Brevet FR2868966A1 — publié le 20051021

Dispositif de production de micro-gouttes par éjection de liquide et procédé de réalisation d'un tel dispositif Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif de production de micro-gouttes par éjection de liquide comportant une chambre étanche, ayant au moins une entrée de liquide et au moins une sortie de liquide, et des moyens d'excitation du liquide provoquant la 1 o formation des gouttes à la sortie. État de la technique Les dispositifs de production de micro-gouttes par éjection de liquide à travers un orifice permettent de générer des gouttes de liquide dont le volume est typiquement compris entre quelques picolitres et quelques nanolitres dépendant principalement de la taille de l'orifice. La formation des gouttes est classiquement assurée par la génération d'une pression au moyen d'un élément piézoélectrique. On distingue typiquement deux modes de formation des gouttes: Un premier mode fonctionne par brisure d'un jet continu de liquide, où l'instabilité naturelle du jet est contrôlée par la génération d'une pression modulée à une fréquence permettant d'obtenir un train de gouttelettes de taille uniforme. Ce mode de formation de goutte est présenté, par exemple, dans le document US5337071. Un second mode fonctionne par éjection d'une goutte unique à chaque impulsion d'un système de génération de pression (goutte à la demande), où un filament de liquide est propulsé rapidement hors du dispositif. Ce filament se contracte sous l'effet des forces de tension superficielle pour former une goutte de liquide. Ce mode de formation de gouttes uniques est présenté, par exemple, dans le document US6367925. De tels dispositifs trouvent des applications dans de nombreux domaines comme la chimie, la pharmacie, la biologie, l'optique, le micro-usinage etc... Parmi les différentes applications, on peut citer la fabrication de micro-billes, l'aide à la synthèse d'ADN ou encore la fabrication de micro-lentilles par éjection de polymère. Les dispositifs sont souvent basés sur les technologies utilisées pour l'impression par jet d'encre, notamment sur la mise en oeuvre de silicium, de verre et de céramiques par micro-usinage ou photogravure. Ces technologies conduisent à des dispositifs complexes et coûteux. Par ailleurs, l'utilisation de divers liquides industriels, contenant plusieurs phases voire des particules solides, entraîne des bouchages de buses de sortie ce qui nécessite souvent le remplacement du dispositif entier. Le document US6367925 décrit un dispositif d'éjection de micro-gouttes comportant un tube de section rectangulaire ayant un côté plat sur lequel est disposé un matériau piézoélectrique. L'application d'impulsions de tension au matériau piézoélectrique permet d'éjecter des micro-gouttes. Le tube a des formes géométriques particulières dont la fabrication est coûteuse et difficile. Le document DE19617924 décrit un système d'éjection de micro-gouttes de liquide comportant une chambre étanche ayant une entrée de liquide et des sorties de liquide. Un dispositif d'excitation du liquide provoque l'éjection des gouttes par les sorties. Ce système est complexe et difficile à mettre en oeuvre. Le document W003089138 décrit un système microfluidique comportant une couche d'élastomère dans laquelle sont moulés des canaux. Les parois en contact avec le fluide sont principalement constituées d'élastomère. L'actionnement par des moyens piézoélectriques module le passage du liquide dans les canaux. Ce système permet de déplacer un liquide par pompage. Les parois des chambres dans lesquelles se trouve le fluide, principalement constituées de matériaux souples, amortissent les ondes de pression et ne permettent pas l'éjection de gouttes de liquide. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, en particulier, de permettre de réaliser un dispositif simple de production de micro-gouttes par éjection de liquide, à faible coût et facilitant le changement de composants du dispositif. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la chambre est délimitée principalement par des plaques rigides inférieure et supérieure et par un joint 1 o déformable, de faible épaisseur, sensiblement annulaire disposé entre les plaques, les moyens d'excitation provoquant un déplacement relatif des plaques rigides inférieure et supérieure. Les moyens d'excitation comportent, de préférence, une plaque piézoélectrique. La plaque supérieure est, par exemple, constituée par la plaque piézoélectrique ou par une plaque métallique' sur laquelle est disposée la plaque piézoélectrique. Selon un développement de l'invention, le dispositif comporte une bague de 20 serrage disposée sur la plaque supérieure et des moyens de fixation de la bague de serrage et de la plaque inférieure. Selon un mode de réalisation particulier, au moins une des plaques inférieure et supérieure comporte une gorge dans laquelle est positionné le joint déformable. Le joint déformable peut être constitué par un joint torique ou par un anneau en élastomère. Selon un mode de réalisation particulier, la sortie de liquide est constituée par une 30 rainure disposée à l'interface entre le joint déformable et l'une des plaques inférieure et supérieure. Selon un autre mode de réalisation particulier, la sortie de liquide est constituée par une ouverture formée dans le joint déformable ou dans une des plaques inférieure et supérieure. Selon un mode de réalisation préférentiel, la sortie de liquide est constituée par un fragment de capillaire inséré dans un orifice de la plaque inférieure. L'invention a également pour but un procédé de réalisation d'un dispositif de production de micro-gouttes, comportant successivement le forage de l'orifice dans 1 0 la plaque inférieure, l'insertion et la fixation d'une extrémité d'un capillaire dans l'orifice et la cassure du capillaire, de manière à ce qu'un fragment résiduel du capillaire occupe l'orifice. La fixation de l'extrémité du capillaire dans l'orifice est effectuée, de préférence, par collage. L'orifice peut comporter une partie supérieure tronconique s'ouvrant vers la chambre, dans laquelle est temporairement disposée une bille, pour bloquer le capillaire au niveau du sommet de la partie tronconique, lors de son insertion dans l'orifice. Le procédé comporte, de préférence, après cassure du capillaire, un ponçage de manière à ce que le fragment du capillaire affleure la plaque inférieure à sa face inférieure. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description 30 qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: Les figures 1 et 2 représentent, respectivement en vue de dessus et en coupe selon l'axe A-A, un mode de réalisation particulier d'un dispositif selon l'invention. Les figures 3 et 4 représentent, en coupe, deux autres modes de réalisation particuliers d'un dispositif selon l'invention. La figure 5 illustre un mode de réalisation particulier d'une sortie de liquide d'un dispositif selon l'invention. La figure 6 illustre un mode de réalisation particulier d'un joint déformable sensiblement annulaire d'un dispositif selon l'invention. La figure 7 illustre une étape de cassure d'un mode de réalisation particulier d'un procédé de réalisation d'un dispositif selon la figure 2. Description de modes particuliers de réalisation Le dispositif de production de micro-gouttes par éjection de liquide représenté aux figures 1 et 2 comporte une chambre 1 étanche, ayant une entrée 2 de liquide et une sortie 3 de liquide. La chambre 1 est délimitée principalement par des plaques rigides inférieure 5 et supérieure 6 et par un joint déformable 4 de faible épaisseur. Sur la figure 2, les plaques rigides inférieure 5 et supérieure 6 sont parallèles. Le joint déformable 4 est sensiblement annulaire et disposé entre les plaques 5 et 6. Le joint déformable 4 représenté à la figure 2 est constitué par un anneau en élastomère. La chambre 1 étanche est alors formée par la face inférieure de la plaque supérieure 6, par la face supérieure de la plaque inférieure 5 et par les parois latérales internes du joint déformable 4. La hauteur de la chambre 1, correspondant à l'épaisseur du joint déformable 4, est très faible par rapport au diamètre de la chambre 1, définie par le diamètre intérieur du joint 4 sensiblement annulaire. Ainsi, la chambre 1 étanche