Brevet FR2889514A1 — publié le 20070209

DISPOSITIF ET PROCEDE DE TRANSMISSION D'UNE PRESSION UTILISANT L'EFFET D' ELECTROMOUILLAGE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à un dispositif et à un procédé de transmission d'une pression utilisant l'effet d'électromouillage. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'effet d'électromouillage sur diélectrique ou EWOD (pour ElectroWetting On Dielectric ) procure des solutions très prometteuses dans le domaine de la micro-fluidique. Cet effet, permet de déplacer des micro-gouttes selon des trajets bien contrôlés, de les faire fusionner ou de les diviser par mise en oeuvre de champs électriques adaptés. A propos de cette technique, on peut se référer aux documents suivants: - Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidic applications de M. G. POLLACK et al., Applied Physics Letters, vol. 77, n 11, septembre 2000, p. 1725 et 1726; Low voltage electrowetting-ondielectric de H. MOON et al., Journal of Applied Physics, vol. 92, n 7, octobre 2002, p. 4080 à 4087; Creating, transporting, and merging liquid droplets by electrowetting-based actuation for digital microfluids circuits de S. K. CHO et al., Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 12, n 1, février 2003, p. 70 à 80; 2889514 2 - Moving droplets with microcatenaries de Y. FOUILLET et al., Proceedings of the 7th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems (}TAS), 5-9 octobre 2003, Squaw Valley, CA, USA; - Electrode shapes for electrowetting arrays de J. LIENEMANN et al., Technical Proceedings of the 2003 Nanotechnology Conference and Trade Show, Nanotech 2003, vol. 1, 2003. L'activation ou la désactivation électrique d'une micro-goutte présente également un autre effet. Cet effet est la variation de pression de la micro- goutte résultant d'une activation ou d'une désactivation de celleci. On peut montrer qu'une goutte placée entre deux plaques parallèles exerce une pression différente sur les parois des plaques suivant qu'il y ait activation électrique ou non de la goutte. EXPOSÉ DE L'INVENTION Les inventeurs de la présente invention ont pensé à utiliser cet effet pour réaliser des dispositifs de transmission d'une pression par l'intermédiaire de micro-membranes. Cet effet de variation de pression peut donner naissance à plusieurs applications, entre autres: le livre électronique en caractères Braille, - l'agitation de fluide, - la mesure de la pression d'un fluide. L'invention a donc pour objet un dispositif de transmission d'une pression par l'intermédiaire d'au moins une micro-membrane, comprenant une goutte d'un 2889514 3 liquide positionnée sur une surface électriquement isolante et hydrophobe d'un substrat support, des moyens permettant de maintenir la micro-membrane en contact avec une partie de la surface de la goutte, et des moyens d'activation électrique de la goutte aptes à modifier la ligne de contact entre la goutte et la surface hydrophobe. Avantageusement, les moyens permettant de maintenir la micro-membrane comprennent une lame disposée en regard du substrat support, la micromembrane obturant une ouverture de la lame. Avantageusement aussi, les moyens d'activation électrique de la goutte sont compris dans le substrat support. Ils peuvent comprendre une première électrode constituée par un fil disposé transversalement par rapport au substrat support, et une deuxième électrode constituée par un disque percé en son centre et disposé concentriquement audit fil. La goutte de liquide peut être positionnée au moyen d'au moins une électrode de centrage permettant d'appliquer un potentiel électrique de centrage de la goutte. L'électrode de centrage peut notamment avoir une forme en étoile. Elle peut être comprise dans le substrat support et être disposée concentriquement audit fil. L'invention a aussi pour objet un système constitué d'une association de plusieurs dispositifs tels que décrits ci-dessus, les dispositifs étant réalisés à partir d'un substrat support commun et d'une lame commune. 2889514 4 Les micro-membranes peuvent être disposées selon un arrangement régulier, par exemple selon une matrice. Cette matrice peut être une matrice de points reproduisant les caractères Braille selon que les gouttes correspondantes sont ou non activées. L'invention a aussi pour objet un agitateur de fluide comprenant au moins un dispositif de transmission d'une pression ou au moins un système tel que décrit ci-dessus, un générateur de tension fournissant des impulsions de tension aux dispositifs de transmission d'une pression. L'invention a aussi pour objet un détecteur permettant de mesurer une pression de fluide comprenant un dispositif de transmission d'une pression tel que décrit ci-dessus, la goutte étant disposée entre deux électrodes de mesure formant plaques de condensateur, la face de la lame opposée au substrat support étant en contact avec le fluide dont on veut mesurer la pression, d'où il résulte que la goutte se déforme en fonction de la pression de fluide, ce qui modifie la capacité du condensateur, la mesure de la valeur du condensateur permettant de déterminer la pression de fluide correspondante. L'invention a aussi pour objet un procédé de transmission d'une pression par l'intermédiaire d'au moins une micro-membrane, comprenant les étapes suivantes. mise en contact d'au moins une partie de la micro-membrane avec une goutte d'un liquide 30 positionnée sur une surface hydrophobe, 2889514 5 application de moyens d'activation électrique à la goutte aptes à modifier la ligne de contact entre la goutte et la surface hydrophobe. Les moyens d'activation électrique peuvent être des moyens provoquant une surpression gonflant la membrane durant leur application. Les moyens d'activation électrique peuvent aussi être des moyens provoquant la vibration de la membrane. