DIPOSITIF D'EJECTION DE GOUTTES DE LIQUIDE

Description

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne un dispositif d'éjection de gouttes de liquide.

Etat de la technique antérieure

[0002] Les dispositifs d'éjection de gouttes de liquide de l'art antérieur comprennent les dispositifs à jets continus et les dispositifs à gouttes commandées. Ces derniers, seuls concernés par l'invention, sont employés en particulier dans les têtes d'imprimantes à jet d'encre. Ils se subdivisent en deux grandes familles :

• les dispositifs à membrane déformable, tels que décrits dans le document référencé [1] en fin de description, dans lesquels l'éjection d'une goutte de liquide est due à la déformation d'une membrane 11. Comme illustré sur la figure 1 une cavité 12, délimitée par cette membrane 11 et remplie d'un liquide 13 au moyen d'une canalisation 14, voit son volume diminué par la commande d'un actionneur 10 agissant sur ladite membrane 11. Le liquide 13 ayant une compressibilité négligeable, une telle diminution de volume entraîne l'éjection d'une goutte 15 de liquide à travers une ouverture, ou « buse » 16. Comme décrit dans le document [2], de tels dispositifs sont notamment utilisés dans des applications biologiques. Mais ils présentent de nombreux inconvénients, notamment : l'intégration d'une membrane déformable fragilise les structures et rend la technologie souvent complexe. D'autre part, pour éjecter les gouttes à une vitesse importante, il est nécessaire d'avoir une déformation rapide de la membrane, ce qui nécessite un actionneur ayant une grande dynamique ;
• les dispositifs de type « bubble-jet » tels que décrits dans le document [3], dans lesquels l'éjection d'une goutte 22 de liquide est également due à une variation du volume d'une cavité 18 ; mais celle-ci est alors provoquée par une vaporisation locale du liquide. Comme illustré sur la figure 2, un élément chauffant 17 est disposé à proximité de la cavité 18 munie d'une ouverture 19, et remplie d'un liquide 20 alimenté par une canalisation 21. De tels dispositifs sont notamment utilisés dans des applications bureautiques. Mais, ils impliquent une élévation de température du milieu liquide, ce qui peut en modifier les caractéristiques et qui est donc incompatible des applications biologiques.

[0003] Le document [4] décrit un appareil d'enregistrement dans lequel un générateur de gouttes de liquide éjecte de telles gouttes qui sont dirigées de manière à frapper en différents endroits une couche d'enregistrement déposée sur un substrat pour former une image imprimée. Ce générateur comprend un distributeur rempli d'eau muni d'une part d'un orifice de très faible diamètre et d'autre part d'une paroi sur laquelle sont fixés des moyens de contrainte de cette paroi, réalisés par un transducteur piézoélectrique. La commande électrique de ce transducteur a pour conséquence l'émission de gouttelettes d'eau.

[0004] Le document [5] décrit une pompe de mesure dans laquelle des quantités précises de fluides circulent, à intervalles déterminés, à travers un conduit tubulaire qui subit une déformation lors de la frappe d'un marteau, cette déformation étant possible puisque le conduit tubulaire est réalisé en un matériau élastique.

[0005] La présente invention a pour objet de proposer un dispositif d'éjection de gouttes de liquide permettant de pallier les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur, en proposant une structure simple à réaliser présentant une dynamique très rapide, supportant des surpressions du liquide importantes, sans entraîner d'élévation de température du liquide.

Exposé de l'invention

[0006] La présente invention concerne un dispositif d'éjection d'au moins une goutte de liquide comportant :

• un corps muni d'une cavité, remplie dudit liquide, et d'au moins un orifice de sortie,
• des moyens d'action sur une paroi dudit corps, pour provoquer l'éjection d'au moins une goutte de liquide à travers cet orifice,

   caractérisé en ce que la paroi est rigide, en ce que ces moyens d'action sont des moyens de percussion pour provoquer une éjection par propagation, à travers la paroi et le liquide dans la cavité, du choc d'une masse sur cette paroi, et en ce que le corps est indéformable, la cavité ne se déformant pas sous ce choc de la masse.