est principalement constituée par des matériaux rigides, notamment par les plaques 5 et 6. Sur les figures 1 et 2, la plaque rigide inférieure 5 sert de support pour les autres éléments du dispositif et la sortie 3 de liquide est formée dans la plaque inférieure 5. Dans le mode de réalisation particulier représenté aux figures 1 et 2, la plaque supérieure 6 est constitué par une plaque piézoélectrique 7, excitée électriquement sur ses faces inférieure et supérieure par l'intermédiaire d'électrodes inférieure 8 et supérieure 9 auxquelles est appliquée une tension électrique d'excitation Vex. Ainsi, la plaque piézoélectrique 7 se déplace vers l'intérieur de la chambre 1 et provoque la formation des gouttes 10 à la sortie 3, par exemple, par génération d'une onde de pression se propageant, dans la chambre 1, du haut vers le bas. La plaque piézoélectrique 7 provoque alors un déplacement relatif des plaques rigides inférieure 5 et supérieure 6. Dans le mode de réalisation particulier représenté, ce déplacement est transversal, c'est-à-dire perpendiculaire aux plaques. Les électrodes inférieure 8 et supérieure 9 peuvent être connectées à la face 1 o supérieure de la plaque piézoélectrique 7. La plaque inférieure 5 est, de préférence, en plexiglas et a, de préférence, une épaisseur de l'ordre de 3 mm et des côtés de l'ordre de 50mm. Dans le mode de réalisation particulier représenté sur les figures 1 et 2, le joint déformable est constitué, par exemple, d'un anneau en élastomère. L'épaisseur du joint déformable 4 peut être de l'ordre de 0,2mm. Ainsi, un signal électrique carré ayant une amplitude de l'ordre de 30V et une fréquence de l'ordre de 5 KHz permet, par exemple, d'obtenir des gouttes 10 de 100 micromètres de diamètre avec un orifice de sortie de 70 micromètres. L'application d'une pression contrôlée au niveau de l'entrée 2 de la chambre 1 permet de maîtriser le ménisque (dans le mode de gouttes à la demande) ou le débit de liquide (dans le mode de brisure de jet) au niveau de la sortie 3. L'entrée 2 peut, par exemple, être connectée à un réservoir de liquide sous pression, par exemple de l'ordre de 1 bar. L'entrée 2 et la sortie 3 ont, de préférence, une section comprise entre 0,003 et 3 mm2. La géométrie de l'entrée 2 est calculée afin de permettre un débit suffisant du liquide pour alimenter la chambre 1 au fur et à mesure que les gouttes 10 sont éjectées par la sortie 3. Par ailleurs, la géométrie de l'entrée 2 est telle que la quantité de liquide ressortant par l'entrée 2 lors de la génération de pression n'affecte pas l'éjection des gouttes 10 par la sortie 3. Sur la figure 3, la plaque supérieure 6 est constituée par une plaque métallique 11 plane, de préférence en inox, sur laquelle est disposée la plaque piézoélectrique 7, qui est ainsi protégée du liquide, éventuellement chimiquement agressif. L'ensemble de la plaque piézoélectrique 7 et de la plaque métallique 11 plane peut être constitué par un vibreur sonore (terme anglais: buzzer ) tel que utilisé pour des dispositifs de signalisation. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 3, la plaque inférieure 5 comporte une gorge 12, sensiblement annulaire dans le plan de la plaque 5, dans laquelle est positionné le joint déformable 4, constitué, par exemple, par un joint torique élastomère. La gorge 12 peut, par exemple, être usinée dans la plaque inférieure 5 ou dans la plaque supérieure 6, avant assemblage du dispositif. On peut également usiner des gorges 12 dans chacune des plaques inférieure 5 et supérieure 6. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, l'entrée 2 de liquide est formée dans la plaque inférieure 5. Sur les figures 1 à 3, le dispositif comporte une bague de serrage 13 disposée sur la plaque supérieure 6 et permettant de démonter et de remonter rapidement le dispositif d'éjection, par exemple pour échanger des pièces. La bague de serrage 13 et la plaque inférieure 5 peuvent être fixées, par exemple, par des vis 14, comme représenté aux figures 1 et 2, par un mécanisme d'encliquetage 15, comme représenté à la figure 3, ou par tout autre moyen de fixation, de préférence réversible, sans collage ni soudure. Sur la figure 4, cinq orifices formés dans la plaque inférieure 5 constituent une pluralité de sorties 3 de liquide. Un empilement (terme anglais: stack ) de plaques piézoélectriques 7 est disposé au contact de la plaque supérieure 6. Sur la figure 5, la sortie 3 de liquide est constituée par une rainure 16 disposée à l'interface entre le joint déformable 4 et la plaque inférieure 5, notamment dans la plaque inférieure 5. La rainure 16 peut également être disposée dans la plaque supérieure 6 ou dans le joint déformable 4. Sur la figure 6, la sortie 3 de liquide est constituée par une ouverture 17 formée dans le joint déformable 4 et ayant, par exemple, une section de 70 micromètres. Les deux modes de réalisation particuliers de la sortie 3 de liquide représentés aux figures 5 et 6 permettent de superposer plusieurs dispositifs de production de micro-gouttes de liquide, les gouttes de liquide étant éjectées latéralement. Le dispositif obtenu présente un faible écartement entre les sorties 3. lI est, de préférence, disposé verticalement. Les applications d'un tel dispositif peuvent, par exemple, être l'impression par jet d'encre ou le criblage à haut débit. L'entrée 2 de liquide et la sortie 3 de liquide peuvent être réalisées par différentes techniques, par exemple par électroérosion ou par fraisage dans les plaques inférieure 5 ou supérieure 6. On peut également envisager la gravure par photolithographie ou encore le moulage. Dans un mode de réalisation particulier, représenté aux figures 2 et 7, la sortie 3 de liquide est constituée par un fragment de capillaire 18 inséré dans un orifice 19 de la plaque inférieure 5. Un procédé de 1 o réalisation d'un tel dispositif comporte successivement le forage de l'orifice 19, ayant un diamètre de l'ordre de 1 mm, dans la plaque inférieure 5, l'insertion et la fixation d'une extrémité 20 du capillaire 18 dans l'orifice 19. Afin de garantir une bonne adhérence, l'extrémité 20 du capillaire 18 est, de préférence, fixée par collage sur une longueur d'au moins 0,5mm. Le capillaire 18 a un diamètre externe correspondant au diamètre de l'orifice 19 et, de préférence, un diamètre interne de l'ordre de 0,07mm. Comme représenté par la flèche 21 à la figure 7, le procédé comporte ensuite la cassure du capillaire 18, de manière à ce qu'un fragment résiduel du capillaire 18 occupe l'orifice 19. Comme représenté à la figure 2, on ne conserve, ainsi, que la partie du capillaire 18 qui est fixée dans l'orifice 19. Dans le mode de réalisation particulier représenté aux figures 2 et 7, l'orifice 19 comporte une partie supérieure tronconique 22 s'ouvrant vers la chambre 1. Dans cette partie supérieure tronconique 22, une bille 23 peut être disposée temporairement, pour bloquer le capillaire 18 au niveau du sommet de la partie tronconique 22, lors de l'insertion du capillaire 18 dans l'orifice 19. Après cassure du capillaire 18, la face inférieure de la plaque inférieure 5 est, de préférence poncée, de manière à ce que le fragment du capillaire 18 affleure la plaque inférieure 5 à sa face inférieure. La partie tronconique 22 de l'orifice 19 présente, de plus, l'avantage de concentrer les ondes de pression du liquide à l'orifice 19, notamment lorsque la sortie 3 est disposée au centre de la plaque inférieure 5 et centrée par rapport au joint déformable 4 annulaire. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés. En particulier, la chambre 1 étanche peut comporter plusieurs sorties 3 de liquide, réalisées dans la plaque inférieure 5 et/ou la plaque supérieure 6 et/ou dans le joint déformable 4. L'entrée 2 de liquide peut comporter un ou plusieurs orifices et peut être formée aussi bien dans la plaque inférieure 5 que dans la plaque supérieure 6 ou dans le joint déformable 4. Par ailleurs, les moyens d'excitation de pression peuvent être constitués par tout actionneur ou mécanisme permettant d'exercer une pression perpendiculairement à la plaque supérieure 6 et disposé, de préférence, au-dessus de la plaque supérieure 6. L'actionneur peut, par exemple, être collé, de manière à obtenir un déplacement en flexion, ou être en contact libre, de manière à transmettre