumping function and comprising, from upstream to downstream, a liquid input control member.
  • the support plate 108 comprises the liquid inlet duct 121, which passes right through it, belonging to the control member of the liquid inlet 120 and the liquid outlet duct. 151 which passes through the support plate 108 from one side and belonging to the liquid outlet control member 150.
  • the liquid delivered by this micro-pump will circulate in certain portions of a front cavity 103 and in certain portions of a rear cavity 107.
  • the liquid inlet conduit 121 opens into the corresponding front cavity portion 103 2 , which has a substantially annular shape around the seat 122 of the liquid inlet control member 120, formed of an intact portion of the closure plate 102.
  • the front cavity portion 1033 belongs to the pressure measuring member 130 and is separated from the other front upstream cavity portions 103 2 and downstream 103 4 and 103s by an annular zone of the second face 102b of the closure plate 102 which has not been machined (remained intact).
  • the front cavity portions 1034 and 103s communicate with each other when the liquid outlet control member 150 is in its open position, and they respectively correspond to a portion of the front cavity 103 belonging to the pumping portion 130 and to the liquid outlet control member 150. More specifically, the front cavity portion 103 4 is circular in shape and forms the pumping chamber located opposite the pumping membrane 104 4 .
  • the front cavity portion 103s is circular in shape and is delimited by the area remaining intact in the second face 102b of the closure plate 102 and forming the annular seat 152 of the liquid outlet control member.
  • the front cavity portion 103 ⁇ is annular, surrounds the front cavity portion 103s and is in fluid communication with the pumping chamber formed of the front cavity portion 103 4 which it forms a kind of extension.
  • the circular seat 122 of the valve forming the liquid inlet control member 120 and on the other hand, the annular seat 152 of the valve forming the liquid outlet control member 150.
  • the rear cavity 107 is entirely formed in the silicon oxide layer 106. Indeed, according to an essential characteristic of the present invention, the silicon oxide layer 106 is sufficiently thick (from 5 to 10 micrometers at least) to allow itself, by structuring, the creation of the rear cavity 107 in which the movable members formed in the entire thickness of the silicon wafer 104, will be able to lower.
  • the rear cavity 107 comprises, from upstream to downstream, that is to say from left to right in FIG. 1: the rear cavity portion 107 2 which is circumscribed to a zone extending the liquid inlet duct 121
  • the rear cavity portion 107 3 which extends opposite the seat 122 of the liquid inlet control member 120 and extends opposite the pressure measuring member 130 (and the cavity portion before 103 3 associated) to a location opposite the upstream end of the front cavity portion 103 4 ,
  • the portion of the rear cavity 107 4 belonging to the pumping part 140 form an annular space facing the periphery of the pumping membrane 1044 and defines a connecting portion io6 4 connecting the silicon wafer 104 to the plate closure 102 as discussed in more detail below,
  • the rear cavity portion 107 5 / which is separated from the rear cavity portion 107 4 and which is located opposite the liquid outlet control member 150, has the shape of an annular volume situated opposite the seat 152 of the liquid outlet control member 150 and around the latter,
  • the rear cavity portion 107 6 which is limited to an area situated in the extension of the liquid outlet duct 151.
  • the silicon wafer 104 includes a first face 104a facing the front cavity 103, and a second face 104b facing towards the rear cavity 107.
  • the wafer 104 has not been machined, its thickness has not been modified during the manufacturing process of the micro-pump 100. Indeed, only passages 123, 124, 141 and 155 were pierced by structuring the entire thickness of this silicon wafer 104 to form liquid passages. More precisely, the passage 123 makes it possible to put in communication fluid the rear cavity portion 107 2 and the front cavity portion 1032 at the liquid inlet control member 120, upstream of the seat 122 of the liquid inlet control member 120. Also, the liquid passage 124, located opposite the seat 122 of the liquid inlet control member 120, makes it possible to place the front cavity portion in fluid communication. 2 with the rear cavity portion 107 3 when the liquid inlet control member 120 is in the open position.
  • the liquid passage 141 connects the rear cavity portion 107 3 with the front cavity portion 103 4 .
  • the liquid passage 155 which is located in the extension of the rear cavity portion 107 6 and the liquid outlet conduit 151, is in fluid communication with the front cavity portion 103s.
  • the passages 123, 124, 141 and 155 are rectilinear conduits having a principal direction perpendicular to the plane of the layers of the intermediate stack 110.
  • the silicon wafer 104 located between the front cavity 103 and the rear cavity 107 thus delimits various moving members, namely the movable member 104 2 of the liquid inlet control member 120 (which makes its opening by deflection in direction of the cavity portion rear 107 3 ), the movable member 104 3 of the pressure measuring member 130 which can flex between the front cavity portion 103 3 and the rear cavity portion 107 3 , the movable member 104 4 of the part 140, pumping which forms the pumping membrane, and the movable member 104 5 of the liquid outlet control member 150 (which allows its opening by deflection towards the rear portion of cavity 107 5).
  • the silicon wafer 104 is connected by anodic welding to the closure plate 102 made of "Pyrex".
  • the four members of the micro-pump 100 namely the liquid inlet control member 120, the pressure measuring member 130, the pumping portion 140 and the liquid outlet control member 150, are separated from each other from upstream to downstream by the unaffected areas of the closure plate 102, namely intact portions located between the portions of the front cavity 103.
  • the intermediate layer 106 has been structured to be fully withdrawn in its thickness in functional areas relating to the four aforesaid members, forming the rear cavity portions constituting the rear cavity 107.
  • the opening of the liquid inlet control member 120 made by the downward deflection of the movable member 104 2 , allows, through the passage 124, the setting in communication fluid between a first space, comprising the liquid inlet duct 121, the corresponding rear cavity portion 107 2 , the passage 123 and the corresponding front cavity portion 103 2 , with a second space comprising the rear cavity portion 107 3 , the passage 141 and the portion 1034 before the cavity of the pumping portion 140.
  • the control of the micro-pump 100 is performed by a piezoelectric actuator (not shown) connected to a control portion 143 secured to the movable member 104 4 , by the connecting portion IO6 4 which allows the return movement of the pumping membrane 104 4 , the blocking of the micro-pump by adhesion and / or welding between the pumping membrane 104 3 and the second face 102b of the closure plate 102 being made impossible by the anti-adhesion element 164 made in the form of a continuous surface but which could have the shape of small islands regularly distributed on the first face 104a of the silicon wafer 104.
  • the support plate 108 has the cutout 142 which separates the control portion 143 from the rest of the support plate 108 over the entire thickness of the support plate 108.
  • IO6 4 is centered in the middle of the rear cavity portion 107 4 , itself delimited by a star shape with three branches being superimposed in part by its contour with the contour of the cutout 142.
  • the contour of the three branches of the rear cavity portion 107 4 is exactly aligned with the contour of the end of the branches formed by the cut 142, the branches of the cavity portion 107 back 4 being shorter, that is to say, the circular central portion of the rear cavity 107 portion 4 has a larger diameter than the circular central portion of the blank 142, it even being a dimension substantially similar to the diameter of the connecting portion 106 4 .
  • the pumping membrane 104 4 formed in the silicon wafer 104 is flexible in an annular zone surrounding a rigid central zone connected to the control portion 143 by the connecting portion 106 4 of the silicon oxide layer 106.
  • the thrust abutments 144 form integral arms of the control portion 143 extending to the blank 142; these three thrust abutments 144 thus make it possible to limit the deflection of the flexible annular part of the pumping membrane 104 4 in its upward movement, that is to say in a thrust movement of the control part 143.
  • FIGS. 2 to 12 showing the different steps of the manufacturing process of the micro-pump 100 illustrated in FIG.
  • a glass closure plate 102 having a first face 102a and a second face 102b polished, the closure plate 102 having a thickness between 300 ⁇ m and 600 ⁇ m.
  • a first series of photolithography steps allows machining (see FIG. 3) on the second 102b of the plate 102 the front cavity 103 composed of the front cavity portions 1032, 103 4 (pumping chamber), 103s and 103e.
  • the front cavity portions 103 2 , 103 4 , 103s and 103e are separated from each other.
  • the front cavity portion 103 2 is formed of an annular portion surrounding the seat 122 of the liquid inlet control member 120, itself annular, and the front cavity portion 103s is surrounded by the annular valve seat. 152 of the liquid outlet control member 150.
  • the machining of this front cavity 103 in addition to the valve seat 122 of the liquid inlet control member 120, is therefore also formed seat 152 of the valve forming the liquid outlet control member 150 and which is also in the form of an annular projection.
  • a silicon wafer 104 having a fairly large thickness of between 100 micrometers and a millimeter. This silicon wafer 104 is covered on both sides with a thin layer of oxide (104 'on the first or upper face and 104 "on the second or lower face).
  • the zones of the wafer 104 respectively facing each of the rear cavity portions 107 2 , 107 3 , 107 4 and 107 5 and 107 6 each form a flexible membrane capable of reversibly deforming, which constitutes respectively the movable members 104 2 , 104 3 , 104 4 and 104 5 of Figure 1.
  • an intermediate stack 110, formed of the support plate 108, of the intermediate layer 106 (delimiting rear cavity portions 107 2 , 107 3 is obtained. , 107 4 and 107 5 and 107 6 ) and the thinned silicon wafer 104 (delimiting movable members 104 2 , 104 3 , 104 4 and 104 5 ).
  • the penultimate stage of the formation of the micro-pump 100 consists in thinning the support plate 108 from its second face 108b, for example by mechanical polishing or wet chemical etching, hence the result visible in FIG. 11 It should be noted that this step of thinning the support plate 108 by its second face 108b is optional.
  • Such a flexible or flexible film makes it possible to protect the openings 121, 142, 151 and 156 of the second face 108b of the support plate, as well as the control portion 143 of a pollution, in particular by particles which may occur during the subsequent cutting step between the micropumps, or during the assembly of the external control parts (piezoelectric control and priming system for example) and the fluid connection with the tubes for supply and distribution of the liquid.
  • silicon oxide layer 106 between 2 and 50 microns
  • silicon oxide layer 106 and silicon wafer 104 between 5 and 150 micrometers
  • a filter that can be provided on the path of the liquid, to block any undesirable particles.
  • a micromachined filter makes it possible that at the outlet of the filter, the liquid does not contain particles (for example impurities) whose size, which is too high, can impair the proper functioning of all the elements and members of the micropump.
  • this filter makes it possible to retain the particles of too large size that move towards and through one or more valves or valves of the micropump, so that the operation of the latter is not impeded.
  • closure plate 102 facing a portion of the rear cavity 107 and a movable portion of the silicon wafer 104, at least one point element 167 being disposed between said thin filter wall 172 and the movable portion of the silicon wafer 104, in order to rule out this moving portion of the silicon wafer 104 towards the rear cavity 107, the particles being able to pass from said upstream zone of the filter to said downstream zone by passages delimited between the thin filter wall 172 of the closure plate 102 and the wafer silicon 104, adjacent to said point element 167.
  • the input filter 170 is located in a rear portion of cavity 107 formed longitudinally 7 a structured area of the intermediate layer 106.
  • the output of filter 170 is carried out by means of two lateral front cavity portions 103 each forming longitudinal 7 a downstream zone of the filter, and delimited in the closure plate 102, during the machining of the second face 102b.
  • These two front lateral cavity portions 1037 are separated from a longitudinal front central cavity portion 103s, forming an upstream zone of the filter, by two longitudinal thin filter walls 172 which will participate in the formation of the barriers or partitions of the filter as it will be explained below.
  • the silicon wafer 104 forms a movable member 104 7 .
  • This movable member 104 7 has a liquid passage 171 formed of a bore through its entire thickness the silicon wafer 104 facing the central front cavity portion 103s, which allows to put in liquid communication the cavity portion rear 1077 and the central front cavity portion 103s which form the upstream zone of the filter 170.
  • the point elements 167 are made of an anti-adhesion material, such as silicon nitride, so as to form punctual anti-adhesion elements 167.
  • the point elements 167 pretension the movable member 104 7 around the liquid passage 171, so as to prevent it from being able to move further towards the rear cavity and, thus, avoid the enlargement of the passage interval of the particles.
  • the anti-adhesion elements mentioned as being made of silicon nitride may be made of other materials having good anti-adhesion properties (refractory material preferably belonging to the group consisting of silicon nitride, titanium nitride, aluminum nitride, silicon carbide, titanium oxide, titanium carbide, amorphous diamond (DLC), and polycrystalline diamond) or in a material whose surface has been physicochemically treated (modification of the roughness for that it is greater than 0.5 nm rms "root mean square" for example by chemical attack, plasma attack or ion bombardment).
  • refractory material preferably belonging to the group consisting of silicon nitride, titanium nitride, aluminum nitride, silicon carbide, titanium oxide, titanium carbide, amorphous diamond (DLC), and polycrystalline diamond
  • the foregoing description mentions its obtaining only through the machining of the second face 102b of the closure plate, but it is conceivable to also machine the first face 104a of the silicon wafer. 104 to participate in the volume of this cavity before 103.
  • FIG. 18 is a view similar to FIG. 1 and FIGS. 19 to 22 are views showing certain steps of the manufacturing process of the micropump of FIG. 18, which differ from the corresponding steps implemented for the manufacture of the first embodiment of FIG. embodiment illustrated in Figures 2 to 12.
  • the front cavity 203 has in FIG. 18 different portions identical to those found in the example of the first embodiment illustrated in FIG. 1, with the exception of the absence of the front cavity portion corresponding to the portion of front cavity 103 3 of Figure 1, because of the absence of pressure sensing member in the illustrated case of the second embodiment.
  • the rear cavity portion 207 2 is in the extension of the liquid inlet duct 221 and communicates with a liquid passage 223 made in the silicon wafer 204.
  • This portion 207 2 corresponds to a first machined zone 208i situated in look at duct 221 and passage 223;
  • the rear cavity portion 207 3 is substantially centered around the liquid passage 224 of the liquid inlet control member 220 and extends downstream (right in Figure 18) to the passage of liquid 241 which puts in communication liquid the liquid inlet control member 220 and the pumping part 240.
  • This rear cavity portion 207 3 corresponds to a second machined area 208 2 of the face 208a of the support plate 208;
  • the rear cavity portion 207 4 has a substantially annular shape extending facing an annular portion of the pumping membrane 264 and is produced by means of a third machined zone 208 4 of the face 208a of the plate support 208;
  • this portion 207 of this rear cavity 5 an annular shape facing the liquid outlet control member 250, being centered on the liquid passage 255 participating in the evacuation of liquid out of the micropump 200.
  • This portion 207 5 rear cavity extends up to opposite the vent 256 formed in the support plate 208;
  • the portion 207 6 of the rear cavity corresponds to a machined zone over a very limited extent (fifth machined zone 208 ⁇ of the face 208a of the support plate 208) which is strictly in alignment with this passage of liquid 255 and the liquid outlet conduit 251, so that at this location the support plate 208 is pierced from one side, the rear cavity portion 207 6 and the liquid outlet conduit 251 being made in different steps.
  • the face 208a of the support plate 208 facing the closure plate 202 is kept intact (unmachined) so that there remains an overhang of material separating them in a sealed manner these different rear cavity portions.
  • the intermediate layer of silicon oxide 206 is therefore limited to a simple deposition of silicon oxide on a small thickness which is performed after the machining of the face 208a of the support plate 208.
  • this second embodiment as it appears in FIG. 18, all of the other characteristics of the micropump illustrated in FIG. 1 are found, and in particular the following provisions:
  • the connecting portion 2O6 4 of the silicon oxide layer 206 connects the control portion 243 to the pumping membrane 204 4 ;
  • the thrust stops 244 and the traction stops 245 formed in the support plate 208 not here, as in the case of the first embodiment because of the absence of an intermediate layer 106, because here the intermediate layer 206 does indeed extend over these areas, but because of the presence of the third annular machined zone 2O8 4 which creates in these abutment zones a space between the pumping membrane 264 and the support plate 208 in the case where the pumping membrane 264 is in an intermediate position (FIG. 18 showing the pumping membrane 264 in a position relatively close to the high position, so that the thrust bearing 244 is almost in contact with the second face of the pumping plate 264. silicon 204).
