CHAPITRE I : L’actionnement en microfluidique Etat de l’art et
4 Présentation de notre projet de recherche
Notre projet de recherche s’inscrit dans une action collective : PYRACT, financée par le « Programme blanc de l’ANR ». Ce projet est animé par le LAAS et associe les équipes des laboratoires : LCC (UPR8241) et l’IRMCP (UMR CNRS 5623). L’objectif est de concevoir et développer une technologie d’intégration de micro actionneur en s’appuyant sur le savoir faire de la centrale de technologie du laboratoire et de son expérience en micropyrotechnie [30][31][34][97][102]. Ce projet participe de l’action conduite en technologie pour répondre au mieux aux contraintes de miniaturisation, et d’intégration poussée requises par les microsystèmes fluidiques. Plus concrètement, PYRACT vise à concevoir et développer un
microactionneur basé sur la décomposition d’un matériau énergétique intégré dans un réseau de canalisation microfluidique pour vidanger un volume compris entre 10 à 100nl d’eau contenue dans une micro canalisation.
Quand l’actionnement est requis, le matériau énergétique sera chauffé jusqu’à sa température d’initiation pour libérer un grand volume de gaz qui doit être « non toxique ». La
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pression dans la chambre de combustion augmente, déforme la membrane et pousse alors le liquide (voir Figure 23).
Comme le montre la Figure 23, le micro actionneur à concevoir et à développer doit exploiter les propriétés d’un matériau énergétique à très fort rendement de gaz, déposé
sur une résistance chauffante intégrée (surface<1mm²), le tout placé dans la canalisation à vider. Une membrane élastomère déformable fait l’isolation biochimique et thermique entre le matériau énergétique et le fluide à actionner…
Figure 23. Principe de fonctionnement de l’actionneur, avant et après l’actionnement
La tâche du LAAS, à laquelle cette thèse est la contribution principale est de réaliser la conception du dispositif et de mettre en place une technologie de fabrication et d’assemblage compatible microsystèmes. Le travail présenté ci-dessous bénéficie des expériences et savoir faire du LCC, pour la conception et la fabrication du matériau énergétique, de l’IMRCP pour la conception et la mise au point des matériaux silicone.
5 Les objectifs de recherche
Des actionneurs pyrotechniques ont déjà été développés au LAAS depuis 1995. On peut dire qu’au démarrage de ce travail, la conception des ces dispositifs élémentaires est acquise et que la technologie de base est maîtrisée pour des systèmes millimétriques et centimétriques. Dans ce projet PYRACT, l’actionneur reste basé sur le même principe (matériau énergétique sur résistance chauffante), mais la miniaturisation plus poussée exigée par l’application microfluidique et la compatibilité avec la technologie microfluidique soulèvent de nouveaux verrous technologiques et matériaux.
Ainsi, le développement d’une technologie d’intégration compatible avec celle de la microélectronique et de la microfluidique, répondant aux exigences de précision, bas coût, de
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flexibilité mais aussi de la précision de l’actionnement, sont, à notre avis, la clé de la réussite de notre projet. Par ailleurs, les enjeux de recherche sont triples :
(i) au niveau scientifique, il faut développer des modèles adaptés pour bien comprendre les phénomènes mis en jeu et permettre la conception précise de l’actionneur : nous verrons dans le chapitre II qu’il est nécessaire de mettre en place un modèle multi-physique pour prendre en compte les interactions de tous les phénomènes impliqués et avoir un modèle de conception prédictif réaliste.
(ii) au niveau technologique, il faut résoudre les problèmes d’intégration dans un environnement contraint par les perspectives multifonctionnelles et par l’association des matériaux très différents et des fonctionnalités aux petites dimensions visées.
(iii) au niveau matériau : les matériaux énergétiques « sur étagère » ne suffisent pas, il faut développer de nouveaux matériaux énergétiques adaptés aux très petites dimensions et aux exigences d’un actionnement pneumatique précis et contrôlable. Les matériaux de la membrane qui assurent l’interface actionneur/fluide doivent être travaillés chimiquement pour assurer la fonctionnalité et la fiabilité, notamment l’accrochage à certains endroits et pas à d’autres, l’innocuité chimique et biologique, l’étanchéité, l’élasticité et/ou avoir des caractéristiques thermiques particulières…
Nos objectifs de thèse seront donc d’apporter des réponses aux deux premiers verrous cités, pendant que les laboratoires du LCC (UPR8241) et de l’IRMCP (UMR CNRS 5623) ont la charge des développements matériaux.
6 Conclusion
Dans ce premier chapitre, nous avons présenté brièvement un état de l’art d’un des problèmes centraux dans le domaine de la microfluidique, l’actionnement des fluides dans une canalisation. Plusieurs approches sont proposées dans la littérature, certaines sont commercialisées. Nous montrons ici qu’il n’existe pas de solution unique, applicable aux différentes applications microfluidiques. Par contre si nous visons les applications portables et jetables avec un besoin de déclencher, par mouvement du fluide, une réaction chimique ou biologique une seule fois, il est intéressant de trouver une solution d’actionneur puissant, compact et peu couteux en termes économique et énergétique. Dans cette idée, la littérature et les résultats antérieurs obtenus au LAAS montrent que des solutions basées sur la décomposition d’un matériau énergétique pourraient répondre bien à ces exigences
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d’encombrement et de consommation énergétique. Toutefois, des propositions puissantes d’intégration biocompatibles sont inexistantes. Nous proposons donc, dans ce travail de thèse de rechercher une solution d’actionneur puissant, économique, compact et biocompatible, basé sur la décomposition d’un matériau énergétique, compatible avec son intégration dans une canalisation microfluidique.
Dans le chapitre II nous allons décrire plus en détails les spécifications, la structure et le fonctionnement de cet actionneur pyrotechnique monocoup.
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