µFluids : Objectifs scientifiques

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µFluids : Objectifs scientifiques

Introduction

L'arrivée du circuit intégré en 1959 a conduit à la miniaturisation et au développement d'une multitude de dispositifs commerciaux et industriels. Cependant, ces circuits miniatures ne se limitent plus aux transistors et aux condensateurs. Des moteurs, des valves, et des capteurs peuvent être combinés avec des composants électroniques pour former un système complet. De la même façon que les circuits intégrés ont révolutionné l'électronique, les MEMS ( microsystèmes électromécaniques ) vont révolutionner les biocapteurs, les applications médicales et les produits de consommation du futur.

Néanmoins, les MEMS se heurtent à plusieurs obstacles techniques majeurs qu'il faudra surmonter. La physique des fluides, en particulier la tension superficielle, est sensiblement différente à ces petites échelles. Cette faible force de surface prends de l'importance et prédomine à l'échelle du micromètre du fait d'une aire de surface élevée en rapport à son volume [1]. Par exemple, la pression exigée pour forcer une bulle dans un micro-canal circulaire remplis d'eau peut excéder les 100 kPa (~1 atmosphère), une pression bien au-delà des caractéristiques de nombreuses micropompes [2]. Évidemment, ces taches comme le fait de remplir un canal en purgeant une bulle de gaz ne sont pas insignifiantes. Malheureusement, l'ensemble générique des règles de conception en géométrie exacte de ces dispositifs microfluidiques n'existe pas jusqu'ici. [3].

Les piles à combustibles, comme les MEMS, sont affectées par des phénomènes de tension superficielle. Les nouvelles méthodes de conception de piles incorporent de plus petits canaux, inférieur à 5 micromètres, pour augmenter le transport et pour améliorer son efficacité. Cependant, l'écoulement du gaz peut former des membranes électrodes à l'intérieur des canaux du fait du sloshing ou de réactions chimiques ce qui a pour résultat une diminution de l'efficacité [4]. Celles-ci bloquent aisément ces plus petits canaux et sont difficiles à désobstruer. L'utilisation des forces capillaires, la géométrie du chenal d'écoulement, ou d'autres effets doivent être utilisés afin de réaliser la mise au point de ces piles et d'assurer leur fiabilité optimale [5].

Objectif

Tandis que des progrès ont été accomplis pour comprendre le phénomène des microcapillaires, les designers de composants MEMS n'ont pas tiré profit de ces connaissances pour résoudre le problème de l'écoulement diphasique et le remplissage d'un canal par du liquide ainsi que les confluences de canal. L'objectif de cette recherche proposée est d'étudier comment la géométrie du chenal d'écoulement et le choix du matériel affectent la formation, la stabilité, et la dissolution de bulles. Des techniques de modification de la tension superficielle, telles que l'électromouillage et les revêtements hydrophobes/hydrophiles, seront également considérés. Finalement, les conceptions optimales et les recommandations pratiques auront comme conséquence des dispositifs simples, rentables, fiables de MEMS.

Méthodologie de Recherche

1. Recherches sur la lithographie, les techniques et matériaux du micro-usinage pour observer la formation des canaux, les propriétés physiques, et les coûts/modes de fabrication 2. Ragrouper les topologies des pompes, des valves, des sondes, et des canaux 3. Établir des modèles quantitatifs sur les effets électrocapillaires et thermo-capillaire.

Fig 1: Coupe transversale du DRIE[8]

Fig 2: Gravure anisotropique à l'eau forte à l'aide d'Hydroxyde de potassium [9]

4. Calculer la stabilité statique des bulles au niveau des jonctions et des canaux

5. Modéliser la formation dynamique et la déstabilisation de ces colmatages

6. Vérifier expérimentalement les résultats trouvés

7. Développer les engineering guidelines (directives technologiques) pour remplir/vidanger complètement les micro-canaux

 

Au cours de la première phase, une enquête poussée dans la littérature scientifique est menée pour établir une nomenclature des différentes méthodes de gravure à l'eau-forte. Les techniques de fabrication telles que DRIE ( Deep Reactive Ion Etching - gravure ionique réactive profonde ), la gravure humide, l'usinage conventionnel, et d'autres différents modèles de production par gravure à l'eau-forte, sont limités en profondeur, exigent certains matériaux, et ont des coûts de production sensiblement différents. Par exemple, DRIE crée des canaux rectangulaires profonds (> UM 500) (Fig 1), alors que la gravure humide est moins facile à contrôler et forme des stries trapézoïdales ou semi-circulaires peu profondes (2). Cependant, DRIE exige un gros investissement de départ (~$1M) et exige pour la production des produits chimiques couteux [6]. En revanche, le coût de la gravure humide est jusqu'à 2 fois moins chers que DRIE [7]. D'autres techniques telles que le micro-usinage sont bien plus économiques mais produisent des sections transversales comme décrit ci-dessus. En complément des recherches dans la littérature scientifique, la deuxième phase prends en compte les conditions de la gravure et la structure des composants MEMS. Des composants particuliers peuvent exiger des sections transversales et des allongements particuliers pour leur fonctionnalité et leur performance. En outre, cette étape établira la géométrie du chenal d'écoulement qui nous intéresse.

