Brevet FR2960922A1 — publié le 20111209

La présente invention concerne une micro pompe à onde progressive ultrasonore pour liquide, dont l'activation repose sur l'utilisation de deux transducteurs linéaires piézoélectriques, au moins un étant utilisé comme actionneur linéaire piézoélectrique. Le fonctionnement des transducteurs piézoélectriques repose sur la propriété qu'ont certains matériaux, tels que le quartz, des céramiques synthétiques ou des PZT (Titano-Zirconate de plomb), de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique, et réciproquement de se déformer sous l'action d'un champ électrique. Ce phénomène réciproque, connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse, est utilisé largement pour réaliser des actionneurs. De nombreuses micro pompes utilisant des actionneurs piézoélectriques ont déjà été développées, et peuvent être classifiées, comme proposé dans l'article intitulé « Classification and comparison of micropumps in view of operational conditions and restrictions » - Camilo Hernandez, Yves Bernard et al. - ACTUATOR 2008, 11th International Conference on new actuators, Bremenn Germany, 9-11 June 2008 - pages 818-822, selon que leur structure utilise ou non des valves. Dans les structures sans valve, on connaît notamment les micro pompes dites péristaltiques, dans lesquelles une force sous la forme d'une onde transversale progressive est appliquée sur les parois d'un canal contenant le liquide de façon à générer un déplacement de ce liquide dans le sens de propagation de l'onde. Une structure linéaire possible de micro pompe à onde progressive transversale générée par l'intermédiaire d'actionneurs piézoélectriques est décrite dans le document US 5 961 298. La structure consiste essentiellement en un empilement de deux plaques rectangulaires étroitement serrées l'une contre l'autre et placées de façon étanche entre une entrée et une sortie d'une chambre de la pompe. L'une des plaques est de préférence fixe, tandis que l'autre plaque est excitée par une série d'actionneurs piézoélectriques répartis sur une face de la plaque opposée à l'interface entre les deux plaques, sur toute la longueur de l'interface. Chaque actionneur est composé de deux paires d'organes de commande alimentés électriquement par des signaux sinusoïdaux B10026FR en quadrature de phase, chaque organe étant lui-même constitué de deux éléments linéaires piézoélectriques, l'un apte à se dilater sous l'action du signal de commande, l'autre apte à se contracter sous l'action de ce même signal de commande. L'agencement des actionneurs sur toute la longueur de l'interface, le choix des signaux de commande et le séquencement de ces signaux permettent de déformer localement la plaque de façon à créer entre les deux plaques une cavité fermée accueillant le fluide, la cavité se déplaçant depuis l'entrée vers la sortie de la pompe, dans la direction de propagation de l'onde progressive. Une telle structure présente plusieurs inconvénients : Ainsi, le canal de transport du fluide étant créé localement directement par la cavité formée entre les plaques, des joints d'étanchéité doivent obligatoirement être prévus en périphérie de chacune de ces plaques pour éviter que le fluide ne s'échappe et vienne interférer notamment avec les actionneurs piézoélectriques. En outre, dans une telle structure, l'amplitude de la déformation doit être de la dimension du canal d'écoulement pour pouvoir créer localement une cavité fermée. Enfin et surtout, cette structure requiert un nombre important d'éléments piézoélectriques, ce qui non seulement augmente son coût, mais ne favorise pas la miniaturisation de la structure. La présente invention a pour objectif de pallier les inconvénients précédents en proposant une structure de micro pompe pour liquide utilisant un nombre réduit d'éléments piézoélectriques et offrant une bonne souplesse d'utilisation. Ce but est atteint selon l'invention qui a pour objet une micro pompe à 25 onde progressive ultrasonore pour le déplacement d'un liquide, caractérisée en ce qu'elle comporte : - Deux transducteurs linéaires piézoélectriques ; - Une lame métallique flexible dont chaque partie extrémale repose sur l'un des deux transducteurs linéaires piézoélectriques ; 30 - Un canal étanche en matériau