Micro-vannes à membranes (ou à activation mécanique)

Micro-vannes à membranes (ou à activation mécanique)

Il existe un grand nombre de types d’actionnements pour les vannes à membranes. Pour toutes ces vannes le principe de fonctionnement est de déformer une des parois du microcanal, formée par une membrane flexible, afin de pincer le canal pour le fermer.

Vannes à activation magnétique 

La première micro-vanne, réalisée par Terry et al. en 1979, est composée d’une membrane en silicone connectée à un solénoïde [7]. Pour diminuer la consommation énergétique de ce type de vannes, elles sont souvent réalisées avec des aimants permanents. Soit ceux-ci sont intégrés à la membrane et le mouvement est contrôlé par des bobines [8]. Soit ils sont fixes et une micro-bobine est intégrée à la membrane. C’est par exemple les vannes réalisées par Meckes et al. [9] à l’aide de micro-bobines en or.

Vannes à activation électrique 

Les vannes à activation électrique sont généralement composées comme suit :
– la membrane flexible constitue la paroi supérieure du micro-canal. Une électrode est intégrée à cette membrane ;
– une seconde électrode faisant face à la première est intégrée sur la face inférieure du canal, c’est-à-dire sur le substrat sur lequel est fabriquée la puce microfluidique. En appliquant une différence de potentiel entre ces deux électrodes les forces électrostatiques permettent de déformer la membrane et de fermer le canal.

Un exemple de réalisation par Chang et Maharbiz est présenté en figure 3 [10]. Les micro-puces sont fabriquées sur un substrat en verre sur lequel une électrode d’ITO est déposée. Les parois du canal sont moulées dans du PDMS et une électrode métallique flexible est intégrée à la paroi supérieure. L’activation de la vanne est obtenue par l’application d’une tension de 15-20V à 5Mhz entre les deux électrodes (figure 3a). Sur la figure 3c, une vue de dessus d’une telle vanne est présentée. Le canal est rempli d’eau colorée. On constate que lors de l’activation l’espace sous l’électrode mobile est totalement effondré et que l’eau a été chassée.

Les auteurs ont aussi réalisé des matrices de 7 ou 9 de ces éléments (figure 3b) ce qui permet de reconfigurer les connections entre les différents canaux arrivant sur la matrice ou de réaliser des micro-pompes.

Les vannes que l’on vient de présenter montrent des performances intéressantes. Cependant, l’intégration d’un élément électronique à la membrane flexible implique une micro-fabrication complexe. De plus, elles sont difficilement miniaturisables à une taille inférieure à quelques centaines de microns.

Vannes à activation piézoélectrique

Sous l’effet d’un champ électrique certain cristaux peuvent se déformer ou produire un effort mécanique. Cet effet piézoélectrique génère un faible déplacement mais une force de flexion importante. Les matériaux piézoélectriques peuvent donc être exploités pour réaliser des micro-pompes. Le groupe de Peirs a utilisé cette technologie pour réaliser une micro-vanne intégrée à un endoscope [11]. Le groupe de Waibel a réalisé un stylo dont le réservoir était scellé par une vanne piézoélectrique [12]. L’utilisation en microfluidique de ces vannes reste tout de même faible, car leurs dimensions sont de l’ordre du millimètre et les tensions d’activations élevées (de l’ordre de 100 V pour les deux exemples ci-dessus).

Vannes à activation thermique

Il existe plusieurs types d’activation thermique :
– bimétallique ;
– thermo-pneumatique ;
– alliages à mémoires de forme.

La vanne à activation dite bimétallique (figure 2d), est faite d’éléments constitués de deux lames de métaux différents. Les métaux sont choisis avec des coefficients de dilatation thermique très différents. Un changement de température va donc mettre les éléments bimétalliques sous contrainte et les déformer. Pour la vanne à activation thermo-pneumatique (figure 2e), la membrane flexible de la vanne est déformée grâce à l’expansion thermique d’un volume de matière enfermé dans une chambre piston. Naito et al. ont utilisé ce type de vannes pour effectuer de l’amplification d’ADN par PCR (Polymerase Chain Reaction) dans des microréacteurs clos (figure 4) [13]. La PCR nécessite d’élever la température à 90°C.

Pour les vannes à activation avec des alliages à mémoire de forme (figure 2f), ces derniers gardent en mémoire leur forme initiale et y retournent après une déformation. La déformation peut être induite par un changement de température. Il est ainsi possible d’alterner entre une forme contrainte et une forme mémorisée lorsque la température varie autour d’une température critique. Les procédés d’activation thermique apportent une augmentation de la force que peut délivrer la micro-vanne. Simultanément, les courses de déplacement de la membrane sont aussi plus longues. Un autre avantage de la thermo-activation est la simplicité des microstructures nécessaires par rapport aux autres technologies. La fabrication des micropuces est donc plus aisée et moins coûteuse. Les inconvénients de cette technologie sont des temps d’actuation relativement longs et une consommation énergétique importante due aux élévations de température importantes.