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une schéma d'une goutte de liquide confinée entre deux plaques; - les figures 2A à 2C montrent trois exemples de caractères Braille; - les figures 3A à 3B sont des vues en coupe transversale illustrant le fonctionnement d'un dispositif de transmission de pression selon la présente invention; - les figures 4 à 6 montrent plusieurs exemples possibles pour l'électrode de centrage; - la figure 7 représente une puce comprenant 20 plots à membrane activables par électromouillage; la figure 8 illustre un agitateur de 30 fluide selon la présente invention; 2889514 6 - la figure 9 illustre un détecteur permettant de mesurer une pression de fluide selon la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 est un schéma d'une goutte 1 de liquide confinée entre deux plaques 2 et 3. La plaque 2 comporte une électrode d'activation de la goutte. Pour calculer la pression exercée par la goutte sur l'une des plaques, on peut se référer au document An analytical model for the prediction of microdrop extraction and splitting in digital microfluidics systems de J. BERTHIER et al., Proceedings of the Nanotech 2005 Conference, Anaheim, CA, USA, 8-12 mai 2005. La pression exercée sur l'une des plaques est donnée par la loi de Laplace: 1 1 + Ri R2 i où y est la tension de surface du liquide et R1 et R2 sont les rayons de courbure. Le rayon de courbure dans le plan horizontal R1 est fonction du volume V de la goutte: Rl P=Y (1) (2) r1 2889514 7 où 8 est la distance entre les plaques. Le rayon de courbure dans le plan vertical R2 est donné par: R2 (-cosO1 -cos02) où 01 et 02 sont les angles de contact avec les plaques. La pression dans la goutte est alors: z-ô' 2± cos 81 - cos 82 V i s Lorsque l'électrode de la plaque 2 est mise sous tension, l'angle de contact 01 change et devient 0. Il en résulte une différence de pression approximativement donnée par: cos 8-cos81 IAPl En prenant 0 = 80 et 01 = 120 , 8 = 50}gym 20 et y = 70 mN/m, on trouve une différence de pression P = 943 Pa. Le coefficient de rigidité d'une membrane est (voir Theory of Plates and Shells de S. P. TIMOSHENKO et al., McGraw-Hill Book Co., 1959, p. 51) . D= 12(1- v2) (3) P=y (4) (5) E.h3 (6) où h est l'épaisseur de la membrane, E le module d'Young et v le coefficient de Poisson. La déflection maximale est alors (en supposant un régime linéaire) . Pa4 Wmax 64D où P est la pression appliquée et a le diamètre de la membrane. Après substitution de (5) et 10 (6) dans (7), on obtient: cosO cosO1 4 y a 16 E.h3 3 (1- En introduisant les valeurs numériques caractéristiques d'une membrane en polydiméthylsiloxane (PDMS) : E = 8,5 105 (Pa), v = 0, 5, h = 50}gym, a = 1 mm, on obtient une déformation de 1 mm environ. L'approche qui vient d'être faite est plus une estimation qu'une approche rigoureuse. Deux critiques peuvent être formulées: - la relation (7) suppose un régime linéaire de petites déformations qui n'est pas vérifiée par l'équation (8). Il faudrait donc faire un calcul non linéaire qui fait appel à des méthodes numériques; - une approche rigoureuse nécessite le couplage entre la pression dans la goutte et la déformation de la surface. Il faudrait tenir compte de (7) Wmax (8) 2889514 9 l'effet de la déformation de la membrane sur les rayons de courbure. Cependant, si on se reporte aux études déjà faites sur des membranes en PDMS (voir Development of magnetic micro-membranes for the actuation of fluids in biological and chemical microsystems de J. BERTHIER et F. RICOUL, Applied Nanoscience, vol. 1, 2004), on peut estimer la déformation à environ 500 à 700}gym pour un diamètre de 3 à 4 mm et une épaisseur de membrane de 50 à 100}gym. L'effet d'augmentation de pression peut être mis à profit pour réaliser un livre électronique en caractères Braille. Le problème est celui de la lecture électronique pour des non-voyants. Le but est de permettre une lecture beaucoup plus rapide que la lecture manuelle habituelle. Les caractères Braille se prêtent très bien à l'affichage électronique. Les figures 2A à 2C montrent trois exemples de caractères Braille. Chaque caractère est représenté par la combinaison de 1 à 6 points en relief, disposés sur une matrice de deux points de largeur sur trois points de hauteur. La figure 2A représente un é . La figure 2B représente un v . La figure 3C représente un z . Six points sont donc suffisants pour définir tout l'alphabet. Les figures 3A et 3B sont des vues en coupe transversale illustrant le fonctionnement d'un dispositif de transmission de pression selon l'invention. 