WO2017125499A1 - Système de mesure de débit d'un liquide et son utilisation - Google Patents

Système de mesure de débit d'un liquide et son utilisation Download PDF

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WO2017125499A1
WO2017125499A1 PCT/EP2017/051092 EP2017051092W WO2017125499A1 WO 2017125499 A1 WO2017125499 A1 WO 2017125499A1 EP 2017051092 W EP2017051092 W EP 2017051092W WO 2017125499 A1 WO2017125499 A1 WO 2017125499A1
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WO
WIPO (PCT)
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pressure
liquid
membrane
gas
fluid
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/051092
Other languages
English (en)
Inventor
Maël LEBERRE
Mathieu VELVE CASQUILLAS
Original Assignee
Elvesys
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elvesys filed Critical Elvesys
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Priority to US16/072,117 priority patent/US10677622B2/en
Publication of WO2017125499A1 publication Critical patent/WO2017125499A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G01F1/48—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by a capillary element

Definitions

  • the present invention relates to a system for measuring the microfluidic flow of a liquid using a pressure measurement of a gas on the one hand and a measurement of the pressure of the liquid on the other hand. It relates more particularly to a system for measuring the flow of a liquid in a microfluidic circuit, the flow measurement according to the invention being fast, accurate, and much simpler to implement than the known methods of flow measurement. adapted to microfluidic flow rates. Moreover, this method of flow measurement allows a fast servocontrolling of the measured flow rate, that is to say a flow control of the liquid.
  • the invention also relates to a fluid pressure sensor, preferably a liquid, and a differential pressure sensor for two fluids, in particular a gas and a liquid when it is implemented in the flow measurement system according to the invention. the invention.
  • the invention also relates to a tank assembly and pressure sensor integrated in the tank cap, a capillary-type pipe acting as a hydraulic resistor at least partially connecting the liquid of the tank to an input of the sensor.
  • aspects of the invention relate to the use of the measurement and / or flow control system as well as the use of the pressure sensor, in simple or differential form, in applications such as perfusion of a cell culture, reagents in a chemical reactor, control of clogging of microfluidic pipelines, or the production of a high-speed drop generator.
  • Pressure sensors are described for example in patents US5515735, US8403908, or WO9740350 and are useful for measuring the flow of liquids using two liquid pressure sensors measuring the pressure drop of the liquid in a pipe or through restrictions of various forms.
  • the article titled "Design and Fabrication of a MEMS Flow Sensor and Its Application in Accurate Liquid Dispensing of Yaxin Liu et al - State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin, China” the authors measure this difference in pressure downstream of a liquid reservoir pressure controlled using two liquid pressure sensors.
  • Differential pressure sensors for example using two pressure sensors separated by a restriction can have very low response times ( ⁇ 10 ms) and accuracy ( ⁇ 5% FS) but these sensors are complex to realize in a micro application fluidic in a single sensitive element because it is necessary to integrate in this single element two pressure sensitive elements and a restriction on the same micro fluidic chip.
  • they require the use of a restriction of very small diameter to induce a large pressure drop in a compact space, which causes a frequent blocking of this restriction, making them unreliable and difficult to implement. It is for these reasons that no satisfactory solution, simple, reliable and easy to perform micro fluidics is available today on the market.
  • the system for measuring the microfluidic flow of a liquid in a microfluidic circuit according to the invention is characterized in that it comprises:
  • the output of the pressure sensor means delivering a signal which is a function of the pressure difference (P1- P2) which is representative of the flow rate of liquid P2 pressure delivered to the microfluidic circuit.
  • the invention provides a method for rapid and accurate measurement of a flow of liquid leaving a pressure vessel, using a single measurement of pressure at the liquid level. This measurement is performed at the outlet of the liquid reservoir to be dispensed in the microfluidic circuit located downstream of the reservoir.
  • the pressure of the liquid in the tank is controlled by means of a pressurized gas preferably placed above the liquid and forming a gaseous surface above this liquid and means of pressure loss such as a channel preferably in the form of a restriction producing a loss of charge when the liquid flows in it.
  • the flow measurement according to the invention is carried out using a means for measuring the difference between the pressure P0 of the gas, measured in the reservoir and the pressure P2 of the liquid measured downstream of the hydraulic resistance restriction Rh
  • the term "restriction” means according to the invention, a pipe or other means causing a pressure drop during the flow of the liquid in this restriction or, more generally, after passing through means of pressure drop, the two terms being employees indifferently).
  • the pressure difference (P1-P2) is translated by means of suitable pressure measurement into a signal (for example electrical) of amplitude (for example) proportional to the (or function of) flow coming out of the restriction.
  • the hydraulic resistance Rh is preferably according to the invention greater than 1.2 ⁇ 10 10 Pa.sL "1 power in order to maintain the flow rate of microfluidic liquid in a reasonable range of pressures
  • this resistance will consist of a capillary tube cylindrical inner diameter less than about 300 ⁇ and / or a microfluidic channel integrated into a microfluidic chip, preferably of square section and height less than about 300 ⁇ .
  • the cavity in which is housed a pressure sensitive element (pressure sensor) and in which preferably passes the pressure liquid P2 preferably has a small internal volume, more preferably less than 50 ⁇ , in order to limit the filling times and / or liquid transfer.
  • the term "means for measuring pressure” denotes a set of one or more "pressure sensors” as well as their control electronics and / or a computer specially configured to perform the equivalent operations, allowing (according to the embodiments of the invention) to measure the pressure of the liquid and / or the gas and to output a signal proportional to (P1-P2).
  • pressure sensor means which consist of one or more “pressure sensors” which designate a mechanical assembly in which the fluid (gas or liquid) flows into a cavity in which is placed a pressure-sensitive element (“pressure sensor”) which transforms the pressure exerted by the fluid on this element into a signal, usually electric.
  • the pressure sensor means can take different forms: they can be constituted by two pressure sensors, the difference between the measured pressures is calculated for example using a differentiating electronic circuit or a computer specially configured to calculate the flow rate of liquid exiting the restriction, applying the formula above.
  • the flow measurement method according to the invention has the advantage of using a single measuring element in contact with the liquid downstream of the restriction, this element being of simple and inexpensive constitution.
  • the restriction is not disposed in the liquid pressure sensor, but upstream of it in a liquid circuit portion that is not yet microfluidic (c). that is to say which has a pipe diameter greater than about 23 micrometers, diameter commonly used in micro fluidic) which allows to use a size restriction (diameter) greater than when it is part of the microfluidic network, ( preferably greater than 50 ⁇ more preferably greater than 100 ⁇ ) thus limiting the risk of clogging of the restriction and therefore of the microfluidic circuit.
  • the diameter of the capillary used is very dependent on the range of microfluidic fluid flow that is to be measured, knowing that the flow rate in the capillary is changing at the power of the diameter of the capillary.
  • a Capillary diameter of 23 microns corresponds to a water flow measurement scale of about 1 microliter per minute for a capillary length 135 mm, which corresponds to the most sensitive flow sensors commercially available to date.
  • the invention enables the diameter of the iso-flow resistance to be multiplied by three, which is a considerable advantage to avoid clogging of the restriction.
  • the flow measurement system according to the invention makes it possible to achieve a very good compromise between reliability, speed and accuracy while maintaining a low cost.
  • the pressure measuring means can be constituted according to a variant of the invention, by a set of two pressure sensors Px each delivering a digital or analog Sx signal representative of the pressure of the gas or the pressure of the liquid, the calculation of the difference in amplitude between the signals being carried out, in a manner known per se, using a computer in the case of digital signals or a subtractor circuit in the case of analog signals.
  • liquid pressure sensors it will be possible either to use known pressure sensors for liquids, or to use the pressure sensor according to the invention (which will be described below). It is also possible to use differential pressure sensors for measuring the difference in pressure between gas and liquid, either of already known shape or according to a variant of the sensor according to the invention.
  • the pressure difference can also be measured using a differential pressure sensor.
  • This embodiment makes it possible to use only one pressure sensor and to overcome in particular the measurement of the absolute value of the pressure of the liquid and the gas. We can then use a sensor adapted to the measurement of a lower pressure range which makes the measurement of the pressure difference more accurate.
  • the pressure sensor means can also use the same signal as that used to regulate the pressure of the gas in the tank with the aid of an adjustable pressure regulator.
  • the measurement of the pressure upstream of the restriction, and consequently the measurement of the liquid flow can be corrected by the height of the liquid in the reservoir which induces a pressure difference.
  • the liquid height can be kept fixed at a predetermined known value, measured with a sensor or deduced from an initial height of liquid in the reservoir and the accumulated flow leaving the reservoir.
  • the flow measurement is used to precisely and rapidly control the microfluidic liquid flow rate, with the aid of an adjustable gas pressure generator and a control system controlling the flow of the fluid.
  • liquid to a set value (possibly adjustable) using for example a PID type circuit.
  • the gas constituting the gaseous sky above the liquid will generally be compressed air, possibly depleted of oxygen (that is to say containing less than 21% by volume of oxygen) (preferably free of its solid impurities and / or liquids using suitable filters, such as those used to filter the atmosphere of clean rooms).
  • the liquid will be sensitive to oxidation and / or comprise elements that may be modified by the presence of oxygen (or any oxidizing agent) on contact, it will preferably be used as gas constituting the gaseous sky above the liquid (and to "push" the liquid to the microfluidic circuit) an inert gas selected from nitrogen, argon, rare gases (Kr, Xe, Ne, ...) and / or mixtures thereof.
  • the invention also relates to a pressure sensor comprising a support (200) provided with a housing in which are disposed a deformable membrane (206) associated with means for measuring the deformation of the membrane (212), the membrane being able to deform under the action of a fluid under pressure, preferably a liquid, preferably applied to the upper surface (231) of the membrane (206), the means for measuring the deformation of the membrane (205) being electrically connected to electrical contacts (202, 203) for collecting an electrical signal depending on the pressure of the fluid, characterized in that the upper surface (231) of the membrane (206) defines in the housing of the support (200) the lower face a cavity (208) also having an upper face, cavity in which open two separate conduits respectively inlet (215) and departure (216) (or vice versa) of a fluid, allowing the flow t fluid in contact with the upper surface (231) of the membrane (206) and in that the sensor comprises a seal (210) disposed laterally around the walls of the housing (200) between the upper surface of the crown (205) holding the membrane (20
  • the cavity is substantially devoid of any dead volume so as to avoid the formation of bubbles in the fluid.
  • the membrane will preferably be a flexible silicon membrane.
  • the means for measuring the deformation of the membrane (212) comprise elements sensitive to the deformation of the membrane such as elements made of piezo-resistive material.
  • the means for measuring the deformation of the membrane (212) fulfill a function of transducers which transform a deformation (extension) of the membrane into an (electrical) signal proportional to (or function of) the amplitude of this deformation.