  • FIGS. 19 to 22 showing the steps of the manufacturing process of the micropump 200 illustrated in FIG. 18, which differ from the manufacturing steps of the micropump of FIG. 1, previously described in relation with FIGS. at 12, all the other steps being otherwise identical except that the variant of the second embodiment of FIG. 18 does not have a pressure sensing element 130.
  • the closure plate 202 which is prepared in the same way as what has been presented previously with reference to FIGS. 2 and 3, while on the other side it is the intermediate stack 210 formed of the plate silicon 204, the intermediate layer 206 and the support plate 208, which is manufactured. It is in the formation of this intermediate stack 210 that the differences between the two manufacturing processes reside.
  • FIG. 19 the silicon support plate 208 is provided which has been polished beforehand on at least its first face 208a, then which has undergone formation (by natural oxidation or by deposition) of a thin layer of silicon oxide 211 and 212 (at most 0.5 micrometer) on the first face 208a and the second face 208b of the carrier 208.
  • Figure 20 silicon oxide layer 211 of the first face 208a is structured by photolithography steps to be removed in the locations corresponding to the future first to fifth areas machined 208i, 2O82, 2O84, 2O8 5 and 208e described above in connection with FIG. 18.
  • the first to fifth machined zones 208i, 2O8 2 , 2O8 4 , 2O8 are formed. 5 and 208 ⁇ in the support plate 208, to a depth of 10 to 20 microns.
  • FIG. 21 the layers of silicon oxide 211 and 212 are removed and two new silicon oxide layers are redeposited on the two faces 208a and 208b of the support plate 208. On the rear face 208b of the plate of FIG.
  • the support 208 (bottom in the figures), it is a rear layer 207 and on the front face 208a of the support plate 208 (top in the figures), it is the intermediate layer 206 whose profile follows the relief of the front face 208a which has the depressions formed from the first to the fifth machined zones 208i, 2O82, 2O84, 208s and 208 6 , and the zones of unmodified thickness, overhanging, around these first to fifth machined zones 208i, 2O8 2 , 208 4 , 208s and 208 ⁇ , which delimits, above the intermediate layer 206, the different portions of the rear cavity 207.
  • These two new layers 206 and 207 preferably have a greater thickness than that of the layers 211 and 212.
  • steps are performed that are strictly similar to the description of FIGS. 7 to 11 in relation to the silicon plate 204 and the closure plate 202, and then to the formation of the through ducts. through the support plate, namely, the liquid inlet conduit 221, the cutout 242, the liquid outlet conduit 251 and the vent 256.
  • the last step illustrated in FIG. 22 is different from that illustrated in FIG. 12 only with respect to the rear cavity 207, the intermediate layer 206 and the face 208a of the support plate 208 rotated towards the closure plate. 202.
  • micro-pump The detailed description which has just been given in relation to the two embodiments of a complete micro-pump reveals in fact the means of obtaining different micro-mechanical fluidic devices, which are juxtaposed within the micro-pump. 100 or 200 described above.
  • this micro-pump 100 comprises a liquid inlet control member 120 (220), a pressure measuring member 130, a pumping portion 140 (240) and an outlet control member.
  • the present invention is not limited to fluidic micro-mechanical devices but that the manufacturing method on which the present invention is based can also be applied to other micro-machined structures such as than pressure sensors, or capacitive structures such as accelerometers or gyroscopes ...

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Abstract

Selon l'invention, le dispositif microfluidique (120 ; 140 ; 150 ; 170) comprend un empilement (110) recouvert d'une plaque de fermeture (102) et comportant une plaque de support (108), une couche intermédiaire et une plaquette, ladite couche intermédiaire (106) étant d'épaisseur constante sur sa surface, en définissant, entre ladite plaque de fermeture (102) et ladite plaquette (104), au moins une cavité avant (103) destinée à être remplie de liquide, ladite couche intermédiaire (106) étant conformée afin de définir, entre ladite plaque de support (108) et ladite plaquette (104), au moins une cavité arrière (107), ladite cavité arrière (107) étant au moins partiellement située en regard de la cavité avant (103), de l'autre côté de la plaquette (104), afin de définir, dans ladite plaquette (104), un organe mobile (1042 ; 1044 ; 1045 ; 1047) à se rapprocher, de manière réversible, de la plaque de fermeture (102).

Description

Dispositif microfluidique mécanique, Ie procédé de fabrication d'un empilement intermédiaire et de ce dispositif microfluidique, et une micropompe.
L'invention concerne un dispositif microfluidique, le procédé de fabrication d'un empilement intermédiaire et le procédé de fabrication de ce dispositif microfluidique à partir de cet empilement intermédiaire. Par dispositif microfluidique, on entend un dispositif micromécanique fluidique et notamment un dispositif micromécanique dans lequel circule du liquide.
En particulier, mais de manière non limitative, l'invention concerne des formes particulières de dispositifs fluidiques constituant un organe de contrôle d'entrée ou de sortie de liquide qui est par exemple formé d'une valve anti-retour, ou bien un organe de mesure de pression, notamment de pression de liquide, ou encore un organe de pompage.
La présente invention concerne aussi une micropompe constituant un dispositif micromécanique fluidique et qui notamment, mais non exclusivement, forme une micropompe à usage médical qui délivre régulièrement une quantité contrôlée d'un médicament liquide.
La fabrication de ces dispositifs micromécaniques, et en particulier de ces dispositifs fluidiques et notamment de ces micropompes, est basée sur les technologies de micro-usinage du silicium ou de tout autre matériau micro-usinable, notamment à l'aide de techniques photo¬ lithographiques et d'attaques physico-chimiques (attaque chimique humide -par exemple KOH-, attaque sèche de type plasma dénommée « DRIE » pour « Deep Reactive Ion Etching »...), d'ablation laser, de mïcro- réplication, de micro-injection plastique ou autres. Pour l'application particulière précitée, et dans d'autres cas encore, il est nécessaire de réaliser un organe de contrôle d'entrée permettant l'auto-amorçage de la micropompe. La commande de la micropompe s'effectue en faisant varier le volume de la chambre de pompage (alternance de diminutions et d'augmentations), par exemple au moyen d'une commande réalisée par un actionneur piézoélectrique.
La demande de brevet européen publiée sous le n° 1283957 et la demande internationale publiée sous le n° WO 01/90577 présentent une telle micropompe. Toutefois, une telle micropompe n'est parfois pas en mesure de fonctionner, car l'organe de contrôle d'entrée du liquide présente une membrane qui ne parvient pas à se séparer, dans sa zone prévue pour être mobile, du substrat, ce qui conduit à une absence de déflexion de la membrane qui reste collée au substrat en empêchant ainsi tout phénomène de pompage. Ce problème est en particulier présent et particulièrement sensible entre un substrat en silicium et une membrane en silicium qui ont tout lieu de se lier ensemble de manière solidaire lors de l'étape de soudage anodique entre ce substrat de silicium et la plaque extérieure en verre.
Concernant d'autres types de dispositifs micromécaniques présentant une structure avec un organe mobile qui doit être « libéré » du reste de la structure, on peut citer par exemple les structures capacitives, telles que celles utilisées dans des accéléromètres ou des gyroscopes, ou encore les structures avec une membrane fonctionnant en flexion, comme dans certains capteurs de pression. Notamment, ce type de structure micromécanique, fluidique ou non, peut être réalisé avec un empilement comportant une plaque de support, notamment en silicium, recouverte d'une couche d'oxyde de silicium (ou plus généralement d'une couche intermédiaire), elle-même recouverte d'une plaquette ou couche de silicium. Cet empilement est disponible dans le commerce et est habituellement dénommé SOI ("SILICON-ON-INSULATOR").
L'utilisation de ce type d'empilement permet d'utiliser pour la fabrication d'un dispositif micromécanique, notamment fluidique, des éléments présentant au départ des épaisseurs constantes et strictement contrôlées.
Dans tous les cas, on cherche à obtenir un organe mobile, formé notamment dans la couche de silicium de l'empilement. En particulier, cet organe mobile est susceptible de passer, de manière réversible, d'une position écartée à une position proche, ou de contact, par rapport à la face de la plaque de support tournée en direction de la plaquette de silicium (surface parallèle à l'empilement).
Ce déplacement de l'organe mobile est induit par une commande qui localement est soit un passage de liquide ou de gaz entraînant un écart de pression entre les deux faces de l'organe mobile ou bien une force extérieure, notamment mécanique qui peut résulter d'un actionneur piézo-électrique. Cette face, de laquelle l'organe mobile se rapproche et s'éloigne forme soit une surface sur laquelle l'organe mobile vient en appui en fonctionnement normal, soit une surface dont l'organe mobile se rapproche sans venir en contact et/ou appui en fonctionnement normal, l'appui pouvant dans ce second cas intervenir en cas de problème comme sécurité limitant le mouvement de l'organe mobile.
Ce mouvement d'aller-retour de l'organe mobile peut être considéré de type « perpendiculaire » puisqu'il se produit selon une direction perpendiculaire au plan des différentes couches de l'empilement. II s'avère très important de respecter une épaisseur constante, et de préférence préétablie pour l'organe mobile.
En particulier, cette épaisseur influence les propriétés élastiques de l'organe mobile, c'est-à-dire son comportement ou ses paramètres de fonctionnement, notamment par rapport à un comportement théorique établi sur la base d'un dispositif microfluidique modèle ayant des dimensions choisies.
En effet, l'épaisseur de l'organe mobile va modifier sa souplesse, et donc sa capacité de déplacement.
Ainsi, si le dispositif microfluidique est une valve d'entrée ou de sortie de liquide, l'épaisseur de l'organe mobile formant le corps de la valve va conditionner le seuil d'ouverture (de fermeture) de la valve.
Si le dispositif microfluidique est un détecteur, par exemple un détecteur de pression, les modifications d'épaisseur de l'organe mobile vont influencer ses performances de mesure. Également, si le dispositif microfluidique constitue une micro pompe, les écarts d'épaisseur de la partie de l'organe mobile formant la membrane de pompage vont entraîner une modification du volume de pompage, c'est-à-dire du volume de liquide déplacé à chaque mouvement d'aller-retour de la membrane de pompage. En outre, cette mobilité de l'organe mobile n'est pas systématiquement obtenue, une soudure intempestive irréversible pouvant intervenir au cours de la fabrication du dispositif micromécanique, de sorte que cette soudure endommage la fonctionnalité du dispositif et en particulier de l'organe mobile qui est censé rester libre pour le mouvement « perpendiculaire », mais qui se trouve bloqué dans une position fixe contre la face en regard de la plaque de support. Toutefois, les techniques proposées jusqu'alors pour la fabrication des dispositifs microfluidiques n'ont pas répondu de manière satisfaisante à ces problèmes.
La présente invention a pour but de fournir un dispositif micromécanique, et en particulier un dispositif fluidique, pouvant être fabriqué de manière simplifiée et constituant un dispositif micromécanique fiable et reproductible dans sa fonction d'aller-retour de l'organe mobile grâce à un empilement dans lequel l'organe mobile présente une épaisseur bien déterminée et en évitant toute adhésion et/ou fixation (telle que soudure...), en particulier pendant le procédé de fabrication.
Dans le cas particulier du dispositif fluidique et tout spécifiquement dans le cas d'un organe de contrôle d'entrée de liquide ou d'un organe de contrôle de sortie de liquide ou d'une micropompe, on cherche donc à obtenir un dispositif fluidique fiable dans sa fonction de pompage.
A cet effet, selon la présente invention, le dispositif microfluidique est caractérisé en ce qu'il comprend un empilement recouvert d'une plaque de fermeture, ledit empilement comportant une plaque de support, une couche intermédiaire sur la plaque de support, et une plaquette réalisée en un matériau usinable et disposée sur la couche intermédiaire, ladite couche intermédiaire étant d'épaisseur constante sur sa surface, ladite plaquette s'étendant en regard de toute la surface de ladite plaque de support et étant recouverte de ladite plaque de fermeture, ladite plaque de fermeture et/ou ladite plaquette étant usinée(s) afin de définir, entre ladite plaque de fermeture et ladite plaquette, au moins une cavité avant destinée à être remplie de liquide, au moins une cavité arrière étant définie avec une profondeur de plus de 2μm, entre ladite plaque de support (108) et ladite plaquette, soit par conformation de toute l'épaisseur de ladite couche intermédiaire soit par usinage de la face de la plaque de support tournée vers ladite plaquette, ladite plaque de support ou la plaque de fermeture comportant au moins un conduit la traversant de part en part et débouchant dans ladite cavité avant ou dans la cavité arrière, ladite cavité arrière étant au moins partiellement située en regard de la cavité avant, de l'autre côté de la plaquette, afin de définir, dans ladite plaquette, un organe mobile apte à se rapprocher, de manière réversible, de ladite plaque de support ou de la plaque de fermeture et soit ladite cavité avant faisant face audit organe mobile est en liaison fluidique avec une autre portion de la cavité arrière que celle faisant face audit organe mobile, soit ladite cavité arrière faisant face audit organe mobile est en liaison fluidique avec une autre portion de la cavité avant que celle faisant face audit organe mobile..
De cette manière, on comprend que seules la plaque de fermeture et soit la couche intermédiaire soit la plaque de support peuvent être usinées, (sur une partie de son épaisseur pour la plaque de fermeture et la plaque de support et dans toute son épaisseur pour la couche intermédiaire), pour définir respectivement les cavités avant et arrière, de sorte que la plaquette qui forme l'organe mobile n'étant pas usinée, elle reste intacte dans son épaisseur. De cette façon, on est assuré d'obtenir un organe mobile présentant une épaisseur bien prédéterminée puisque l'organe mobile provient de la plaquette dont l'épaisseur n'a, de préférence, pas été modifiée par usinage. En effet, la plaquette est, de préférence, seulement soumise à une éventuelle structuration ayant pour but de réaliser des passages traversant toute l'épaisseur de la plaquette afin de mettre en communication de liquide la cavité arrière et la cavité avant.
Cette solution présente aussi l'avantage supplémentaire, de permettre, grâce à la cavité arrière, que l'organe mobile puisse réaliser une flexion significative sans rentrer en contact avec la première face de la plaque de support, ce qui réduit considérablement le risque d'adhésion et/ou de soudure entre la plaquette et la plaque de support.
En effet, on peut contrôler la profondeur de la cavité arrière pour garantir l'absence de risque de contact, donc d'adhésion, entre l'organe mobile et la plaque de support. Cette cavité arrière forme une cavité enterrée de circulation de liquide, située sous la plaquette de silicium.
Selon un premier mode de réalisation, la cavité arrière est limitée à l'épaisseur de la couche intermédiaire, et dans un deuxième mode de réalisation, la cavité arrière est formée dans une partie de la hauteur de la plaque de support. En outre, par cette solution, on forme un réseau fluidique entre la cavité arrière et la cavité avant, avec une circulation de liquide entre les deux, « en diagonale ». Cette situation peut engendrer le cas particulier dans lequel on a une circulation horizontale dans la cavité arrière, à savoir que la cavité arrière faisant face audit organe mobile est en liaison fluidique liquide directe avec une autre portion de cavité arrière.
La commande du mouvement de l'organe mobile est possible par plusieurs moyens ; sous la pression de liquide ou de gaz, dans ladite cavité avant ou dans la cavité arrière, ou par une force extérieure telle qu'un actionneur, par exemple, piézo-électrique, relié à l'organe mobile, en particulier si l'organe mobile forme une membrane de pompage.
