Micropompe - Micropump

Un tube Ti-Cr-Pt (~ 40 m de long) libère des bulles d'oxygène lorsqu'il est immergé dans du peroxyde d'hydrogène (décomposition catalytique). Des sphères de polystyrène (1 m de diamètre) ont été ajoutées pour étudier la cinétique d'écoulement.
Micropompe électrochimique activant le flux de sang humain à travers un tuyau de 50×100 m.

Les micropompes sont des dispositifs qui peuvent contrôler et manipuler de petits volumes de fluide. Bien que tout type de petite pompe soit souvent appelé micropompe , une définition plus précise restreint ce terme aux pompes dont les dimensions fonctionnelles sont de l'ordre du micromètre. De telles pompes présentent un intérêt particulier pour la recherche microfluidique et sont devenues disponibles pour l'intégration de produits industriels ces dernières années. Leur taille globale miniaturisée, leur coût potentiel et leur précision de dosage améliorée par rapport aux pompes miniatures existantes alimentent l'intérêt croissant pour ce type de pompe innovant.

Notez que le texte ci-dessous est très incomplet en termes de fournir un bon aperçu des différents types et applications de micropompes, et donc veuillez vous référer à de bons articles de revue sur le sujet.

Présentation et historique

Les premières vraies micropompes ont été signalées au milieu des années 1970, mais n'ont suscité l'intérêt que dans les années 1980, lorsque Jan Smits et Harald Van Lintel ont développé des micropompes MEMS . La plupart des travaux fondamentaux sur les micropompes MEMS ont été effectués dans les années 1990. Plus récemment, des efforts ont été faits pour concevoir des micropompes non mécaniques qui sont fonctionnelles dans des endroits éloignés en raison de leur non-dépendance à l'alimentation externe.

Un diagramme montrant comment trois microvannes en série peuvent être utilisées pour déplacer le fluide. A l'étape (A), le fluide est aspiré de l'entrée dans la première vanne. Les étapes (B) à (E) déplacent le fluide vers la vanne finale, avant que le fluide ne soit expulsé vers la sortie à l'étape (F).

Types et technologie

Dans le monde microfluidique, les lois physiques changent d'apparence. À titre d'exemple, les forces volumétriques, telles que le poids ou l'inertie, deviennent souvent négligeables, tandis que les forces de surface peuvent dominer le comportement fluidique, en particulier lorsque l'inclusion de gaz dans les liquides est présente. À quelques exceptions près, les micropompes reposent sur des principes de micro-actionnement, qui ne peuvent raisonnablement être mis à l'échelle que jusqu'à une certaine taille.

Les micropompes peuvent être regroupées en dispositifs mécaniques et non mécaniques. Les systèmes mécaniques contiennent des pièces mobiles, qui sont généralement des membranes ou des volets d' actionnement et de microvalve . La force motrice peut être générée en utilisant des effets piézoélectriques , électrostatiques , thermopneumatiques, pneumatiques ou magnétiques . Les pompes non mécaniques fonctionnent avec une génération de flux électro-hydrodynamique, électro-osmotique , électrochimique ou ultrasonique , pour ne citer que quelques-uns des mécanismes d'actionnement actuellement étudiés.

Micropompes mécaniques

Micropompes à membrane

Une micropompe à diaphragme utilise l'actionnement répété d'un diaphragme pour entraîner un fluide. La membrane est positionnée au-dessus d'une vanne de pompe principale, qui est centrée entre les microvannes d' entrée et de sortie . Lorsque la membrane est déviée vers le haut par une force motrice, le fluide est aspiré dans la vanne d'entrée dans la vanne de pompe principale. La membrane est ensuite abaissée, expulsant le fluide par la vanne de sortie. Ce processus est répété pour pomper le fluide en continu.

Micropompes piézoélectriques

La micropompe piézoélectrique est l'un des types les plus courants de pompes à diaphragme à déplacement alternatif. Les micropompes piézoélectriques reposent sur la propriété électromécanique de la céramique piézoélectrique pour se déformer en réponse à la tension appliquée. Le disque piézoélectrique attaché à la membrane provoque une déviation du diaphragme entraînée par le champ électrique axial externe dilatant et contractant ainsi la chambre de la micropompe. Cette contrainte mécanique se traduit par une variation de pression dans la chambre, ce qui provoque l'entrée et la sortie du fluide. Le débit est contrôlé par la limite de polarisation du matériau et la tension appliquée sur le piézo. En comparaison avec d'autres principes d'actionnement, l'actionnement piézoélectrique permet un volume de course élevé, une force d'actionnement élevée et une réponse mécanique rapide, bien qu'exigeant une tension d'actionnement relativement élevée et une procédure de montage complexe de la céramique piézoélectrique.

