Brevet FR3090792A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Dispositif de vanne fluidique anti-retour Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention sc rapporte à un dispositif de vanne fluidique anti-retour, pouvant notamment être employé dans une carte micro-fluidique. Etat de la technique [0002] Dans le domaine (les cartes fluidiques et même micro-fluidiques, on utilise un certain nombre de dispositifs intégrés à la carte pour assurer le contrôle du déplacement du fluide dans la carte. De telles cartes sont notamment employées dans le domaine biologique, pharmaceutique, médical, par exemple pour préparer des échantillons fluidiques à analyser, par exemple des échantillons de sang ou autres. [0003] Les éléments intégrés à la carte sont notamment formés de canaux, de chambres, de vannes classiques ou mêmes de vannes anti-retours. L'objectif est que tous ces éléments puissent être intégrés à la carte pour disposer d'un ensemble fonctionnel monobloc. [0004] De manière connue, les cartes micro-fluidiques sont souvent réalisées par l'assemblage de plusieurs couches. Pour réaliser une vanne dans un réseau micro-fluidique d'une carte, il est par exemple connu de la demande de brevet US2007/166199A1 d'employer deux substrats et une membrane réalisée en matériau deformable et prise en sandwich entre les deux substrats. Le circuit micro-fluidique est réalisé sur Fun et/ou l'autre des deux substrats et la membrane est commandée de manière pneumatique pour se déplacer dans une cavité du circuit entre deux états afin de contrôler le déplacement du fluide dans le circuit. [0005] A partir d'une solution à membrane deformable, la création d'une vanne de type anti- retour peut s'avérer plus difficile à mettre en oeuvre car il est nécessaire de prévoir que la membrane vienne refermer une entrée fluidique après le passage du fluide. Il peut notamment s'avérer nécessaire d'exercer une commande pneumatique pour assurer le retour de la membrane. [0006] Lc but de l'invention est de proposer un dispositif de vanne fluidique anti-retour ayant : une réalisation simple, nécessitant un nombre limité de composants, un fonctionnement simple, sans commande pneumatique, un encombrement limité lui permettant d'être facilement intégré à une carte micro-fluidique telle que celle décrite ci-dessus, sans modifier profondément la structure de ladite carte. Exposé de l'invention 2 [0007] Cc but est atteint par un dispositif de vanne fluidique anti-retour, comprenant : Un support, Une cavité réalisée à l'intérieur du support délimitée par au moins une première paroi et une deuxième paroi, Une entrée fluidique débouchant dans ladite cavité à travers la première paroi, par une première section, Une sortie fluidique débouchant dans ladite cavité, à travers ladite deuxième paroi par une deuxième section, Une membrane en matériau élastique deformable comprenant une première face et une deuxième face, ladite membrane s'étendant en appui par sa première face contre ladite première paroi de la cavité, La membrane comportant une zone d'obturation pleine située en vis-à-vis de ladite première section et un orifice réalisé à travers la membrane suivant un premier axe traversant la membrane en dehors de sa zone d'obturation, La membrane étant configuree pour prendre un premier état dans lequel elle est en appui contre ladite première paroi, de sorte que sa zone d'obturation obture ladite première section et que son orifice est obturé par ladite première paroi et un deuxième état dans lequel elle est décollée de ladite première paroi, de sorte que sa zone d'obturation est éloignée de ladite première section et que son orifice est libéré de ladite première paroi. [0008] Selon une particularité, ladite entrée fluidique est réalisée suivant un deuxième axe qui est décalé par rapport au premier axe dudit orifice et parallèle à celui-ci de manière à traverser ladite zone d'obturation de la membrane. [0009] Selon une autre particularité, ladite sortie fluidique est réalisée suivant un troisième axe qui est décalé par rapport au premier axe dudit orifice et parallèle à celui-ci de manière à traverser ladite zone d'obturation de la membrane. [0010] Selon une autre particularité, le deuxième axe est confondu avec