déformable pour le transport du liquide depuis une entrée vers une sortie de la micro pompe, ledit canal reposant longitudinalement sur ladite lame entre lesdits transducteurs linéaires piézoélectriques; B10026FR - Des moyens d'excitation pour exciter au moins le transducteur linéaire piézoélectrique situé près de l'entrée de la micro pompe de manière à ce qu'il génère une vibration transverse dans la lame et le canal selon une onde progressive se déplaçant vers la sortie de la micro pompe. Selon des caractéristiques additionnelles : - Dans un premier mode de réalisation, le transducteur linéaire piézoélectrique situé près de la sortie de la micro pompe est utilisé comme amortisseur de la vibration transverse. Dans ce cas, il est avantageusement relié à une charge RL dont la résistance et l'inductance sont choisies de manière à réduire, voire annuler, la réflexion de l'onde progressive. - Dans ce cas, le transducteur linéaire piézoélectrique situé près de l'entrée est positionné de préférence à 7X/8 de l'extrémité la plus proche de la lame, représentant la longueur de l'onde progressive, alors que le transducteur linéaire piézoélectrique situé près de la sortie est positionné à 15 7X/8+nX/2 de ladite extrémité gauche, n étant un entier positif. - Dans un deuxième mode de réalisation possible, les deux transducteurs piézoélectriques sont utilisés comme vibrateurs de façon à exciter deux modes de vibration consécutifs de la lame. Dans ce cas, les moyens d'excitation excitent de préférence simultanément les deux transducteurs 20 linéaires piézoélectriques, l'un avec un premier signal électrique sinusoïdal à une fréquence intermédiaire par rapport aux fréquences des deux modes de vibration consécutifs, l'autre avec un deuxième signal électrique sinusoïdal à la même fréquence intermédiaire, mais en quadrature de phase avec le premier signal. 25 - le canal étanche est de préférence fixé à la lame par collage. - le canal étanche est un film en PolyDiMethylSiloxane. - les deux transducteurs piézoélectriques sont des structures de Langevin. La présente invention et les avantages qu'elle procure seront mieux 30 compris au vu de la description suivante d'un exemple de réalisation conforme à la présente invention, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement une vue en élévation d'une micro pompe selon l'invention ; B10026FR - la figure 2 représente l'allure de l'onde progressive générée dans la lame selon les principes de l'invention ; - la figure 3 représente un transducteur linéaire piézoélectrique selon une structure de Langevin ; - la figure 4 illustre une amélioration de la structure de Langevin précédente, particulièrement adaptée à la micro pompe selon l'invention ; - la figure 5 illustre une première manière d'exciter la micro pompe selon l'invention ; - la figure 6 représente en vue partiellement éclatée, la structure d'un 10 démonstrateur utilisé pour valider le fonctionnement de la micro pompe selon l'invention. La simplification de la micro pompe selon l'invention par rapport à l'art antérieur connu repose sur les études expérimentales et essais faits en laboratoire qui ont permis de valider non seulement le fait qu'il est possible de 15 faire naître une onde progressive dans une lame métallique à l'aide de deux transducteurs linéaires piézoélectriques uniquement, mais aussi, que cette onde progressive peut déformer suffisamment la paroi d'un film ou canal étanche déposé sur la lame pour permettre le transport d'un liquide entre une entrée et une sortie du canal. 20 Comme cela est schématisé sur la figure 1, une micro pompe 1 pour liquide selon l'invention comporte essentiellement deux transducteurs linéaires piézoélectriques 2 et 3, une lame métallique flexible 4 reposant sur les deux transducteurs 2 et 3 en les reliant, et un canal étanche 5 en matériau déformable pour le transport du liquide entre une entrée E et une sortie de ce 25 canal 5. L'ensemble repose de préférence sur un socle 6 en un matériau à impédance acoustique élevée, de façon à éviter que des vibrations ne soient transportées au travers de ce socle. Un module électronique 7 relié aux deux transducteurs linéaires piézoélectriques 2 et 3 comporte les moyens d'excitation de ces transducteurs. 