  • these means will preferably comprise elements sensitive to the deformation of the membrane, such as for example elements made of a piezoresistive material, deposited in a thin layer or implanted in the membrane. They can be arranged according to a simple diagram or to optimize their accuracy, for example using a Wheatstone bridge to improve sensitivity, or integrating other elements, for example to compensate for the effect of temperature on the measurement.
  • the membrane and the means for measuring the deformation may be covered with an electrically insulating layer, to protect them from the electrical conductivity of a liquid in contact, for example water, which could disturb the measurement.
  • the means for measuring the deformation of the membrane are preferably electrically connected outside the sensor to the electrical contacts.
  • the cavity may for example be of parallelepipedal shape with the two pipes positioned in two opposite upper angles, or of cylindrical shape with the two pipes positioned diametrically opposite, or in the form of a channel connecting the two pipes.
  • the means for measuring the deformation of the membrane may take other suitable forms such as capacitive, vibrating means, etc.
  • the volume of the cavity will be less than 50 microliters, preferably less than 10 microliters, more preferably less than 5 microliters. In all cases, a cavity with a volume as small as possible will be made, but generally greater than 0.1 microliter.
  • the senor will preferably be provided with a seal disposed laterally around the walls of the housing between the upper surface of the membrane (or pressure sensor) and the upper face of the cavity.
  • the sensor comprises a space disposed under the membrane allowing it to move under the action of the pressure of the fluid injected into the sensor.
  • the inlet and outlet pipes of fluid in the cavity form an angle of between approximately 10 ° and 90 °, preferably between 20 ° and 70 ° and more preferably between 40 ° and 50 °, with the upper surface of the membrane.
  • the support will be crossed by an inlet pipe of a second fluid, a first end of which comes close to the lower surface of the membrane.
  • This second fluid may be selected from air at atmospheric pressure (vent function) and / or a liquid or a gas including air, preferably at a different pressure, for example greater than atmospheric pressure.
  • the space (207) will be provided with an outlet vent (204).
  • the end of the inlet pipe (204, 207) located on the side opposite to the membrane (206) (the second end) will be provided with a fluidic connector (223), so as to be able to Sealing the second fluid in the pressure sensor, especially when it is under pressure, for example a gas.
  • the invention also relates to a flow measurement assembly which is characterized in that it comprises a tank provided with a plug in which is integrated a sensor according to the invention, so as to be secured to the plug, the latter being by Moreover traversed by a capillary acting as a restriction, opening into the liquid inlet pipe, near the cavity of the sensor. It also relates to a system integrating the flow measurement assembly. Preferably, the restriction is disposed upstream of the pressure sensor means.
  • the invention also relates to a system for measuring the flow rate of a liquid (3) in a microfluidic circuit (17), characterized in that it comprises a pressure sensor according to the invention.
  • the system according to the invention uses the measurement of the pressure P1 of a gas maintaining under pressure a liquid flowing in a restriction and leaving it at a pressure P2 less than P1 to control the pressure. flow of this liquid. More generally, it relates to the use of the gas sensor according to the invention to control the flow of fluid at the inputs and / or outputs of a microfluidic chip.
  • FIG. 1 a first schematic representation of the microfluidic liquid flow measurement system according to the invention
  • FIG. 2 a second schematic representation of the microfluidic liquid flow measurement system according to the invention
  • FIG. 3 a third schematic representation of the microfluidic liquid flow measurement system according to the invention
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of a microfluidic liquid flow control system according to the invention.
  • FIG. 5 a schematic example of a measurement of the flow of microfluidic liquid according to the invention
  • FIG. 6 an example of a microfluidic liquid flow rate control according to the invention
  • FIGS. 7a and 7b respectively a sectional view of a flow sensor and of a differential flow sensor according to the invention
  • Figure 8 is a sectional view of a reservoir system provided with a capillary tube and a flow sensor according to Figure 7a.
  • FIG. 9 a curve representing the measured flow rate as a function of the pressure difference P1-P2.
  • means for generating a gas under controlled pressure 1 are connected on the one hand by the pipe 6 to the upper part 4 (or sky gas) of the tank 2 whose lower part is filled with liquid 3 (to be circulated in the micro fluidic chip 17) in contact with the gas of the gaseous sky 4 and secondly by the pipe 25 to a first inlet 18 of a differential pressure sensor 13.
  • a pipe 8 leaving the tank 2 and extending through the pipe 10 which has a restriction 9 having a hydraulic resistance Rh (in practice, the elements 8, 9 and 10 can be grouped into a single element, for example a capillary tube immersed in the liquid 3 hydra resistance Rh, the pressure of the liquid 3 being equal to P2 at the outlet of the capillary) and which then extends on the one hand by the pipe 11 connected to a second inlet 19 of the differential pressure sensor 13 and on the other hand by a micro fluidic channel 12 whose end supplies power to the circuit (or "chip”) micro fluidic 17.
  • the differential pressure sensor 13 (an exemplary embodiment of which will be described below in FIG.
  • This liquid flow measurement signal 15 may for example be displayed on a digital display (not shown in FIG. 1) and / or used (via the dotted line 16 in FIG. 1) to control / regulate the gas pressure. 4 by the means 1.
  • the flow of liquid 3 at the inlet of the microfluidic chip 17 can thus be simply controlled by varying the pressure PI of the controlled pressure gas generator 1 by means of the pressure regulator / regulator disposed at the outlet of this generator.
  • the hydraulic resistance is preferably higher than 1.2x10 power Pa.sL 10 "1.
  • the hydraulic resistance Rh is constituted by a cylindrical capillary inner diameter preferably below 300 ⁇ and / or a channel micro fluidic integrated in a chip of square section and height less than 300 ⁇ .
  • the means for measuring the liquid pressure will preferably comprise a small volume of internal liquid, preferably less than 50 ⁇ to limit the filling and liquid transfer times.
  • FIG. 2 is a variant of the system shown diagrammatically in FIG. 1.
  • the same elements bear the same references and fulfill the same functions.
  • the differential pressure sensor 13 consists of two pressure sensors 20 and 21, the difference of the respectively measured pressure values being calculated for example by means of a differentiating electronic circuit or a specially configured digital computer. 33.
  • any type of pressure sensor well known to those skilled in the art that can measure the pressure of a fluid (gas or liquid) can be used to measure the amplitude of the pressures PI or P2, in so far as it delivers a signal S, preferably electrical, whose value is a function of (for example proportional to) the amplitude of the measured pressure.
  • the sensor 20 receives the gas 4 directly on its input 18 and delivers an analog signal (or digital) SI on the line 22 to a first input 31 of a differentiating circuit 33 (or respectively a computer specially configured to perform the operation subtraction) whose output 34 is connected to the input of the flow calculation means 15 (with or without a digital display) via the line 14.
  • the second input 32 of the circuit 33 receives the signal S2 delivered on the line 23.
  • FIG. 3 is another alternative embodiment of the system of FIG. 2, in which pressure setpoint means 30 are provided which generate a pressure reference signal the means 1 for generating a pressurized gas (here these means generate a variable pressure and controlled as a function of the set value), this pressure reference signal allowing on the one hand to regulate the pressure of the gas to the desired value PI and secondly via the line 22 to provide the input 31 of the circuit or computer 33 a signal whose amplitude (for example) is that of the pressure PI gas.
  • the other elements of the system of FIG. 2 remain unchanged in this FIG.
  • FIG. 4 is a variant of FIG. 1 in which flow control means 40 have been interposed between the means
  • the flow measurement can be corrected by the height of the liquid in the tank which induces a parasitic hydrostatic pressure difference not originating from the pressure drop across the hydraulic resistance Rh.
  • the height of the liquid can for example be maintained fixed and known a priori, measured with a sensor or deduced from an initial height and cumulative flow out of the tank.
  • this method of flow measurement can be used to accurately and quickly control a microfluidic liquid flow rate by means of an adjustable pressure gas generator and a control system 40 controlling the flow rate according to a setpoint (for example). PID example).
  • FIG. 5 shows a first practical example of embodiment of the system according to the invention, in which the means 1 are a pressure controller sold under the trade name ELVEFLOW OBI (ELVEFLOW is a trademark registered by ELVESYS) acting in a pressure range (relative) of 0 to 2 bar (0 to 2x10 power 5 Pascal) which controls the pressure of the gas from a gas source (not shown in the figure) to the desired value.
  • ELVEFLOW OBI ELVEFLOW is a trademark registered by ELVESYS
  • the pressure restriction means 8, 9, 10 consist of a capillary tube made of thermoplastic material, for example of the polyetheretherketone (or PEEK) type, of internal diameter equal to 150 micrometer and of length 0.135 m immersed by a first end in the liquid 3 and feeding at its other end a liquid pressure sensor 50 of the "through" type as described hereinafter in FIG. 7 delivering liquid 3 at its outlet on the pipe 12 at a flow rate that can vary between 0 and 1.15 mL / min.
  • PEEK polyetheretherketone
  • This sensor 50 also delivers an analog electrical signal proportional to the pressure P2, via the line 52 to the acquisition module 51 with the trade name "Elveflow SensorReader” which transforms the analog signal into a digital signal representing the value of the pressure P2 and sends this information via the line 53 to the computer 54 specially configured to perform the operations that will be described below.
  • the computer 54 also receives, via the line 58, information in digital form representing the value of the pressure P 1 imposed on the gaseous surface 4 via the means 1 and 5 and the line 59 which transmits the reference value of the pressure P 1 to the means 1
  • the computer carries out the operations of subtraction of the pressures PI and P2 then of calculation of associated flow (as explained above) and of possible addition of multiplying coefficients in order to obtain (and to display if necessary) the liquid flow 3 (which will be injected into the microfluidic circuit 17) using the means 55.
  • the pressure setpoint for the means 1 is entered in the memory 56 of the computer 54 for example using the alphanumeric keyboard connected to the computer 54.
  • FIG. 6 is an exemplary embodiment of the invention making it possible to rapidly control the flow rate of the liquid 3 in the microfluidic circuit 17.
  • the same PEEK capillary with an internal diameter of 150 microns and a length of 0.135 m is used. to create a restriction of hydraulic resistance Rh.
  • the differential pressure sensor 13 as described hereinafter in FIG. 7b is used here, with the gas and liquid inlets, respectively 18 and 19, the liquid 3 passing in contact with the membrane. piezo resistive sensor and emerging through the pipe 12 towards the micro fluidic circuit.
  • the gas is in contact with the membrane on the side opposite the liquid and thus maintains a pressure thereon opposite the pressure exerted by the liquid on the other side thereof.
  • FIG. 7a is a sectional view of the pressure sensor according to the invention.
  • the sensor 213 has a lower portion 200 and an upper portion 211.
  • the lower portion 200 has a lower face 201 and an upper face 230.