le troisième axe. [0011] Selon une autre particularité, le premier axe et le deuxième axe sont séparés d'une distance comprise entre 1,5mm et 2,5mm [0012] Selon une autre particularité, l'entrée fluidique comporte un canal d'entrée réalisé dans le support et en ce que la sortie fluidique comporte un canal de sortie réalisé dans le support. [0013] Selon une autre particularité, la première section est égale à la deuxième section. [0014] Selon une autre particularité, ledit support est constitué d'une carte micro-fluidique qui comporte : Un premier substrat comportant une face supérieure et une face inférieure, Un deuxième substrat comportant une face supérieure et une face inférieure, Ladite cavité étant réalisée par une empreinte sur la face supérieure du 3 deuxième substrat, Ladite membrane en matériau déformable étant disposée entre la face inférieure du premier substrat et la face supérieure du deuxième substrat. [0015] Selon une autre particularité, l'orifice présente un diamètre compris entre 0,1 mm et 0.5mm. [0016] Selon une autre particularité, la première section est circulaire et comporte un diamètre compris entre 0,4mm et 1,5mm. [0017] Selon une autre particularité, la cavité présente une section longitudinale de forme oblongue et comporte une longueur comprise entre 2mm et 6mm, une largeur comprise entre 1 et 4mm et une profondeur comprise entre 0.1 mm et 1,5mm. Brève description des figures [0018] D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : [0019] [fig.lAJ [0020] [fig.I13] Les figures IA et 1B représentent, vu en coupe longitudinale axiale, le dispositif de vanne fluidique anti-retour conforme à l'invention, respec- tivement sa membrane à l'état repos et sa membrane en état déployé ; [0021] [fig.1C] La figure 1C représente le dispositif de vanne fluidique anti-retour conforme à l'invention vu en coupe transversale selon un plan qui suit la jonction des substrats ; [0022] [fig.21 La figure 2 représente, vu en coupe transversale et en éclaté, le dispositif de vanne fluidique anti-retour de l'invention ; [0023] [fig.3A] [0024] [fig.3B] [0025] [fig.3C1 [0026] [fig.3D] [0027] [fig.3EJ Les figures 3A à 3E illustrent le principe de fonctionnement du dispositif de vanne fluidique anti-retour de l'invention ; [0028] Description détaillée d'au moins un mode de réalisation [0029] Dans la suite de la description, les termes "supérieur", "inférieur" ou équivalents sont à considérer en tenant compte des axes (Al), (A2), (A3) qui sont tracés verticalement sur les figures annexées. [0030] Le dispositif de vanne fluidique de l'invention comporte un support. [0031] De manière non limitative, le support peut être constitué d'une carte 1, telle qu'une carte fluidique ou même micro-fluidique. Cependant, le dispositif de vanne fluidique peut être intégré à tout autre système ou installation à caractère fluidique ou micro-fluidique. [0032] Le fluide pourra être un liquide ou un gaz. [0033] Une fois assemblée, la carte 1 comporte une face supérieure 10 et une face inférieure 11. Ces deux faces sont préférentiellement planes et parallèles entre elles. La tranche de la carte forme son épaisseur entre sa face supérieure 10 et sa face inférieure 11. [0034] En référence à la figure 2, une telle carte micro-fluidique 1 peut se composer de plusieurs couches superposées. [0035] Une première couche est formée d'un premier substrat 12 comportant une face su- périeure formant la face supérieure 10 de la carte et une face inférieure 120. Ses deux faces sont préférentiellement planes et parallèles entre elles. [0036] Une deuxième couche est formée d'une membrane 2 souple réalisée en matériau élastique et deformable. Il pourra s'agir d'un matériau de type PDMS (Polydiméthylsiloxane) ou équivalent. [0037] Une troisième couche est formée d'un deuxième substrat 13 qui comporte une face supérieure 130 et une face inférieure. Sa face inférieure forme la face inférieure 11 de la carte 1. [0038] La membrane comporte une face supérieure 20 destinée à être fixée sur la face in- férieure 120 du premier substrat 12 et une face inférieure 30 destinée à être fixée sur la face supérieure du deuxième substrat 13. [0039] Entre les deux substrats 12, 13, la membrane peut être fixée par collage ou par pincement. La