[0007] Contrairement aux dispositifs de l'art connu dans lesquels les dispositifs d'éjection, qui présentent des éjections simultanées, associent à chaque orifice une cavité et un percuteur, l'invention peut associer plusieurs orifices à une même cavité et un même percuteur.

[0008] Dans un premier mode de réalisation les moyens de percussion comprennent une masse métallique mue par électroaimant, la masse se déplaçant alors dans l'axe de l'orifice de sortie de la cavité.

[0009] Avantageusement la cavité peut être réalisée dans un substrat en silicium. La cavité peut par exemple avoir une largeur de l'ordre de quelques millimètres et l'orifice une largeur d'environ 200 µm. Pour d'autres applications, la même cavité peut avoir un orifice d'une largeur d'environ 60 µm.

[0010] Dans ce premier mode de réalisation la partie consommable du dispositif est constituée uniquement du substrat. Avec une telle partie consommable, simple à réaliser, on minimise les coûts d'exploitation.

[0011] Dans une variante de ce premier mode de réalisation, la cavité forme un capillaire situé entre un système microfluidique amont et un système microfluidique aval, la masse se déplaçant dans une direction perpendiculaire à la cavité. La cavité a alors un diamètre compris entre quelques micromètres et quelques centaines de micromètres.

[0012] Ce premier mode de réalisation permet d'éjecter des gouttes sans ajout de membrane déformable et sans ajout d'éléments actifs usinés sur le substrat.

[0013] Dans un second mode de réalisation le dispositif de percussion comporte au moins un bras souple qui supporte une masse et un actionneur électrostatique. Dans une variante de ce mode de réalisation la cavité forme un capillaire disposé entre un système microfluidique amont et un système microfluidique aval.

[0014] Un tel second mode de réalisation permet de miniaturiser le dispositif de l'invention.

[0015] Le dispositif de l'invention peut présenter différentes dimensions, mais il est particulièrement intéressant lorsqu'il est miniaturisé. Il s'agit alors d'éjecter des gouttes de très petit volume (inférieur au mm³). Avantageusement, le dispositif de l'invention peut alors être élaboré selon une même technologie, par exemple une technologie de type « silicium ».

[0016] Le dispositif de l'invention peut être utilisé dans de nombreux domaines : par exemple le domaine des têtes d'imprimantes, le domaine de la biologie avec les micropipettes pour dosage, ou les systèmes de dépôt de liquides ou de réactifs chimiques ou biologiques sur des biopuces, ou le domaine de la distribution d'un liquide sous forme de gouttelettes (injecteurs....).

Brève description des dessins

[0017] Pour une meilleure clarté des figures, l'échelle n'est pas respectée.

• Les figures 1 et 2 illustrent deux dispositifs d'éjection de gouttes de liquide de l'art connu ;
• la figure 3 illustre le dispositif d'éjection de gouttes de liquide de l'invention ;
• la figure 4 illustre un pendule de l'art connu ;
• les figures 5 et 6 illustrent deux exemples de réalisation de dispositifs d'éjection de gouttes de liquide, à percussion rapportée selon l'invention ;
• les figures 7 et 8 illustrent deux exemples de réalisation de dispositifs d'éjection de gouttes de liquide, à percussion intégrée selon l'invention.

Exposé détaillé de modes de réalisation

[0018] Comme illustré sur la figure 3, le dispositif d'éjection de gouttes de liquide selon l'invention comprend :

• un corps, indéformable 28 muni d'une cavité remplie d'un liquide 27, et d'un (ou plusieurs) orifice(s), ou buse(s) 29, ce corps ayant une paroi solide 30 ;
• un dispositif 23 de percussion de cette paroi 30, comprenant une masse 24 mue par un actionneur 25.