En particulier, on prévoit que ladite couche intermédiaire, située entre la plaquette et ladite plaque de support, présente une épaisseur comprise entre 2 et 50μm, de préférence entre 5 et 30μm, de préférence entre 10 et 20μm.
Globalement, grâce à la solution selon la présente invention, il est possible de réaliser un dispositif fluidique de structure très simple, tout en garantissant des épaisseurs fiables pour les organes mobiles et pour les cavités avant et arrière, ce assure une maîtrise du volume de pompage, c'est-à-dire de la variation de volume dans le dispositif fluidique.
Selon d'autres avantageuses dispositions préférentielles, on prévoit également que :
- ladite couche intermédiaire est réalisée dans un matériau usinable, de préférence ladite couche intermédiaire est en oxyde de silicium ; en particulier, selon un premier mode de réalisation, ladite cavité arrière est formée par structuration de ladite couche intermédiaire, c'est-à- dire que la couche intermédiaire est usinée dans toute son épaisseur pour délimiter une zone de la couche intermédiaire entièrement exempte de matière : cela permet de contrôler très précisément la profondeur de la cavité arrière ;
- ladite plaque de support est d'épaisseur constante sur toute sa surface, c'est-à-dire en particulier qu'elle n'est pas usinée sur sa deuxième face située en regard de la couche intermédiaire : ceci permet une conception de fabrication simplifiée ; - selon un deuxième mode de réalisation, ladite cavité arrière résulte de l'usinage de la face de la plaque de support tournée vers ladite plaquette sur laquelle est disposée ladite couche intermédiaire présentant une épaisseur comprise entre 0,2 et lμm ;
- ladite plaquette présente une épaisseur comprise entre 3 et 100 μm, de préférence entre 5 et 50μm, de préférence entre 10 et 20μm, de préférence ladite plaquette est en silicium ; de préférence, ladite plaquette est d'épaisseur constante sur sa surface et seulement ladite plaque de fermeture est usinée afin de définir, entre ladite plaque de fermeture et ladite plaquette, ladite cavité avant : cela constitue également une conception permettant de simplifier le procédé de fabrication ;
- le dispositif fluidique comporte en outre au moins un élément anti-adhésion disposé en regard de ladite cavité avant sur ladite plaquette ou sur ladite plaque de fermeture, en regard dudit organe mobile : cette disposition garantit que l'organe mobile ne va pas rester « collé » à la plaque de fermeture.
Pour que le dispositif fluidique remplisse le rôle d'une valve de liquide, on prévoit que ledit conduit traversant ladite plaque de support communique avec une portion de ladite cavité arrière et qu'une ouverture est disposée dans ladite plaquette afin de mettre en communication de liquide ladite portion de cavité arrière avec une portion de ladite cavité avant.
Si la valve de liquide est une valve d'entrée de liquide, depuis ledit conduit traversant ladite plaque de support qui forme un conduit d'entrée de liquide, il est prévu que ladite portion de ladite cavité avant forme une cavité amont de la valve d'entrée de liquide et que ladite plaque de fermeture comporte une portion intacte formant un siège de valve d'entrée, en regard duquel ladite plaquette forme un organe mobile muni d'une ouverture de valve d'entrée en communication avec une portion de ladite cavité arrière formant une cavité aval de la valve. Dans ce cas, de préférence, ladite ouverture de valve d'entrée est située en regard de ladite portion intacte de la plaque de fermeture formant ledit siège de valve d'entrée et le dispositif fluidique comporte en outre un élément anti-adhésion de forme annulaire disposé sur ladite plaquette ou sur ladite plaque de fermeture en entourant ladite ouverture de valve d'entrée dans une position fermée de la valve d'entrée dans laquelle ledit organe mobile est en appui contre ledit siège. Si la valve de liquide est une valve de sortie de liquide, en direction dudit conduit traversant ladite plaque de support et qui forme un conduit de sortie de liquide, il est prévu que ladite plaque de fermeture comporte une portion intacte formant un siège de valve de sortie, en regard duquel ladite plaquette forme un organe mobile muni d'une ouverture de valve de sortie en communication avec une portion de ladite cavité avant formant une cavité aval de la valve.
Dans ce cas, de préférence, ladite ouverture de valve de sortie n'est pas située en regard de ladite portion intacte de la plaque de fermeture formant ledit siège de valve de sortie et le dispositif fluidique comporte en outre un élément anti-adhésion disposé sur ladite plaquette ou sur ladite plaque de fermeture en regard dudit siège de valve de sortie.
Pour que le dispositif fluidique remplisse le rôle d'un filtre de liquide, il est prévu que dans ladite cavité avant sont formées une zone amont du filtre et au moins une zone aval du filtre, séparées entre elles par au moins une paroi de filtre qui s'étend sur toute l'épaisseur de la plaque de fermeture, en regard d'une portion de ladite cavité arrière et dudit organe mobile de la plaquette, et par le fait qu'au moins un élément ponctuel est disposé entre ladite paroi de filtre mince et ledit organe mobile afin d'écarter organe mobile en direction de la cavité arrière, ce par quoi le liquide peut passer de ladite zone amont du filtre à ladite zone aval du filtre par des passages de liquide délimités entre les paroi de filtre mince de la plaque de fermeture et la plaquette, à côté dudit élément ponctuel, en retenant les particules ayant une taille supérieure audits passages de liquide.
Selon un mode de réalisation préférentiel, ladite zone aval du filtre comporte au moins une portion de cavité avant latérale, en ce que ladite zone amont du filtre comporte une portion de cavité avant centrale, et en ce que ledit organe mobile est traversé par un passage de liquide mettant en communication de fluide ladite cavité arrière et ladite portion de cavité avant centrale.
La présente invention concerne également un dispositif micromécanique de type fluidique constituant une micropompe.
Une telle micropompe selon la présente invention comprend un empilement recouvert d'au moins une plaque de fermeture, ledit empilement comportant une plaque de support, une couche intermédiaire sur la plaque de support et une plaquette réalisée en un matériau usinable (de préférence du silicium) et disposée sur la couche intermédiaire, ladite couche intermédiaire étant d'épaisseur constante sur toute sa surface, ladite plaquette s'étendant en regard de toute la surface de ladite plaque de support et étant recouverte de ladite plaque de fermeture, ladite plaque de fermeture et/ou ladite plaquette étant usinée(s) afin de définir, entre ladite plaque de fermeture et ladite plaquette, au moins une cavité avant destinée à être remplie de liquide et comportant une chambre de pompage, au moins une cavité arrière étant définie avec une profondeur de plus de 2μm, entre ladite plaque de support et ladite plaquette, soit par conformation de toute l'épaisseur de ladite couche intermédiaire soit par usinage de la face de la plaque de support tournée vers ladite plaquette, ladite plaque de support et/ou la plaque de fermeture comportant au moins un premier conduit la traversant de part en part et débouchant dans ladite cavité avant et/ou dans ladite cavité arrière, ladite cavité arrière étant au moins partiellement située en regard de la cavité avant, de l'autre côté de la plaquette, afin de définir, dans ladite plaquette, au moins un premier organe mobile apte à se rapprocher, de manière réversible, de ladite plaque de support ou de la plaque de fermeture en regard de la cavité arrière, et soit ladite cavité avant faisant face audit premier organe mobile est en liaison fluidique avec une autre portion de la cavité arrière que celle faisant face audit organe mobile, soit ladite cavité arrière faisant face audit premier organe mobile est en liaison fluidique avec une autre portion de la cavité avant que celle faisant face audit organe mobile, ledit premier organe mobile appartenant au clapet d'un organe de contrôle d'entrée ou de sortie de liquide et ladite cavité arrière s'étendant au moins en regard de toute la surface du premier organe mobile, ladite micropompe comprenant en outre une partie de pompage comprenant des moyens de commande munis d'une membrane de pompage formée dans ladite plaquette, en regard d'une portion de la cavité avant, et mobile de façon réversible en direction de ladite portion de cavité avant pour provoquer, sous la variation de force appliquée à ladite membrane de pompage, une variation périodique du volume de la chambre de pompage, lesdits moyens de commande comprenant, dans la plaque de support, une portion de commande séparée du reste de la plaque de support en étant reliée à la plaquette par une portion de liaison de la couche intermédiaire, et ladite micropompe comprenant en outre des moyens de contrôle de sortie du liquide.
On comprend qu'il est possible de ne pas usiner les surfaces de la plaque de support et de la plaquette en regard de la cavité arrière de sorte que la profondeur de la cavité arrière est strictement contrôlée par l'épaisseur de la couche intermédiaire. Selon d'autres avantageuses dispositions préférentielles de la micropompe selon l'invention, on prévoit également que :
- lesdits moyens de commande sont conformés de façon à limiter le déplacement de ladite membrane de pompage en direction de ladite portion de cavité avant sensiblement à l'épaisseur de la couche intermédiaire ; en particulier, ladite portion de liaison ne recouvre pas toute la surface de ladite portion de commande afin que la zone de la portion de commande non recouverte par ladite portion de liaison forme une butée de poussée venant en appui contre la deuxième face de la plaquette de façon à limiter la déflexion de la membrane de pompage vers la cavité avant ;
- ladite membrane de pompage est formée dans ladite plaquette en regard d'une portion de la cavité arrière en étant mobile de façon réversible en direction de ladite portion de cavité arrière et lesdits moyens de commande sont conformés de façon à limiter le déplacement de ladite membrane de pompage en direction de ladite portion de cavité arrière sensiblement à l'épaisseur de la couche intermédiaire ; en particulier, au moins une zone de la plaque de support adjacente à la portion de commande n'est pas recouverte de la couche intermédiaire afin de former une butée de traction contre laquelle vient en appui la deuxième face de la plaquette de façon à limiter la déflexion de la membrane de pompage vers la cavité arrière ;
-la micropompe comprend en outre au moins un élément anti¬ adhésion disposé sur la face de la plaquette ou de la plaque de fermeture tournée vers la cavité avant ; - ladite plaquette présente au moins un passage la traversant de part en part afin de permettre la communication de liquide entre la cavité avant et la cavité arrière.
Pour que la micropompe comporte un dispositif fluidique remplissant le rôle d'une valve de liquide, on prévoit que ledit conduit traversant ladite plaque de support communique avec une portion de ladite cavité arrière et qu'une ouverture est disposée dans ladite plaquette afin de mettre en communication de liquide ladite portion de cavité arrière avec une portion de ladite cavité avant. Si la valve de liquide est une valve d'entrée de liquide, depuis ledit conduit traversant ladite plaque de support qui forme un conduit d'entrée de liquide, il est prévu que ladite portion de ladite cavité avant forme une cavité amont de la valve d'entrée de liquide et que ladite plaque de fermeture comporte une portion intacte formant un siège de valve d'entrée, en regard duquel ladite plaquette forme un organe mobile muni d'une ouverture de valve d'entrée en communication avec une portion de ladite cavité arrière formant une cavité aval de la valve.
Dans ce cas, de préférence, ladite ouverture de valve d'entrée est située en regard de ladite portion intacte de la plaque de fermeture formant ledit siège de valve d'entrée et le dispositif fluidique comporte en outre un élément anti-adhésion de forme annulaire disposé sur ladite plaquette ou sur ladite plaque de fermeture en entourant ladite ouverture de valve d'entrée dans une position fermée de la valve d'entrée dans laquelle ledit organe mobile est en appui contre ledit siège. Si la valve de liquide est une valve de sortie de liquide, en direction dudit conduit traversant ladite plaque de support et qui forme un conduit de sortie de liquide, il est prévu que ladite plaque de fermeture comporte une portion intacte formant un siège de valve de sortie, en regard duquel ladite plaquette forme un organe mobile muni d'une ouverture de valve de sortie en communication avec une portion de ladite cavité avant formant une cavité aval de la valve.
Dans ce cas, de préférence, ladite ouverture de valve de sortie n'est pas située en regard de ladite portion intacte de la plaque de fermeture formant ledit siège de valve de sortie et le dispositif fluidique comporte en outre un élément anti-adhésion disposé sur ladite plaquette ou sur ladite plaque de fermeture en regard dudit siège de valve de sortie. Pour que la micropompe présente un dispositif fluidique remplissant le rôle d'un filtre de liquide, il est prévu que ladite cavité avant comporte au moins une portion de cavité avant latérale et une portion de cavité avant centrale séparées l'une de l'autre par au moins une paroi de filtre formée dans la plaque de fermeture, et que ledit organe mobile est traversé par un passage de liquide mettant en communication de fluide ladite cavité arrière et ladite portion de cavité avant centrale, ledit organe mobile étant apte à se déplacer entre une première position de fermeture, en appui contre ladite paroi de filtre, dans laquelle ladite paroi de filtre empêche le passage de liquide entre la portion de cavité avant centrale et la portion de cavité avant latérale, et une position d'ouverture, dans laquelle l'organe mobile est déformée en direction de ladite cavité arrière, ce par quoi la portion de cavité avant centrale est en communication de fluide avec la portion de cavité avant latérale à l'emplacement de l'extrémité de ladite paroi de filtre.
Egalement, la présente invention porte sur le procédé de fabrication d'un empilement intermédiaire apte à la formation d'un dispositif microfluidique, comportant les étapes suivantes : a) on fournit une plaque de support en un premier matériau, puis soit (premier mode de réalisation) bl) on réalise sur ladite plaque de support une couche intermédiaire en un deuxième matériau usinable présentant une épaisseur constante, cl) on structure ladite couche intermédiaire afin de former au moins une cavité arrière et au moins une zone intacte, soit (deuxième mode de réalisation) b2) on usine une face de la plaque de support afin de former au moins une cavité arrière avec une profondeur de plus de 2μm, et c2) on réalise sur ladite face usinée de la plaque de support une couche intermédiaire en un deuxième matériau usinable présentant une épaisseur constante, d) on fournit une plaquette réalisée en un matériau usinable et présentant une première face et une deuxième face, e) on fixe de façon étanche par une opération physico-chimique ladite deuxième face de la plaquette à ladite première face de la couche intermédiaire, afin de délimiter dans ladite plaquette au moins une zone située en regard de la cavité arrière et destinée à former un organe mobile apte à se rapprocher, de manière réversible, de ladite plaque de support en direction de la cavité arrière.
Un tel empilement intermédiaire permet en effet avantageusement de permettre la réalisation ultérieure de multiples formes de dispositifs microfluidiques, parmi lesquels une micropompe, en ayant des épaisseurs bien maîtrisées, que ce soit par l'épaisseur de la cavité arrière réalisée dans toute l'épaisseur de la ladite couche intermédiaire, que par le contrôle de l'épaisseur de la plaquette. En outre, un tel empilement intermédiaire permet de fabriquer des dispositifs microfluidiques en réduisant le nombre des étapes de fabrication par rapport à l'utilisation d'un empilement de type SOI.
Selon une avantageuse disposition, ce procédé ci-dessus comporte en outre, après l'étape e), l'étape suivante : f) on usine la première face de ladite plaquette afin de réduire son épaisseur.
De préférence, à l'étape 0/ on amincit la première face de la plaquette par polissage mécanique ou par attaque humide avec ou sans arrêt d'attaque électrochimique. Selon une autre avantageuse disposition, le procédé de fabrication d'un empilement intermédiaire comporte en outre, après l'étape e), l'étape suivante : g) on structure la plaquette depuis la première face par attaque physico-chimique afin de créer des passages en communication avec ladite cavité arrière afin de former au moins un canal fluidique.