30 Les transducteurs 2 et 3 sont utilisés de manière à générer, dans la lame 4, une onde progressive transversale se déplaçant le long de la lame depuis le transducteur 2 vers le transducteur 3. La figure 2 illustre différentes courbes représentant à cinq instants successifs l'allure de cette onde. L'onde ainsi générée est une fonction périodique à la fréquence de résonance de la B10026FR lame et présente des ventres (points hauts et bas des différentes courbes) qui se déplacent au cours du temps de la gauche vers la droite. Différentes stratégies d'alimentation des deux transducteurs permettant l'obtention de l'onde progressive seront explicitées dans la suite. Quelle que soit la stratégie adoptée, on utilise de préférence des transducteurs linéaires piézoélectriques du type à structure de Langevin, ou autres structures connues sous la terminologie allemande « Tonpilz ». Ces structures, dont la constitution est rappelée à la figure 3, comportent essentiellement au moins deux céramiques piézoélectriques 20 serrées et précontraintes entre deux masses métalliques, une masse supérieure 21 et une masse inférieure 22, au moyen d'un élément de fixation tel qu'une vis métallique 23. Les masses métalliques 21 et 22 servent d'une part, à protéger les céramiques 20, et d'autre part, à étalonner le transducteur acoustique ainsi formé à une fréquence prédéfinie. Dans une telle structure, lorsqu'un signal électrique sinusoïdal est appliqué aux deux céramiques 20, celles-ci se déforment par contraction. Comme les céramiques 20 sont connectées mécaniquement en série et électriquement en parallèle, des ondes acoustiques longitudinales se propagent depuis les céramiques vers les masses. Un déplacement maximal des masses mises en mouvement dans la direction verticale peut être obtenu lorsque la fréquence du signal électrique sinusoïdal concorde avec la fréquence de résonance mécanique de la structure. Les structures de Langevin ont typiquement des fréquences de résonance pouvant aller de 20 à 200 kHz. Pour l'application à une micro pompe pour liquide, il est nécessaire de dimensionner correctement les masses respectivement inférieure 22 et supérieure 21, ainsi que leur forme, afin d'ajuster la fréquence de résonance de l'ensemble. En outre, la forme de la masse supérieure 21 doit être modifiée de façon à d'une part, amplifier les déformations obtenues au sommet de la masse supérieure à l'endroit où est fixée la lame 4, et d'autre part, minimiser la zone de contact entre le transducteur et la lame 4. La figure 4 illustre une forme conique de la masse supérieure 21 particulièrement adaptée pour remplir les deux objectifs précités. La masse inférieure 22 est de préférence en un matériau lourd et rigide, tel que du tungstène ou de l'acier, peu favorable à la propagation des vibrations. A l'inverse, le matériau pour la masse supérieure 21 B10026FR est de préférence léger et souple, comme par exemple l'aluminium, afin d'offrir une faible impédance acoustique et favoriser la propagation de la vibration vers le sommet de la structure. Les matériaux utilisés pour les différents éléments de la micro pompe 1, les dimensions notamment de la lame 4 et du canal 5, le type de transducteurs linéaires utilisés, et leur positionnement par rapport à la lame doivent être correctement choisis en fonction de l'application envisagée, le principe commun d'une application à une autre étant la génération d'une vibration mécanique par l'intermédiaire des transducteurs qui soit transmise avec le moins de pertes possibles à la lame 4 sous la forme d'une onde progressive se déplaçant entre l'entrée et la sortie, et qui permette le déplacement d'une certaine quantité de liquide à une vitesse donnée entre l'entrée et la sortie de la micro pompe. Chaque application va ainsi imposer de nombreuses contraintes très variées qui vont des valeurs de débit et de contre-pression, pour un liquide particulier, à des exigences en termes de consommation électrique, d'encombrement, de biocompatibilité...Ainsi, une étude approfondie de la dynamique du fluide propre à chaque application doit être conduite préalablement au développement de la micro pompe. Les différents essais conduits par la Demanderesse ont permis d'identifier certains critères de choix qui vont à présent être explicités : Les performances en