[0019] L'actionneur 25 agit sur la masse 24 de telle sorte qu'elle percute la paroi 30, dans un mouvement selon l'axe de la buse 29.

[0020] La propagation du choc à travers la paroi 30 et le liquide 27 provoque l'éjection d'une (ou plusieurs) goutte(s) 26 de liquide. Les phénomènes physiques mis en jeu pourraient être, dans un cas idéal, assimilés à ceux d'un choc élastique. Ils le seront d'autant plus que les différentes parties du dispositif intervenant dans la propagation du choc seront moins absorbantes. En particulier, une paroi rigide sera plus efficace dans la transmission de l'énergie.

[0021] De manière générale, par le choix de matériaux, de dimensions et d'architecture appropriés, le dispositif est optimisé de façon à ce que la cavité ne se déforme pas sous le choc du percuteur et que l'énergie soit efficacement transmise entre le percuteur et le liquide.

[0022] Le principe d'un tel choc mécanique, bien connu en mécanique, peut être illustré schématiquement à l'aide du pendule de la figure 4. Par conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie, le mouvement imprimé à la première bille 32 est transmis à la dernière bille 33 sans perturber les billes intermédiaires 34. Les mécanismes intervenant dans la formation d'une goutte sont complexes et mettent en oeuvre des phénomènes de viscosité et de capillarité. Mais nous pouvons assimiler, par analogie et d'un point de vue macroscopique, le liquide 27 contenu dans la cavité, à ce pendule. Ainsi, par analogie et d'un point de vue macroscopique, le liquide 27 contenu dans la cavité peut être assimilé à ce pendule. Un choc provoqué sur la paroi 30 se propage dans l'épaisseur du matériau puis dans le liquide 27 pour finalement provoquer l'éjection d'une goutte 26 par l'orifice 29 de la cavité.

[0023] Dans un premier mode de réalisation le dispositif de l'invention peut être un dispositif à percussion rapportée, c'est-à-dire indépendant de la cavité contenant le liquide.

[0024] Comme illustré sur la figure 5 le système de percussion 23 est constitué par exemple d'une masse métallique 24 qui se trouve dans le champ d'un électroaimant 25. Par action de celui-ci, la masse peut se déplacer selon un mouvement de va-et-vient 35 et venir percuter la paroi 30 en provoquant ainsi l'éjection de gouttes de liquide 26.

[0025] D'autres dispositifs de percussion 23 sont bien entendu également possibles : dispositif piézoélectrique, pneumatique, électrique, etc.

[0026] Le corps, qui forme la tête 36, peut être élaboré dans une plaque de silicium ou en tout autre matériau usinable, par exemple en verre, quartz ou plastique. Il présente alors un orifice 29 dont la forme de buse est obtenue par gravure. Il peut présenter également un autre orifice, non représenté sur la figure, pour permettre une alimentation en liquide. Les dimensions L (largeur du corps 28) et 1 (largeur de l'orifice 29) peuvent alors être respectivement de l'ordre de quelques millimètres et d'environ 200 µm.

[0027] Dans une variante de ce mode de réalisation, la cavité a la forme d'un capillaire, réalisé dans un substrat 40, situé entre un système microfluidique amont 41 et un système microfluidique aval 42. Le dispositif de percussion 23 est alors placé perpendiculairement à la cavité. La cavité peut alors avoir un diamètre compris entre quelques micromètres et quelques centaines de micromètres.

[0028] Un système microfluidique est un système de manipulation de fluide (pompes, filtres, mélangeurs...), ou un système de réaction chimique ou biochimique, ou un système de mesure ou de détection....

[0029] De tels systèmes microfluidiques sont par exemple des systèmes microfluidiques pour analyse biologique. On parle alors de « µ TAS » (µ Total Analysis System) ou de « Lab-on-ship ».

[0030] Dans un second mode de réalisation le dispositif de l'invention peut également être un dispositif à percussion intégrée, en intégrant le dispositif à percussion directement sur le substrat de la cavité.