  • a space 207 is delimited by the upper face 230 and the lower face of the low membrane 206.
  • the membrane 206 deformable under the action of a fluid under pressure is a flexible silicon membrane supported by a thicker ring 205, the assembly integrating the means for measuring the deformation of the membrane 212 which comprise elements sensitive to the deformation of the membrane such as elements made of a piezoresistive material.
  • this ring 205 bears on the one hand on the upper face 230 of the lower part 200, so as to delimit laterally the space 207, and on the other hand on the ends of the electrodes 202, 203 embedded in this upper face 230 (or simply placed on it).
  • an electrically conductive element such as a seal or a conductive adhesive (which is not shown in the figure) for the electrical connection of the sensitive elements.
  • a support 209 which may be integral with the lower portion 200 having a through opening on the side wall 231 which is supported by the side face 232 of the ring 205.
  • the upper face of the membrane 206 is extended on the upper part of the ring 205 forming a single flat surface to the side wall 231 (In practice, the elements 205 and 206 are made in the same block of silicon by etching, as described in the NKBATH document cited above, on page 121.) on which is supported a seal 210 in the form of a square ring delimiting a cavity 208 placed substantially above the membrane 206 and opening thereon.
  • the space 207 gives the necessary deflection to the membrane 206 when it is hollowed under the effect of the force exerted by the pressure liquid P2 on the membrane 206.
  • the space 207 which has an air outlet vent 204 trapped in this space remains in fluid communication with the external environment in order to maintain a pressure always equal to the atmospheric pressure, regardless of the pressure exerted by the membrane.
  • This vent may also be connected (via a pipe not shown in the figure for example) to a source of gas (air, inert gas, etc.) having a pressure equal to or different from the atmospheric pressure.
  • a source of gas air, inert gas, etc.
  • the sensor makes it possible to measure the relative pressure of the liquid (and not its absolute pressure).
  • the sensor makes it possible to measure a pressure difference between the liquid and the gas.
  • the sensor 213 has an upper portion 211 (pipe support) whose lower face has a projecting portion 214 which is housed at the top of the opening defined by the side wall 231 bearing laterally on the seal 210 and closing the cavity 208 in a fluid-tight manner (in particular liquids).
  • Opening into this cavity 208 in its upper part are two pipes respectively 215 and 216 which extend approximately 45 ° outwards from the upper part 211 via the microfluidic connectors 10/32.
  • UNF and their respective ferrules 221 and 222 and microfluidic capillary tubes 217 and 218 which pass respectively through the bodies 219 and 220 of the connectors which are screwed for example into the pipe support 211 to ensure fluid sealing.
  • the pressure liquid P2 is injected via the pipe 215 which fills the cavity 208 and then leaves via the pipe 216 (or vice versa) towards the microfluidic circuit 17 and which exerts a thrust (downwards on the figure) on the upper face of the membrane 208 proportional to the pressure P2.
  • FIG. 7b is a sectional view of the differential pressure sensor according to the invention, similar to that described in FIG. 7a but whose opening 204 is provided in its lower part with a fluid connector 223 for receiving a second fluid, preferably a gas, preferably under pressure, in the space 207.
  • the sensor 213 has a lower portion 200 and an upper portion 211.
  • the lower part 200 has a lower face 201 pierced substantially at its center with a conduit 204 of fluid (preferably a gas, such as gas 4) opening into a cavity 207 delimited in its upper part by the lower face of the membrane 206 and laterally held by a ring 205 extending the membrane 206 and secured thereto.
  • the lower part of this ring 205 rests on the upper face 230 of the lower part 200, so as to create the cavity 207 and surround the upper end of the conduit 204, and on the ends of the electrodes 202, 203 recessed in this upper face 230 (or simply placed on it).
  • a support 209 (which may be integral with the lower portion 200) having a through opening on the side wall 231 which is supported by the side face 232 of the ring 205.
  • the upper face of the membrane 206 is extended on the upper part of the ring 205 forming a single flat surface to the side wall 231, which is supported by a seal ring-shaped 210, defining a cavity 208 placed substantially above the membrane 206 and opening thereon.
  • the sensor 213 has an upper portion 211 (pipe support) whose lower face has a projecting portion 214 which is housed at the top of the through opening delimited by the side wall 231 bearing laterally on the seal 210 and sealingly closing the cavity 208 in fluid-tight (especially liquid) manner.
  • Opening into this cavity 208 in its upper part are two ducts 215 and 216, respectively, which extend approximately 45 ° outwards from the upper part 211 through through microfluidic connectors 221 and 222 and microfluidic capillary tubes 217 and 218 which pass through respectively "plugs" 219 and 220 which are screwed for example in the conduit holder 211 to ensure fluid sealing.
  • the pressure gas PI is injected in a sealed manner into the pipe 204 which exerts a thrust on the lower face of the membrane 206 and the pressure liquid P2 is injected through the pipe 215 which fills the cavity 208.
  • FIG. 8 depicts an exemplary embodiment of the invention as represented in FIG. 5 with the integration of a fluid flow sensor and a fluid reservoir (liquid).
  • the tank 2 consists of a body 60, having here a cylindrical shape, closed at its lower part and covered at its upper end by a plug 61 which is closed hermetically and on which is connected laterally a fluid connector 62 to which is connected at a first end to a fluid channel (and preferably not microfluidic) 63 itself connected to the gas pressure controller 1 (Elveflow OBI type operating in the range of relative pressure 0-2x10 Pascal power 5), and a second end through the pipe 64 to the upper part of the tank 2 corresponding to the gas head 4 when the tank is partially filled with liquid 3 in its lower part.
  • a plug 61 which is closed hermetically and on which is connected laterally a fluid connector 62 to which is connected at a first end to a fluid channel (and preferably not microfluidic) 63 itself connected to the gas pressure controller 1 (Elveflow OBI type operating in the range of relative pressure 0-2x10 Pascal power 5), and a second end through the pipe 64 to the upper part of the tank 2 corresponding to the gas
  • the resistance Rh 8 takes the form of a capillary made of a material such as polyetheretherketone or PEEK, of 150 ⁇ inside diameter, preferably disposed substantially parallel to the wall of the body 60 so as to plunge into the liquid 3 and bring it up in the capillary 8 under the effect of the pressure imposed in operation on the surface of the liquid 3 by the gas 4 under pressure.
  • This gas should preferably be a "clean" gas as used in the rooms white (free of particles and / or chemical and / or physical impurities) to prevent contamination of the liquid 3 for the microfluidic circuit 17.
  • This gas will preferably be compressed air but may also be an inert gas as described above when it is desired to avoid possible interaction between the oxygen of the air and the liquid 3 (preferably nitrogen and / or bottle argon of appropriate quality but also of the Oxygen depleted air (less than 1% to 10% oxygen volume), possibly supplied by an on-site generator of the "membrane" type or by adsorption
  • This gas can also if necessary be stripped of all its mineral impurities and / or organic using suitable filters (used for example to filter the atmosphere of clean rooms) .
  • the capillary tube 8 also passes through the cap 61 of the tank 2 and enters via the fluid connector 219 into the chamber.
  • the duct 12 supplying the microfluidic circuit 17 is connected to the duct.
  • the lower part 200 of the sensor 213 (here in the upper position) electrically connects the electrodes 202, 203 of the sensor via the electrical connector 90 and the line 52 to the module.
  • Elveflow SensorReader 51 trade data acquisition, itself electrically connected by the line 53 to the computer 54 (refer to Figure 5 for data processing by the computer 54 specially configured).
  • the integration of the silicon pressure sensor element containing a membrane deforming in response to the pressure exerted by the liquid coupled to a resistive piezo gauge to transform this deformation into an electrical signal is here optimized so as to limit the volume of the measuring cavity 208 to a few microliters.
  • the path of the fluid (liquid 3) in the sensor according to the invention is such that there is no dead volume at the sensor (the liquid inlet and the liquid outlet of the measuring chamber are made thanks to different pipes) so as to avoid the formation of bubbles.
  • FIG. 8 An example of use of the invention as described in this FIG. 8 is to infuse a cell culture medium into a microfluidic chamber (17) where living cells (mammalian, yeast or other cells) are cultured to precisely control the rate of renewal of nutrients provided by the liquid 3 in the chamber 17 on the one hand and the mechanical shear on the cells produced by the infusion rate, which can be deleterious to the cells, on the other hand.
  • living cells mimmalian, yeast or other cells
  • Another application of this implementation is the infusion of one or more reagents in a continuous flow chemical reactor produced in a microfluidic chip.
  • the flow rates need to be precisely controlled to respect the stoichiometry of the reaction. .
  • flow measurement may be a means of controlling that the ducts of a micro fluidic chip do not become clogged when using them. Indeed, when a microfluidic pipe closes while constant pressures are applied to the liquids entering these pipes, the flow drops, which can be detected simply and low cost.
  • flow control is used to produce drops at a high rate (of the order of 1000 samples per second) using a microfluidic chip and using a mixture of several reagents as a liquid for form the drop.
  • This type of drop generator is useful for automatically performing reaction phase diagrams in several dimensions, which requires testing a very large number of reagent concentration combinations. This can be useful for example in crystallography to test the conditions of crystallization of a protein by independently varying pH, protein concentration and ionic strength. Or in organic chemistry to know the concentrations of two reagents and a catalyst that are optimum to obtain the best yield. etc.
  • This tank contains filtered water on which is applied the pressure generated by the gas pressure controller 1.
  • the capillary tube 8 in this case made of polyetheretherketone or PEEK, has an internal diameter of 0.135 m in length, is placed so that one of its ends is immersed in the liquid 3 on which the pressure P1 is applied and that the other end is at the pressure P2 measured by the pressure sensor 50 and gives through a capillary tube 12 on an outlet reservoir for accumulating the perfused liquid.
  • a constant pressure PI is applied by the gas pressure controller 1 for a time t varying from 360 s. for the largest flows at 1500 s. for smaller flow rates (The measurement time is adjusted to obtain a better accuracy).
  • Figure 9 shows that P1-P2 is proportional to the flow rate measured by mass.

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Abstract

L'invention concerne un système de mesure du débit d'un liquide (3) dans un circuit micro fluidique (17) qui comporte : -un réservoir (2) partiellement rempli de ce liquide (3) et surmonté d'un ciel gazeux (4), -des moyens (1) pour maintenir la pression du gaz du ciel gazeux (4) à une valeur prédéterminée P1, -des moyens (8,9,10,12) pour prélever du liquide (3) dans le réservoir (2) et pour le délivrer en sortie (10,12) à une pression P2 inférieure à P1I, -des moyens capteurs de pression (13) dont une première entrée (6,7,18) est reliée au ciel gazeux (4) et dont une seconde entrée (19) est reliée à la sortie (10,12) de liquide à pression P2, la sortie (14) des moyens capteurs de pression (13) délivrant un signal (15, 16) fonction de la différence des pressions (P1-P2) qui est une mesure représentative du débit de liquide à pression P2 délivré au circuit micro fluidique (17).