Micro-vannes à activation pneumatique

La vanne à actuation pneumatique développée par l’équipe de Quake est aussi une vanne à membrane [14]. Cependant, elle se distingue des vannes présentées précédemment par l’extériorisation du système d’activation des vannes. Cela conduit à des micro-puces plus faciles à produire. En effet, il n’est plus nécessaire d’intégrer des éléments métalliques, électriques ou piézoélectriques. La micro-vanne de Quake est obtenue en fabriquant un canal de contrôle au dessus du canal principal comme illustré sur la figure 5A. Les vannes de Quake sont donc habituellement utilisées sur des puces en PDMS afin d’avoir une membrane flexible entre le canal principal et le canal de contrôle. Dans le canal principal circulent les fluides et échantillons sur lesquels on désire réaliser des expériences. Le canal de contrôle est, lui, rempli d’air et est relié à une source de pression externe.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 Introduction
1 Vannes en microfluidique
1.1 Micro-vannes à membranes (ou à activation mécanique)
1.1.1 Vannes à activation magnétique
1.1.2 Vannes à activation électrique
1.1.3 Vannes à activation piézoélectrique
1.1.4 Vannes à activation thermique
1.2 Micro-vannes à activation pneumatique
2 Micro-vannes à transition de phases
2.1 Vannes à transition solide/liquide
2.2 Micro-vannes à mémoire de formes
2.3 Micro-vannes basées sur les hydrogels
2.4 Comparaison des micro-vannes
3 Une nouvelle approche pour les vannes à hydrogel
3.1 Principe
3.2 Quels polymères stimulables pour des micro-vannes ?
3.2.1 Cahier des charges microfluidique
3.2.2 Polymères thermo-stimulables
3.2.3 Polyélectrolytes sensibles au pH et au champ électrique
3.3 Etat de l’art sur la synthèse de films minces de polymère
Références
Chapitre 2 Films minces d’hydrogels greffés stimulables
1 Synthèse de films minces d’hydrogels stimulables
1.1 Stratégie de synthèse
1.2 Synthèse des polymères stimulables fonctionnalisés
1.3 Traitement de surfaces pour obtenir les fonctionnalisations thiols
1.3.1 Préparation des surfaces de verre et de silicium
1.3.2 Préparation des surfaces d’or
1.4 Dépôt du film de polymère par spin-coating
1.4.1 Conditions de spin-coating
1.4.2 Fixation de la durée de spin-coating
1.5 Epaisseur des films
1.5.1 Epaisseurs des films secs
1.5.2 Effet de la viscosité sur le spin-coating
2 Propriétés stimulables des films d’hydrogels
2.1 Propriétés thermo-stimulables des gels de pNIPAM
2.2 Variation du taux de réticulation
2.2.1 Influence du temps de réaction
2.2.2 Influence du taux de modification des polymères
2.3 Propriétés pH-sensibles des gels de pAA
2.4 Bilan
3 Synthèse de films d’hydrogel par irradiation UV
3.1 Mise au point du procédé
3.2 Temps d’irradiation
3.3 Réaction thiol-ène : irradiation UV et chauffage thermique ?
3.4 Le cas des polyélectrolytes
3.5 Dépôts localisés : réalisation des masques
3.6 Lithographie laser : une alternative à la réalisation des masques
3.6.1 Principe
3.6.2 Paramètres d’irradiation
Conclusion
Références
Chapitre 3 Actionneurs microfluidiques
1 Gonflement de gel dans un canal microfluidique
1.1 Hydrodynamique à l’échelle microfluidique
1.2 Fabrication de puces microfluidiques en NOA
1.3 Dispositif expérimental
1.4 Intensité de fluorescence
1.4.1 Dépendance de l’intensité avec l’épaisseur libre dans le canal
1.4.2 Calibration
1.5 Gonflement d’un gel
2 Vannes thermo-stimulables
2.1 Fabrication et fonctionnement
2.1.1 Activation de vannes thermosensibles
2.1.2 Durabilité
2.2 Piégeage
2.2.1 Piégeage de fluide dans une micro-chambre
2.2.2 Intégration de 100 vannes sur une micro-puce
2.3 Intégration de vannes à hydrogel dans des puces en PDMS
2.3.1 Fabrication de puces microfluidiques en PDMS
2.3.2 Problèmes de fuites liés à la présence de l’hydrogel
2.3.3 Tenue en pression des systèmes en PDMS
2.3.4 Caractérisation des vannes dans des canaux en PDMS
2.4 Conclusion
3 Chambre microfluidique reconfigurable
3.1 Réalisation d’un enclos dans un canal microfluidique
3.2 Intégration à haute densité
3.3 Etude de la diffusion de la fluorescéine dans les hydrogels de pNIPAM
3.3.1 Expérience de diffusion
3.3.2 Estimations du coefficient de diffusion
4 Activation thermique localisée
4.1 Micro-résistance en or
4.2 Temps de réponse des vannes à activation localisée
4.3 Localisation de l’actionnement
Conclusion
Références
Conclusion

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