En plus de la géométrie, l'angle de contact du fluide peut être ajusté pour changer les propriétés de stabilité. Ceci peut être fait en utilisant quatre méthodes différentes : choix du matériel, dépôt par trempage, phénomènes thermo-capillaire, et électro-mouillage. Par exemple, un canal revêtu de téflon relié à un réservoir d'eau exigera une grosse contre pression pour être rempli ; tandis qu'un composé hydrophile le remplira facilement. En outre, les commandes de l'interface peuvent être réalisées en utilisant l'électro-mouillage. Un potentiel électrique à travers la bulle aura comme conséquence une diminution quadratique efficace de la tension superficielle de solide-liquide [1]. Tandis que ce rapport (équation de Young-Lippman ) est phénoménologique, d'autres effets peuvent être incorporés en utilisant des analyses variationnelles des équations de Maxwell [10].

Après cette mesure, la phase IV consiste à utiliser Surface Evolver pour calculer l'interface de gaz liquide et pour déterminer sa stabilité statique pour une variété de formes, d'angles de contact, des techniques de modification de la tension superficielle, et des volumes des bulle gazeuses. Surface Evolver, un progiciel d'extension .NSF, calcule les surfaces minimales qui sont crées par la tension en surface, la pesanteur, et d'autres énergies et qui sont sujèttes à de diverses contraintes [11]. L'angle de contact critique et le phénomène de l'instabilité capillaire en géométrie complexe, tout comme les dispositifs de gestion des propulseurs des satellites, l'agglomération de bulles de gaz qui créent un "barrage" , et les confluents de canaux sont calculés avec facilité. Des modifications pratiques des topologies existantes seront examinées.

Dans la phase V, l'évolution dynamique de la bulle sera modélisé grâce à un code existant de Mécanique des Fluides Numérique (CFD) avec des modifications variationnelles. Les résultats dynamiques pourront être comparés à une solution statique obtenue grâce à Surface Evolver pour vérifier la convergence numérique. Finalement, ceci fournira une meilleure perspective de la rupture et de l'instabilité de la bulle. Les résultats sélectionnés seront expérimentalement examinés dans la phase VI. Une pression peut être appliquée depuis l'extérieur pour déplacer une série de bouchons liquides dans le micro-canal. Si un couvercle de verre est utilisé, des techniques telles que des peintures sensibles à la pression ou le Système de MicroPIV seront employés pour étudier le comportement transitoire. L'exactitude de la Mécanique des Fluides Numérique (CFD) sera évaluée grâce à l'utilisation de ces résultats.

En conclusion, les résultats expérimentaux et informatiques seront rassemblés et comparés. Les méhodes seront examinées pour étudier l'instabilité de l'écoulement diphasique et leur fabricabilité. Par conséquent, pour chaque méthode sera établie une comparaison des performances : (1) modes de stabilité d'interface, (2) pression ou puissance d'électro-mouillage requise pour le gaz/déplacement liquide de lingot, (3) coûts approximatifs, durée, et méthodes de fabrication et (4) applications pratiques de canal/jonction.

Originalité de la Proposition

Même si les microfluides ne sont pas rangé dans le domaine des matières aérospatiales, l'industrie aérospatiale et la NASA ont créé les bases de la mécanique des fluides dans une petite base orthonormée directe ( où les forces de tension superficielle dominent ). Le groupe de recherche du professeur Collicott s'est principalement concentré sur le comportement des fluides dans les réservoirs de carburant des satellites et leur contrôle en utilisant des structures en terasses. Il a montré que Surface Evolver est très souple d'utilisation pour la géometrie complexe et ceci a mené à divers travaux de stabilité biphasée, telle que dans le domaine pulmonaires et pour la surface des bulles gazeuses [12]. Tandis que se construisait l'expertise de son groupe de recherche, cette proposition est dû uniquement à sa focalisation sur des microdispositif et des phénomènes électrocapillaires.

Références

1. J. Lee & CJ Kim. Surface-Tension-Driven Microactuation Based on Continuous Electrowetting. J. of MEMS 9, 171 (2000).
2. V. Singhal, et al. Microscale pumping technologies for microchannel cooling systems. Applied Mech. 57, 191 (2004).
3. F Goldschmidtboiu, et al. Capillary Filling of Micro-Reservoirs. Solid State Sensors, Actuators and Microsystems (2003).
4. D. Meng, T. Cuband, C. Ho, C. Kim. A Membrane Breather for Micro Fuel Cell with High Concentration Methanol.
5. Suk-Won Cha, et al. Geometric Scale Effect of Flow Channels on Performance of Fuel Cells. Electrochemical S., 1856 (2004).
6. Micralyne Inc. Newsletter. http://www.micralyne.com/newslyne/edition4.html
7. Etching Processes. http://www.memsnet.org/mems/processes/etch.html
8. Advanced MicroSensors: Magnetic Sensors, MEMS and Characterization. http://www.advancedmicrosensors.com/technology/
9. Fabricating an Elastomeric Stamp. http://www.ee.washington.edu/research/microtech/cam/CAMfabricatingstamp.html
10. B. Shapiro. Equilibrium behavior of sessile drops under surface tension, applied external fields. App. Phys., 93. (2003).
11. K. Brakke. The Surface Evolver. http://www.susqu.edu/facstaff/b/brakke/evolver/
12. W. Lindsley, S. Collicott, et al. Asymmetric and Axisymmetric constant curvature. Biomedical Engineering (2005).