Description

Système de mesure de débit d'un liquide et son utilisation
La présente invention concerne un système de mesure de débit micro fluidique d'un liquide utilisant une mesure de pression d'un gaz d'une part et une mesure de pression du liquide d'autre part. Elle se rapporte plus particulièrement à un système de mesure de débit d'un liquide dans un circuit microfluidique, la mesure de débit selon l'invention étant rapide, précise, et beaucoup plus simple à mettre en œuvre que les méthodes connues de mesure de débit adaptées aux débits micro fluidiques. Par ailleurs, cette méthode de mesure de débit permet un asservissement rapide du débit mesuré, c'est à dire un contrôle de débit du liquide.
L'invention concerne également un capteur de pression de fluide, de préférence un liquide, ainsi qu'un capteur de pression différentiel pour deux fluides, notamment un gaz et un liquide lorsqu'il est mis en œuvre dans le système de mesure de débit selon l'invention.
L'invention concerne également un ensemble réservoir et capteur de pression intégré dans le bouchon du réservoir, une canalisation de type capillaire faisant office de résistance hydraulique reliant au moins partiellement le liquide du réservoir à une entrée du capteur.
D'autres aspects de l'invention concernent l'utilisation du système de mesure et/ou contrôle de débit ainsi que l'utilisation du capteur de pression, sous forme simple ou différentielle, dans des applications telles que la perfusion d'un milieu de culture cellulaire, de réactifs dans un réacteur chimique, le contrôle du bouchage de canalisations micro fluidiques, ou la réalisation d'un générateur de gouttes à cadence élevée.
De l'article intitulé « micromachined flow sensors-a review » de N .T. Nguyen publié dans la revue FLOW M EASUREM ENT AN D INSTRUMENTATION-MARCH 1997, on connaît de nombreuses méthodes de mesure du débit d'un liquide dans la gamme des débits micro fluidiques, c'est à dire les débits de liquide inférieurs à 100 mL/min, et typiquement compris entre l L/min et 1 mL/min pour la majorité des applications. Les méthodes les plus courantes sont basées sur l'utilisation de capteurs thermiques faisant usage de la mesure du déplacement d'un flux thermique transporté par le mouvement du liquide (voir par exemple le capteur de la gamme LG16 commercialisé par la société Sensirion AG.).
Il est également connu d'utiliser des capteurs vibrants basés sur la force de Coriolis pour réaliser des mesures de débit de fluides tels que ceux commercialisés sous la dénomination Cori-FLOW par la société Bronkhorst.
II est connu également d'utiliser la mesure d'une différence de pressions pour mesurer des débits de gaz (voir par exemple les capteurs de pression différentiels commercialisés par la société First Sensor).
Des capteurs de pression sont décrits par exemple dans les brevets US5515735, US8403908, ou WO9740350 et sont utilisables pour la mesure de débit de liquides à l'aide de deux capteurs de pression liquide mesurant la perte de charge du liquide dans une canalisation ou à travers des restrictions de formes diverses. Dans l'article intitulé « Design and Fabrication of a MEMS Flow Sensor and Its Application in Précise Liquid Dispensing de Yaxin Liu et al - State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin, China » les auteurs mesurent cette différence de pression en aval d'un réservoir de liquide contrôlé en pression à l'aide de deux capteurs de pression de liquide.
Il est également connu de US 2006/144151 un capteur de pression d'un liquide dans lequel l'étanchéité est assurée à l'aide de deux diaphragmes 22 et 24, collés à l'aide d'une couche de colle 23 ce qui est compliqué à réaliser et peu fiable : une solution plus simple et fiable est nécessaire lorsqu'on utilise deux fluides différents à des pressions qui peuvent être variables.
Tous les capteurs de débits micro fluidiques connus à ce jour et décrits ci-dessus utilisés pour le contrôle d'un débit micro fluidique comportent un certain nombre d'inconvénients :
Les capteurs basés sur une mesure thermique sont en général peu précis et sensibles à l'environnement et à la nature du liquide.
Les capteurs de pression différentiels, utilisant par exemple deux capteurs de pression séparés par une restriction peuvent avoir des temps de réponse beaucoup faibles (< 10 ms) et être précis (< 5%FS) mais ces capteurs sont complexes à réaliser dans une application micro fluidique en un unique élément sensible car il est nécessaire d'intégrer dans cet unique élément deux éléments sensibles à la pression et une restriction sur la même puce micro fluidique. En outre ils nécessitent l'utilisation d'une restriction de diamètre très faible pour induire une perte de charge importante dans un espace compact, ce qui engendre un bouchage fréquent de cette restriction, les rendant peu fiables et difficiles à mettre en œuvre. C'est pour ces raisons qu'aucune solution satisfaisante, simple, fiable et facile à réaliser en micro fluidique n'est disponible aujourd'hui sur le marché. Le système de mesure de débit micro fluidique d'un liquide dans un circuit micro fluidique selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte :
-un réservoir partiellement rempli de ce liquide et surmonté d'un ciel gazeux,
-des moyens pour maintenir la pression du gaz du ciel gazeux à une valeur prédéterminée PI,
-des moyens pour prélever du liquide dans le réservoir et pour le délivrer en sortie à une pression P2 inférieure à PI,
-des moyens capteurs de pression dont une première entrée est reliée au ciel gazeux et dont une seconde entrée est reliée à la sortie de liquide à pression P2, la sortie des moyens capteurs de pression délivrant un signal fonction de la différence des pressions (P1-P2) qui est représentative du débit de liquide à pression P2 délivré au circuit micro fluidique.
Ainsi, l'invention propose une méthode de mesure rapide et précise d'un débit de liquide sortant d'un réservoir sous pression, utilisant une mesure unique de pression au niveau du liquide. Cette mesure est réalisée à la sortie du réservoir de liquide à distribuer dans le circuit micro fluidique situé en aval du réservoir. La pression du liquide dans le réservoir est contrôlée à l'aide d'un gaz sous pression placé de préférence au dessus du liquide et formant un ciel gazeux au dessus de ce liquide et de moyens de perte de charge tels qu'une canalisation de préférence sous la forme d'une restriction produisant une perte de charge lorsque le liquide circule dans celle-ci. La mesure de débit selon l'invention est réalisée à l'aide d'un moyen de mesure de la différence entre la pression PI du gaz, mesurée dans le réservoir et la pression P2 du liquide mesurée en aval de la restriction de résistance hydraulique Rh. Le débit D sortant de la restriction suit la loi : D=(Pl-P2)/Rh (le terme « restriction » signifie selon l'invention, une canalisation ou tout autre moyen provoquant une perte de charge lors de l'écoulement du liquide dans cette restriction ou d'une manière plus générale, après passage au travers de moyens de perte de charge, les deux termes étant employés indifféremment). La différence de pressions (P1-P2) est traduite par des moyens de mesure de pression adaptés, en un signal (par exemple électrique) d'amplitude (par exemple) proportionnelle au (ou fonction du) débit sortant de la restriction.
La résistance hydraulique Rh sera de préférence selon l'invention supérieure à 1,2x10 puissance 10 Pa.s.L"1 afin de maintenir le débit de liquide micro fluidique dans une gamme de pressions raisonnables. Avantageusement, cette résistance sera constituée d'un tube capillaire cylindrique de diamètre intérieur inférieur à environ 300 μιτι et/ou d'un canal micro fluidique intégré dans une puce micro fluidique, de préférence de section carré et de hauteur inférieure à environ 300 μιτι.
La cavité dans laquelle est logé un élément sensible à la pression (senseur de pression) et dans laquelle transite de préférence le liquide à pression P2 aura de préférence un faible volume interne, plus préférentiellement inférieur à 50 μί, afin de limiter les temps de remplissage et/ou de transfert de liquide. Dans la présente description, le terme « moyens de mesure de la pression » désigne un ensemble d'un ou plusieurs « capteurs de pression » ainsi que leur électronique de commande et/ou un ordinateur spécialement configuré pour effectuer les opérations équivalentes, permettant (selon les variantes de réalisation de l'invention) d'effectuer la mesure de pression du liquide et/ou du gaz et de délivrer en sortie un signal proportionnel à (P1-P2). Ces moyens comportent des « moyens capteurs de pression » qui sont constitués d'un ou plusieurs « capteurs de pression » qui désignent un ensemble mécanique dans lequel le fluide (gaz ou liquide) circule jusque dans une cavité dans laquelle est placé un élément sensible à la pression (« senseur de pression ») qui transforme la pression exercée par le fluide sur cet élément en un signal, généralement électrique.
Les moyens capteurs de pression peuvent prendre différentes formes : ils peuvent être constitués par deux capteurs de pression, dont la différence entre les pressions mesurées est calculée par exemple à l'aide d'un circuit électronique différentiateur ou un ordinateur spécialement configuré pour calculer le débit de liquide sortant de la restriction, en appliquant la formule ci-dessus.
Le procédé de mesure de débit selon l'invention a l'avantage d'utiliser un unique élément de mesure en contact avec le liquide en aval de la restriction, cet élément pouvant être de constitution simple et bon marché.
Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, la restriction n'est pas disposée dans le capteur de pression du liquide, mais en amont de celui-ci dans une portion de circuit de liquide qui n'est pas encore micro fluidique (c'est à dire qui a un diamètre de canalisation supérieur à environ 23 micromètres, diamètre couramment utilisé en micro fluidique) ce qui permet d'utiliser une restriction de taille(diamètre) plus importante que lorsque celle ci fait partie du réseau micro fluidique, (de préférence supérieur à 50 μιτι plus préférentiellement supérieur à 100 μιτι) limitant ainsi le risque de bouchage de la restriction et donc du circuit micro fluidique. Le diamètre du capillaire utilisé est très dépendant de la gamme de débit de liquide micro fluidique que l'on veut mesurer, sachant que le débit dans le capillaire évolue à la puissance 4 du diamètre du capillaire. Un diamètre de capillaire de 23 micromètres correspond à une échelle de mesure de débit d'eau d'environ 1 microlitre par minute pour un capillaire de longueur 135 mm, ce qui correspond aux capteurs de débits les plus sensibles disponibles commercialement à ce jour. Ainsi l'invention permet de multiplier par trois environ le diamètre de la résistance iso-débit, ce qui est un avantage considérable pour éviter le bouchage de la restriction.
Pour toutes ces raisons, le système de mesure de débit selon l'invention permet de réaliser un très bon compromis entre fiabilité, rapidité et précision tout en conservant un coût peu élevé.