2889514 10 Le dispositif comporte un substrat support 10 constitué par une structure empilée comprenant successivement une lame de verre 11, une électrode 12, une couche isolante 13 en nitrure de silicium, une autre électrode 14, une autre couche isolante 15 en nitrure de silicium et une couche hydrophobe 16, par exemple en Téflon . Le substrat support 10 est percé d'un trou 18 permettant le passage d'un fil conducteur 17 selon l'axe du trou 18. Les électrodes 12 et 14, percées en leur centre, sont centrées sur le fil conducteur 17. Une lame solide 20, par exemple à base de verre ou de silicium, est disposée parallèlement au substrat support 10. Elle comporte une ouverture 21 dans laquelle est fixée une membrane 22, par exemple en polydiméthylsiloxane (PDMS), en forme de disque centré sur l'axe du trou 18. La distance séparant la lame 20 du substrat support 10 est par exemple de 100 pm. Une goutte 30 d'un liquide électriquement conducteur, par exemple de l'eau, est disposée entre la lame 20 et le substrat support 10 et est centrée sur l'axe du trou 18. Le trou 18 est obturé par un matériau isolant 19. L'électrode 12 dite électrode principale a la forme d'un disque. Elle permet, en coopération avec le fil conducteur 17, d'appliquer un champ électrique à la goutte 30 par leur connexion à un générateur de tension. L'électrode 14 permet le centrage de la goutte 30 sous la membrane 22. Ce centrage est obtenu par application d'une tension électrique entre 2889514 11 l'électrode 14 et le fil conducteur 17. L'électrode 14 a une forme en étoile. Les figures 4 à 6 montrent plusieurs formes possibles pour l'électrode de centrage 14. Sur ces figures, qui sont des vues de dessus, on a représenté l'électrode 12, le trou 18 et l'électrode de centrage 14. La couche isolante qui sépare les électrodes 12 et 14 n'a pas été représentée. La figure 3A montre l'état du dispositif lorsque l'électrode principale 12 est activée et/ou qu'une tension d'activation non nulle est appliquée entre l'électrode 12 et le fil 17. La figure 3B montre l'état du dispositif lorsque l'électrode principale n'est pas activée ou/et lorsque la tension d'activation entre l'électrode 12 et le fil 17 est nulle. Le passage d'un état activé à un état non activé de l'électrode 12 provoque une contraction de la goutte. Cette contraction génère une surpression dans la goutte, ce qui entraîne une déformation de la membrane 22 sous forme d'un gonflement. Ce dispositif de transmission de pression permet la réalisation d'un livre électronique en caractères Braille en associant plusieurs dispositifs sur une même puce, disposés selon une matrice de points. La matrice de points reproduit les caractères Braille selon que les gouttes correspondantes sont ou non mises en surpression. La figure 7 représente une puce comprenant plots à membrane activables par électromouillage. La puce est constituée d'un substrat support 41 du type représenté sur les figures 3A et 3B, d'une lame 42 2889514 12 située en vis-à-vis du substrat support 41 et parallèlement au substrat support, et d'une entretoise périphérique 43. La lame 42 comprend vingt ouvertures pourvues chacune d'une membrane déformable. Sous chaque membrane est disposée et centrée une goutte de la manière indiquée sur les figures 3A et 3B. Dans l'exemple montré sur la figure 7, sept plots, correspondant aux membranes 44, sont activés. Les treize autres plots, correspondant aux membranes 45, ne sont pas activés. La puce ainsi créée peut être de la dimension du bout d'un doigt. L'activation ou la désactivation de l'électrode principale produit quasi instantanément une déformation de la membrane ou son retour à l'état de repos. Suivant les informations provenant d'un système d'enregistrement (micro-mémoire), on peut obtenir sur la puce le défilement de caractères sans avoir à modifier l'emplacement du doigt. Une autre application de la présente invention est la réalisation d'un agitateur de fluide sous l'effet de l'agitation d'une membrane. Un tel agitateur de fluide est représenté, dans son principe, à la figure 8. Sur cette figure, un substrat support isolant 51, présentant une surface hydrophobe 52, comprend une électrode enterrée 53. Une lame 54 est disposée en vis-à-vis du substrat support 51. Elle comporte une ouverture 55 recouverte d'une membrane 56. Une goutte de liquide est disposée entre le substrat support 51 et la lame 54, entre la membrane 56 et la partie de la surface du substrat support 51 située 2889514 13 juste au-dessus de l'électrode 53. Le volume de la goutte 57 est avantageusement suffisant pour obtenir un gonflement de la membrane 56 lorsque l'agitateur est au repos. Ainsi, la goutte 57 se trouve centrée par rapport à l'électrode 53 de forme circulaire. La lame 54 est pourvue d'une électrode non représentée en contact avec la goutte 57. Une tension électrique peut alors être appliquée à la goutte. En appliquant une tension électrique sous forme d'impulsions, on peut obtenir des ondes de pression se propageant dans un fluide 58 situé