Enfin, la présente invention porte sur un procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique à partir d'un empilement intermédiaire obtenu selon le procédé défini précédemment, ce procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique comportant en outre les étapes suivantes : h) on fournit une plaque de fermeture en un matériau usinable présentant une première face et une deuxième face, i) on usine partiellement ladite deuxième face de la plaque de fermeture afin de former au moins une zone usinée délimitant une cavité avant, j) on relie de façon étanche par un procédé physico-chimique, de préférence par soudage de plaque, la deuxième face de la plaque de fermeture à la première face de la plaquette de sorte que la cavité avant et la cavité arrière sont au moins partiellement en regard l'une de l'autre, de part et d'autre de la plaquette, avec communication entre elles à l'emplacement des dits passages, ce par quoi ledit organe mobile est apte à se rapprocher, de manière réversible, de ladite plaque de support en direction de la cavité arrière ou de la plaque de fermeture en direction de la cavité avant, k) on réalise, dans ladite plaque de fermeture et/ou dans ladite plaque de support au moins un conduit la traversant de part en part et en communication avec ladite cavité arrière ou avec la cavité avant.
Selon une avantageuse disposition, ce procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique comporte en outre les étapes suivantes : h) on fournit une plaque de fermeture en un matériau usinable présentant une première face et une deuxième face, i) on usine partiellement ladite deuxième face de la plaque de fermeture afin de former au moins une zone usinée délimitant une cavité avant, j) on relie de façon étanche par un procédé physico-chimique, de préférence par soudage de plaque, la deuxième face de la plaque de fermeture à la première face de la plaquette de sorte que la cavité avant et la cavité arrière sont au moins partiellement en regard l'une de l'autre, de part et d'autre de la plaquette, avec communication entre elles à l'emplacement des dits passages, ce par quoi ledit organe mobile est apte à se rapprocher, de manière réversible, de ladite plaque de support en direction de la cavité arrière ou de la plaque de fermeture en direction de la cavité avant, k) on réalise, dans ladite plaque de fermeture et/ou dans ladite plaque de support au moins un conduit la traversant de part en part et en communication avec ladite cavité arrière ou avec la cavité avant. De préférence, l'épaisseur de ladite couche intermédiaire est comprise entre 3 et 30 μm.
Avantageusement, le procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique comporte en outre, avant l'étape g), les étapes suivantes : fl) on réalise le dépôt d'une couche de matériau anti-adhésion sur la première face de la plaquette ou sur la deuxième face de la plaque de fermeture ; f2) on structure la couche de matériau anti-adhésion afin de former au moins un élément anti-adhésion.
Selon une autre avantageuse disposition, le procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique comporte en outre, avant l'étape k), l'étape suivante : on amincit la deuxième face de la plaque de support par polissage mécanique ou par attaque humide avec ou sans arrêt d'attaque électrochimique.
De préférence, dans ce procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique, on met en oeuvre une ou plusieurs des dispositions suivantes ; ladite couche intermédiaire est en oxyde de silicium ; ladite plaquette est en silicium ; ladite plaquette est d'épaisseur constante sur sa surface et en ce que seulement ladite plaque de fermeture est usinée afin de définir, entre ladite plaque de fermeture et ladite plaquette, ladite cavité avant.
De cette façon, par rapport à l'utilisation d'un empilement de type SOI telle qu'elle est par exemple prévue dans la demande internationale publiée sous le n° WO 01/90577, grâce au procédé de fabrication d'un empilement intermédiaire et à l'utilisation de cet empilement intermédiaire dans le procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique selon l'invention, on met en oeuvre une technique de fabrication plus simple d'un autre type d'empilement, cette technique de fabrication réduisant le nombre des étapes de fabrication par rapport à l'utilisation d'un empilement de type SOI tout en garantissant les épaisseurs des différentes parties du dispositif fluidique et notamment des membranes.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une micropompe formant un dispositif microfluidique selon un premier mode de réalisation de la présente invention,
-les figures 2 à 12 sont des vues en section montrant les différentes étapes de fabrication de la micropompe de la figure 1, -la figure 13 représente une vue en coupe longitudinale et en perspective partielle de la portion de la plaque de support appartenant à l'organe de pompage,
-les figures 14 à 16 sont des vues similaires à celle de la figure 13 montrant l'empilement successif des différentes plaques constituant la micropompe,
- la figure 17 représente une vue en coupe d'un autre type de dispositif fluidique selon la présente invention, formant un filtre,
- figures 18 à 22 qui portent sur une micropompe selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention.
Il est à noter que parmi les différentes étapes de fabrication qui sont décrites, on distingue le terme « usiner », réservé à un usinage, destiné à faire varier l'épaisseur d'une plaque ou de certaines zones d'une plaque, du terme « structurer », réservé à un usinage qui privilégie la conservation de l'épaisseur de la matière d'une couche dans certaines zones et le retrait de toute la matière de cette couche dans d'autres zones.
En outre, pour des raisons de clarté, il doit être relevé que les épaisseurs des différents éléments représentés ont été très largement exagérées sur les dessins de sorte que ceux-ci ne sont pas strictement à l'échelle.
Sur la figure 1 une micro-pompe 100 selon un premier mode de réalisation de l'invention est illustrée uniquement dans sa partie de corps de pompage, les accessoires tels que liaisons fluidiques, système d'amorçage et dispositif de commande, de préférence piézo-électrique, n'étant pas représentés.
La micropompe 100 de la figure 1 forme un empilement qui comporte, de haut en bas, les différentes plaques ou couches suivantes :
-une plaque de fermeture en verre 102 de type « Pyrex » qui est donc transparente,
-une plaquette 104 formée d'un « wafer » mince, réalisé de préférence en silicium, présentant une épaisseur comprise entre 3 et 100 micromètres, de préférence entre 5 et 50 micromètres, de préférence entre 8 et 20 micromètres, - une couche intermédiaire 106 réalisée de préférence en oxyde de silicium et présentant une épaisseur comprise entre 2 et 50 micromètres, de préférence entre 5 et 30 micromètres, et de préférence entre 10 et 20 micromètres,
- une plaque de support 108 réalisée en silicium et présentant une épaisseur comprise entre 200 et 800 micromètres. La plaquette de silicium 104, la couche intermédiaire 106 et la plaque de support 108 forment entre elles un empilement intermédiaire 110.
Cette couche intermédiaire 106 est ici réalisée en oxyde de silicium mais il est possible d'envisager de recourir à tout autre matériau usinable, même le silicium. Il faut noter qu'il est préférable d'employer un matériau différent de celui formant la plaque de support 108 (qui n'est pas forcément usinable), afin d'avoir des comportements différents de ces deux matériaux au cours du micro-usinage (notamment des propriétés de sélectivité par attaque chimique différentes). De même, la plaquette 104 est ici réalisée en silicium mais il est possible d'envisager de recourir à tout autre matériau usinable, tel que le verre, du métal, de la céramique ou du plastique.
La micro-pompe 100 forme un ensemble fluidique intégrant différents organes réalisant ensemble la fonction de pompage et comprenant, d'amont en aval, un organe de contrôle d'entrée de liquide
120, un organe de mesure de pression 130, une partie de pompage 140 et un organe de contrôle de sortie de liquide 150.
En l'espèce, la plaque de support 108 comporte le conduit d'entrée de liquide 121, qui la traverse de part en part, appartenant à l'organe de contrôle de l'entrée de liquide 120 ainsi que le conduit de sortie de liquide 151 qui traverse la plaque de support 108 de part en part et appartenant à l'organe de contrôle de sortie de liquide 150.
Entre ces deux conduits 121 et 151, le liquide délivré par cette micro-pompe va circuler dans certaines portions d'une cavité avant 103 et dans certaines portions d'une cavité arrière 107.
La cavité avant 103 destinée à être en partie parcourue par le liquide est réalisée dans la plaque de fermeture 102.
Plus précisément, la plaque de fermeture 102 comporte une première face 102a (en haut sur la figure 1) et une deuxième face 102b (en bas sur la figure 1) et la cavité avant 103 a été réalisée en gravant par usinage la deuxième face 102b de la plaque de fermeture 102. La cavité avant 103 est formée de plusieurs portions de cavité avant 1032, 1033, 1034, 103s et 103e séparées entre elles de façon étanche sur la figure 1 qui représente la micropompe 100 dans une situation dans laquelle l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120 et l'organe de contrôle de sortie de liquide 150 sont dans leur position fermée.
Le conduit d'entrée de liquide 121 débouche dans la portion de cavité avant 1032 correspondante, qui présente une forme sensiblement annulaire autour du siège 122 de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120, formée d'une portion intacte de la plaque de fermeture 102. La portion de cavité avant 1033 appartient à l'organe de mesure de pression 130 et elle est séparée des autres portions de cavité avant amont 1032 et aval 1034 et 103s par une zone annulaire de la deuxième face 102b de la plaque de fermeture 102 qui n'a pas été usinée (restée intacte). Les portions de cavité avant 1034 et 103s communiquent entre elles lorsque l'organe de contrôle de sortie de liquide 150 est dans sa position ouverte, et elles correspondent respectivement à une partie de la cavité avant 103 appartenant à la partie de pompage 130 et à l'organe de contrôle de sortie de liquide 150. Plus précisément, la portion de cavité avant 1034 est de forme circulaire et elle forme la chambre de pompage située en regard de la membrane de pompage 1044.
La portion de cavité avant 103s est de forme circulaire et elle est délimité par la zone restée intacte dans la deuxième face 102b de la plaque de fermeture 102 et formant le siège annulaire 152 de l'organe de contrôle de sortie de liquide.
La portion de cavité avant 103β est annulaire, entoure la portion de cavité avant 103s et est en communication de fluide avec la chambre de pompage formée de la portion de cavité avant 1034 dont elle forme en quelque sorte une extension.
Egalement, lors de l'opération d'usinage de la deuxième face 102b de la plaque de fermeture 102, sont réalisés d'une part, le siège 122 circulaire de la valve formant l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120, et d'autre part, le siège 152 annulaire de la valve formant l'organe de contrôle de sortie de liquide 150. La cavité ici arrière 107 est entièrement formée dans la couche d'oxyde de silicium 106. En effet, selon une caractéristique essentielle de la présente invention, la couche d'oxyde de silicium 106 est suffisamment épaisse (de 5 à 10 micromètres au moins) pour permettre à elle seule, par structuration, la création de la cavité arrière 107 dans laquelle les organes mobiles, formés dans tout l'épaisseur de la plaquette de silicium 104, vont pouvoir s'abaisser.
La cavité arrière 107 comporte, d'amont en aval, c'est-à-dire de gauche à droite sur la figure 1 : - la portion de cavité arrière 1072 qui est circonscrite à une zone prolongeant le conduit d'entrée de liquide 121,
- la portion de cavité arrière 1073 qui s'étend en regard du siège 122 de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120 et se prolonge en regard de l'organe de mesure de pression 130 (et de la portion de cavité avant 1033 associée) jusqu'à un emplacement situé en regard de l'extrémité amont de la portion de cavité avant 1034,
- la portion de cavité arrière 1074 qui appartient à la partie de pompage 140, forme un volume annulaire en regard de la périphérie de la membrane de pompage 1044 et délimite une portion de liaison IO64 reliant la plaquette de silicium 104 à la plaque de fermeture 102 comme exposé de façon plus détaillée ci-après,
- la portion de cavité arrière 1075/ qui est séparée de la portion de cavité arrière 1074 et qui est située en regard de l'organe de contrôle de sortie de liquide 150, présente la forme d'un volume annulaire situé en regard du siège 152 de l'organe de contrôle de sortie de liquide 150 et autour de ce dernier,
- la portion de cavité arrière 1076 qui se limite à une zone située dans le prolongement du conduit de sortie de liquide 151.
La plaquette de silicium 104 comprend une première face 104a faisant face à la cavité avant 103, et une deuxième face 104b tournée en direction de la cavité arrière 107.
S'agissant de cette plaquette de silicium 104, cette dernière n'a pas été usinée, son épaisseur n'ayant pas été modifiée au cours du procédé de fabrication de la micro-pompe 100. En effet, seuls des passages 123, 124, 141 et 155 ont été percés par structuration de toute l'épaisseur de cette plaquette de silicium 104 pour former des passages de liquide. Plus précisément, le passage 123 permet de mettre en communication de fluide la portion de cavité arrière 1072 et ia portion de cavité avant 1032 au niveau de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120, en amont du siège 122 de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120. Également, le passage de liquide 124, situé en regard du siège 122 de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120, permet de mettre en communication de fluide Ia portion de cavité avant 1032 avec la portion de cavité arrière 1073 lorsque l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120 est en position ouverte. En outre, le passage de liquide 141 relie la portion de cavité arrière 1073 avec la portion de cavité avant 1034. Enfin, le passage de liquide 155, qui est situé dans le prolongement de la portion de cavité arrière 1076 et du conduit de sortie de liquide 151, est en communication de fluide avec la portion de cavité avant 103s. Sur la figure 1, les passages 123, 124, 141 et 155 sont des conduits rectilignes ayant une direction principale perpendiculaire au plan des couches de l'empilement intermédiaire 110.
On note aussi que sur la figure 1, les passages 123, 141 et 155 qui débouchent selon toute la surface de leur section à la fois dans une portion de la cavité avant 103 (en haut sur la figure 1) et dans une portion de la cavité arrière 107 (en bas sur la figure 1). Cependant, on comprend que la fonction de ces passages 123, 141 et 155 (de mise en communication entre une portion de la cavité avant 103 et une portion de la cavité arrière 107) n'est pas modifiée si ces derniers sont situés avec une partie seulement de la surface de leur section débouchant dans une portion de la cavité avant 103 et avec une autre partie seulement de la surface de leur section débouchant dans une portion de la cavité arrière 107. Cette dernière situation qui n'est pas représentée est possible notamment dans une zone où les cavités avant 103 et arrière 107 ne se font pas face mais le passage qui les relie est situé « à cheval » sur la cavité avant 103 par l'une de ses extrémités et « à cheval » sur la cavité arrière 107 par l'autre de ses extrémités.
La plaquette de silicium 104 située entre la cavité avant 103 et la cavité arrière 107 délimite donc différents organes mobiles, à savoir l'organe mobile 1042 de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120 (qui réalise son ouverture par déflexion en direction de la portion de cavité arrière 1073), l'organe mobile 1043 de l'organe de mesure de pression 130 qui peut se fléchir entre la portion de cavité avant 1033 et la portion de cavité arrière 1073, l'organe mobile 1044 de la partie de pompage 140, qui forme la membrane de pompage, et l'organe mobile 1045 de l'organe de contrôle de sortie de liquide 150 (qui permet son ouverture par déflexion en direction de la portion de cavité arrière 1075).
On peut noter que cette plaquette de silicium 104 porte différents éléments anti-adhésion 162, 163, 164 et 165 réalisés en nitrure de silicium et qui sont disposés respectivement en regard des organes mobiles 1042, 1043, 1044 et 1045 formées dans la plaquette de silicium 104 afin d'empêcher, lors d'un contact entre la plaquette de silicium 104 et la plaque de fermeture 102, que chacun des organes mobiles 1042, 1043,
1044 et 104g adhère au fond de la portion de cavité arrière qui lui fait face et ne reste soudé à la plaque de fermeture 102. II est à noter qu'entre les organes mobiles 1042, 1043, 1044 et
1045 précités, la plaquette de silicium 104 est reliée par soudure anodique à la plaque de fermeture 102 réalisée en « Pyrex ».
Les quatre organes de la micro-pompe 100, à savoir l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120, l'organe de mesure de pression 130, la partie de pompage 140 et l'organe de contrôle de sortie de liquide 150, sont séparés entre eux d'amont en aval par les zones non attaquées de la plaque de fermeture 102, à savoir des portions intactes situées entre les portions de la cavité avant 103.
Comme il a été décrit ci-avant, la couche intermédiaire 106 a été structurée pour être entièrement retirée dans son épaisseur dans des zones fonctionnelles relatives aux quatre organes précités, formant les portions de cavité arrière constituant la cavité arrière 107.