Les moyens de mesure de pression peuvent être constitués selon une variante de l'invention, par un ensemble de deux capteurs de pression Px chacun délivrant un signal Sx numérique ou analogique représentatif de la pression du gaz ou de la pression du liquide, le calcul de la différence d'amplitude entre les signaux étant réalisée, de manière connue en soi, à l'aide d'un calculateur dans le cas de signaux numériques ou un circuit soustracteur dans le cas de signaux analogiques.
Parmi les capteurs de pression de liquide, on pourra soit utiliser des capteurs de pression de liquides connus, soit utiliser le capteur de pression selon l'invention (qui sera décrit ci-après). On pourra également utiliser des capteurs de pression différentiels pour mesurer la différence de pression entre gaz et liquide, soit de forme déjà connue, soit selon une variante de capteur selon l'invention.
Ainsi selon un mode préférentiel de réalisation du système selon l'invention, la différence de pression peut être également mesurée à l'aide d'un capteur de pression différentiel. Ce mode de réalisation permet de n'utiliser qu'un seul capteur de pression et de s'affranchir notamment de la mesure de la valeur absolue de la pression du liquide et du gaz. On peut alors utiliser un capteur adapté à la mesure d'une gamme de pression plus faible ce qui rend la mesure de la différence de pression plus précise.
Selon une autre variante de réalisation de l'invention, les moyens capteurs de pression peuvent également utiliser le même signal que celui utilisé pour réguler la pression du gaz dans le réservoir à l'aide d'un régulateur de pression réglable. Selon encore une autre variante de réalisation de l'invention, la mesure de la pression en amont de la restriction, et par conséquent la mesure du débit de liquide, peut être corrigée par la hauteur de liquide dans le réservoir qui induit une différence de pression hydrostatique parasite ne provenant pas de la perte de charge à travers la résistance hydraulique Rh. Par exemple, la hauteur de liquide peut être maintenue fixe à une valeur connue prédéterminée, mesurée avec un capteur ou déduite à partir d'une hauteur initiale de liquide dans le réservoir et du débit cumulé sortant du réservoir.
Selon une autre variante de l'invention la mesure de débit est utilisée pour contrôler précisément et rapidement le débit de liquide micro fluidique, à l'aide d'un générateur de pression de gaz réglable et d'un système de contrôle asservissant le débit du liquide à une valeur de consigne (éventuellement réglable) à l'aide par exemple d'un circuit de type PID.
En général, le gaz constituant le ciel gazeux au dessus du liquide sera généralement de l'air comprimé, éventuellement appauvri en oxygène (c'est à dire comportant moins de 21% en volume d'oxygène) (de préférence débarrassé de ses impuretés solides et/ou liquides à l'aide de filtres adaptés, tels que ceux utilisés pour filtrer l'atmosphère des salles blanches). Lorsque le liquide sera sensible à l'oxydation et/ou comportera des éléments susceptibles d'être modifiés par la présence d'oxygène (ou tout agent oxydant) à son contact, on utilisera de préférence comme gaz constituant le ciel gazeux au dessus du liquide (et permettant de « pousser » le liquide vers le circuit micro fluidique) un gaz inerte choisi parmi l'azote, l'argon, les gaz rares(Kr, Xe, Ne, ...) et/ou leurs mélanges.
L'invention concerne également un capteur de pression comportant un support (200) muni d'un logement dans lequel sont disposés une membrane (206) déformable associée à des moyens de mesure de la déformation de la membrane (212), la membrane pouvant se déformer sous l'action d'un fluide sous pression, de préférence un liquide, appliqué de préférence sur la surface supérieure(231) de la membrane (206), les moyens de mesure de la déformation de la membrane (205) étant reliés électriquement à des contacts électriques (202, 203) permettant de recueillir un signal électrique fonction de la pression du fluide, caractérisé en ce que la surface supérieure (231) de la membrane (206) délimite dans le logement du support (200) la face inférieure d'une cavité (208)comportant également une face supérieure, cavité dans laquelle débouchent deux canalisations distinctes respectivement d'arrivée (215) et de départ (216) (ou vice-versa) d'un fluide, permettant l'écoulement du fluide au contact de la surface supérieure (231) de la membrane (206) et en ce que le capteur comporte un joint d'étanchéité (210) disposé latéralement tout autour des parois du logement (200) entre la surface supérieure de la couronne (205) maintenant la membrane (206) et la face supérieure de la cavité (208).
De préférence, la cavité est sensiblement dépourvue de tout volume mort de manière à éviter la formation de bulles dans le fluide. La membrane sera de préférence une membrane souple en silicium.
De préférence également, les moyens de mesure de la déformation de la membrane (212) comportent des éléments sensibles à la déformation de la membrane tels que des éléments réalisés en matériau piezo-résistif.
Les moyens de mesure de la déformation de la membrane (212) remplissent une fonction de transducteurs qui transforment une déformation (extension) de la membrane en un signal (électrique) proportionnel à (ou fonction de) l'amplitude de cette déformation. Ainsi ces moyens comporteront de préférence des éléments sensibles à la déformation de la membrane, tels que par exemple des éléments réalisés dans un matériau piézo- résistif, déposés en couche mince ou implantés dans la membrane. Ils peuvent être disposés selon un schéma simple ou visant à en optimiser la précision, par exemple suivant un pont de Wheatstone pour améliorer la sensibilité, ou intégrant d'autres éléments, par exemple pour compenser l'effet de la température sur la mesure.
Pour plus de détails sur les moyens utilisant des éléments sensibles en matériaux piezo-résistif, on pourra se reporter à l'article de K.N. BHAT intitulé « Silicon Micromachined Pressure Sensors »-Journal of the Indian Institute of Science -vol 87-1- Jan-Mars 2007-journal.library.iisc.ernet.in.
La membrane ainsi que les moyens de mesure de la déformation peuvent être recouverts d'une couche isolante électriquement, pour les protéger de la conductivité électrique d'un liquide en contact, par exemple de l'eau, qui pourrait perturber la mesure. Les moyens de mesure de la déformation de la membrane sont de préférence reliés électriquement à l'extérieur du capteur aux contacts électriques
La cavité peut être par exemple de forme parallélépipédique avec les deux canalisations positionnées dans deux angles supérieurs opposés, ou de forme cylindrique avec les deux canalisations positionnées de manière diamétralement opposées, ou encore sous forme d'un canal reliant les deux canalisations. L'absence substantielle de volume mort (ce que l'homme de métier sait réaliser sans difficulté) évite la formation de bulles, qui peuvent perturber la mesure de pression si une ligne de contact de la bulle est en contact avec la membrane, auquel cas la tension de surface du liquide peut appliquer une force parasite sur la surface du capteur sensible à la pression.
D'autre part, il est préférable qu'aucune bulle provenant du capteur ne soit injectée dans le circuit micro fluidique, car dans de nombreux cas pratiques, une telle bulle perturberait les écoulements dans la puce et son fonctionnement.
Les moyens de mesure de la déformation de la membrane peuvent prendre d'autres formes adaptées tels que des moyens capacitifs, vibrants, etc.
De préférence, le volume de la cavité sera inférieur à 50 microlitres, de préférence inférieur à 10 microlitres, plus préférentiellement inférieur à 5 microlitres. Dans tous les cas, on réalisera une cavité de volume aussi faible que possible, mais généralement supérieur à 0,1 microlitre.
Selon un mode préférentiel, notamment lorsque le fluide est un liquide, le capteur sera de préférence muni d'un joint d'étanchéité disposé latéralement tout autour des parois du logement entre la surface supérieure de la membrane (ou du senseur de pression) et la face supérieure de la cavité. De préférence, le capteur comporte un espace disposé sous la membrane permettant à celle-ci de se déplacer sous l'action de la pression du fluide injecté dans le capteur.
Selon un mode préférentiel de réalisation, les canalisations d'arrivée et de départ de fluide dans la cavité font un angle compris entre environ 10° et 90°, de préférence entre 20° et 70° et plus préférentiellement entre 40° et 50°, avec la surface supérieure de la membrane.
Selon une variante pour la réalisation notamment d'un capteur différentiel, le support sera traversé par une canalisation d'arrivée d'un second fluide dont une première extrémité vient à proximité de la surface inférieure de la membrane. Ce second fluide pourra être choisi parmi l'air à pression atmosphérique (fonction d'évent) et/ou un liquide ou un gaz y compris l'air, de préférence à pression différente, par exemple supérieure à la pression atmosphérique.
En général, l'espace (207) sera muni d'un évent de sortie (204). De préférence, l'extrémité de la canalisation d'arrivée (204, 207) située du côté opposé à la membrane (206) (la seconde extrémité) sera munie d'un connecteur fluidique (223), de manière à pouvoir amener de manière étanche le deuxième fluide dans le capteur de pression, notamment lorsque celui-ci est sous pression, par exemple un gaz.
L'invention concerne également un ensemble de mesure de débit qui est caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir muni d'un bouchon dans lequel est intégré un capteur selon l'invention, de manière à être solidaire du bouchon, ce dernier étant par ailleurs traversé par un capillaire faisant office de restriction, débouchant dans la canalisation d'arrivée de liquide, à proximité de la cavité du capteur. Elle concerne également un système intégrant l'ensemble de mesure de débit. De préférence, la restriction est disposée en amont des moyens capteurs de pression.
L'invention concerne aussi un système de mesure du débit d'un liquide (3) dans un circuit micro fluidique (17) caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de pression selon l'invention.
D'une manière générale, le système selon l'invention utilise la mesure de la pression PI d'un gaz maintenant en pression un liquide s'écoulant dans une restriction et sortant de celle-ci à une pression P2 inférieure à PI pour contrôler le débit de ce liquide. Plus généralement, elle concerne l'utilisation du capteur de gaz selon l'invention pour contrôler le débit de fluide aux entrées et/ou sorties d'une puce micro fluidique.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants donnés conjointement avec les figures qui représentent :
La figure 1, une première représentation schématique du système de mesure de débit de liquide micro fluidique selon l'invention,
La figure 2, une seconde représentation schématique du système de mesure de débit de liquide micro fluidique selon l'invention
La figure 3, une troisième représentation schématique du système de mesure de débit de liquide micro fluidique selon l'invention
La figure 4, une représentation schématique d'un système de contrôle du débit de liquide micro fluidique selon l'invention,
La figure 5, un exemple schématique de mesure de débit de liquide micro fluidique selon l'invention,
La figure 6, un exemple de contrôle de débit de liquide micro fluidique selon l'invention, Les figures 7a et 7b, respectivement une vue en coupe d'un capteur de débit et d'un capteur de débit différentiel selon l'invention,
La figure 8, une vue en coupe d'un système réservoir muni d'un tube capillaire et d'un capteur de débit selon la figure 7a.
La figure 9, une courbe représentant le débit mesuré en fonction de la différence de pression P1-P2.