pompage vont dépendre essentiellement des caractéristiques spécifiques de l'onde progressive susceptible d'être générée dans la lame, telles que la fréquence de l'onde, son nombre d'onde et son amplitude. Or, ces caractéristiques sont intimement liées aux caractéristiques dynamiques des transducteurs piézoélectriques. Le choix exact des transducteurs est ainsi conditionné par une connaissance préalable de l'amplitude et de la fréquence de déformation que l'on souhaite obtenir au niveau de la lame, et par suite, dans le canal de transport du fluide. Différentes stratégies d'alimentation des transducteurs 2 et 3 peuvent être utilisées pour générer l'onde progressive : Selon une première mise en oeuvre possible schématisée sur la figure 5, seul le transducteur situé près de l'entrée du canal, ici le transducteur 2, est utilisé comme vibrateur, le transducteur 3 étant quant à lui utilisé comme amortisseur de la vibration. Pour ce faire, les moyens d'excitation 7 du transducteur 2 vont appliquer, sur ce B10026FR transducteur, une tension d'alimentation périodique, de préférence sinusoïdale. Par analogie avec la théorie de la transmission dans une ligne électrique, le transducteur 2 joue alors le rôle de générateur d'onde, la lame 4 est la ligne de transmission électrique, et le transducteur 3 représente la charge de cette ligne. Ce dernier est relié par exemple à un circuit RL comportant une résistance R en parallèle avec une inductance L. Les valeurs R et L sont choisies de manière à adapter la charge à l'impédance acoustique de la lame. Ainsi, l'onde se propage dans la lame sans qu'aucune réflexion (cas idéal) ou une réflexion négligeable au niveau de la transition entre la lame et le transducteur 3 ne vienne affecter la nature progressive de l'onde. En cas d'absence de couplage adéquat entre les impédances de la lame 4 et du transducteur 3, la somme de l'onde générée par le transducteur 2 et de celle réfléchie par le transducteur 3 pourrait en effet conduire à générer une onde stationnaire. En outre, les transducteurs 2 et 3 doivent être correctement positionnés par rapport à la lame 4 de façon à permettre une adaptation d'impédance. Les essais de la Demanderesse ont montré que, si représente la longueur de l'onde progressive, le transducteur 2 utilisé comme vibrateur doit être positionné de préférence à 7X/8 de l'extrémité gauche de la lame 4, alors que le transducteur 3 utilisé comme amortisseur doit être positionné à 7X/8+nX/2de cette même extrémité gauche, expression dans laquelle n est un entier positif. Il convient de noter que le fonctionnement de la micro pompe est facilement réversible en prenant soin d'utiliser les mêmes transducteurs 2 et 3. Pour obtenir un fonctionnement en sens inverse, les moyens d'excitation 7 exciteront le transducteur 3, alors que le transducteur 2 sera utilisé comme amortisseur. L'entrée E et la sortie S se retrouvent alors inversées par rapport à celles représentées sur les figures. Selon une deuxième stratégie possible d'alimentation, les deux transducteurs 2 et 3 sont utilisés comme vibrateurs de façon à exciter deux modes de vibration consécutifs de la lame 4. Plus précisément, sachant qu'une onde progressive pure est la somme de deux ondes stationnaires décalées de 90° à la fois dans le temps et dans l'espace, les moyens d'excitation 7 vont exciter simultanément les deux transducteurs linéaires piézoélectriques 2 et 3, l'un avec un premier signal électrique sinusoïdal à une fréquence intermédiaire par rapport aux fréquences des deux modes de vibration consécutifs, l'autre avec un deuxième signal électrique sinusoïdal à la même fréquence B10026FR intermédiaire, mais en quadrature de phase avec le premier signal. La vibration résultante consiste alors en une onde progressive d'amplitude et de vitesse de phase variables. Ici, la position des transducteurs 2 et 3 le long de la lame doit être identifiée précisément de façon à obtenir effectivement une onde progressive. Plus précisément, on peut montrer que la déformation de la lame est régie par l'équation suivante : u(x,t) = D1 [sin(ynx) - cos(ynx)]cos(SZt)+ D2 [sin(yn+1x) - cos(yn+1x)]sin(SZt) + D3 [sin(yn+1x)- cos(yn+1x)]cos(SZt)+ D4 [sin(ynx)- cos(ynx)]sin(SZt) dans laquelle : x est la position le long de la lame, yn et yn+1 représente le nombre d'onde de deux modes consécutifs, SI est la fréquence intermédiaire appliquée, et D1 à D4sont des constantes dépendant de la fréquence d'excitation, du matériau utilisé pour la lame 4, des conditions aux limites et de la position des 15 transducteurs. Les études de la Demanderesse ont permis de montrer que les positions appropriées pour les transducteurs sont celles pour lesquelles on obtient des constantes D1 à D4 égales en valeur absolue, l'une au moins de ces constantes possédant un signe opposé aux trois autres. 