La plaque de support 108, qui comporte une première face 108a (en haut sur la figure 1) et une deuxième face 108b (en bas sur la figure 1) n'a pas été usinée sur chacune de ses faces mais elle a été structurée pour former, d'amont en aval et de gauche à droite sur la figure 1, le conduit d'entrée de liquide 121, une découpe 142, le conduit de sortie de liquide 151 et un conduit 156 formant un évent permettant de mettre en relation avec la pression atmosphérique la portion de cavité arrière 1075. Egalement, la plaque de support 108 est structurée pour former un conduit (non visible) la traversant ainsi que la couche 106 et la plaque
104 en débouchant dans la portion de cavité avant 1033 afin de former un évent permettant de mettre la portion de cavité avant 1033 en relation avec la pression atmosphérique.
Cette micro-pompe 100 fonctionne notamment grâce à l'élasticité due à la faible épaisseur de la plaquette de silicium 104 qui forme une membrane flexible et élastique en quatre zones formant chacune un organe mobile de manière réversible : ces quatre organes mobiles permettent chacun l'entrée ou le reflux de liquide au niveau de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120 (organe mobile 1042), de l'organe de mesure de pression (organe mobile 1043), de la partie de pompage (organe mobile 1044 formant la membrane de pompage) et de l'organe de contrôle de sortie de liquide 150 (organe mobile 1045). Ainsi, sur la figure 1, l'organe de contrôle d'entrée de liquide
120 et l'organe de contrôle de sortie de liquide 150 sont illustrés dans leur position fermée, le corps de la valve, formé de l'organe mobile 1042 (valve d'entrée 120) ou 1045 (valve de sortie 150) et de l'élément anti-adhésion 162 (valve d'entrée 120) ou 165 (valve de sortie 150), étant en contact étanche avec le siège 122 (valve d'entrée 120) ou 152 (valve de sortie 150) de la valve correspondante.
L'ouverture de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120, réalisée par la déflexion vers le bas de l'organe mobile 1042, permet, grâce au passage 124, la mise en communication de fluide entre un premier espace, comprenant le conduit d'entrée de liquide 121, la portion de cavité arrière 1072 correspondante, le passage 123 et la portion de cavité avant 1032 correspondante, avec un deuxième espace comprenant la portion de cavité arrière 1073, le passage 141 et la portion de cavité avant 1034 de la partie de pompage 140. L'ouverture de l'organe de contrôle de sortie liquide 150, réalisée par la déflexion vers le bas de l'organe mobile 1045, permet la mise en communication de fluide entre le deuxième espace précité et un troisième espace comprenant la portion de cavité avant 103s, le passage 155, la portion de cavité arrière 1076 et le conduit de sortie de liquide 151. L'évacuation du liquide est alors réalisée par le conduit de sortie de liquide 151 lorsque le corps de la valve, formé de l'organe mobile 104s et de l'élément anti-adhésion 165, s'écarte du siège annulaire 152 par déflection de l'organe mobile 1045 en direction de la portion de cavité arrière 1075.
De manière connue en soi, la commande de la micro-pompe 100 est effectuée par un actionneur piézo-électrique (non représenté) relié à une portion de commande 143 solidaire de l'organe mobile 1044, par la portion de liaison IO64 qui permet le mouvement d'aller-retour de la membrane de pompage 1044, le blocage de la micro-pompe par adhésion et/ou soudure entre la membrane de pompage 1043 et la deuxième face 102b de la plaque de fermeture 102 étant rendu impossible par l'élément anti-adhésion 164 réalisé sous forme d'une surface continue mais qui pourrait présenter la forme de petits îlots répartis régulièrement sur la première face 104a de la plaquette de silicium 104.
Sur la figure 1, la membrane de pompage 1044 est dans une position intermédiaire entre sa position basse et sa position haute, un peu plus près de sa position haute.
Ainsi, grâce à la structure de la micro-pompe 100 qui vient d'être décrite, on comprend que, sans modifier le volume de pompage, et en particulier le volume mort, il est possible, grâce à la cavité arrière 107 formée dans tout l'épaisseur de la couche intermédiaire 106 d'empêcher tout contact entre chaque organe mobile (1042, 1043, 1044 et 1045) et la plaque de support 108.
Pour limiter le mouvement de déflexion en direction de la cavité arrière 107 des organes mobiles, on peut prévoir des éléments de butée ou des éléments anti-adhésion dans le fond de la cavité arrière 107 en particulier pour les portions de cavité arrière 1073 et 1075 situées à l'arrière des organes mobiles 1042, 1043 et 1045, mais cela n'est pas utile pour la membrane de pompage 1044 du fait d'autres dispositions particulières de la partie de pompage 140 présentées ci-dessous. Dans la description qui précède, il n'a été envisagé de réaliser la cavité arrière 107 qu'en structurant la couche intermédiaire 106 (c'est- à-dire sans usiner les surfaces de la plaque de support 108 et de la plaquette de silicium 104 en regard de la cavité arrière 107) afin que cette cavité arrière 107 soit définie strictement par l'épaisseur constante de la couche intermédiaire 106. Cependant, on peut envisager, sans sortir du cadre de la présente invention, que la première face 108a de la plaque de support 108 (et/ou éventuellement la deuxième face 104b de la plaquette de silicium 104) soit usinée afin de participer au volume de la cavité arrière 107. En particulier, là aussi, l'usinage de la première face 108a de la plaque de support 108 est à envisager seulement pour les portions de cavité arrière 1073 et 107s situées à l'arrière des organes mobiles 1042, 1043 et 1045, mais cela n'est pas utile pour la membrane de pompage 1044 du fait des mêmes dispositions particulières présentées ci-dessous.
A titre de comparaison, la cavité avant 103 présente une épaisseur, ou plutôt une profondeur, comprise entre 3 et 30μm, de préférence entre 8 et 20 μm, et avantageusement de l'ordre de 15μm.
Avant de décrire le procédé de fabrication en relation avec les figures 2 à 12, on se reportera aux figures 13 à 16 montrant de façon agrandie la partie de pompage 140 selon la coupe longitudinale de la figure 1. Cette partie de pompage 140 est conformée de façon particulière afin de réaliser une butée à la fois dans la position basse et dans la position haute de la membrane de pompage 1044.
À cet effet, la plaque de support 108 présente la découpe 142 qui sépare sur toute l'épaisseur de la plaque de support 108 la portion de commande 143 du reste de la plaque de support 108.
Dans le cas du mode de réalisation illustré, la partie de commande 143 présente, depuis la première face 102a ou la deuxième face 102b de la plaque de support 108, tout comme la découpe 142, la forme d'une étoile à trois branches (voir la figure 13 présentant une demi- vue).
Afin de relier cette partie de commande 143 à la membrane de pompage 1044, la couche intermédiaire 106a été maintenue dans son intégralité au niveau d'une portion de liaison 1064 circulaire disposée au centre de la portion de commande 143 (voir figure 14). Au niveau de la couche intermédiaire 106, la portion de liaison
IO64 est centrée au milieu de la portion de cavité arrière 1074, elle-même délimitée par une forme d'étoile à trois branches venant se superposer en partie par son contour avec le contour de la découpe 142. Précisément, (voir figure 14) le contour des trois branches de la portion de cavité arrière 1074 est exactement aligné avec le contour de l'extrémité des branches formées par la découpe 142, les branches de la portion de cavité arrière 1074 étant plus courtes, c'est-à-dire que la portion centrale circulaire de la portion de cavité arrière 1074 présente un diamètre plus grand que celui de la portion centrale circulaire de la découpe 142, lui même étant d'une dimension sensiblement similaire au diamètre de la portion de liaison 1064.
De cette façon, les trois branches de la portion de commande
143 forment des butées de poussée 144 pouvant venir, dans la position haute de la membrane de pompage 1044, en contact avec la deuxième face 104b de la plaquette de silicium 104 afin de limiter le débattement vers le haut de la membrane de pompage 1044.
En outre, la zone de la plaque de support 108 adjacente à la portion de commande 143 qui n'est pas recouverte par la couche intermédiaire 106, et qui se trouve donc en dehors de la portion de liaison 143 mais en regard de la portion de cavité arrière 1074, forme trois butées de traction 145 limitant le débattement vers le bas de la membrane de pompage 1044 par contact entre la deuxième face 104b de la plaquette de silicium et la première face 108a de la plaque de support 108.
Ainsi, on comprend que la déflexion vers le haut et vers le bas de la membrane de pompage 1044 est limitée par un double limiteur disposé en dehors de la chambre de pompage (formée de la portion de cavité avant 1034). Cette chambre de pompage est délimitée par la portion correspondante usinée dans la plaque de fermeture 102 et en bas par la membrane de pompage flexible 1044.
La membrane de pompage 1044 formée dans la plaquette de silicium 104 est flexible dans une zone annulaire entourant une zone centrale rigide reliée à la portion de commande 143 par la portion de liaison 1064 de la couche d'oxyde de silicium 106.
Les butées de poussée 144 forment des bras solidaires de la portion de commande 143 s'étendant jusqu'à la découpe 142 ; ces trois butées de poussée 144 permettent donc de limiter la déflexion de la partie annulaire flexible de la membrane de pompage 1044 dans son mouvement vers le haut, c'est-à-dire dans un mouvement de poussée de la partie de commande 143.
Les butées de traction 145 sont disposée de façon adjacente à la découpe 142 et à la portion de commande 143 et limitent donc ainsi le mouvement vers le bas (mouvement de traction) de la portion de commande 143.
Au lieu d'une forme d'étoile à trois branches, la portion de commande 143 peut présente d'autres formes parmi lesquelles une forme d'étoile à deux ou quatre branches.
On se reportera maintenant aux figures 2 à 12 présentant les différentes étapes du procédé de fabrication de la micro-pompe 100 illustrée sur la figure 1.
D'un côté, c'est la plaque de fermeture 102 qui est préparée (figures 2 et 3) tandis que de l'autre côté (figures 4 à 9) c'est l'empilement intermédiaire 110 formé de la plaquette de silicium 104, de la couche intermédiaire 106 et de la plaque de support 108, qui est fabriqué.
Ensuite (figures 10 à 12), la plaque de fermeture 102 est reliée à l'empilement intermédiaire 110 et quelques finitions sont opérées avant la fin complète de la réalisation de la micro-pompe 100 visible sur la figure
12 et qui, par rapport à la micro-pompe 100 de la figure 1, ne comporte pas l'organe de mesure de pression 130.
Concernant la préparation de la plaque de fermeture 102, en premier lieu, comme illustré sur la figure 2, on fournit une plaque de fermeture 102 en verre présentant une première face 102a et une deuxième face 102b polies, la plaque de fermeture 102 présentant une épaisseur comprise entre 300 μm et 600 μm.
Une première série d'étapes de photolithographies (dépôt du masque, structuration du masque, usinage de la plaque en verre 102 par attaque chimique humide au travers du masque, puis retrait du masque) permet d'usiner (voir figure 3) sur la deuxième face 102b de la plaque 102 la cavité avant 103 composée des portions de cavité avant 1032, 1034 (chambre de pompage), 103s et 103e. Comme on peut le constater sur la figure 3, les portions de cavité avant 1032, 1034, 103s et 103e sont séparées entre elles. La portion de cavité avant 1032 est formée d'une portion annulaire entourant le siège 122 de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120, lui même annulaire, et la portion de cavité avant 103s est entourée par le siège annulaire de valve 152 de l'organe de contrôle de sortie de liquide 150. Lors de l'usinage de cette cavité avant 103, outre le siège de valve 122 de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120, est donc également formé le siège 152 de la valve formant l'organe de contrôle de sortie de liquide 150 et qui présente lui aussi la forme d'une saillie annulaire.
Il faut noter que la première face 102a de la plaque fermeture 102 est maintenue intacte et n'est pas usinée.
Afin de former l'empilement intermédiaire 110, est tout d'abord fournie la plaque de support 108 en silicium qui a été préalablement polie sur sa première face 108a. À l'issue de l'étape suivante (voir figure 4), une couche d'oxyde silicium 106 d'une épaisseur de 5 micromètres au moins a été engendrée par oxydation naturelle (dans un four alimenté en oxygène) du silicium, ou par dépôt, sur la première face 108a de la plaque de support 108.
Un tel procédé d'oxydation naturelle permet d'aboutir à une couche d'oxyde silicium d'une épaisseur constante strictement contrôlée sur toute la surface de première face 108a de la plaque de support 108 :le respect de cette épaisseur constante est essentiel pour obtenir un volume de cavité arrière 107 strictement contrôlé dans ses différentes parties
1072, 1073, 1074 , 1075 et 107β et notamment en relation avec la portion de cavité arrière 1074 dont l'épaisseur conditionne (conjointement avec Les butées de poussée 144 et les butées de traction 145) le mouvement maximal de déflexion de la membrane de pompage 1044 en traction et en poussée.
On procède ensuite (figure 5) à la structuration de la couche épaisse d'oxyde de silicium 106 par des étapes de photolithographie (réalisation d'un masque, usinage de toute l'épaisseur de la couche épaisse d'oxyde de silicium 106 par attaque chimique humide au travers du masque, puis retrait du masque) afin de former la cavité arrière 107.
De cette façon, on obtient les portions de cavité arrière 1072,
1073, 1074 , 1075 et 1076 qui sont séparées entre elles par des zones intactes de la couche intermédiaire 106.
On comprend que par l'expression « zones intactes », on entend les portions de la de la couche intermédiaire 106 qui n'ont pas été usinées pour former la cavité arrière 107.
Les portions de cavité arrière 1072 et 1073, correspondent à l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120 et présentent une forme sensiblement circulaire. Les portions de cavité arrière 1075 et 107e correspondent à l'organe de contrôle de sortie de liquide 150, la portion de cavité arrière 1076 présentant une forme sensiblement circulaire et étant entourée par le siège 152, lui même entouré par la portion de cavité arrière 1075 de forme annulaire. La portion de cavité arrière 1074 correspond respectivement à la partie de pompage 140 et présente une forme annulaire, la portion de cavité arrière 1074 entourant la portion de liaison de 1064.
Ensuite, est fournie une plaquette de silicium 104 présentant une épaisseur assez importante comprise entre 100 micromètres et un millimètre. Cette plaquette de silicium 104 est recouverte sur ses deux faces d'une couche fine d'oxyde (104' sur la première face ou face supérieure et 104" sur la deuxième face ou face inférieure).
Cette plaquette de silicium 104 est alors placée sur la couche intermédiaire 106 à laquelle elle est fixée par soudage de plaques (voir figure 6).
Ensuite, la plaquette de silicium 104 est amincie, par exemple par un polissage mécanique et/ou par une attaque humide chimique. A la fin de cette opération d'amincissement (voir figure 7), la plaquette de silicium 104 est mince, son épaisseur étant comprise entre 3 et 100 microns de préférence entre 5 et 50 microns et préférentiellement entre 10 et 20 microns.
A l'issue de l'étape illustrée à la figure 7, compte tenu de la faible épaisseur de la plaquette de silicium 104, les zones de cette dernière situées respectivement en regard de chacune des portions de cavité arrière 1072, 1073, 1074 et 1075 et 1076 forment chacune une membrane souple susceptible de se déformer de manière réversible, ce qui constitue respectivement les organes mobiles 1042, 1043, 1044 et 1045 de la figure 1.
Il faut relever qu'à l'issue de l'étape illustrée à la figure 7 on obtient un empilement intermédiaire 110, formé de la plaque de support 108, de la couche intermédiaire 106 (délimitant des portions de cavité arrière 1072, 1073, 1074 et 1075 et 1076) et de la plaquette de silicium 104 amincie (délimitant des organes mobiles 1042, 1043, 1044 et 1045).
Cet empilement intermédiaire 110 comprend, grâce aux portions de cavité arrière 1072, 1073, 1074 et 1075 et 1076 , des canaux « enterrés » permettant la circulation de fluides, et en particulier de liquides, sous les organes mobiles 1042, 1043, 1044 et 1045. On comprend donc que l'empilement intermédiaire 110 servant de base ici à la fabrication d'un micrompompe, pourrait être utilisé pour fabriquer d'autres dispositifs microfluidiques, notamment mais non limitativement l'un des différents organes réalisant ensemble la fonction de pompage de la micropompe de la figure 1, à savoir un organe de contrôle d'entrée de liquide 120, un organe de mesure de pression 130, une partie de pompage 140 ou un organe de contrôle de sortie de liquide 150.