Sur la figure 1, des moyens pour engendrer un gaz sous pression contrôlée 1 (source d'air comprimé par exemple dont la pression est régulée et de préférence contrôlable ou bouteille d'azote sous pression sur laquelle est branché un détendeur/régulateur de pression) sont reliés d'une part par la canalisation 6 à la partie supérieure 4 (ou ciel gazeux) du réservoir 2 dont la partie inférieure est remplie de liquide 3 (à faire circuler dans le la puce micro fluidique 17) en contact avec le gaz du ciel gazeux 4 et d'autre part par la canalisation 25 à une première entrée 18 d'un capteur de pression différentielle 13. Plongeant dans le liquide 3 se trouve une canalisation 8 sortant du réservoir 2 et se prolongeant par la canalisation 10 qui comporte une restriction 9 ayant une résistance hydraulique Rh (en pratique, les éléments 8, 9 et 10 peuvent être regroupés en un seul élément , par exemple un tube capillaire plongeant dans le liquide 3 de résistance hydraulique Rh, la pression du liquide 3 étant égale à P2 à la sortie du capillaire) et qui se prolonge ensuite d'une part par la canalisation 11 reliée à une seconde entrée 19 du capteur de pression différentielle 13 et d'autre part par une canalisation micro fluidique 12 dont l'extrémité vient alimenter le circuit (ou « puce ») micro fluidique 17. Le capteur de pression différentielle 13 (dont un exemple de réalisation sera décrit ci-après sur la figure 7) engendre un signal électrique S sur la ligne 14, dont l'amplitude est proportionnelle à la différence des pressions (P1-P2) ce signal étant transformé en un signal de mesure du débit de liquide 3 à la sortie de la restriction 9 dans les moyens de calcul de débit de liquide 15 de la manière explicitée ci-après (ou dans un ordinateur spécialement configuré à cet effet). Ce signal de mesure de débit de liquide 15 peut être par exemple affiché sur un afficheur numérique (non représenté sur la figure 1) et/ou utilisé (via la ligne en pointillés 16 sur la figure 1) pour contrôler/réguler la pression du gaz 4 via les moyens 1. Ainsi en mesurant la différence de pression entre la pression du gaz constituant le ciel gazeux au dessus du liquide 3 dans le réservoir (qui est donc égale à la pression du liquide 3 à l'interface gaz/liquide dans le réservoir 2) et la pression du liquide après avoir traversé la restriction 9 on peut mesurer le débit de liquide 3 en appliquant simplement la formule :
Débit de liquide=(Pl-P2)/Rh,
les pressions étant exprimées en Pascal, la résistance hydraulique en Pa.s.L'i et le débit de liquide en L/s.
Le débit de liquide 3 à l'entrée de la puce micro fluidique 17 peut ainsi être simplement contrôlé en faisant varier la pression PI du générateur de gaz sous pression contrôlée 1 grâce au détendeur/ régulateur de pression disposé en sortie de ce générateur.
La résistance hydraulique sera de préférence supérieure à 1.2x10 puissance 10 Pa.s.L"1. Selon un mode préférentiel de réalisation, la résistance hydraulique Rh sera constituée par un capillaire cylindrique de diamètre intérieur de préférence inférieur à 300 μιτι et/ou par un canal micro fluidique intégré dans une puce de section carré et de hauteur inférieure à 300 μιτι. Le moyen de mesure de la pression de liquide comportera de préférence un faible volume de liquide interne, de préférence inférieur à 50 μΙ_ pour limiter les temps de remplissage et transfert de liquide.
La figure 2 est une variante du système représenté schématiquement sur la figure 1. Sur cette figure ainsi que sur toutes les autres figures, les mêmes éléments portent les mêmes références et remplissent les mêmes fonctions. Sur cette figure 2 le capteur de pression différentielle 13 est constitué de 2 capteurs de pressions 20 et 21, dont la différence des valeurs de pression respectivement mesurées est calculée par exemple à l'aide d'un circuit électronique différentiateur ou un calculateur numérique spécialement configuré 33.
N'importe quel type de capteur de pression bien connu de l'homme de métier pouvant mesurer la pression d'un fluide (gaz ou liquide) peut être utilisé pour mesurer l'amplitude des pressions PI ou P2, dans la mesure où il délivre un signal S, de préférence électrique, dont la valeur est fonction de (par exemple proportionnelle à) l'amplitude de la pression mesurée. Ainsi le capteur 20 reçoit le gaz 4 directement sur son entrée 18 et délivre un signal analogique (ou numérique) SI sur la ligne 22 à une première entrée 31 d'un circuit différentiateur 33 (ou respectivement un calculateur spécialement configuré pour réaliser l'opération de soustraction) dont la sortie 34 est reliée à l'entrée des moyens de calcul de débit 15 (comportant ou non un afficheur numérique) via la ligne 14. La seconde entrée 32 du circuit 33 reçoit le signal S2 délivré sur la ligne 23.
La figure 3 est une autre variante de réalisation du système de la figure 2, dans laquelle on prévoit des moyens de consigne de pression 30 qui engendrent un signal de consigne de pression aux moyens 1 pour engendrer un gaz sous pression (ici ces moyens engendrent une pression variable et contrôlée en fonction de la valeur de consigne), ce signal de consigne de pression permettant d'une part de réguler la pression du gaz à la valeur voulue PI et d'autre part via la ligne 22 de fournir à l'entrée 31 du circuit ou calculateur 33 un signal dont l'amplitude (par exemple) est celle de la pression PI du gaz. Les autres éléments du système de la figure 2 restent inchangés sur cette figure 3.
La figure 4 est une variante de la figure 1 dans laquelle on a intercalé des moyens de contrôle de débit 40 entre les moyens
15 et les moyens 1, ces moyens de contrôle recevant par la ligne
16 le signal de mesure du débit de liquide et ajustant l'amplitude ou la valeur de celui-ci en fonction des moyens de consigne de débit 41, et délivrant via la ligne 34 un signal de consigne de pression aux moyens 1 (ce signal de consigne de pression ayant une amplitude ou une valeur calculée en utilisant la formule du débit en fonction des pressions rappelée ci-dessus).
Selon une variante de mise en œuvre, la mesure de débit peut être corrigée par la hauteur de liquide dans le réservoir qui induit une différence de pression hydrostatique parasite ne provenant pas de la perte de charge à travers la résistance hydraulique Rh. La hauteur de liquide peut être par exemple maintenue fixe et connue à priori, mesurée avec un capteur ou déduite à partir d'une hauteur initiale et du débit cumulé sortant du réservoir.
Avantageusement, cette méthode de mesure de débit peut être utilisée pour contrôler précisément et rapidement un débit liquide micro fluidique à l'aide d'un générateur de gaz de pression réglable et d'un système de contrôle 40 asservissant le débit suivant une consigne (par exemple PID). Sur la figure 5 est représenté un premier exemple pratique de réalisation du système selon l'invention, dans lequel les moyens 1 sont un contrôleur de pression vendu sous la dénomination commerciale ELVEFLOW OBI (ELVEFLOW est une marque déposée par la société ELVESYS) agissant dans une plage de pression (relative) de 0 à 2 bars (0 à 2x10 puissance 5 Pascal) qui contrôle la pression du gaz issu d'une source de gaz (non représentée sur la figure) à la valeur voulue. Les moyens de restriction de pression 8, 9, 10 sont constitués par un tube capillaire en matériau thermoplastique par exemple du type polyétheréthercétone (ou PEEK) de diamètre intérieur égal à 150 micromètre et de longueur 0,135 m plongé par une première extrémité dans le liquide 3 et alimentant par son autre extrémité un capteur de pression du liquide 50 de type « traversant » tel que décrit ci-après sur la figure 7 délivrant à sa sortie sur la canalisation 12 le liquide 3 à un débit qui peut varier entre 0 et 1.15 mL/min. Ce capteur 50 délivre également un signal électrique analogique proportionnel à la pression P2, via la ligne 52 au module d'acquisition 51 de dénomination commerciale « Elveflow SensorReader » qui transforme le signal analogique en signal numérique représentant la valeur de la pression P2 et envoie cette information via la ligne 53 à l'ordinateur 54 spécialement configuré pour réaliser les opérations qui vont être décrites ci-après. L'ordinateur 54 reçoit également par la ligne 58 une information sous forme numérique représentant la valeur de la pression PI imposée au ciel gazeux 4 via les moyens 1 et 5 et la ligne 59 qui transmet la valeur de consigne de la pression PI aux moyens 1. L'ordinateur réalise les opérations de soustraction des pressions PI et P2 puis de calcul de débit associé (comme expliqué ci-avant) et d'ajout éventuel de coefficients multiplicateurs afin d'obtenir (et d'afficher si nécessaire) le débit de liquide 3 (qui sera injecté dans le circuit micro fluidique 17) à l'aide des moyens 55. Dans cet exemple précis, la consigne de pression pour les moyens 1 est inscrite dans la mémoire 56 de l'ordinateur 54, par exemple à l'aide du clavier alphanumérique relié à l'ordinateur 54.
