Brevet FR3047067A1 — publié le 20170728

Système de mesure de débit d'un liquide et son utilisation. La présente invention concerne un système de mesure de débit micro fluidique d'un liquide utilisant une mesure de pression d'un gaz d'une part et une mesure de pression du liquide d'autre part. Elle se rapporte plus particulièrement à un système de mesure de débit d'un liquide dans un circuit microfluidique, la mesure de débit selon l'invention étant rapide, précise, et beaucoup plus simple à mettre en oeuvre que les méthodes connues de mesure de débit adaptées aux débits micro fluidiques. Par ailleurs, cette méthode de mesure de débit permet un asservissement rapide du débit mesuré, c'est à dire un contrôle de débit du liquide. L'invention concerne également un capteur de pression de fluide, de préférence un liquide, ainsi qu'un capteur de pression 15 différentiel pour deux fluides, notamment un gaz et un liquide lorsqu'il est mis en oeuvre dans le système de mesure de débit selon l'invention. L'invention concerne également un ensemble réservoir et capteur de pression intégré dans le bouchon du réservoir, une 20 canalisation de type capillaire faisant office de résistance hydraulique reliant au moins partiellement le liquide du réservoir à une entrée du capteur. D'autres aspects de l'invention concernent l'utilisation du système de mesure et/ou contrôle de débit ainsi que l'utilisation 25 du capteur de pression, sous forme simple ou différentielle, dans des applications telles que la perfusion d'un milieu de culture cellulaire, de réactifs dans un réacteur chimique, le contrôle du bouchage de canalisations micro fluidiques, ou la réalisation d'un générateur de gouttes à cadence élevée. 30 De l'article intitulé « micromachined flow sensors-a review » de N.T.Nguyen publié dans la revue FLOW MEASUREMENT AND 3047067 2 INSTRUMENTATION-MARCH 1997, on connaît de nombreuses méthodes de mesure du débit d'un liquide dans la gamme des débits micro fluidiques, c'est à dire les débits de liquide inférieurs à 100 mL/min, et typiquement compris entre 1pL/min et 1 5 mL/min pour la majorité des applications. Les méthodes les plus courantes sont basées sur l'utilisation de capteurs thermiques faisant usage de la mesure du déplacement d'un flux thermique transporté par le mouvement du liquide (voir par exemple le capteur de la gamme LG16 commercialisé par la société 10 Sensirion AG.). Il est également connu d'utiliser des capteurs vibrants basés sur la force de Coriolis pour réaliser des mesures de débit de fluides tels que ceux commercialisés sous la dénomination Cori-FLOW par la société Bronkhorst. Il est connu également d'utiliser la mesure d'une différence de pressions pour mesurer des débits de gaz (voir par exemple les capteurs de pression différentiels commercialisés par la société First Sensor). Des capteurs de pression sont décrits par exemple dans les brevets US5515735, US8403908, ou W09740350 et sont utilisables pour la mesure de débit de liquides à l'aide de deux capteurs de pression liquide mesurant la perte de charge du liquide dans une canalisation ou à travers des restrictions de formes diverses. Dans l'article intitulé « Design and Fabrication of a MEMS Flow Sensor and Its Application in Precise Liquid Dispensing de Yaxin Liu et al - State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin, China » les auteurs mesurent cette différence de pression en aval d'un réservoir de liquide 3047067 3 contrôlé en pression à l'aide de deux capteurs de pression de liquide. Tous les capteurs de débits micro fluidiques connus à ce jour et décrits ci-dessus utilisés pour le contrôle d'un débit micro 5 fluidique comportent un certain nombre d'inconvénients : Les capteurs basés sur une mesure thermique sont en général peu précis et sensibles à l'environnement et à la nature du liquide. Les capteurs de pression différentiels, utilisant par exemple 10 deux capteurs de pression séparés par une restriction peuvent avoir des temps de réponse beaucoup faibles ( REVENDICATIONS1-Système de mesure du débit d'un liquide(3) dans un circuit micro fluidique(17) caractérisé en ce qu'il comporte : -un réservoir(2) partiellement rempli de liquide(3) et surmonté d'un ciel gazeux(4), -des moyens(1) pour maintenir la pression du gaz du ciel gazeux(4) à une valeur prédéterminée P1, -des moyens (8,9,10,12) pour prélever du liquide(3) dans le réservoir(2) et pour le délivrer en sortie(10,12) à une pression P2 inférieure à P1, -des moyens capteurs de pression(13) dont une première entrée(6,7,18) est reliée au ciel gazeux(4) et dont une seconde entrée(19) est reliée à la sortie(10,12) de liquide à pression P2, 15 la sortie(14) des moyens capteurs de pression(13) délivrant un signal(15, 16) fonction de la différence des pressions (P1-P2) qui est une mesure représentative du débit de liquide à pression P2 délivré au circuit micro fluidique(17). 