Contrôle de signaux électriques

La deuxième étape de la réalisation expérimentale d’un dispositif diélectrophorétique est la génération des signaux électriques et leur amplification. La tension électrique gé- nérée sera une tension électrique sinusoïdale qui permet de créer un champ électrique sinusoïdale non-uniforme, condition nécessaire pour l’application de la force de diélec- trophorèse. Ainsi les variables de commande principales utilisées sont les amplitudes et les fréquences des signaux appliqués. Le nombre des voies électriques est égal au nombre des électrodes moins un, en considérant que la masse (0V) est appliquée sur une des électrodes. Concernant la fréquence du signal, nous avons vu dans le chapitre 2 que trois intervalles de fréquence définissent le réel du facteur Clausius-Mossotti Re[K(ω)]. Dans le premier intervalle, Re[K(ω)] prend la première valeur constante, dans le deuxième intervalle, Re[K(ω)] subit une variation qui, dans certaines conditions, inverse le signe de Re[K(ω)] et finalement dans le troisième intervalle Re[K(ω)] reprend la deuxième valeur constante. Un exemple réaliste qui correspond à notre étude est montré dans la suite.

Soit une particule de silice, de permittivité relative p = 8.4 et de conductivité σp =

10−12Sm−1 qui de déplace sous l’effet de la force de diélectrophorèse dans de l’eau ultra pure de permittivité relative p = 80 et de conductivité σp = 4 × 10−6Sm−1. La fonction

Re[K(ω)], dans ce cas, est présentée, sous échelle logarithmique, sur la figure 4.5 en fonc- tion de la pulsation ω = 2πf . La valeur du Re[K(ω)] vaut 1 dans les basses fréquences, ce qui définit le premier intervalle où la force de diélectrophorèse est attractive (DEP positive), ensuite une partie transitoire entre les fréquences 10−5 et 10−4rad · s−1 où le signe et la valeur du facteur changent pour finalement atteindre une valeur de −0, 43 où la force de diélectrophorèse est répulsive (DEP négative).

L’application d’une différence de potentiel à basse fréquence dans l’eau provoque de

10−10 10−5 100 105 −0.5 0 0.5 1 Log(ω) Réel[K( ω )]

Figure 4.5 – Variation du Re[K(ω)] en fonction de la fréquence. Les constantes diélec- triques étant fixes.

la force de diélectrophorèse par sa valeur moyenne soit valable. De ce fait nous avons intérêt à utiliser des signaux à haute fréquence afin d’éviter au maximum l’électrolyse et d’assurer une partie réelle négative du facteur K(ω). Dans notre application, nous choisissons une valeur de la fréquence de l’ordre de 10KHz, ce qui nous donne une va- leur de Re[K(ω)] égale à −0.43 et donc une diélectrophorèse négative. Dans la suite, la génération de la tension électrique est réalisée en fixant la fréquence et en ajustant les amplitudes des tensions électriques. De plus, comme nous ne travaillons qu’avec la force de diélectrophorèse et nous ne prenons pas en considération le couple dans notre étude, le déphasage entre les tensions électriques appliquées est toujours nul. Dans la suite une tension électrique est référencée par son amplitude.

La tension électrique est générée en utilisant la carte d’acquisition "National Ins- truments". Cette carte possède 4 voies analogiques programmables. A l’aide d’un pro- gramme écrit en langage C++ et une librairie fournie avec la carte, elle est configurée pour générer les tensions électrique désirées. Le nombre de voies analogiques utilisées est précisé à l’aide de l’appel à la fonction d’initialisation de la carte. Cette carte fonctionne de la manière suivante : les valeurs des tensions électriques sont calculées pendant une période donnée et elles sont mises dans le buffer de la carte. Ensuite, en lisant les valeurs numériques du buffer, la carte applique la valeur correspondante sur la voie concernée. La fréquence de lecture des valeurs est précisée lors de l’initialisation. Cette fréquence de lecture est directement liée à la fréquence des tensions appliquées. Le buffer peut être rempli par deux méthodes : la première consiste à alterner les valeurs de chaque voies et la deuxième consiste à diviser le buffer en blocs successifs dont chacun correspond à une voie. Le choix entre ces deux méthodes est aussi préciser lors de l’initialisation de la carte. Dans notre cas, nous choisissons d’utiliser la première méthode. Une fois que les tensions électriques sont écrites dans un buffer la carte attend un signal pour appliquer les valeurs du buffer sur les voies correspondantes. Une fois la lecture du buffer est terminée, la carte recommence la lecture dès le début du buffer. Le nombre de voies, la fréquence et l’amplitude du signal sortant de chacune des voies sont précisés dans le programme qui calcule le nombre de périodes par voie et le nombre d’échantillons par période (voir figure 4.6) . Pratiquement, nous utilisons la fréquence maximale de lecture de la carte qui est égale à 800000 échantillons par seconde réparties sur deux voies donc 400000 échantillons par seconde sur chaque voie. La fréquence des signaux utilisés est égale à 10kHz sur les deux voies, par conséquent, le nombre d’échantillons par période est égale à 40 échantillons. A la sortie de la carte, les signaux électriques sont ensuite amplifiés grâce à l’étage d’amplification avant d’être transférés vers les électrodes. Le lien entre la sortie des amplificateurs et les électrodes se fait à l’aide d’un connecteur du type FPC/FFC (voir figure 4.7).

La conception des électrodes est faite de sorte que les cellules sont adaptées à ce type des connecteurs. Une simple insertion des cellules entre les dents du connecteur FPC/FFC établit le lien entre les sorties des amplificateurs et les électrodes. Chaque cellule contient 4 groupes des électrodes et chaque groupe contient 4 électrodes donc en

Figure 4.6 – Interface homme-machine développée qui permet la génération des signaux électriques. On peut choisir le nombre de voies (1 à 3), l’amplitude (légende Amp) et la fréquence (légende Freq) du signal sortant de chaque voie.

total il y a 16 électrodes. Ces 16 électrodes sont liées ensemble pour former finalement 10 contacts, adaptés au connecteur FPC/FFC.