20 Ici encore, la micro pompe est réversible en intervertissant la façon d'exciter chacun des transducteurs 2 et 3. En ce qui concerne la lame métallique flexible 4, le choix du matériau métallique utilisé, notamment sa densité et son coefficient d'élasticité, et les 25 dimensions en longueur, largeur et épaisseur de la lame doivent être ajustés en fonction de la longueur d'onde, de la fréquence et de l'amplitude de l'onde progressive que l'on souhaite obtenir. La lame 4 doit remplir les trois critères ci-dessous : - Le matériau utilisé pour la lame doit être un bon conducteur 30 acoustique, puisqu'il s'agit de transmettre, idéalement intégralement, la vibration générée par les transducteurs piézoélectriques ; B10026FR - L'impédance acoustique de la lame à la fréquence d'excitation doit correspondre à celle des transducteurs piézoélectriques 2 et 3, ce qui conditionne notamment les dimensions de la lame en longueur, largeur et épaisseur. - La lame doit être également dimensionnée de façon à ce que le poids résultant du canal transportant le fluide soit négligeable en comparaison avec les efforts transverses générés par la lame, ceci afin de ne pas perturber la progression de l'onde. S'agissant du socle 6, ce dernier doit offrir une faible conduction des ondes acoustiques, là encore pour favoriser la transmission des vibrations générées par le transducteur 2 (mode vibrateur-amortisseur), ou par les deux transducteurs 2 et 3 (mode vibrateur-vibrateur) vers la lame 4. Ceci peut être obtenu par différents moyens, notamment par le seul choix d'un matériau à faible conduction acoustique. En variante, on peut faire en sorte que l'impédance acoustique du socle 6 soit beaucoup plus grande que l'impédance acoustique de la lame 4. Sachant que l'impédance acoustique Zo peut être définie par la relation : Zo=pxCxAo dans laquelle p est la densité du matériau, C est la vitesse du son et Ao la surface de contact entre le socle et chacun des transducteurs 2 et 3, on pourra choisir pour le socle 6 un matériau de grande densité et/ou des surfaces de contact importantes. Enfin, le canal 5 doit être réalisé en un matériau suffisamment déformable pour que la déformation sur sa paroi en contact avec la lame 4 induite par l'onde progressive entraîne effectivement le déplacement du liquide. Le canal étanche peut par exemple être réalisé sous la forme d'un film en PDMS (PolyDiMethylSiloxane). Un démonstrateur illustré schématiquement sur la figure 6 a été réalisé pour valider le fonctionnement de la micro pompe selon les principes indiqués ci-dessus. Pour ce démonstrateur, deux transducteurs de Langevin du commerce présentant des fréquences de résonance de 28 kHz ont été utilisés en y ajoutant des cônes en aluminium adaptés à la fréquence de résonance des transducteurs dans la partie supérieure. B10026FR La lame 5 du démonstrateur a été réalisée en aluminium (duralium). Le canal étanche (non représenté sur la figure 6) intègre à ses extrémités deux réservoirs respectivement à son entrée et à sa sortie. Il confine le liquide à transporter et réalise l'interface avec la lame. Pour valider le principe de fonctionnement de la micro pompe, une faible quantité de liquide a été placée dans le réservoir d'entrée. Une attente suffisamment longue a été observée de manière à vérifier qu'aucun mouvement de liquide par capillarité n'apparaissait. Puis, les transducteurs ont été alimentés, et le remplissage du réservoir de sortie a pu être observé, validant ainsi le transport du liquide par l'onde progressive. La micro pompe selon l'invention présente tous les intérêts associés à sa technologie (piézoélectrique) avec notamment l'absence de champ magnétique rayonné et l'absence de partie mobile au niveau des