La figure 6 est un exemple de réalisation de l'invention permettant de rapidement contrôler le débit du liquide 3 dans le circuit micro fluidique 17. Comme sur la figure 5 on utilise le même capillaire en PEEK de diamètre intérieur 150 microns et de longueur 0,135 m pour créer une restriction de résistance hydraulique Rh. Le capteur de pression différentielle 13 tel que décrit ci-après sur la figure 7b est utilisé ici, avec les entrées gaz et liquide, respectivement 18 et 19, le liquide 3 passant au contact de la membrane du capteur piézo résistif et ressortant par la canalisation 12 en direction du circuit micro fluidique. Le gaz est au contact de la membrane du côté opposé au liquide et maintient ainsi une pression sur celle-ci opposée à la pression exercée par le liquide de l'autre côté de celle-ci. Il en résulte au niveau des électrodes du capteur 13 un signal électrique envoyé via la ligne 14 à l'entrée d'un contrôleur de type PID 102 qui envoie un signal de consigne de pression au contrôleur de pression 1 afin de réguler la pression PI du gaz 4. Le contrôleur PID 102 est une partie des moyens électroniques de contrôle 100, qui globalement permettent d'assurer le contrôle de pression du gaz à l'aide du signal issu du capteur 13 et une consigne de débit engendrée par l'ordinateur 54 spécialement configuré pour cette tâche, consigne de débit transmise au contrôleur PID 102 via une interface 101 de type USB. Avec une telle configuration, on a constaté qu'il était possible d'obtenir un temps de mise en place d'un débit contrôlé en moins de 100 ms. La figure 7a est une vue en coupe du capteur de pression selon l'invention. Le capteur 213 possède une partie inférieure 200 et une partie supérieure 211. La partie inférieure 200 comporte une face inférieure 201 et une face supérieure 230. Un espace 207 est délimité par la face supérieure 230 et par la face inférieure de la membrane 206 de faible épaisseur d'un capteur piézo- résistif et latéralement par une couronne 205 plus épaisse que la membrane, prolongeant la membrane 206 et solidaire de celle-ci de manière à la supporter. La membrane 206 déformable sous l'action d'un fluide sous pression, est une membrane souple en silicium supportée par une couronne plus épaisse 205, l'ensemble intégrant les moyens de mesure de la déformation de la membrane 212 qui comportent des éléments sensibles à la déformation de la membrane tels que des éléments réalisés en un matériau piézo-résistif. La partie inférieure de cette couronne 205 s'appuie d'une part sur la face supérieure 230 de la partie inférieure 200, de manière à délimiter latéralement l'espace 207, et d'autre part sur les extrémités des électrodes 202, 203 encastrées dans cette face supérieure 230 (ou simplement posées sur celle ci). Entre les électrodes 202 et 203 et la couronne 205, peut être disposé un élément conducteur électrique tel qu'un joint ou une colle conductrice (qui n'est pas représenté sur la figure) permettant la connexion électrique des éléments sensibles. Au dessus de cette surface 230 est disposé un support 209 (qui peut être d'un seul tenant avec la partie inférieure 200) comportant une ouverture traversante sur la paroi latérale 231 de laquelle vient s'appuyer la face latérale 232 de la couronne 205. La face supérieure de la membrane 206 se prolonge sur la partie supérieure de la couronne 205 formant une seule surface plane jusqu'à la paroi latérale 231 (En pratique, les éléments 205 et 206 sont réalisés dans le même bloc de silicium par gravure, comme décrit dans le document de N.K.BATH cité ci-dessus, en page 121.) sur laquelle vient s'appuyer un joint d'étanchéité 210 en forme de couronne carrée délimitant une cavité 208 placée sensiblement au dessus de la membrane 206 et débouchant sur celle-ci. L'espace 207 donne le débattement nécessaire à la membrane 206 lorsque celle-ci se creuse sous l'effet de la force exercée par le liquide à pression P2 sur la membrane 206. Il est à noter que l'espace 207 qui dispose d'un évent 204 de sortie de l'air emprisonné dans cet espace reste en communication fluidique avec l'environnement extérieur afin d'y maintenir une pression toujours égale à la pression atmosphérique, quelle que soit la pression exercée par la membrane. Cet évent peut également être relié (via une canalisation non représentée sur la figure par exemple) à une source de gaz (air, gaz inerte, ...) ayant une pression égale ou différente de la pression atmosphérique. Lorsque le gaz est à pression atmosphérique, le capteur permet de mesurer la pression relative du liquide (et non sa pression absolue). Lorsque la pression de ce gaz est différente de la pression atmosphérique, le capteur permet de mesurer une différence de pression entre le liquide et le gaz.
Le capteur 213 possède une partie supérieure 211 (support de conduite) dont la face inférieure comporte une partie en saillie 214 qui vient se loger au sommet de l'ouverture délimitée par la paroi latérale 231 en s'appuyant latéralement sur le joint 210 et venant fermer de manière étanche aux fluides (notamment liquides) la cavité 208.
Débouchant dans cette cavité 208 dans sa partie supérieure se trouvent deux canalisations respectivement 215 et 216 qui s'étendent à 45° environ vers l'extérieur de la partie supérieure 211 par l'intermédiaire des connecteurs micro fluidiques 10/32 UNF et leurs férules respectives 221 et 222 et des tubes capillaires micro fluidiques 217 et 218 qui traversent respectivement les corps 219 et 220 des connecteurs qui se vissent par exemple dans le support de conduite 211 afin d'assurer l'étanchéité fluide. En utilisation, on injecte le liquide à pression P2 par la canalisation 215 qui vient remplir la cavité 208 puis ressort par la canalisation 216 (ou vice-versa) en direction du circuit micro fluidique 17 et qui exerce une poussée (vers le bas sur la figure) sur la face supérieure de la membrane 208 proportionnelle à la pression P2. De cette manière on récupère ainsi grâce à la membrane 206 un signal électrique sur les électrodes 202, 203 dont l'amplitude est proportionnelle à la pression P2 du liquide (bien entendu, au lieu d'un liquide on peut utiliser un fluide quelconque) Pour plus de détails sur ce type de membranes on pourra se reporter par exemple à l'article de K.N.BATH précité.
La figure 7b est une vue en coupe du capteur de pression différentielle selon l'invention, semblable à celui décrit sur la figure 7a mais dont l'ouverture 204 est munie dans sa partie inférieure d'un connecteur fluidique 223 pour recevoir un second fluide, de préférence un gaz, de préférence sous pression, dans l'espace 207. Le capteur 213 possède une partie inférieure 200 et une partie supérieure 211.
La partie inférieure 200 comporte une face inférieure 201 percée sensiblement en son centre d'un conduit 204 de fluide (de préférence un gaz, tel que le gaz 4) débouchant dans une cavité 207 délimitée dans sa partie supérieure par la face inférieure de la membrane 206 et latéralement maintenu par une couronne 205 prolongeant la membrane 206 et solidaire de celle-ci. La partie inférieure de cette couronne 205 s'appuie sur la face supérieure 230 de la partie inférieure 200, de manière à créer la cavité 207 et entourer l'extrémité supérieure du conduit 204, ainsi que sur les extrémités des électrodes 202, 203 encastrées dans cette face supérieure 230 (ou simplement posées sur celle- ci). Au dessus de cette surface 230 est disposé un support 209 (qui peut être d'un seul tenant avec la partie inférieure 200) comportant une ouverture traversante sur la paroi latérale 231 de laquelle vient s'appuyer la face latérale 232 de la couronne 205. La face supérieure de la membrane 206 se prolonge sur la partie supérieure de la couronne 205 formant une seule surface plane jusqu'à la paroi latérale 231, sur laquelle vient s'appuyer un joint d'étanchéité 210 en forme de couronne, délimitant une cavité 208 placée sensiblement au dessus de la membrane 206 et débouchant sur celle-ci. Le capteur 213 possède une partie supérieure 211 (support de conduite) dont la face inférieure comporte une partie en saillie 214 qui vient se loger au sommet de l'ouverture traversante délimitée par la paroi latérale 231 en s'appuyant latéralement sur le joint 210 et venant fermer de manière étanche aux fluides (notamment liquides) la cavité 208. Débouchant dans cette cavité 208 dans sa partie supérieure se trouvent deux canalisations respectivement 215 et 216 qui s'étendent à 45° environ vers l'extérieur de la partie supérieure 211 par l'intermédiaire des connecteurs micro fluidiques 221 et 222 et des tubes capillaires micro fluidiques 217 et 218 qui traversent respectivement les « bouchons » 219 et 220 qui se vissent par exemple dans le support de conduite 211 afin d'assurer l'étanchéité fluide. En utilisation, on injecte par exemple le gaz à pression PI de manière étanche dans la conduite 204 qui vient exercer une poussée sur la face inférieure de la membrane 206 et on injecte le liquide à pression P2 par la canalisation 215 qui vient remplir la cavité 208 puis ressort par la canalisation 216 (ou vice-versa) en direction du circuit micro fluidique 17 et qui à l'équilibre exerce une poussée de sens opposé sur la face supérieure de la membrane 208 proportionnelle à la pression P2. De cette manière on récupère ainsi grâce aux moyens de mesure de la déformation de la membrane 212 qui comportent des éléments sensibles piezo- résistif, un signal électrique sur les électrodes 202, 203 dont l'amplitude est proportionnelle à (ou fonction de) la différence P1-P2 des pressions des fluides. La figure 8 décrit un exemple de réalisation de l'invention tel que représenté sur la figure 5 avec intégration d'un capteur de débit fluide et d'un réservoir de fluide (liquide). Le réservoir 2 se compose d'un corps 60, ayant ici une forme cylindrique, fermé à sa partie inférieure et recouvert à son extrémité supérieure par un bouchon 61 qui vient le refermer hermétiquement et sur lequel est connecté latéralement un connecteur fluide 62 auquel est relié à une première extrémité à une canalisation fluidique (et non micro fluidique de préférence) 63 elle-même reliée au contrôleur de pression de gaz 1 (de type Elveflow OBI agissant dans la gamme de pression relative 0-2x10 puissance 5 Pascal), et à une seconde extrémité par la canalisation 64 à la partie supérieure du réservoir 2 correspondant au ciel gazeux 4 lorsque ce réservoir est partiellement rempli de liquide 3 dans sa partie inférieure. Dans cet exemple, la résistance Rh 8 prend la forme d'un capillaire en un matériau tel que le Polyetherethercétone ou PEEK, de 150 μιτι de diamètre intérieur, disposé de préférence sensiblement parallèlement à la paroi du corps 60 de façon à plonger dans le liquide 3 et faire remonter celui-ci dans le capillaire 8 sous l'effet de la pression imposée en fonctionnement à la surface du liquide 3 par le gaz 4 sous pression. Ce gaz doit être de préférence un gaz « propre » tel qu'utilisé dans les salles blanches (débarrassé de particules et/ou d'impuretés chimiques et/ou physiques) afin d'éviter la contamination du liquide 3 destiné au circuit micro fluidique 17. Ce gaz sera de préférence de l'air comprimé mais pourra également être un gaz inerte tel que décrit ci-avant lorsqu'on veut éviter une interaction possible entre l'oxygène de l'air et le liquide 3 (de préférence de l'azote et/ou de l'argon en bouteille de qualité appropriée mais également de l'air appauvri en oxygène (moins de 1% à 10% volume d'oxygène), éventuellement fourni par un générateur sur site du type « membrane » ou par adsorption. Ce gaz peut également si nécessaire être débarrassé de toutes ses impuretés minérales et/ou organique à l'aide de filtres adéquats (utilisés par exemple pour filtrer l'atmosphère des salles blanches). Le tube capillaire 8 traverse également de façon étanche le bouchon 61 du réservoir 2 et pénètre par l'intermédiaire du connecteur fluide 219 dans le circuit d'entrée de liquide du capteur 213, c'est à dire la canalisation 215 qui prolonge le capillaire 8 puis la cavité de mesure de pression du liquide 208 , puis la canalisation de sortie 216 vers le connecteur de sortie capillaire 220 dans lequel vient se connecter la canalisation 12 alimentant le circuit micro fluidique 17. La partie inférieure 200 du capteur 213 (ici en position supérieure) relie électriquement les électrodes 202, 203 du capteur par l'intermédiaire du connecteur électrique 90 et la ligne 52 au module d'acquisition de données de dénomination commerciale Elveflow SensorReader 51, lui-même relié électriquement par la ligne 53 à l'ordinateur 54 (se reporter à la figure 5 pour le traitement des données par l'ordinateur 54 spécialement configuré). L'intégration de l'élément capteur de pression en silicium contenant une membrane se déformant en réponse à la pression exercée par le liquide couplée à une jauge piezo résistive permettant de transformer cette déformation en un signal électrique est ici optimisée de manière à limiter le volume de la cavité de mesure 208 à quelques microlitres. Le chemin du fluide (liquide 3) dans le capteur selon l'invention est tel qu'il n'y a pas de volume mort au niveau du capteur (l'entrée du liquide et la sortie du liquide de la chambre de mesure sont réalisés grâce à des canalisations différentes) de manière à éviter la formation de bulles.