La plus petite micropompe piézoélectrique avec des dimensions de 3,5x3,5x0,6 mm 3 a été développée par Fraunhofer EMFT, l'organisme de recherche de renommée mondiale spécialisé dans les technologies MEMS et Microsystem . La micropompe se compose de trois couches de silicium, dont l'une en tant que diaphragme de pompe confine la chambre de pompe par le haut, tandis que deux autres représentent la puce de la vanne centrale et la puce de la vanne inférieure. Les ouvertures des clapets passifs à l'entrée et à la sortie sont orientées en fonction du sens d'écoulement. Le diaphragme de la pompe se dilate avec l'application d'une tension négative au piézo créant ainsi une pression négative pour aspirer le fluide dans la chambre de la pompe. Alors qu'une tension positive vice versa entraîne le diaphragme vers le bas, ce qui entraîne une surpression qui ouvre la soupape de sortie et force le fluide hors de la chambre.

Performances de contre-pression de la micropompe piézoélectrique au silicium de 3,5 x 3,5 mm 2
Les ouvertures des clapets passifs à l'entrée et à la sortie sont orientées en fonction du sens d'écoulement. Le diaphragme de la pompe se dilate avec l'application d'une tension négative au piézo créant ainsi une pression négative pour aspirer le fluide dans la chambre de pompe en mode d'alimentation. Alors qu'une tension positive entraîne la membrane vers le bas, ce qui entraîne l'ouverture de la vanne de sortie en raison d'une surpression en mode pompe.


Actuellement, la technologie des micropompes mécaniques utilise largement des procédés de micro-usinage à base de silicium et de verre pour la fabrication. Parmi les procédés de microfabrication courants, on peut citer les techniques suivantes : photolithographie, gravure anisotrope , micro-usinage de surface et micro-usinage massif de silicium. Le micro-usinage du silicium présente de nombreux avantages qui facilitent la généralisation de la technologie dans les applications hautes performances comme, par exemple, l'administration de médicaments. Ainsi, le micro-usinage du silicium permet une précision géométrique élevée et une stabilité à long terme, car les pièces en mouvement mécanique, par exemple les clapets de soupape, ne présentent pas d'usure et de fatigue. Comme alternative aux matériaux à base de polymère de silicium comme le PDMS , le PMMA, le PLLA, etc., ils peuvent être utilisés en raison de leur résistance supérieure, de leurs propriétés structurelles améliorées, de leur stabilité et de leur faible coût. Les micropompes au silicium de Fraunhofer EMFT sont fabriquées par la technologie de micro-usinage du silicium. Trois plaquettes de silicium monocristallin (orientées 100) sont structurées par lithographie double face et gravées par gravure humide de silicium (à l'aide d'une solution d'hydroxyde de potassium KOH). La connexion entre les couches de plaquettes structurées est réalisée par une liaison par fusion de silicium. Cette technologie de collage nécessite des surfaces très lisses (rugosité inférieure à 0,3 nm) et des températures très élevées (jusqu'à 1100 °C) pour réaliser une liaison silicium-silicium directe entre les couches de la plaquette. L'absence de couche de liaison permet de définir les paramètres de conception de la pompe verticale. De plus, la couche de liaison peut être affectée par le milieu pompé.

Le taux de compression de la micropompe comme l'un des indicateurs de performance critiques est défini comme le rapport entre le volume de course, c'est-à-dire le volume de fluide déplacé par la membrane de la pompe au cours du cycle de la pompe, et le volume mort, c'est-à-dire le volume de fluide minimum restant dans la chambre de la pompe en mode pompage.