face supérieure 20 et la face inférieure 30 de la membrane peuvent s'étendre totalement ou partiellement sur la face respective du substrat. [0040] Lorsque la carte est assemblée, le premier substrat et le deuxième substrat viennent ainsi prendre en sandwich la deuxième couche formée de la membrane. La membrane est alors tendue et peut présenter une face supérieure lisse et une face inférieure lisse dans le réseau fluidique de la carte. [0041] Le dispositif comporte une cavité 4 intégrée au support. De manière non limitative, cette cavité 4 peut être creusée sur la face supérieure 130 du deuxième substrat 13. La cavité 4 peut présenter une section transversale de forme oblongue. Lorsque les couches sont assemblées entre elles, la cavité 4 est divisée en deux volumes distincts, un volume supérieur 40 agencé entre la membrane 2 et une première paroi 400 formée par la face inférieure 120 du premier substrat 12 et un volume inférieur 41 agencé entre la membrane 2 et les parois 410 formées par l'empreinte de la cavité 4 dans la face supérieure 130 du deuxième substrat 13 (voir figure 1B). Les parois de l'empreinte peuvent comporter une surface latérale et une surface inférieure formant le fond de la cavité 4. [0042] Le dispositif peut comporter une entrée fluidique IN et une sortie fluidique OUT entre lesquelles la vanne de type anti-retour est agencée pour contrôler l'écoulement du fluide. L'entrée fluidique IN et la sortie fluidique OUT peuvent être réalisées chacune sous la forme d'un canal 5, 6. Un canal d'entrée 5 peut être réalisé dans le premier substrat 12, au-dessus de la cavité 4. Un canal de sortie 6 peut être réalisé dans le deuxième substrat 13, au-dessous de la cavité 4. Le canal d'entrée 5 débouche dans le volume supérieur 40 de la cavité 4 par une première section sur la face inférieure 120 du premier substrat 12. Le canal de sortie 6 débouche dans le volume inférieur 41 de la cavité 4 par une deuxième section sur la face supérieure 130 du deuxième substrat 13. [0043] La section du canal d'entrée et la section du canal de sortie peuvent être constantes sur toute la longueur du canal. [0044] La section du canal d'entrée et la section du canal de sortie peuvent être identiques. [0045] La membrane 2 peut prendre au moins deux états : Un premier état dans lequel elle est plaquée contre ladite première paroi 400 de la cavité 4, venant alors obturer de manière hermétique la première section du canal d'entrée 5. Le volume supérieur 40 de la cavité 4 est donc quasi nul. La figure 1 A illustre ce premier état de fonctionnement. Un deuxième état dans lequel elle est déployée dans la cavité 4 permettant au fluide de traverser la première section du canal d'entrée 5 et de pénétrer dans le volume supérieur 40 de la cavité 4. Dans ce deuxième état, la zone de la membrane en vis-à-vis de la première paroi 400 peut se décoller de la surface. La figure 1B illustre ce deuxième état de fonctionnement. La membrane peut ensuite être configurée pour revenir dans son premier état grâce à sa seule élasticité. [0046] On peut noter que pour faciliter le déploiement de la membrane 2 dans la cavité 4, la membrane peut avantageusement s'étendre tout autour de la première section du canal d'entrée. [0047] Pour passer du volume supérieur 40 au volume inférieur 41 de la cavité 4, le dispositif de l'invention comporte un orifice 20 réalisé à travers la membrane 2. [0048] Cet orifice 20 est désaxé par rapport à la zone d'obturation par laquelle la membrane 2 vient obturer le canal d'entrée 5 lorsque celle-ci est dans son premier état. Cette zone d'obturation est définie par une section pleine au moins égale à la première section du canal d'entrée 5 afin de permettre son obturation. En périphérie de cette zone d'obturation, la membrane 2 comporte donc ledit orifice 20 traversant la membrane 2 sur son épaisseur selon un premier axe AI. Dans le premier état de la membrane 2, l'orifice 20 se trouve être également obturé par la face inférieure 120 du premier substrat 12 car la membrane 2 est collée contre cette face. Dans le deuxième état de la 6 membrane 2, l'orifice 20 est décollé de la face inférieure du premier substrat et forme un canal de communication entre le volume supérieur 40 de la cavité 