2-Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 20 moyens (8,9,10,12) pour prélever du liquide(3) et le délivrer en sortie(10,12) à une pression P2 comportent une restriction(9). 3-Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal (15, 16) fonction de la différence des pressions (P1-P2) est envoyé vers les moyens(1) de 25 maintien en pression du gaz de manière à contrôler le débit de liquide(3). 4-Système selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la résistance hydraulique de la restriction est supérieure ou égale à 1,2x10 puissance 10 Pa.s.1:1. 3047067 28 5-Système selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la restriction est constituée par un tube capillaire (8) de diamètre inférieur à 300 micromètres. 6-Système selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en 5 ce que la restriction est disposée en amont des moyens capteur de pression (13). 7-Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens capteurs de pression (13) comprennent notamment un capteur de pression (213) comportant un support 10 (200) muni d'un logement dans lequel sont disposés une membrane (206) déformable associée à des moyens de mesure de la déformation de la membrane (212), la membrane pouvant se déformer sous l'action d'un fluide sous pression, de préférence un liquide, appliqué de préférence sur la surface supérieure (231) de la membrane (206), les moyens de mesure de la déformation de la membrane (212) étant reliés électriquement à des contacts électriques(202, 203) permettant de recueillir un signal électrique fonction de la pression du fluide, caractérisé en ce que la surface supérieure (231) de la membrane (206) délimite dans le logement du support (200) la face inférieure d'une cavité (208) comportant également une face supérieure, cavité dans laquelle débouchent deux canalisations distinctes respectivement d'arrivée (215) et de départ (216) (ou vice-versa) d'un fluide, permettant l'écoulement du fluide au contact de la surface supérieure (231) de la membrane (206), la cavité étant sensiblement dépourvue de tout volume mort de manière à éviter la formation de bulles dans le fluide. 8-Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la membrane déformable est une membrane souple en silicium. 9-Système selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la déformation de la membrane 3047067 29 (212) comportent des éléments sensibles à la déformation de la membrane tels que des éléments réalisés en matériau piezorésistif. 10-Système selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en 5 ce qu'il comporte un espace (207) disposé sous la membrane (206) permettant à celle-ci de se déplacer sous l'action de la pression du fluide injecté dans le capteur. 11-Système selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que les canalisations d'arrivée et de départ de fluide (215, 10 216) font un angle compris entre environ 10° et 90°, de préférence entre 40° et 50°, avec la surface supérieure de la membrane. 12-Système selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le volume de la cavité (208) est inférieur à 50 microlitres, 15 de préférence inférieur à 10 microlitres, plus préférentiellement inférieur à 5 microlitres. 13-Système selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un joint d'étanchéité (210) disposé latéralement tout autour des parois du logement entre la surface 20 supérieure de la membrane (206) et la face supérieure de la cavité (208). 14-Système selon l'une des revendications 7 à 13, caractérisé en ce le support (200) est traversé par une canalisation d'arrivée (204,207) d'un second fluide dont une première extrémité vient 25 à proximité de la surface inférieure (230) de la membrane (206). 15-Système selon la revendication 14, caractérisé en ce que la seconde extrémité de la canalisation d'arrivée (204, 207) située du côté opposé à la membrane (206) est munie d'un connecteur fluidique (223) pour la fourniture d'un fluide sous pression, de 30 préférence un gaz. 3047067 30 16-Systéme selon l'une des revendications 7 à 15, caractérisé en ce que le capteur de pression (213) fait partie d'un ensemble de mesure de débit constitué du réservoir (2) muni d'un bouchon (61) dans lequel est intégré le capteur (213) de manière à être 5 solidaire du bouchon (61) celui-ci étant par ailleurs traversé par un capillaire (8) faisant office de restriction, débouchant dans la canalisation d'arrivée de liquide (215) à proximité de la cavité (208). 17-Utilisation de la mesure de la pression P1 d'un gaz 10 maintenant en pression un liquide s'écoulant dans une restriction et sortant de celle-ci à une pression P2 inférieure à P1 pour contrôler le débit de ce liquide.