un déplacement longitudinal à la plaque. Le déplacement relatif des 1 o plaques rigides inférieure 5 et supérieure 6 est, de préférence, un déplacement relatif transversal. Cependant, on peut également envisager un déplacement d'une des plaques dans son plan, de manière à provoquer un effet de cisaillement du liquide. Le dispositif permet l'éjection de liquides dont la viscosité et la tension de surface peuvent varier dans une large gamme grâce à la grande surface de contact entre le liquide et la plaque supérieure 6 et, ainsi, la plaque piézoélectrique 7 ou l'actionneur d'excitation de pression. Les gouttes produites par le dispositif selon l'invention peuvent être obtenues par exemple par brisure d'un jet capillaire ou bien par éjection ponctuelle d'une goutte (gouttes à la demande). Revendications 1. Dispositif de production de micro-gouttes par éjection de liquide comportant une chambre (1) étanche, ayant au moins une entrée (2) de liquide et au moins une sortie (3) de liquide, et des moyens d'excitation du liquide provoquant la formation des gouttes (10) à la sortie (3), dispositif caractérisé en ce que la chambre (1) est délimitée principalement par des plaques rigides inférieure (5) et supérieure (6) et un joint déformable (4), de faible épaisseur, sensiblement annulaire disposé entre 1 0 les plaques (5, 6), les moyens d'excitation provoquant un déplacement relatif des plaques rigides inférieure (5) et supérieure (6). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'excitation comportent une plaque piézoélectrique (7). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque supérieure (6) est constituée par la plaque piézoélectrique (7). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque supérieure 20 (7) est constituée par une plaque métallique (11) sur laquelle est disposée la plaque piézoélectrique (7). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une bague de serrage (13) disposée sur la plaque supérieure (6) et des 25 moyens de fixation de la bague de serrage (13) et de la plaque inférieure (5). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le joint déformable (4) est constitué par un joint torique ou par un anneau en élastomère. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une des plaques inférieure (5) et supérieure (6) comporte une gorge (12) dans laquelle est positionné le joint déformable (4). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la sortie (3) de liquide est constituée par une rainure (16) disposée à l'interface entre le joint déformable (4) et l'une des plaques inférieure (5) et supérieure (6). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la sortie (3) de liquide est constituée par une ouverture (17) formée dans le joint déformable (4). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce 1 o que la sortie (3) de liquide est formée dans une des plaques inférieure (5) et supérieure (6). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la sortie (3) de liquide est constituée par un fragment de capillaire (18) inséré dans un orifice (19) de la plaque inférieure (5). 12. Procédé de réalisation d'un dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte successivement le forage de l'orifice (19) dans la plaque inférieure (5), l'insertion et la fixation d'une extrémité (20) du capillaire (18) dans l'orifice (19) et la cassure du capillaire (18), de manière à ce qu'un fragment résiduel du capillaire (18) occupe l'orifice (19). 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la fixation de l'extrémité (20) du capillaire (18) dans l'orifice (19) est effectuée par collage. 14. Procédé selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que l'orifice (19) comporte une partie supérieure tronconique (22) s'ouvrant vers la chambre (1), dans laquelle est temporairement disposée une bille (23), pour bloquer le capillaire (18) au niveau du sommet de la partie tronconique (22), lors de son insertion dans l'orifice (19). 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte, après cassure du capillaire (18), un ponçage de manière à ce que le fragment du capillaire (18) affleure la plaque inférieure (5) à sa face inférieure.