De manière préférentielle, comme illustré sur la figure 8, des éléments anti-adhésion 162, 164 et 165 sont ensuite disposés sur la première face 104a de la plaquette de silicium 104. Plus précisément, ces éléments anti-adhésion 162, 164 et 165 sont issus d'une couche complète de nitrure de silicium déposée sur la première face 104a de la plaquette de silicium, puis structurée par les étapes de photolithographie et de gravure.
De cette manière, on obtient ;
- un élément anti-adhésion 162 présentant la forme d'un anneau à l'emplacement de l'organe mobile 1042,
- un élément anti-adhésion 164 formant un disque situé en regard de la portion de liaison 1064 de l'autre côté de l'organe mobile 1044 formant la membrane de pompage (cet élément anti-adhésion 164 en forme de disque pourrait être remplacé par des éléments anti-adhésion ponctuels régulièrement répartis),
- un élément anti-adhésion 165 présentant la forme d'un anneau situé en regard de la portion de cavité arrière 107s.
Il est à noter que les éléments anti-adhésion 162, 164 et 165 peuvent être prévus sur la deuxième face 102b de la plaque de fermeture 102 (dans ce cas, les éléments anti-adhésion 162 et 165 sont respectivement déposés sur les sièges de valve 122, pour l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120, et 152 pour l'organe de contrôle de sortie de liquide 150).
Comme illustré sur la figure 9, les passages de liquide 123, 124, 141 et 155 sont ensuite percés à travers toute l'épaisseur de la plaquette de silicium 104 respectivement en regard de la portion de la cavité arrière 1072, au centre de l'élément anti-adhésion 162 et en regard de la portion de cavité arrière 1073, en regard de l'extrémité aval (à droite sur les figures) de la portion de cavité arrière 1073 , et au centre de l'élément anti¬ adhésion 165 et en regard de la portion de cavité arrière 107β . Cette étape de perçage, s'effectue par les techniques de photolithographie , en particulier par attaque sèche de type plasma c'est-à-dire « DRIE ».) L'étape suivante consiste à fixer par soudage de plaque la plaque de fermeture 102 illustrée à la figure 3 sur l'empilement intermédiaire 110 illustré à la figure 9 ce qui aboutit à la situation illustrée à la figure 10 où la micro-pompe 100 est pratiquement entièrement formée. L'avant- dernière étape de la formation de la micro-pompe 100 consiste à amincir la plaque de support 108 depuis sa deuxième face 108b, par exemple par un polissage mécanique ou par attaque chimique humide d'où le résultat visible sur la figure 11. Il faut noter que cette étape d'amincissement de la plaque de support 108 par sa deuxième face 108b est facultative.
Enfin, la deuxième face 108b de la plaque de support 108 subit une série d'étapes de photolithographie (attaque sèche de type plasma, c'est-à-dire « DRIE ») afin de former, par perçage dans toute l'épaisseur de la plaque de support 108, alors que la couche fine d'oxyde 104" sert de couche d'arrêt de cette attaque :
- le conduit d'entrée de liquide 121 qui débouche dans la portion de cavité arrière 1072,
- la découpe 142 qui sépare la portion de commande 143 et les trois butées de poussée 144 du reste de la plaque de support 108, - le conduit de sortie de liquide 151 qui débouche dans la portion de cavité arrière 1076, ce qui met en relation avec l'extérieur le passage de liquide 155 et la portion de cavité avant 103s, et
- le conduit 156 formant l'évent permettant de mettre en relation avec la pression atmosphérique la portion de cavité arrière 1075. Ainsi (voir figure 12), on comprend que la portion de commande 143 pleine est ainsi libérée de la plaque de support 108, ce qui permet son mouvement de bas en haut sur la figure 1, conjointement avec l'organe mobile 1044 qui forme la membrane de pompage.
Ainsi sur la figure 12 on retrouve la structure de la micro- pompe 100 de la figure 1. En particulier, le siège de valve 122 de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120 vient en appui de façon étanche contre l'élément anti-adhésion 162 lorsque l'organe de contrôle d'entrée de liquide 120 est fermé comme illustré sur les figures. Egalement, le siège de valve 152 de l'organe de contrôle de sortie de liquide 150 est en appui de façon étanche sur l'élément anti-adhésion 155 dans sa position de fermeture.
Il est entendu que de nombreuses autres variantes peuvent être apportées au mode de fabrication d'une micro-pompe conforme à l'invention, qui vient d'être décrit en relation avec les figures 1 à 16.
Après l'étape de la figure 12, on peut prévoir de laminer un film souple ou flexible, par exemple en matière plastique, sur l'ensemble de la surface de la deuxième face 108b de la plaque de support et ceci, pour un ensemble de n micropompes qui auront été fabriquées simultanément sur un même « wafer » ou tranche de silicium.
Un tel film souple ou flexible permet de protéger les ouvertures 121, 142, 151 et 156 de la deuxième face 108b de la plaque de support, ainsi que la portion de commande 143 d'une pollution, notamment par des particules pouvant se présenter pendant l'étape de découpe ultérieure entre les micropompes, ou encore pendant le montage des pièces extérieures de commande (commande piézo-électrique et système d'amorçage par exemple) et la liaison fluidique avec les tubes d'amenée et de distribution du liquide.
Pendant l'étape de perçage par attaque sèche de toute l'épaisseur de la plaque de support 108 dont le résultat est visible sur la figure 12, au lieu de se servir de la couche fine d'oxyde 104" comme couche d'arrêt, on peut se servir de zones de la couche intermédiaire 106 laissées intactes lors de l'étape de structuration dont le résultat est visible sur la figure 5.
Ces zones de la couche intermédiaire 106 laissées intactes, correspondent très exactement au prolongement vertical des perçages effectués dans la plaque de support 108, à savoir (pour ceux visibles sur les figures) au prolongement vertical du conduit d'entrée de liquide 121, de la découpe 142, du conduit de sortie de liquide 151 et du conduit 156.
Dans cette alternative de réalisation, il faut prévoir le retrait ultérieur de ces zones de la couche intermédiaire 106 laissées intactes, ce retrait étant réalisé à la fin, par une attaque chimique traitant la couche isolante comme couche sacrificielle. Selon une autre alternative, pouvant se cumuler avec celle qui précède, au lieu de structurer la couche d'oxyde de silicium 106, lors de l'étape de structuration de la figure 5, on peut la laisser intacte à ce moment là et effectuer cette structuration après l'étape de la figure 9, en accédant à la couche d'oxyde de silicium 106 par les perçages 121, 142, 151 et 156 de la plaque de support 108 par une attaque chimique traitant la couche intermédiaire 106 comme couche sacrificielle.
Afin de renforcer la résistance mécanique de l'ensemble pendant l'étape d'amincissement de la figure 7, il est possible de prévoir des piliers de renforts dans la couche d'oxyde de silicium 106, lors de l'étape de structuration de la figure 5. Ces piliers sont enlevés par une attaque chimique après l'ouverture des passages de liquide 123, 124 et 155 dans la plaque de silicium 106 de la figure 9.
Après l'étape de structuration de la couche d'oxyde de silicium 106 de la figure 5, on peut envisager de creuser de façon plus profonde la cavité arrière 107 en usinant sur une partie de son épaisseur les zone de surface correspondantes de la première face 108a de la plaque de support 108, à l'exception de la zone de la première face 108a de la plaque de support 108 faisant face à la membrane de pompage 1044. Selon un avantage de la présente invention, on comprend qu'il est possible de réaliser des passages de fluide, et en particulier des passages de liquide, ayant des épaisseurs strictement contrôlées, avec des variation d'épaisseur strictement contrôlées, selon le nombre de couches structurées au travers desquelles s'effectue le passage de liquide. Ceci permet de réaliser des hauteurs de passages de liquide correspondant à l'épaisseur de la plaque/couche ou de l'ensemble des plaque(s)/couche(s) suivantes :
- seulement la couche d'oxyde de silicium 106 (entre 2 et 50 micromètres) ; - couche d'oxyde de silicium 106 et plaquette de silicium 104 (entre 5 et 150 micromètres) ;
- seulement la plaquette de silicium 104 (entre 3 et 100 micromètres) ;
- plaquette de silicium 104 et la cavité avant 103 dans la plaque de fermeture 102 (entre 6 et 130 micromètres) ; - seulement la cavité avant 103 dans la plaque de fermeture 102 (entre 3 et 30 micromètres) ;
- couche d'oxyde de silicium 106, plaquette de silicium 104 et la cavité avant 103 dans la plaque de fermeture 102 (entre 8 et 180 micromètres).
Grâce à ces dimensions, par les effets de capillarité et de résistance fluidique, il est possible de moduler la vitesse d'écoulement locale et de contrôler le remplissage des cavités.
Il est aussi possible de mettre en communication de fluide (liquide ou gaz) deux zones éloignées de la micropompe. Un exemple d'application est relatif à la possibilité de mettre une première zone de la micropompe à une pression de référence qui est la pression dans une deuxième zone de la micropompe, en reliant ces première et deuxième zones par des canaux de liaison. Ce type de disposition est notamment utilisé dans le cas de réalisation d'une valve à trois orifices (un orifice d'entrée, un orifice de sortie et un orifice de référence).
En référence à la figure 17, on décrit maintenant un filtre pouvant être prévu sur le parcours du liquide, afin de bloquer toute particule indésirable. Un tel filtre micro-usiné permet qu'à la sortie du filtre, le liquide ne contienne pas de particules (par exemple des impuretés) dont la taille, trop élevée, puisse nuire au bon fonctionnement de tous les éléments et organes de la micropompe. En particulier ce filtre permet de retenir les particules de taille trop élevée qui se déplacent vers et à travers un ou des valves ou clapets de la micropompe, afin que le fonctionnement de cette dernière ne soit pas entravé.
Le principe de ce filtre est, comme dans le cas du brevet EP0897357 de réaliser un passage de liquide étroit, en particulier de faible hauteur, qui retienne ces particules. En l'espèce, on prévoit de réaliser dans la cavité avant 103, une zone amont du filtre, séparée d'au moins une zone aval du filtre par au moins une paroi de filtre mince 172 s'étendant sur toute l'épaisseur de la plaque de fermeture 102, en regard d'une portion de la cavité arrière 107 et d'une portion mobile de la plaquette de silicium 104, au moins un élément ponctuel 167 étant disposé entre ladite paroi de filtre mince 172 et la portion mobile de la plaquette de silicium 104, afin d'écarter cette portion mobile de la plaquette de silicium 104 en direction de la cavité arrière 107, les particules pouvant passer de ladite zone amont du filtre à ladite zone aval par des passages délimités entre les paroi de filtre mince 172 de la plaque de fermeture 102 et la plaquette de silicium 104, à côté dudit élément ponctuel 167.
Sur la figure 17 est représenté en coupe transversale une portion d'un mode de réalisation d'un tel filtre 170 qui va s'étendre en direction longitudinale (direction perpendiculaire à la figure 17), de part et d'autre d'un plan de symétrie P, sur une longueur importante augmentée au moyen de replis ou méandres de préférence parallèles à ce plan de symétrie P, afin de permettre le passage du débit de fluide à filtrer.
L'entrée du filtre 170 est située dans une portion de cavité arrière 1077 longitudinale formée d'une zone structurée de la couche intermédiaire 106. La sortie du filtre 170 est réalisée au moyen de deux portions de cavité avant latérales 1037 longitudinales formant chacune une zone aval du filtre, et délimitées dans la plaque de fermeture 102, lors de l'usinage de la deuxième face 102b. Ces deux portions de cavité avant 1037 latérales sont séparées d'une portion de cavité avant centrale 103s longitudinale, formant une zone amont du filtre, par deux parois de filtres minces 172 longitudinales qui vont participer à la formation des barrières ou cloisons du filtre comme il sera expliqué ci après.
En regard des parois de cavité avant 1037 et 103s, et de la portion de cavité arrière 1077 la plaquette de silicium 104 forme un organe mobile 1047 .
Cet organe mobile 1047 présente un passage de liquide 171 formé d'un perçage traversant dans toute son épaisseur la plaquette de silicium 104 en regard de la portion de cavité avant centrale 103s, ce qui permet de mettre en communication de liquide la portion de cavité arrière 1077 et la portion de cavité avant centrale 103s qui forment la zone amont du filtre 170.
Des éléments ponctuels 167 sont disposés autour du passage de liquide 171, en regard d'emplacements localisés le long de la longueur de l'extrémité des parois 172 du filtre 170, soit sur l'extrémité des parois 172, soit sur la deuxième face 104b de la plaquette de silicium 104. Ainsi, de par leur présence, les éléments ponctuels 167 écartent localement l'organe mobile 1047 en direction de la portion de cavité arrière 1077 : un intervalle de passage du liquide est formé le long des parois 172, de part et d'autre des éléments ponctuels 167, entre l'extrémité de cette paroi 172 et la première face 104a de la plaquette de silicium 104 qui se trouve en regard de la paroi 172, en stoppant les impuretés ou les particules dont la taille est supérieure audit intervalle de passage du liquide.
On comprend qu'à tout moment le liquide provenant de la portion de cavité arrière 1077 peut s'écouler (flèches 174 et 175), via la portion de cavité avant centrale 103s, entre l'organe mobile 1047 et l'extrémité des parois 172 du filtre 170, au niveau des intervalles de passage du liquide adjacents aux éléments ponctuels, vers les deux portions de cavité avant latérales 1037 longitudinales. De préférence, afin d'empêcher toute adhésion entre l'organe mobile 1047 et l'extrémité des parois 172 du filtre 170, les éléments ponctuels 167 sont réalisés en un matériau anti adhésion, tel que du nitrure de silicium, de façon à former des éléments anti adhésion ponctuels 167. On comprend que les éléments ponctuels 167 mettent en prétension l'organe mobile 1047 autour du passage de liquide 171, de façon à l'empêcher de pouvoir s'écarter davantage en direction de la cavité arrière et, ainsi, éviter l'agrandissement de l'intervalle de passage des particules. Parmi les variantes pouvant être apportées aux deux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, il convient de noter que l'on peut remplacer les attaques sèches de type plasma ou DRIE par des attaques chimiques humides.
Egalement, les éléments anti-adhésion mentionnés comme étant réalisés en nitrure de silicium peuvent être réalisés dans d'autres matériaux ayant des bonnes propriétés anti-adhésion (matériau réfractaire appartenant de préférence au groupe constitué du nitrure de silicium, du nitrure de titane, du nitrure d'aluminium, du carbure de silicium, de l'oxyde de titane, du carbure de titane, du diamant amorphe (DLC), et du diamant polycristallin) ou encore dans un matériau dont la surface a été traitée de manière physico-chimique (modification de la rugosité pour qu'elle soit supérieure à 0,5 nm rms « root mean square » par exemple par attaque chimique, une attaque plasma ou un bombardement ionique). Concernant la cavité avant 103, la description qui précède ne mentionne son obtention que par le biais de l'usinage de la deuxième face 102b de la plaque de fermeture, mais on peut envisager d'usiner aussi la première face 104a de la plaquette de silicium 104 afin de participer au volume de cette cavité avant 103.
On se reporte maintenant aux figures 18 à 22 qui portent sur une micropompe 200 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 18 est une vue analogue à la figure 1 et les figures 19 à 22 sont des vues représentant certaines étapes du procédé de fabrication de la micropompe de la figure 18, qui diffèrent des étapes correspondantes mises en œuvre pour la fabrication du premier mode de réalisation illustré aux figures 2 à 12.
Sur les figures 18 à 22, les signes de références ont été augmentés d'une valeur 100 par rapport aux signes de référence des éléments correspondant des figures 1 à 17.