de l'autre côté de la lame 54. Les ondes de pression permettent le mélange du fluide 58 par agitation. Encore une autre application de la présente invention est la réalisation d'un détecteur permettant de mesurer une pression de fluide. Le principe mis en oeuvre est l'inverse du principe de l'agitateur décrit précédemment. Le détecteur illustré par la figure 9 se présente de manière identique à l'agitateur de la figure 8. Les éléments du détecteur sont donc référencés en ajoutant le chiffre 100 aux éléments correspondants de l'agitateur. La goutte 157 est d'abord mise sous activation électrique. La pression d'un fluide 100 circulant de l'autre côté de la lame 154 déforme la membrane 156, ce qui se traduit par une dilatation latérale de la goutte 157 et un changement de la capacité électrique existant entre l'électrode 153 et l'électrode de la lame 154. La variation de pression transformée en variation de capacité est alors détectée par les électrodes. 14 REVENDICATIONS 1. Dispositif de transmission d'une pression par l'intermédiaire d'au moins une micro- membrane (22, 56, 156), comprenant une goutte (30, 57, 157) d'un liquide positionnée sur une surface électriquement isolante et hydrophobe d'un substrat support (10, 51, 151), des moyens permettant de maintenir la micro-membrane en contact avec une partie de la surface de la goutte, et des moyens d'activation électrique de la goutte aptes à modifier la ligne de contact entre la goutte et la surface hydrophobe. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens permettant de maintenir la micro-membrane comprennent une lame (20, 54, 154) disposée en regard du substrat support (10, 51, 151), la micromembrane (22, 56, 156) obturant une ouverture (21, 55, 155) de la lame. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'activation électrique (12, 17) de la goutte sont compris dans le substrat support (10). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'activation électrique de la goutte comprennent une première électrode constituée par un fil (17) disposé transversalement par rapport au substrat support (10), et une deuxième électrode (12) constituée par un disque 2889514 15 percé en son centre et disposé concentriquement audit fil. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la goutte de liquide (30) est positionnée au moyen d'une électrode de centrage (14) permettant d'appliquer un potentiel électrique de centrage de la goutte. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'électrode de centrage (14) a une forme en étoile. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'électrode de centrage (14) est comprise dans le substrat support (10). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'électrode de centrage (14) est disposée concentriquement audit fil (17). 9. Système constitué d'une association de plusieurs dispositifs selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, les dispositifs étant réalisés à partir d'un substrat support commun (41) et d'une lame commune (42). 2889514 16 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que les micro-membranes (44, 45) sont disposées selon un arrangement régulier. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'arrangement régulier est une matrice. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que la matrice constitue une matrice de points reproduisant les caractères Braille selon que les gouttes correspondantes sont ou non activées. 13. Agitateur de fluide comprenant au moins un dispositif de transmission d'une pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou au moins un système selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, un générateur de tension fournissant des impulsions de tension aux dispositifs de transmission d'une pression. 14. Détecteur permettant de mesurer une pression de fluide comprenant un dispositif de transmission d'une pression selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, la goutte (157) étant disposée entre deux électrodes de mesure formant plaques de condensateur, la face de la lame (154) opposée au substrat support étant en contact avec le fluide (100) dont on veut mesurer la pression, d'où il résulte que la goutte se déforme en fonction de la pression de fluide, ce qui modifie la capacité du condensateur, la 2889514 17 mesure de la valeur du condensateur permettant de déterminer la pression de fluide correspondante. 15. Procédé de transmission d'une pression 5 par l'intermédiaire d'au moins une micro-membrane, comprenant les étapes suivantes: - mise en contact d'au moins une partie de la micro-membrane (22, 56, 156) avec une goutte d'un liquide (30, 57, 157) positionnée sur une surface hydrophobe, - application de moyens d'activation électrique à la goutte aptes à modifier la ligne de contact entre la goutte et la surface hydrophobe. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens d'activation électrique sont des moyens provoquant une surpression gonflant la membrane (22) durant leur application. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens d'activation électrique sont des moyens provoquant la vibration de la membrane (56).