4 et le volume inférieur 41 de la cavité 4. [0049] Selon un principe de l'invention, la première section du canal d'entrée 5 est réalisée suivant un deuxième axe A2. Ce deuxième axe A2 est préférentiellement parallèle au premier axe Al et traverse donc la zone d'obturation de la membrane pour que ladite première section puisse être obturée par la zone d'obturation de la membrane 2 lorsque celle-ci est dans son premier état. [0050] La deuxième section du canal de sortie est pour sa part réalisée suivant un troisième axe A3. Ce troisième axe A3 est préférentiellement parallèle au premier axe Al . Son positionnement par rapport au premier axe Al n'a pas d'importance dans le fonctionnement du dispositif. Cependant, de manière avantageuse, cet axe A3 peut traverser la zone d'obturation de la membrane 2 pour faciliter la purge du dispositif [0051] Par ailleurs, on peut noter que l'injection de fluide par la sortie aura ainsi tendance à plaquer la membrane 2 contre la paroi 400, obturant l'orifice 20, créant ainsi l'effet anti-retour du dispositif de vanne fluidique. [0052] Comme représenté sur les figures annexées, le deuxième axe A2 et le troisième axe A3 peuvent être confondus. [0053] De manière non limitative, en référence aux figures lA et 1C, le dispositif peut présenter les dimensions suivantes : L'orifice 20 peut présenter un diamètre compris entre 0,1mm et 0 5mm ; La première section du canal d'entrée 5 est circulaire et peut présenter un diamètre Dm compris entre 0,4mm et 1,5mm ; Le canal de sortie peut présenter les mêmes caractéristiques ; La cavité 4 peut présenter une section transversale (dans un plan perpendiculaire aux axes (Al), (A2) et (A3)) de forme oblongue ayant une longueur L comprise entre 2mm et 6mm, une largeur 1 comprise entre 1 et 4mm et une profondeur comprise entre 0.1nun et 1,5mm ; La distance D la plus courte (figure 1A) entre le bord de la première section où le canal d'entrée débouche dans la cavité et le bord de l'orifice 20 peut être égale à au moins 4mm (lorsque la membrane est dans son premier état de fonctionnement) ; On pourra considérer que cette distance D correspond à au moins deux fois le diamètre du canal d'entrée ; [0054] Les figures 3A à 3E illustrent le principe de fonctionnement du dispositif de l'invention décrit ci-dessus. [0055] Figure 3A : Le fluide F est injecté par le canal d'entrée 5 par exemple à l'aide d'une pipette. La membrane 2 est alors dans son premier état et obture alors l'entrée fluidique IN si la pression du fluide injecté n'est pas suffisante pour déplacer la membrane 2. 7 [0056] Figure 3B : Si la pression appliquée lors de l'injection du fluide est suffisante et su- périeure à la pression présente dans le volume inférieur 41 de la cavité 4, le fluide F pousse la membrane 2 qui s'écarte de la première paroi 400 et pénètre dans le volume supérieur de la cavité. Sous l'effet de la pression, la membrane 2 se déploie à l'intérieur de la cavité 4. [0057] Figure 3C : Sous l'effet de la pression, le fluide F vient occuper le volume supérieur 40 de la cavité 4 en décollant suffisamment la membrane 2 pour libérer l'orifice 20, créant ainsi un canal de communication entre le volume supérieur 40 et le volume inférieur 41 de la cavité. Par cc canal, le fluide F passe ainsi du volume supérieur 40 vers le volume inférieur 41 de la cavité. [0058] Figure 3D : Le fluide F gagne le volume inférieur 41 de la cavité 4 en passant à travers ledit orifice 20 et rejoint le canal de sortie 6. [0059] Figure 3E : Lorsque la pression du fluide F présent dans le volume inférieur 41 de la cavité 4 devient au moins égale à celle présente dans le volume supérieur 40 de la cavité 4, grâce à son élasticité, la membrane 2 a tendance à remonter progressivement vers son état initial. Après la fin de l'injection, la membrane est ainsi revenue à son état initial en contact avec la première paroi 400, venant ainsi obturer l'orifice 20 et empêchant tout retour du fluide dans le sens inverse. Dans ce dernier état, une injection de fluide par le canal de sortie 6 plaque en effet la membrane 2 contre la première paroi 400 de la cavité et empêche donc tout retour de fluide F vers l'entrée IN, créant ainsi l'effet asti-retour du dispositif de vanne fluidique. 8