Am´elioration du chargement

Deux am´eliorations principales vont avoir lieu concernant le processus de chargement. La premi`ere porte directement sur la mani`ere dont nous utilisons et appliquons le champ ´electrique.

grˆace `a des ´electrodes mises en parall`eles

Fig. 4.11 : Montages exp´erimentaux inspir´es par celui de Pellat [82]

La deuxi`eme permettrait d’acheminer les produits vers de petits r´eservoirs et de remplir chaque micro-levier avec des produits diff´erents.

4.4.1.1 Di´electrophor`ese optimis´ee

Pellat [82] a d´emontr´e qu’un liquide confin´e entre deux ´electrodes pouvait subir une mont´ee oppos´ee `a la gravitation lorsqu’une tension est appliqu´ee entre ces ´electrodes. La figure 4.11(a) montre la mise en place de cette exp´erimentation. Si celle-ci est r´ealis´ee dans l’air, que la densit´e massique du liquide est ρ1 et que sa constante di´electrique est ´egale `a κ1, alors l’expression de

cette mont´ee de niveau h est :

h ≈ (κ1− 1)²0E

2

2ρ1g

,

o`u E est le champ ´electrique entre les ´electrodes et g = 9, 81m/s2

l’acc´el´eration gravita- tionnelle terrestre. Cette ´equation est correcte si la distance D entre les ´electrodes est assez petite afin que l’approximation du champ uniforme, E = V /D, soit applicable.

En fait, dans l’exp´erimentation de Pellat et dans celle de Pohl (`a l’origine du mot di´elec- trophor`ese), la force qui agit peut ˆetre formul´ee en termes de densit´e de force de Korteweg- Helmholtz, ce qui la placerait `a l’emplacement libre (sans liquide) entre les ´electrodes, mais n’aurait aucune signification physique. Afin d’expliquer comment le liquide remonte sous l’ac- tion d’un champ ´electrique, il est utile de penser `a la force du dipˆole agissant sur les mol´ecules polaris´ees du liquide dans la r´egion `a champ frang´e, au bas des ´electrodes. Cette force peut ˆetre exprim´ee de la sorte :

f = P .∇E,

o`u P est le vecteur densit´e des dipˆoles dans le liquide, non nul seulement l`a o`u le champ ´electrique est non uniforme.

Si nous utilisons un produit conducteur, il faut alors passiver les ´electrodes avec une fine couche di´electrique (figure 4.11(b)). L’expression de la hauteur h de mont´ee est alors diff´erente [83] :

h = κd²0V

2

4ρ1gdD

L’influence des forces de capillarit´e `a notre ´echelle de travail et notamment la perturbation de l’angle de contact solide / liquide par un champ ´electrique doivent ˆetre pris en compte. En fait, par capillarit´e le liquide monte d´ej`a entre les deux ´electrodes et cette mont´ee se compl`ete lorsque l’on applique un champ ´electrique (figure 4.11(c)) :

h = h0_{+ ∆h.}

Ce qu’il faut retenir Nous distinguons aujourd’hui un effet ´electrom´ecanique par ´electro- mouillage pur (le changement de l’angle de contact et le changement de hauteur de liquide associ´e) de la force ´electrom´ecanique cr´e´ee dans les zones `a champ discontinu et qui permet notamment de mouvoir des liquides et des gouttes.

En distinguant les deux ´electrodes longeant le canal de nos micro-leviers, nous pouvons nous placer dans un contexte similaire `a celui que nous venons de d´ecrire et donc favoriser le chargement du produit.

De plus, ces ´electrodes pourraient ˆetre ins´er´ees `a l’int´erieur mˆeme du canal en utilisant une technique similaire `a celle pr´esent´ee par Wada et son ´equipe [84], favorisant ainsi d’autant plus la mont´ee de liquide dans le canal et le r´eservoir du micro-levier.

4.4.1.2 Acheminement vers des r´eservoirs appropri´es

La deuxi`eme modification concerne les r´eservoirs o`u sont plac´es nos produits avant que ceux-ci soient charg´es sur nos micro-leviers. Actuellement, nous sommes oblig´es de remplir les quatre leviers d’une mˆeme rang´ee avec le mˆeme produit car nous ne pouvons pas remplir des r´eservoirs assez petits. En effet, nous rappelons que nos micro-leviers sont espac´es de 450 µm. Lorsque nous les plongeons dans un r´eservoir, ils sont tous immerg´es dans le mˆeme liquide. Il nous faut donc trouver un moyen d’acheminer quatre produits dans des mini-r´eservoirs dispos´es au pas de nos micro-leviers (i.e. 450 µm). Chacun des micro-leviers chargera alors un produit diff´erent.