actionneurs. De plus, la micro pompe selon l'invention possède un canal couvrant tout le fluide et permet d'actionner des canaux dont la déformation va engendrer du flux contrairement aux techniques connues de l'art antérieur. Les résultats de l'étude ont montré qu'il n'était pas nécessaire de générer une onde dont l'amplitude correspondrait à la hauteur du canal pour permettre l'acheminement du liquide, contrairement à l'enseignement du document US 5 961 298. Les dimensions optimales des différents constituants de la micro pompe peuvent être déterminées pour chaque application envisagée en utilisant une modélisation numérique. Par rapport notamment à la micro pompe décrite dans le document US 5 961 298, toute la partie supérieure de la pompe selon l'invention est ici dégagée. L'ensemble peut ainsi être facilement équipé de capteurs permettant un fonctionnement adaptatif aux variations de comportement de la pompe. B10026FR REVENDICATIONS1. Micro pompe (1) à onde progressive ultrasonore pour le déplacement d'un liquide, caractérisée en ce qu'elle comporte : Deux transducteurs (2, 3) linéaires piézoélectriques ; Une lame (4) métallique flexible dont chaque partie extrémale repose sur l'un des deux transducteurs linéaires piézoélectriques ; Un canal (5) étanche en matériau déformable pour le transport du liquide depuis une entrée (E) vers une sortie (S) de la micro pompe, ledit canal (5) reposant longitudinalement sur ladite lame (4) entre lesdits transducteurs linéaires piézoélectriques (2, 3) ; Des moyens d'excitation (7) pour exciter au moins le transducteur (2) linéaire piézoélectrique situé près de l'entrée (E) de la micro pompe de manière à ce qu'il génère une vibration transverse dans la lame (4) et le canal (5) selon une onde progressive se déplaçant vers la sortie (S) de la micro pompe. 2. Micro pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le transducteur (3) linéaire piézoélectrique situé près de la sortie (S) de la micro pompe est utilisé comme amortisseur de la vibration transverse. 3. Micro pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que le transducteur (3) linéaire piézoélectrique situé près de la sortie (S) de la micro pompe est relié à une charge RL dont la résistance et l'inductance sont choisies de manière à réduire, voire annuler, la réflexion de l'onde progressive. 4. Micro pompe selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le transducteur (2) linéaire piézoélectrique situé près de l'entrée (E) est positionné à 7X/8 de l'extrémité la plus proche de la lame (4), représentant la longueur de l'onde progressive, alors que le transducteur (3) linéaire piézoélectrique situé près de la sortie (S) est positionné à 7X/8+nX/2de ladite extrémité gauche, n étant un entier positif. B10026FR 5. Micro pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux transducteurs (2, 3) piézoélectriques sont utilisés comme vibrateurs de façon à exciter deux modes de vibration consécutifs de la lame (4). 6. Micro pompe selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'excitation (7) excitent simultanément les deux transducteurs linéaires piézoélectriques (2, 3), l'un avec un premier signal électrique sinusoïdal à une fréquence intermédiaire par rapport aux fréquences des deux modes de vibration consécutifs, l'autre avec un deuxième signal électrique sinusoïdal à la même fréquence intermédiaire, mais en quadrature de phase avec le premier signal. 7. Micro pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit canal (5) étanche est fixé à la lame (4) par collage. 8. Micro pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit canal (5) étanche est un film en PolyDi MethylSiloxane. 9. Micro pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux transducteurs (2, 3) piézoélectriques sont des structures de Langevin. 10.Micro pompe selon la revendication 9, caractérisée en ce que chaque structure de Langevin comporte une masse supérieure (21) de forme adaptée pour d'une part, amplifier les déformations obtenues au sommet de la masse supérieure, à l'endroit où repose la lame 4, et d'autre part, minimiser la zone de contact entre le transducteur et la lame (4). 11.Micro pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un socle (6) en matériau à impédance acoustique élevée. B10026FR