Brevet FR3047071A1 — publié le 20170728

Capteur de pression de fluide et son utilisation. La présente invention concerne un capteur de pression de fluide, de préférence un liquide, ainsi qu'un capteur de pression différentiel pour deux fluides, notamment un gaz et un liquide. Elle concerne également un ensemble réservoir et capteur de pression intégré dans le bouchon du réservoir, une canalisation de type capillaire faisant office de résistance hydraulique reliant au moins partiellement le liquide du réservoir à une entrée du capteur. Un tel capteur peut s'intégrer dans un système de mesure de débit d'un liquide dans un circuit micro fluidique, la mesure de débit 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. D'autres aspects de l'invention concernent l'utilisation 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. De l'article intitulé « micromachined flow sensors-a review » de N.T.Nguyen publié dans la revue FLOW MEASUREMENT AND 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 1 pL/min et 1 mL/min pour la majorité des applications. Les méthodes les plus courantes sont basées sur l'utilisation de capteurs thermiques 3047071 2 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 Sensirion AG.). 5 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 io 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 15 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 20 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 contrôlé en pression à l'aide de deux capteurs de pression de 25 liquide. Tous les capteurs de débits micro fluidiques connus à ce jour et décrits ci-dessus utilisés pour le contrôle d'un débit micro fluidique comportent un certain nombre d'inconvénients : 3047071 3 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 5 deux capteurs de pression séparés par une restriction peuvent avoir des temps de réponse beaucoup faibles ( REVENDICATIONS1-Capteur de pression (213) comportant un support (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. 2-Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane déformable est une membrane souple en silicium. 3-Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la déformation de la membrane (212) comportent des éléments sensibles à la déformation de la membrane tels que des éléments réalisés en matériau piezo-résistif. 4-Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un espace (207) disposé sous la 3047071 28 membrane (206) permettant à celle-ci de se déplacer sous l'action de la pression du fluide injecté dans le capteur. 5-Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canalisations d'arrivée et de départ de 5 fluide (215, 216) font un angle compris entre environ 10° et 90°, de préférence entre 40° et 50°, avec la surface supérieure de la membrane. 6-Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume de la cavité (208) est inférieur à 10 50 microlitres, de préférence inférieur à 10 microlitres, plus préférentiellement inférieur à 5 microlitres. 7-Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un joint d'étanchéité (210) disposé latéralement tout autour des parois du logement entre la 15 surface supérieure de la membrane (206) et la face supérieure de la cavité (208). 8-Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce le support (200) est traversé par une canalisation d'arrivée (204,207) d'un second fluide dont une 20 première extrémité vient à proximité de la surface inférieure (230) de la membrane (206). 9-Capteur selon la revendication 8, 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 25 fluidique (223) pour la fourniture d'un fluide sous pression, de préférence un gaz. 10-Ensemble de mesure de débit caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir (2) muni d'un bouchon (61) dans lequel est intégré un capteur selon l'une des revendications 1 à 9 de manière à 30 être solidaire du bouchon (61), ce dernier étant par ailleurs traversé par un capillaire (8) faisant office de restriction, 3047071 29 débouchant dans la canalisation d'arrivée (215) de liquide, à proximité de la cavité (208) du capteur. 11- Système de mesure du débit d'un liquide (3) dans un circuit micro fluidique (17) caractérisé en ce qu'il comporte un capteur 5 de pression selon l'une des revendications 1 à 9. 12 - Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de mesure de débit selon la revendication 10. 13-Système selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé 10 en ce que la résistance hydraulique de la restriction est supérieure ou égale à 1,2x10 puissance 10 Pa.s.1...-1. 14-Système selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la restriction est constituée par un tube capillaire (8) de diamètre inférieur à 300 micromètres. 15 15 - Système selon l'une des revendications 11, à 14, caractérisé en ce que la restriction (9) est disposée en amont des moyens capteur de pression (13). 16 - Système selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que l'on utilise la mesure de la pression Pl d'un gaz 20 maintenant en pression un liquide s'écoulant dans une restriction (9) et sortant de celle-ci à une pression P2 inférieure à P1 pour contrôler le débit de ce liquide. 17-Utilisation du capteur selon l'une des revendications précédentes pour contrôler le débit de fluide aux entrées et/ou 25 sorties d'une puce micro-fluidique.