Par di´electrophor`ese, il a ´et´e d´emontr´e qu’il est possible de mouvoir des liquides et des gouttes. Dans le cadre de son stage de DEA effectu´e au sein du LAAS, Peter L¨ow, d´eveloppe un syst`eme d’´electrodes permettant par di´electrophor`ese d’´etaler une goutte en suivant un chemin pr´ecis et d´etermin´e au pr´ealable. Son travail consiste `a trouver les param`etres id´eaux (´epaisseurs couches di´electrique, oxyde de silicium, etc..., fr´equence, tension crˆete `a crˆete, traitements de surface, ...) pour notre application.

La figure 4.12 illustre le ph´enom`ene d’´etirement pas di´electrophor`ese d’une goutte. Les param`etres sont les suivants :

– la largeur des ´electrodes est de 16 µm et leur espacement est de 4 µm,

– l’´epaisseur de la couche d’oxyde servant de couche di´electrique (passivation) est de 200 nm,

– en (1) aucune tension n’est appliqu´ee,

– en (2), une tension de 105 Volts crˆete `a crˆete (cac) `a 100 kHZ est appliqu´ee et provoque un d´ebut de d´eformation de la goutte,

– en (3), la tension reste inchang´ee en fr´equence mais passe `a 125 Volts cac, accentuant ainsi le d´eplacement enclench´e pr´ec´edemment,

– enfin en (4) la tension passe `a 85 Volts cac, permettant `a la goutte de revenir sensible- ment `a sa position initiale.

Lors d’une autre exp´erimentation, c’est en modifiant les points de contact servant `a ap- pliquer une tension de 125 Volts crˆete `a crˆete `a 100 kHz que nous arrivons `a provoquer le

– R la largeur du filet de liquide s’´etalant (en consid´erant qu’il couvre enti`erement les ´electrodes et leur espacement soit R = w + g/2).

L’´etude men´ee par Peter L¨ow, sachant que l’on souhaite r´eduire au maximum les tensions utilis´ees, fait ressortir :

Si R &, d & ou κ % w % et g &

¾

⇒ V &

Ces r´esultats sont confirm´es par les courbes visibles sur la figure 4.14. La constante di- ´electrique ´etait fix´ee `a 4 et diff´erentes ´epaisseurs d de la couche di´electrique ont ´et´e test´ees. N’oublions pas que ces r´esultats sont valides si d << w et d << g. Comme on peut le consta- ter, la valeur minimum pour la tension est obtenue lorsque d diminue. Sur la courbe 4.14(2), pour des couches di´electriques fines, la tension minimum diminue jusqu’`a ce que R soit inf´erieur `a 5 µm.

Puis, une s´erie de mesures a ´et´e effectu´ee avec R constant, R = 10µm. Sur la figure 4.15(1), nous pouvons constater qu’un espacement g inf´erieur `a l’´epaisseur w des ´electrodes est pr´ef´erable afin de r´eduire la tension minimum (w augmente de gauche `a droite et inversement pour g). Remarquons ´egalement qu’une diminution de l’´epaisseur de la couche di´electrique r´eduit la tension minimum, confirmant le r´esultat pr´ec´edent.

Enfin, la figure 4.15(2) pr´esente l’influence de la constante di´electrique κ. Ainsi, une couche di´electrique avec une constante di´electrique aussi grande que possible est pr´econis´ee.

Le param`etre le plus important afin de minimiser la tension appliqu´ee est donc l’´epaisseur de la couche di´electrique. En la diminuant, nous pouvons arriver `a des tensions d’environ 100 V. Malheureusement, lorsque ce param`etre approche la taille du micron, la tension de claquage diminue ´egalement et doit ˆetre prise en compte.

Les premiers r´esultats sont encourageants et nous poussent `a croire que nous pourrons tr`es prochainement charger de mani`ere distincte deux micro-leviers adjacents, acc´el´erant ainsi le processus de d´epˆot et r´eduisant les quantit´es de produits utilis´es.