Puisqu'il existe une grande similitude entre la micropompe 100 de la figure 1 et la micropompe 200 de la figure 18, seules les différences sont décrites ci-après, les autres aspects décrits précédemment en relation avec la figure 1 étant identiques par ailleurs, hormis le fait que la variante du deuxième mode de réalisation de la figure 18 n'a pas d'organe de détection de pression 130. Cette cavité arrière 207 dont les différentes portions sont réalisées lors de la même étape, présente une profondeur de l'ordre de 10 à 20 micromètres.
La cavité avant 203 présente sur la figure 18 différentes portions identiques à celles se trouvant dans l'exemple du premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, à l'exception de l'absence de la portion de cavité avant correspondante à la portion de cavité avant 1033 de la figure 1, du fait de l'absence d'organe de détection de pression dans le cas illustré du deuxième mode de réalisation.
Sur la figure 18 , on distingue les différentes portions suivantes de la cavité arrière 207 réalisée à partir de l'usinage de la face 208a de la plaque de support 208 tournée vers la plaque de fermeture 202, en plusieurs zones :
- la portion 2072 de cavité arrière se trouve dans le prolongement du conduit d'entrée de liquide 221 et communique avec un passage de liquide 223 réalisé dans la plaque de silicium 204. Cette portion 2072 correspond à une première zone usinée 208i située en regard du conduit 221 et du passage 223 ;
- la portion 2073 de cavité arrière est sensiblement centrée autour du passage de liquide 224 de l'organe de contrôle d'entrée de liquide 220 et s'étend, en aval (à droite sur la figure 18), jusqu'au passage de liquide 241 qui met en communication de liquide l'organe de contrôle d'entrée de liquide 220 et la partie de pompage 240. Cette portion 2073 de cavité arrière correspond à une deuxième zone usinée 2082 de la face 208a de la plaque de support 208 ; - la portion 2074 de cavité arrière présente une forme sensiblement annulaire s'étendant en regard d'une portion annulaire de la membrane de pompage 264 et est réalisée au moyen d'une troisième zone usinée 2084 de la face 208a de la plaque de support 208 ;
- la portion 2075 de cavité arrière présente une forme annulaire en regard de l'organe de contrôle de sortie de liquide 250, en étant centrée sur le passage de liquide 255 participant à l'évacuation du liquide hors de la micropompe 200. Cette portion 2075 de cavité arrière s'étend jusqu'en regard de l'évent 256 formé dans la plaque de support 208 ;
- enfin, la portion 2076 de la cavité arrière correspond à une zone usinée sur une étendue très limitée (cinquième zone usinée 208β de la face 208a de la plaque de support 208) qui se trouve strictement en alignement de ce passage de liquide 255 et du conduit de sortie de liquide 251, de sorte qu'à cet emplacement la plaque de support 208 est percée de part en part, la portion de cavité arrière 2076 et le conduit de sortie de liquide 251 étant réalisés lors d'étapes différentes.
Entre toutes ces portions de cavité arrière 207, la face 208a de la plaque de support 208 tournée vers la plaque de fermeture 202 est maintenue intacte (non usinée) de sorte qu'il subsiste un surplomb de matière séparant entre elles de façon étanche ces différentes portions de cavité arrière. Dans le cas du deuxième mode de réalisation, la couche intermédiaire d'oxyde de silicium 206 est donc limitée à un simple dépôt d'oxyde de silicium sur une faible épaisseur qui est réalisée après l'usinage de la face 208a de la plaque de support 208. Dans le cas de ce deuxième mode de réalisation, comme il apparaît sur la figure 18, on retrouve l'ensemble des autres caractéristiques de la micropompe illustrée à la figure 1, et notamment les dispositions suivantes :
- la portion de liaison 2O64 de la couche d'oxyde de silicium 206 relie la portion de commande 243 à la membrane de pompage 2044 ;
- les butées de poussée 244 et les butées de traction 245 formées dans la plaque de support 208, non pas ici, comme le cas du premier mode de réalisation du fait de l'absence d'une couche intermédiaire 106, car ici la couche intermédiaire 206 s'étend bel et bien sur ces zones, mais de par la présence de la troisième zone usinée 2O84 annulaire qui créée dans ces zones de butée, un espace entre la membrane de pompage 264 et la plaque de support 208 dans le cas où la membrane de pompage 264 est dans une position intermédiaire (la figure 18 représentant la membrane de pompage 264 dans une position relativement proche de la position haute, de sorte que la butée de poussée 244 est quasiment en contact avec la deuxième face de la plaquette de silicium 204).
On se reportera maintenant aux figures 19 à 22 présentant les étapes du procédé de fabrication de la micro-pompe 200 illustrée sur la figure 18, qui diffèrent des étapes de fabrication de la micropompe de la figure 1, précédemment décrites en relation avec les figures 2 à 12, toutes les autres étapes étant par ailleurs identiques hormis le fait que la variante du deuxième mode de réalisation de la figure 18 n'a pas d'organe de détection de pression 130. En effet, là aussi, d'un côté, c'est la plaque de fermeture 202 qui est préparée de la même façon que ce qui a été présenté précédemment en relation avec les figures 2 et 3, tandis que de l'autre côté c'est l'empilement intermédiaire 210 formé de la plaquette de silicium 204, de la couche intermédiaire 206 et de la plaque de support 208, qui est fabriqué. C'est dans la formation de cet empilement intermédiaire 210 que résident les différences entre les deux procédés de fabrication.
Au lieu des étapes représentées sur les figures 4 à 6, on réalise les étapes représentées aux figures 19 à 21 : - figure 19 : on fournit la plaque de support 208 en silicium qui a été préalablement polie au moins sur sa première face 208a, puis qui a subi la formation (par oxydation naturelle ou par dépôt) d'une couche d'oxyde de silicium 211 et 212 de faible épaisseur (au plus 0,5 micromètre) sur la première face 208a et la deuxième face 208b de la plaque de support 208. figure 20 : la couche d'oxyde de silicium 211 de la première face 208a est structurée par des étapes de photolithographie afin d'être retirée dans les emplacements correspondant aux futures première à cinquième zones usinées 208i, 2O82, 2O84, 2O85 et 208e décrites précédemment en relation avec la figure 18. Au cours de la même étape d'attaque chimique permettant de retirer la couche d'oxyde de silicium 211, on forme les première à cinquième zones usinées 208i, 2O82, 2O84, 2O85 et 208β dans la plaque de support 208, sur une profondeur de 10 à 20 micromètres. - figure 21 : on retire les couches d'oxyde de silicium 211 et 212 et on redépose deux nouvelles couches d'oxydes de silicium sur les deux faces 208a et 208b de la plaque de support 208. Sur la face arrière 208b de la plaque de support 208 (en bas sur les figures), c'est une couche arrière 207 et sur la face avant 208a de la plaque de support 208 (en haut sur les figures), c'est la couche intermédiaire 206 dont le profil suit le relief de la face avant 208a qui présente les dépressions formées des première à cinquième zones usinées 208i, 2O82, 2O84, 208s et 2086, et les zones d'épaisseur non modifiée, en surplomb, autour de ces première à cinquième zones usinées 208i, 2O82, 2084, 208s et 208Ô, ce qui délimite, au dessus de la couche intermédiaire 206, les différentes portions de la cavité arrière 207. Ces deux nouvelles couches 206 et 207 ont de préférence une épaisseur plus importante que celle des couches 211 et 212.
Ensuite, on réalise des étapes strictement similaires à la description des figures 7 à 11 en relation avec la plaque de silicium 204 et la plaque de fermeture 202, puis de la formation des conduits traversant de part en part la plaque de support, à savoir, le conduit d'entrée de liquide 221, la découpe 242, le conduit de sortie de liquide 251 et l'évent 256.
La dernière étape illustrée sur la figure 22, est différente de celle illustrée sur la figure 12 uniquement en ce qui concerne la cavité arrière 207, la couche intermédiaire 206 et la face 208a de la plaque de support 208 tournée en direction de la plaque de fermeture 202.
La description détaillée qui vient d'être faite en relation avec les deux modes de réalisation d'une micro-pompe complète révèle en fait le moyen d'obtenir différents dispositifs micro-mécaniques fluidiques, lesquels se trouvent juxtaposés au sein de la micro-pompe 100 ou 200 décrite précédemment.
En effet, cette micro-pompe 100 (200) comprend un organe de contrôle d'entrée de liquide 120 (220), un organe de mesure de pression 130, une partie de pompage 140 (240) et un organe de contrôle de sortie de liquide 150 (250): ces différents organes consistent donc en eux- mêmes indépendamment les uns des autres et chacun un dispositif micro- mécanique fluidique conforme à la présente invention puisqu'il comporte un organe mobile susceptible de se déformer de manière réversible entre une cavité avant et une cavité arrière sans risque, pendant la fabrication et pendant l'utilisation, d'engendrer un contact et/ou une adhésion irréversible entre cet organe mobile et la plaque de support et tout en maîtrisant de façon parfaite l'épaisseur de l'organe mobile issu de toute l'épaisseur de la plaquette de silicium. On comprend également de ce qui précède que la présente invention n'est pas limitée à des dispositifs micro-mécaniques fluidiques mais que le procédé de fabrication à la base de la présente invention peut également s'appliquer à d'autres structures micro-usinées telles que des capteurs de pression, ou des structures capacitives telles que des accéléromètres ou des gyroscopes...

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif microfluidique (120 ; 140 ; 150 ; 170) comprenant un empilement (110) recouvert d'une plaque de fermeture (102), ledit empilement (110) comportant une plaque de support (108), une couche intermédiaire (106) sur la plaque de support (108), et une plaquette (104) réalisée en un matériau usinable et disposée sur la couche intermédiaire (106), ladite couche intermédiaire (106) étant d'épaisseur constante sur sa surface, ladite plaquette (104) s'étendant en regard de toute la surface de ladite plaque de support (108) et étant recouverte de ladite plaque de fermeture (102), ladite plaque de fermeture (102) et/ou ladite plaquette (104) étant usinée(s) afin de définir, entre ladite plaque de fermeture (102) et ladite plaquette (104), au moins une cavité avant (103) destinée à être remplie de liquide, au moins une cavité arrière (107) étant définie avec une profondeur de plus de 2μm, entre ladite plaque de support (108) et ladite plaquette (104), soit par conformation de toute l'épaisseur de ladite couche intermédiaire (106) soit par usinage de la face de la plaque de support (108) tournée vers ladite plaquette (104), ladite plaque de support (108) ou la plaque de fermeture (102) comportant au moins un conduit (121 ; 142 ; 151) la traversant de part en part et débouchant dans ladite cavité avant (103) ou dans la cavité arrière (107), ladite cavité arrière (107) étant au moins partiellement située en regard de la cavité avant (103), de l'autre côté de la plaquette (104), afin de définir, dans ladite plaquette (104), un organe mobile (1042 ; 1044 ; 1045 ; 1047) apte à se rapprocher, de manière réversible, de ladite plaque de support (108) ou de la plaque de fermeture (102) et soit ladite cavité avant (103) faisant face audit organe mobile est en liaison fluidique avec une autre portion de la cavité arrière que celle faisant face audit organe mobile, soit ladite cavité arrière (107) faisant face audit organe mobile est en liaison fluidique avec une autre portion de la cavité avant que celle faisant face audit organe mobile. 2. Dispositif microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire (106), située entre la plaquette (104) et ladite plaque de support (108), présente une épaisseur comprise entre 2 et 50μm, de préférence entre 5 et 30μm, de préférence entre 10 et 20μm.
3. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire (106) est réalisée dans un matériau usinable.
4. Dispositif microfluidique selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite cavité arrière (107) est formée par structuration de ladite couche intermédiaire (106)
5. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaque de support (108) est d'épaisseur constante sur toute sa surface.
6. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite cavité arrière (107) résulte de l'usinage de la face de la plaque de support (108) tournée vers ladite plaquette (104) sur laquelle est disposée ladite couche intermédiaire
(106) présentant une épaisseur comprise entre 0,2 et lμm.
7. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaquette (104) présente une épaisseur comprise entre 3 et 100 μm, de préférence entre 5 et 50μm, de préférence entre 10 et 20μm.
8. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaquette (104) est d'épaisseur constante sur sa surface et en ce que seulement ladite plaque de fermeture (102) est usinée afin de définir, entre ladite plaque de fermeture (102) et ladite plaquette (104), ladite cavité avant (103). 9. Dispositif microfluidique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire (106) est en oxyde de silicium.
10. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaquette (104) est en silicium.
11. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un élément anti-adhésion (162 ; 164 ; 165 ; 167) disposé en regard de ladite cavité avant (103) sur ladite plaquette (104) ou sur ladite plaque de fermeture (102), en regard dudit organe mobile (1042 ; 1044 ; 1045 ; 1047).
12. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit conduit (121 ; 151) traversant ladite plaque de support (108) communique avec une portion de ladite cavité arrière (107) et en ce qu'une ouverture (124 ; 155) est disposée dans ladite plaquette (104) afin de mettre en communication de liquide ladite portion de cavité arrière (107) avec une portion de ladite cavité avant (103).
13. Dispositif microfluidique selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il forme une valve d'entrée de liquide (120) depuis ledit conduit (121) traversant ladite plaque de support (108) qui forme un conduit d'entrée de liquide, en ce que ladite portion (1032) de ladite cavité avant (103) forme une cavité amont de la valve d'entrée de liquide (120) et en ce que ladite plaque de fermeture (102) comporte une portion intacte formant un siège (122) de valve d'entrée, en regard duquel ladite plaquette (104) forme un organe mobile (1042) muni d'une ouverture (124) de valve d'entrée en communication avec une portion de ladite cavité arrière (1073) formant une cavité aval de la valve .
14 Dispositif microfluidique selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite ouverture (124) de valve d'entrée est située en regard de ladite portion intacte de la plaque de fermeture formant ledit siège (121) de valve d'entrée et en ce qu'il comporte en outre un élément anti-adhésion (162) de forme annulaire disposé sur ladite plaquette (104) ou sur ladite plaque de fermeture (102) en entourant ladite ouverture (124) de valve d'entrée dans une position fermée de la valve d'entrée dans laquelle ledit organe mobile (1042) est en appui contre ledit siège (122).
15. Dispositif microfluidique selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il forme une valve de sortie (150) de liquide en direction dudit conduit (155) traversant ladite plaque de support (108) et qui forme un conduit de sortie de liquide, en ce que ladite plaque de fermeture (102) comporte une portion intacte formant un siège (152) de valve de sortie, en regard duquel ladite plaquette (104) forme un organe mobile (1045) muni d'une ouverture (155) de valve de sortie en communication avec une portion (103s) de ladite cavité avant formant une cavité aval de la valve.
16. Dispositif microfluidique selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite ouverture (155) de valve de sortie n'est pas située en regard de ladite portion intacte de la plaque de fermeture formant ledit siège (152) de valve de sortie et en ce qu'il comporte en outre un élément anti-adhésion (165) disposé sur ladite plaquette (104) ou sur ladite plaque de fermeture (102) en regard dudit siège (152) de valve de sortie.
17. Dispositif microfluidique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il forme un filtre (170) de liquide par le fait que dans ladite cavité avant (103) sont formées une zone amont (103s) du filtre et au moins une zone aval (1037) du filtre, séparées entre elles par au moins une paroi de filtre (172) qui s'étend sur toute l'épaisseur de la plaque de fermeture (102), en regard d'une portion de ladite cavité arrière (107) et dudit organe mobile (1047) de la plaquette (104), et par le fait qu'au moins un élément ponctuel (167) est disposé entre ladite paroi de filtre mince (172) et ledit organe mobile (1047), afin d'écarter organe mobile (1047) en direction de la cavité arrière (107), ce par quoi le liquide peut passer de ladite zone amont (103s) du filtre à ladite zone aval (1037) du filtre par des passages de liquide délimités entre les paroi de filtre mince (172) de la plaque de fermeture (102) et la plaquette (104), à côté dudit élément ponctuel (167), en retenant les particules ayant une taille supérieure audits passages de liquide.
