Conception, simulation et réalisation d'un micro actionneur à base de matériau énergétique pour l'actionnement microfluidique
Résumé
The high integration of successive operations from a relatively complex protocol of a biological or chemical analysis, using small amounts of samples and reagents into micrometric channels is the core of microfluidic technologies. Nowadays, micro channel fabrication technologies are well known. The mean difficulty concerns the fluids manipulation and the integration of control elements such as valves, actuators and mixers because of their small size. New and practical solutions must be developed to manipulate small quantities of fluids (between 1nl and 10nl). We propose a White ANR research project (PYRACT) leaded by the LAAS in association with research teams from the LCC and IRMCP laboratories. The work of this PhD thesis on the framework of the PYRACT project, concerns the conception, the simulation and fabrication of a micro actuator based on energetic material to manipulate small quantities of fluid (10-100nl). The conceived actuator consists of a heating platform with a thin film of energetic material and an elastic membrane deposited over it, isolating the liquid from the acting gas. The functioning principle is quite simple: when the energetic material reaches the ignition temperature of 225°C, its exothermic decomposition (333J/g) liberates a gas (N2, H2O, O2) increasing the pressure under the thin elastic membrane (30¼m). This pressure and the induced membrane deformation allow pushing the fluids into the micro channel. This simple actuation principle is compact, directly integratable into the microfluidic channel, biocompatible, cheap and only requires a few mW (some V) to obtain controlled overpressures between 10kPa and some 100kPa. It's "one shot" characteristic is well adapted for portable and disposable applications. First, a multiphysic model is built under COMSOL to simulate the behaviour of the actuator integrated into a micro channel. Secondly, a global conception model is built to predict the actuation performances (pressure, deformation, volume and rate of flow of the ejected fluid) as a function of the actuator characteristics and the applied electrical power. In the end, two prototypes have been fabricated: one actuator having dimensions of 1mm²×100¼m and one having 0.25mm²×100¼m. An important work concerns the technological integration of different materials (energetic and structural) on small surfaces requiring special surfaces treatments using techniques been compatible with MEMS and microfluidics. The actuating principle has been validated.
L'intégration sur puce d'opérations successives d'un protocole plus ou moins complexe d'analyse biologique ou chimique et mettant en jeu la circulation de petits volumes d'échantillons et de réactifs dans des canalisations de taille micrométrique constitue le coeur des technologies microfluidiques. Les technologies de réalisation de micro canalisations sont aujourd'hui bien maîtrisées. Cependant, la manipulation des fluides et l'intégration technologique des éléments de contrôle comme les valves, les actionneurs, les mélangeurs dans les micro canalisations posent des problèmes essentiellement liés aux très faibles dimensionnalités. Des solutions originales et pratiques pour manipuler des volumes très faibles (entre 1nl et 10nl) doivent être développées pour déplacer, mélanger ou séparer ces liquides. Dans ce cadre, nous avons proposé un projet de recherche ANR Blanc (PYRACT) animé par le LAAS et associant des équipes de recherche des laboratoires LCC et IRMCP. Les travaux de thèse s'insérant dans le cadre du projet PYRACT, ont porté sur la conception, la simulation et la réalisation d'un micro actionneur à base de matériau énergétique pour la manipulation de faibles quantités de fluides (10-100nl). L'actionneur, tel que nous l'avons conçu, consiste en une plate-forme chauffante sur laquelle sont déposés en couche très mince un matériau énergétique et une membrane élastique permettant de faire l'étanchéité entre le gaz d'actionnement et le fluide. Le principe de fonctionnement est simple : lorsque le matériau énergétique atteint 225°C, sa décomposition exothermique (333J/g) génère des gaz (N2, H2O, O2) qui augmentent la pression sous la membrane fine élastique (30¼m). La pression ainsi générée et la déformation induite de la membrane élastique permettent d'actionner le fluide dans la micro canalisation. Ce concept simple d'actionnement présente l'avantage d'être compact, intégrable directement dans la canalisation contenant le fluide à actionner, biocompatible, bas c oût et nécessite seulement quelques mW (quelques V) pour générer des surpressions qui peuvent être réglées entre quelques dizaines de kPa et quelques centaines de kPa. Son caractère monocoup le rend adapté aux applications portables et jetables. Tout d'abord, un modèle multi physique a été développé sous COMSOL pour simuler le fonctionnement de l'actionneur intégré dans une micro canalisation. Ensuite, un modèle global de conception a été construit permettant de prédire les performances de l'actionnement (pression, déformation, volume et vitesse du fluide éjecté) en fonction des caractéristiques de l'actionneur et de la puissance électrique d'actionnement. Enfin, deux démonstrateurs ont été fabriqués : un actionneur de 1mm²×100¼m et un de 0.25mm²×100¼m. Un travail important a porté sur l'intégration technologique en utilisant des procédés compatibles MEMS et microfluidique des différents matériaux (énergétique et de structure) sur des surfaces très petites et nécessitant des traitements de surface particuliers. Le principe d'actionnement a été validé.
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