Le taux de compression définit la tolérance de bulle et la capacité de contre-pression des micropompes. Les bulles de gaz à l'intérieur de la chambre entravent le fonctionnement de la micropompe car en raison des propriétés d'amortissement des bulles de gaz, les pics de pression (∆P) dans la chambre de la pompe diminuent, tandis qu'en raison des propriétés de surface, la pression critique (∆P crit ) qui ouvre les vannes passives augmente. Le taux de compression des micropompes Fraunhofer EMFT atteint la valeur 1, ce qui implique une capacité d'auto-amorçage et une tolérance aux bulles même dans des conditions de pression de sortie difficiles. Un taux de compression élevé est obtenu grâce à une technique brevetée spéciale de montage piézo, lorsqu'une tension électrique est appliquée sur les électrodes en haut et en bas de la céramique piézoélectrique pendant le processus de durcissement de l'adhésif utilisé pour le montage piézo. Une réduction considérable du volume mort résultant des actionneurs prédéviés ainsi que des hauteurs de chambre de pompe fabriquées peu profondes augmente le taux de compression.

Micropompes péristaltiques

Une micropompe péristaltique est une micropompe composée d'au moins trois microvannes en série. Ces trois vannes sont ouvertes et fermées séquentiellement afin de tirer le fluide de l'entrée vers la sortie dans un processus connu sous le nom de péristaltisme.

Micropompes non mécaniques

Micropompes sans soupape

Les vannes statiques sont définies comme des vannes à géométrie fixe sans aucune pièce mobile. Ces vannes assurent la rectification du débit par l'ajout d'énergie (active) ou l'induction du comportement d'écoulement souhaité par l'inertie du fluide (passive). Les deux types les plus courants de vannes passives à géométrie statique sont les éléments diffuseur-buse et les vannes Tesla. Les micropompes ayant des éléments de diffuseur à buse comme dispositif de rectification du débit sont communément appelées micropompes sans valve.

Pompes capillaires

En microfluidique, le pompage capillaire joue un rôle important car l'action de pompage ne nécessite pas de puissance d'actionnement externe. Les capillaires en verre et les supports poreux, y compris le papier nitrocellulosique et le papier synthétique, peuvent être intégrés dans des puces microfluidiques. Le pompage capillaire est largement utilisé dans les tests d'écoulement latéral. Récemment, de nouvelles pompes capillaires, avec un débit de pompage constant indépendant de la viscosité du liquide et de l'énergie de surface, ont été développées, qui présentent un avantage significatif par rapport à la pompe capillaire traditionnelle (dont le comportement d'écoulement est le comportement Washburn, à savoir le débit n'est constante) car leurs performances ne dépendent pas de la viscosité de l'échantillon.

Pompes à propulsion chimique

Des pompes non mécaniques à propulsion chimique ont été fabriquées en fixant des nanomoteurs aux surfaces, entraînant le flux de fluide à travers des réactions chimiques. Il existe une grande variété de systèmes de pompage, notamment des pompes à base d'enzymes biologiques, des pompes à photocatalyseur organique et des pompes à catalyseur métallique. Ces pompes génèrent un flux à travers un certain nombre de mécanismes différents, notamment l'auto-diffusion, l'électrophorèse, la propulsion de bulles et la génération de gradients de densité. De plus, ces micropompes à propulsion chimique peuvent être utilisées comme capteurs pour la détection d'agents toxiques.

Pompes légères

Une autre classe de pompage non mécanique est le pompage à énergie lumineuse. Certaines nanoparticules sont capables de convertir la lumière d'une source UV en chaleur qui génère un pompage convectif. Ces types de pompes sont possibles avec des nanoparticules de dioxyde de titane et la vitesse de pompage peut être contrôlée à la fois par l'intensité de la source lumineuse et la concentration des particules.

Applications

Les micropompes ont des applications industrielles potentielles, telles que l'administration de petites quantités de colle pendant les processus de fabrication, et des applications biomédicales, y compris des dispositifs d'administration de médicaments portables ou implantés. Les applications bio-inspirées incluent une micropompe électromagnétique flexible utilisant un élastomère magnétorhéologique pour remplacer les vaisseaux lymphatiques . Les micropompes à propulsion chimique présentent également un potentiel d'applications dans la détection chimique en termes de détection d'agents de guerre chimique et de dangers environnementaux, tels que le mercure et le cyanure.