L'ordinateur 54 est spécialement configuré pour calculer le débit de liquide 3 : pour cela, l'ordinateur calcule la différence de pression entre la pression de gaz appliquée PI dans le réservoir à l'aide d'un contrôleur de pression de type Elveflow OBI et le capteur de pression intégré dans le capuchon du réservoir qui mesure la pression du liquide en sortie du réservoir 2 puis en déduit le débit de liquide dans le circuit à l'aide de l'équation D=(Pl-P2)/Rh de la manière décrite précédemment.
Un exemple d'utilisation de l'invention telle que décrite sur cette figure 8 consiste à perfuser un milieu de culture cellulaire dans une chambre micro fluidique (17) où sont cultivées des cellules vivantes (cellules de mammifère, levure ou autres) pour contrôler précisément la vitesse de renouvellement en nutriments apportés par le liquide 3 dans la chambre 17 d'une part et le cisaillement mécanique sur les cellules produit par le débit de perfusion, qui peut être délétère pour les cellules, d'autre part.
Une autre application de cette mise en œuvre est la perfusion d'un ou plusieurs réactifs dans un réacteur chimique en flux continu réalisé dans une puce micro fluidique Dans ce cas, les débits ont besoin d'être contrôlé précisément pour respecter la stœchiométrie de la réaction.
Dans une troisième application, la mesure du débit peut être un moyen de contrôler que les conduits d'un puce micro fluidique ne se bouchent pas lors de leur utilisation. En effet, lorsqu'une canalisation micro fluidique se bouche alors que des pressions constantes sont appliqués aux liquides entrant dans ces canalisations, le débit chute, ce qui peut être détecté simplement et à faible cout.
Dans une dernière application, le contrôle de débit est utilisé pour réaliser des gouttes à cadence élevée (de l'ordre de 1000 goûtes par seconde) à l'aide d'un puce micro fluidique et en utilisant un mélange de plusieurs réactifs comme liquide pour former la goutte. Ce type de générateur de goutte est utile pour réaliser automatiquement des diagrammes de phase de réaction suivant plusieurs dimensions, ce qui demande de tester un nombre très important de combinaisons de concentration de réactifs. Ce peut être utile par exemple en cristallographie pour tester les conditions de cristallisation d'une protéine en variant indépendamment pH, concentration de protéine et force ionique. Ou encore en chimie organique pour connaître les concentrations de deux réactifs et un catalyseur qui soient optimum pour obtenir le meilleur rendement. Etc
Pour évaluer la précision de la mesure de débit réalisée dans l'exemple de réalisation de l'invention montré en figure 8, nous avons comparé la différence de pression P1-P2 mesuré par le dispositif présenté en figure 8 avec une mesure de débit indépendante réalisée par mesure de la masse de liquide perfusée pendant un certain temps. Cette méthode permet également de calculer précisément la valeur de la résistance Rh qui permet de calculer le débit D à partir de la différence de pression P1-P2. Dans cette expérience présentée en figure 9, une pression fixe PI est imposé par un contrôleur de pression de gaz 1 (de type Elveflow OBI agissant dans la gamme de pression relative 0-2 bar) relié latéralement à un réservoir 2 de 50 ml par l'intermédiaire d'une canalisation 63 reliée à un bouchon 61 qui recouvre hermétiquement le réservoir comme montré en figure 8. Ce réservoir contient de l'eau filtrée sur laquelle vient s'appliquer la pression générée par le contrôleur de pression de gaz 1. Dans cet exemple, le tube capillaire 8, ici en Polyetherethercétone ou PEEK a un diamètre intérieur de 0,135 m de long, est placé de tel sorte qu'une de ses extrémités soit plongée dans le liquide 3 sur lequel la pression PI est appliquée et que l'autre extrémité soit à la pression P2 mesurée par le capteur de pression 50 et donne à travers un tube capillaire 12 sur un réservoir de sortie permettant d'accumuler le liquide perfusé. Pour obtenir la figure 9, une pression constante PI est appliquée par le contrôleur de pression de gaz 1 pendant un temps t variant de 360 s. pour les plus grands débits à 1500 s. pour les plus petits débits (La durée de mesure étant ajustée afin d'obtenir une meilleur précision). Pendant ce temps t, la différence de pression P1-P2 qui est constante est mesurée pendant que le réservoir de sortie se remplit progressivement (PI est ici le signal utilisé pour contrôler le contrôleur de pression 1 et P2 est le signal issu du capteur 213). Une fois le temps t écoulé, les réservoirs sont pesés sur une balance de précision, d'abord rempli du liquide qui a été amené par la pression durant la durée de l'expérience puis vidés et séchés afin de connaître précisément le poids du tube. La différence entre ces deux mesures donne très précisément la masse m de liquide perfusé pendant le temps t, dont on déduit le débit perfusé D avec la formule D = m/(rho.t) ou rho est la densité du liquide (pour l'eau utilisé dans cette expérience rho = 1000). La figure 9 montre que P1-P2 est proportionnelle au débit écoulé mesuré par la masse. Une régression linéaire sur des données expérimentales présenté en figure 9 permet de calculer précisément la résistance Rh du capillaire 8 (Rh = l,076xl013 Pa.s.rrr3 +/-0,3% s.e.m.)- En utilisant cette valeur de Rh, le dispositif présenté dans cet exemple permet dans la configuration présentée en figure 8 de contrôler un débit D dans la puce microfluidique 17 avec une précision de 0,75% de la pleine échelle.

Claims

REVENDICATIONS
1- Système de mesure du débit d'un liquide (3) dans un circuit micro fluidique (17) caractérisé en ce qu'il comporte :
-un réservoir (2) partiellement rempli de liquide(3) et surmonté d'un ciel gazeux(4),
-des moyens (1) pour maintenir la pression du gaz du ciel gazeux (4) à une valeur prédéterminée PI,
-des moyens (8,9,10,12) pour prélever du liquide (3) dans le réservoir (2) et pour le délivrer en sortie (10,12) à une pression P2 inférieure à PI,
-des moyens capteurs de pression (13) dont une première entrée (6,7,18) est reliée au ciel gazeux(4) et dont une seconde entrée(19) est reliée à la sortie(10,12) de liquide à pression P2, la sortie(14) des moyens capteurs de pression(13) délivrant un signal(15, 16) fonction de la différence des pressions (P1-P2) qui est une mesure représentative du débit de liquide à pression P2 délivré au circuit micro fluidique(17).
2- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (8,9,10,12) pour prélever du liquide (3) et le délivrer en sortie(10,12) à une pression P2 comportent une restriction(9).
3- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal (15, 16) fonction de la différence des pressions (P1-P2) est envoyé vers les moyens (1) de maintien en pression du gaz de manière à contrôler le débit de liquide(3).
4- Système selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la résistance hydraulique de la restriction est supérieure ou égale à 1,2x10 puissance 10 Pa.s.L"1. 5- Système selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la restriction est constituée par un tube capillaire (8) de diamètre inférieur à 300 micromètres.
6- Système selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la restriction est disposée en amont des moyens capteur de pression (13).
7- Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens capteurs de pression (13) comprennent notamment un capteur de pression (213) comportant un support (200) muni d'un logement dans lequel sont disposés une membrane (206) déformable associée à des moyens de mesure de la déformation de la membrane (212), la membrane pouvant se déformer sous l'action d'un fluide sous pression, de préférence un liquide, appliqué de préférence sur la surface supérieure (231) de la membrane (206), les moyens de mesure de la déformation de la membrane (212) étant reliés électriquement à des contacts électriques(202, 203) permettant de recueillir un signal électrique fonction de la pression du fluide, la surface supérieure (231) de la membrane (206) délimitant dans le logement du support (200) la face inférieure d'une cavité (208) comportant également une face supérieure, cavité dans laquelle débouchent deux canalisations distinctes respectivement d'arrivée (215) et de départ (216) (ou vice-versa) d'un fluide, permettant l'écoulement du fluide au contact de la surface supérieure (231) de la membrane (206), le capteur comportant un joint d'étanchéité (210) disposé latéralement tout autour des parois du logement (200) entre la surface supérieure de la couronne (205) maintenant la membrane (206) et la face supérieure de la cavité (208).
8-Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la membrane déformable est une membrane souple en silicium. 9- Système selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la déformation de la membrane (212) comportent des éléments sensibles à la déformation de la membrane tels que des éléments réalisés en matériau piezo- résistif.
10- Système selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un espace (207) disposé sous la membrane (206) permettant à celle-ci de se déplacer sous l'action de la pression du fluide injecté dans le capteur.
11-Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'espace (207) dispose d'un évent de sortie (204).
12- Système selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que les canalisations d'arrivée et de départ de fluide (215, 216) font un angle compris entre environ 10° et 90°, de préférence entre 20° et 70°, plus préférentiellement entre 40° et 50°, avec la surface supérieure de la membrane.
13- Système selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que le volume de la cavité (208) est inférieur à 50 microlitres, de préférence inférieur à 10 microlitres, plus préférentiellement inférieur à 5 microlitres.
14- Système selon l'une des revendications 7 à 13, caractérisé en ce le support (200) est traversé par une canalisation d'arrivée (204,207) d'un second fluide dont une première extrémité vient à proximité de la surface inférieure (230) de la membrane (206). 15-Système selon la revendication 14, caractérisé en ce que la seconde extrémité de la canalisation d'arrivée (204, 207) située du côté opposé à la membrane (206) est munie d'un connecteur fluidique (223) pour la fourniture d'un fluide sous pression, de préférence un gaz.
16-Systéme selon l'une des revendications 7 à 15, caractérisé en ce que le capteur de pression (213) fait partie d'un ensemble de mesure de débit constitué du réservoir (2) muni d'un bouchon (61) dans lequel est intégré le capteur (213) de manière à être solidaire du bouchon (61) celui-ci étant par ailleurs traversé par un capillaire (8) faisant office de restriction, débouchant dans la canalisation d'arrivée de liquide (215) à proximité de la cavité (208).
17-Utilisation de la mesure de la pression PI d'un gaz maintenant en pression un liquide s'écoulant dans une restriction et sortant de celle-ci à une pression P2 inférieure à PI pour contrôler le débit de ce liquide.
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