18. Dispositif microfluidique selon la revendication 17, caractérisé en ce ladite zone aval (1037) du filtre comporte au moins une portion de cavité avant latérale (1037), en ce que ladite zone amont (103s) du filtre comporte une portion de cavité avant centrale (103s), et en ce que ledit organe mobile (1047) est traversé par un passage de liquide (171) mettant en communication de fluide ladite cavité arrière (1077) et ladite portion de cavité avant centrale (103s).
19. Micropompe comprenant un empilement (110) recouvert d'au moins une plaque de fermeture (102), ledit empilement (110) comportant une plaque de support (108), une couche intermédiaire (106) sur la plaque de support (108) et une plaquette (104) réalisée en un matériau usinable et disposée sur la couche intermédiaire (106), ladite couche intermédiaire (106) étant d'épaisseur constante sur toute sa surface, ladite plaquette (104) s'étendant en regard de toute la surface de ladite plaque de support (108) et étant recouverte de ladite plaque de fermeture (102), ladite plaque de fermeture (102) et/ou ladite plaquette (104) étant usinée(s) afin de définir, entre ladite plaque de fermeture (102) et ladite plaquette (104), au moins une cavité avant (103) destinée à être remplie de liquide et comportant une chambre de pompage (1034), au moins une cavité arrière (107) étant définie avec une profondeur de plus de 2μm, entre ladite plaque de support (108) et ladite plaquette (104), soit par conformation de toute l'épaisseur de ladite couche intermédiaire (106) soit par usinage de la face de la plaque de support (108) tournée vers ladite plaquette (104), ladite plaque de support (108) et/ou la plaque de fermeture (102) comportant au moins un premier conduit (121 ; 151) la traversant de part en part et débouchant dans ladite cavité avant (103) et/ou dans ladite cavité arrière (107), ladite cavité arrière (107) étant au moins partiellement située en regard de la cavité avant (103), de l'autre côté de la plaquette (104), afin de définir, dans ladite plaquette (104), au moins un premier organe mobile (1042 ;1045) apte à se rapprocher, de manière réversible, de ladite plaque de support (108) ou de la plaque de fermeture (102) en regard de la cavité arrière (107), et soit ladite cavité avant (103) faisant face audit premier organe mobile est en liaison fluidique avec une autre portion de la cavité arrière que celle faisant face audit organe mobile, soit ladite cavité arrière (107) faisant face audit premier organe mobile est en liaison fluidique avec une autre portion de la cavité avant que celle faisant face audit organe mobile, ledit premier organe mobile (1042 ;1045) appartenant au clapet d'un organe de contrôle d'entrée (120) ou de sortie (150) de liquide et ladite cavité arrière (107) s'étendant au moins en regard de toute la surface du premier organe mobile (1042 ;1045), ladite micropompe (100) comprenant en outre une partie de pompage (140) comprenant des moyens de commande munis d'une membrane de pompage (1044) formée dans ladite plaquette (104), en regard d'une portion (1034) de la cavité avant (103), et mobile de façon réversible en direction de ladite portion de cavité avant (1034) pour provoquer, sous la variation de force appliquée à ladite membrane de pompage (1044) , une variation périodique du volume de la chambre de pompage (1034), lesdits moyens de commande comprenant, dans la plaque de support (108), une portion de commande (143) séparée du reste de la plaque de support en étant reliée à la plaquette (104) par une portion de liaison (IO63) de la couche intermédiaire (106), et ladite micropompe (100) comprenant en outre des moyens de contrôle de sortie du liquide.
20. Micropompe selon la revendication 19, caractérisée en ce que lesdits moyens de commande sont conformés de façon à limiter le déplacement de ladite membrane de pompage (1044) en direction de ladite portion de cavité avant (1034) sensiblement à l'épaisseur de la couche intermédiaire (106).
21. Micropompe selon la revendication 20, caractérisée en ce que, en ce que ladite portion de liaison (IO63) ne recouvre pas toute la surface de ladite portion de commande (143) afin que la zone de la portion de commande (143) non recouverte par ladite portion de liaison (IO63) forme une butée de poussée (144) venant en appui contre la deuxième face (104b) de la plaquette (104) de façon à limiter la déflexion de la membrane de pompage (1044) vers la cavité avant (103).
22. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisée en ce que ladite membrane de pompage (1044) est formée dans ladite plaquette (104) en regard d'une portion (1074) de la cavité arrière (107) en étant mobile de façon réversible en direction de ladite portion de cavité arrière (1074) et en ce que lesdits moyens de commande sont conformés de façon à limiter le déplacement de ladite membrane de pompage (1044) en direction de ladite portion de cavité arrière (1074) sensiblement à l'épaisseur de la couche intermédiaire (106).
23. Micropompe selon la revendication 22, caractérisée en ce qu'au moins une zone de la plaque de support (108) adjacente à la portion de commande (143) n'est pas recouverte de la couche intermédiaire (106) afin de former une butée de traction (145) contre laquelle vient en appui la deuxième face (104b) de la plaquette (104) de façon à limiter la déflexion de la membrane de pompage (1044) vers la cavité arrière (107).
24. Micropompe selon l'une quelconque des revendication 19 à 23, caractérisée en ce que ladite couche intermédiaire (106) située entre la plaquette (104) et ladite plaque de support (108) présente une épaisseur comprise entre 2 et 50μm, de préférence entre 5 et 30μm, de préférence entre 10 et 20μm.
25. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à 24, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire (106) est réalisée dans un matériau usinable.
26. Micropompe selon les revendications 24 et 25, caractérisé en ce que ladite cavité arrière (107) est formée par structuration de ladite couche intermédiaire (106). 27. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à 25, caractérisée en ce que ladite cavité arrière (107) résulte de l'usinage de la face de la plaque de support (108) tournée vers ladite plaquette (104) sur laquelle est disposée ladite couche intermédiaire (106) présentant une épaisseur comprise entre 0,2 et lμm.
28. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à 27 caractérisée en ce que ladite plaque de support (108) est d'épaisseur constante sur toute sa surface.
29. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à
28, caractérisée en ce que ladite plaquette (104) présente une épaisseur comprise entre 10 et 100 μm, de préférence entre 20 et 60μm, de préférence entre 30 et 50μm.
30. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à
29, caractérisé en ce que ladite plaquette (104) est d'épaisseur constante sur sa surface et en ce que seulement ladite plaque de fermeture (102) est usinée afin de définir, entre ladite plaque de fermeture (102) et ladite plaquette (104), ladite cavité avant (103).
31. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à 30 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un élément anti-adhésion (162, 163, 164, 165) disposé sur la face de la plaquette (104) ou de la plaque de fermeture (102) tournée vers la cavité avant (103).
32 Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à
31, caractérisée en ce que ladite plaquette (104) présente au moins un passage (124, 141, 155) la traversant de part en part afin de permettre la communication de liquide entre la cavité avant (103) et la cavité arrière
(107).
33. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à 32, caractérisée en ce que ladite couche intermédiaire (106) est en oxyde de silicium. 34. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à 33, caractérisée en ce que ladite plaquette (104) est en silicium.
35. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à 34, caractérisée en ce que ledit conduit (121 ; 151) traversant ladite plaque de support (108) communique avec une portion de ladite cavité arrière (107), en ce qu'une ouverture (124 ; 155) est disposée dans ladite plaquette (104) afin de mettre en communication de liquide ladite portion de cavité arrière (107) avec une portion de ladite cavité avant (103).
36. Micropompe selon la revendication 35, caractérisée en ce qu'elle comporte une valve d'entrée de liquide (120) depuis ledit conduit (121) traversant ladite plaque de support (108) et qui forme un conduit d'entrée de liquide, en ce que ladite portion (1032) de ladite cavité avant (103) forme une cavité amont de la valve d'entrée de liquide (120), en ce que ladite plaque de fermeture (102) comporte une portion intacte formant un siège (122) de valve d'entrée, en regard duquel ladite plaquette (104) forme un organe mobile (1042) muni d'une ouverture (124) de valve d'entrée en communication avec une portion de ladite cavité arrière (1073) formant une cavité aval de la valve .
37. Micropompe selon la revendication 36, caractérisée en ce que ladite ouverture (124) de valve d'entrée est située en regard de ladite portion intacte de la plaque de fermeture formant ledit siège (121) de valve d'entrée et en ce qu'elle comporte en outre un élément anti¬ adhésion (162) de forme annulaire disposé sur ladite plaquette (104) ou sur ladite plaque de fermeture (102) en entourant ladite ouverture (124) de valve d'entrée dans une position fermée de la valve d'entrée dans laquelle ledit organe mobile (1042) est en appui contre ledit siège (122).
38. Micropompe selon la revendication 35, caractérisée en ce qu'elle comporte une valve de sortie (150) de liquide en direction dudit conduit (155) traversant ladite plaque de support (108) et qui forme un conduit de sortie de liquide, en ce que ladite plaque de fermeture (102) comporte une portion intacte formant un siège (152) de valve de sortie, en regard duquel ladite plaquette (104) forme un organe mobile (1045) muni d'une ouverture (155) de valve de sortie en communication avec une portion (IO35) de ladite cavité avant formant une cavité aval de la valve.
39. Micropompe selon la revendication 38, caractérisée en ce que ladite ouverture (155) de valve de sortie n'est pas située en regard de ladite portion intacte de la plaque de fermeture formant ledit siège (152) de valve de sortie et en ce qu'elle comporte en outre un élément anti- adhésion (165) disposé sur ladite plaquette (104) ou sur ladite plaque de fermeture (102) en regard dudit siège (152) de valve de sortie.
40. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 19 à 39, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un filtre (170) de liquide par le fait que dans ladite cavité avant (103) sont formées une zone amont (103s) du filtre et au moins une zone aval (IO37) du filtre, séparées entre elles par au moins une paroi de filtre (172) qui s'étend sur toute l'épaisseur de la plaque de fermeture (102), en regard d'une portion de ladite cavité arrière (107) et dudit organe mobile (1047) de la plaquette (104), et par le fait qu'au moins un élément ponctuel (167) est disposé entre ladite paroi de filtre mince (172) et ledit organe mobile (1047), afin d'écarter organe mobile (IO47) en direction de la cavité arrière (107), ce par quoi le liquide peut passer de ladite zone amont (103s) du filtre à ladite zone aval (IO37) du filtre par des passages de liquide délimités entre les paroi de filtre mince (172) de la plaque de fermeture (102) et la plaquette (104), à côté dudit élément ponctuel (167), en retenant les particules ayant une taille supérieure audits passages de liquide.
41. Micropompe selon la revendication 40, caractérisée en ce ladite zone aval (1037) du filtre comporte au moins une portion de cavité avant latérale (1037), en ce que ladite zone amont (103s) du filtre comporte une portion de cavité avant centrale (103s), et en ce que ledit organe mobile (1047) est traversé par un passage de liquide (171) mettant en communication de fluide ladite cavité arrière (1077) et ladite portion de cavité avant centrale (103s). 43. Procédé de fabrication d'un empilement intermédiaire (110) apte à la formation d'un dispositif microfluidique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes ; a) on fournit une plaque de support (108) en un premier matériau, puis soit bl) on réalise sur ladite plaque de support (108) une couche intermédiaire (106) en un deuxième matériau usinable présentant une épaisseur constante, et cl) on structure ladite couche intermédiaire (106) afin de former au moins une cavité arrière (107) et au moins une zone intacte, soit b2) on usine une face de la plaque de support (108) afin de former au moins une cavité arrière (107) avec une profondeur de plus de 2μm, et c2) on réalise sur ladite face usinée de la plaque de support (108) une couche intermédiaire (106) en un deuxième matériau usinable présentant une épaisseur constante, d) on fournit une plaquette (104) réalisée en un matériau usinable et présentant une première face (104a) et une deuxième face
(104b), e) on fixe de façon étanche par une opération physico-chimique ladite deuxième face (104b) de la plaquette (104) à ladite première face de la couche intermédiaire (106), afin de délimiter dans ladite plaquette (104) au moins une zone située en regard de la cavité arrière (107) et destinée à former un organe mobile (1042 ;1043 ; 1044 ; 1045) apte à se rapprocher, de manière réversible, de ladite plaque de support (108) en direction de la cavité arrière (107).
44. Procédé de fabrication d'un empilement intermédiaire (110) selon la revendication 43, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, après l'étape e), l'étape suivante : f) on usine la première face (104a) de ladite plaquette (104) afin de réduire son épaisseur. 45. Procédé de fabrication d'un empilement intermédiaire (110) selon la revendication 44, caractérisé en ce qu'à l'étape f) , on amincit ladite première face (104a) de la plaquette (104) par polissage mécanique ou par attaque humide avec ou sans arrêt d'attaque électrochimique.
46. Procédé de fabrication d'un empilement intermédiaire (110) selon l'une quelconque des revendications 43 à 45, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, après l'étape e), l'étape suivante : g) on structure la plaquette (104) depuis la première face par attaque physico-chimique afin de créer des passages (124, 142, 155) en communication avec ladite cavité arrière (107) afin de former au moins un canal fluidique.
47. Procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique à partir d'un empilement intermédiaire (110) obtenu selon la revendication 46, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes : h) on fournit une plaque de fermeture (102) en un matériau usinable présentant une première face et une deuxième face, i) on usine partiellement ladite deuxième face (102b) de la plaque de fermeture (102) afin de former au moins une zone usinée délimitant une cavité avant (103), j) on relie de façon étanche par un procédé physico-chimique, de préférence par soudage de plaque, la deuxième face de la plaque de fermeture (102) à la première face de la plaquette (104) de sorte que la cavité avant (103) et la cavité arrière (107) sont au moins partiellement en regard l'une de l'autre, de part et d'autre de la plaquette (104), avec communication entre elles à l'emplacement des dits passages (124, 142, 155), ce par quoi ledit organe mobile (1042 ;1043 ;1044 ;1045) est apte à se rapprocher, de manière réversible, de ladite plaque de support (108) en direction de la cavité arrière (107) ou de la plaque de fermeture (102) en direction de la cavité avant (103), k) on réalise, dans ladite plaque de fermeture (102) et/ou dans ladite plaque de support (108) au moins un conduit (121, 142, 151, 156) la traversant de part en part et en communication avec ladite cavité arrière (107) ou avec la cavité avant (103). 48. Procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique selon la revendication 47, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche intermédiaire (106) est comprise entre 3 et 30μm.
49. Procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 47 et 48, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, avant l'étape g), les étapes suivantes ; fl) on réalise le dépôt d'une couche de matériau anti-adhésion sur la première face de la plaquette (104) ou sur la deuxième face de la plaque de fermeture (102) ; f2) on structure la couche de matériau anti-adhésion afin de former au moins un élément anti-adhésion (162 ; 163 ; 164 ; 165) .
50. Procédé selon l'une quelconque des revendications 47 à 49, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, avant l'étape k), l'étape suivante : on amincit la deuxième face de la plaque de support (108) par polissage mécanique ou par attaque humide avec ou sans arrêt d'attaque électrochimique.
51. Procédé selon l'une quelconque des revendications 47 à 50, caractérisé en ce que ladite couche intermédiaire (106) est en oxyde de silicium.
52 . Procédé selon l'une quelconque des revendications 47 à 51, caractérisé en ce que ladite plaquette (104) est en silicium.
53. Procédé selon l'une quelconque des revendications 47 à 52, caractérisé en ce que ladite plaquette (104) est d'épaisseur constante sur sa surface et en ce que seulement ladite plaque de fermeture (102) est usinée afin de définir, entre ladite plaque de fermeture (102) et ladite plaquette (104), ladite cavité avant (103).
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