Compte tenu de l'état actuel de la pollution de l'air, l'une des applications les plus prometteuses de la micropompe réside dans l'amélioration des capteurs de gaz et de particules pour surveiller la qualité de l'air personnel. Grâce à la technologie de fabrication MEMS, les capteurs de gaz basés sur les principes électrochimiques MOS , NDIR , pourraient être miniaturisés pour s'adapter aux appareils portables ainsi qu'aux smartphones et aux appareils portables. L'application de la micropompe piézoélectrique Fraunhofer EMFT réduit le temps de réaction du capteur jusqu'à 2 secondes grâce à un échantillonnage rapide de l'air ambiant. Ceci s'explique par la convection rapide qui se produit lorsque la micropompe entraîne l'air vers le capteur, alors qu'en l'absence de la micropompe en raison de la lente diffusion, la réponse du capteur est retardée de plusieurs minutes. L'alternative actuelle à la micropompe – le ventilateur – présente de nombreux inconvénients. Incapable d'atteindre une pression négative substantielle, le ventilateur ne peut pas surmonter la chute de pression au niveau de la membrane du filtre. En outre, les molécules de gaz et les particules peuvent facilement réadhérer à la surface du capteur et à son boîtier, ce qui entraîne avec le temps une dérive du capteur.

De plus, la micropompe intégrée facilite la régénération du capteur et résout ainsi les problèmes de saturation en expulsant les molécules de gaz de la surface du capteur. L'analyse de l'haleine est un domaine d'utilisation connexe du capteur de gaz activé par la micropompe. Micropump peut faire progresser le diagnostic et la surveillance à distance des maladies du tractus gastro-intestinal et pulmonaire, du diabète, du cancer, etc. au moyen d'appareils portables dans le cadre de programmes de télémédecine .

L'application prometteuse des micropompes MEMS réside dans les systèmes d'administration de médicaments pour le traitement du diabète, des tumeurs, des hormones, de la douleur et des yeux sous forme de patchs ultra-minces, d'administration ciblée au sein de systèmes implantables ou de pilules intelligentes . Les micropompes piézoélectriques MEMS peuvent remplacer les pompes péristaltiques ou à seringue traditionnelles pour l' injection intraveineuse , sous - cutanée , artérielle et oculaire de médicaments. L'application d'administration de médicaments ne nécessite pas de débits élevés, cependant, les micropompes sont censées être précises dans l'administration de petites doses et démontrer un débit indépendant de la contre-pression. En raison de la biocompatibilité et de la taille miniature, une micropompe piézoélectrique en silicium peut être implantée sur le globe oculaire pour traiter le glaucome ou la phtisie . Étant donné que dans ces conditions, l'œil perd sa capacité à assurer l'écoulement ou la production d'humeur aqueuse, la micropompe implantée développée par Fraunhofer EMFT avec un débit de 30 µl/s facilite l'écoulement correct du fluide sans restreindre ou créer de gêne pour le patient. Un autre problème de santé à résoudre par la micropompe est l' incontinence urinaire . La technologie du sphincter artificiel basée sur la micropompe en titane assure la continence en ajustant automatiquement la pression pendant le rire ou la toux. L'urètre est ouvert et fermé au moyen d'un manchon rempli de liquide qui est régulé par la micropompe.

Micropump peut faciliter les scénarios d'odeurs pour les applications grand public, médicales, de défense, de premiers intervenants, etc. Un dispositif de microdosage avec plusieurs réservoirs de parfum montés près du nez peut libérer 15 impressions de parfum différentes en 1 min. L'avantage de la micropompe réside dans la possibilité de sentir une séquence d'odeurs sans mélange d'odeurs différentes. Le système garantit une dose appropriée de parfum à détecter par l'utilisateur uniquement dès que les molécules de parfum sont délivrées. De nombreuses applications sont possibles avec la micropompe pour le dosage des parfums : formation des dégustateurs (vin, mets), programmes d'apprentissage, psychothérapie, traitement de l' anosmie , formation des premiers intervenants etc. pour faciliter une immersion totale dans l'environnement souhaité.

Dans les systèmes analytiques, la micropompe peut être destinée aux applications de laboratoire sur puce, aux systèmes HPLC et de chromatographie en phase gazeuse , etc. Pour ces dernières, des micropompes sont nécessaires pour assurer une distribution et un débit précis des gaz. La compressibilité des gaz étant difficile, la micropompe doit posséder un taux de compression élevé.

Entre autres applications, les domaines suivants peuvent être nommés : systèmes de dosage pour petites quantités de lubrifiants, systèmes de dosage de carburant, micropneumatique, microsystèmes hydrauliques et systèmes de dosage dans les processus de production, manipulation de liquides (pipettes à coussin, plaques microlitres).

Voir également

Les références