[0031] Comme illustré sur la figure 7 le dispositif de percussion comporte des bras souples 45, par exemple des membranes, qui supportent une masse 46 et un microactionneur électrostatique 47. Sur cette figure sont également représentés la cavité 48 et sa paroi rigide 49, l'orifice ou buse 50, et une canalisation d'amenée de liquide 51, ainsi que la goutte éjectée 52.

[0032] Un tel mode de réalisation permet de miniaturiser le dispositif de l'invention. On utilise alors le principe de collage électrostatique pour faire percuter la masse 46, elle aussi intégrée au substrat de la cavité. Les bras souples 45 peuvent être aussi gravés dans le substrat. La force électrostatique étant en 1/d² où d est l'entrefer de l'actionneur électrostatique 47, on obtient des vitesses et donc des énergies importantes au moment du choc.

[0033] La figure 8 illustre une variante de ce mode de réalisation en utilisant un système microfluidique amont 54 et un système microfluidique aval 55 disposés de part et d'autre de la cavité 48 en forme de capillaire. Les systèmes microfluidiques sont alors intégrés dans un support qui joue un rôle d'intermédiaire entre la masse et le capillaire.

REFERENCES

[0034] 

[1] « Microdosage Of Liquids By A Free Jet Comprising Extraordinary Operating Range » de N. Hey, M. Freygang, H. Gruhler, H. Sandmaier et R. Zengerle (Actuator 98, 6^th International Conference On New Actuators, 17-19 juin 1998, Brème, Allemagne, pages 111 à113)

[2] « High-Density Oligonucleotide Arrays » de A.P. Blanchard, R.J. Kaiser & L.E. Hood (Biosensors & Bioelectronics, volume 11, No. 6/7, pages 687-690, 1996)

[3] US-5 041 844

[4] US-4 293 866

[5] US 4 015 914

Revendications

1. Dispositif d'éjection d'au moins une goutte de liquide comportant :

- un corps (28) muni d'une cavité, remplie dudit liquide (27), et d'au moins un orifice (29) de sortie,

- des moyens d'action sur une paroi (30) dudit corps (28), pour provoquer l'éjection d'au moins une goutte de liquide à travers cet orifice (29),

   caractérisé en ce que la paroi (30) est rigide, en ce que. ces moyens d'action sont des moyens de percussion comportant une masse (24,46) pour provoquer une éjection par propagation, à travers la paroi et le liquide dans la cavité, du choc de cette masse (24,46) sur cette paroi (30), et en ce que le corps (28) est indéformable, la cavité ne se déformant pas sous ce choc de la masse.

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de percussion (23) comprennent un actionneur (25).

3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'actionneur (25) est un électroaimant et la masse (24) est une masse métallique.

4. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la masse (24) se déplace dans l'axe de l'orifice (19) de sortie de la cavité (28).

5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la cavité est réalisée dans une plaque de silicium.

6. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la cavité forme un capillaire situé entre un système microfluidique amont (41) et un système microfluidique aval (42).

7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la masse (24) se déplace dans une direction perpendiculaire au capillaire.

8. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le dispositif de percussion comporte au moins un bras souple (45) qui supporte ladite masse (46), et un actionneur électrostatique (47).

9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la cavité (48) forme un capillaire disposé entre un système microfluidique amont (54) et un système microfluidique aval (55).

Claims

1. Device for the ejection of at least one liquid drop comprising:

- a body (28) provided with a cavity filled with said liquid (27), and at least one outlet orifice (29),

- means for acting on a wall (30) of said body (28) in order to bring about the ejection of at least one liquid drop through said orifice (29), characterized in that the wall (30) is rigid, in that the said action means are percussion means incorporating a mass (24, 46) for bringing about an ejection by propagation, through the wall and the liquid in the cavity, of the impact of said mass (24, 46) on said wall (30), and in that the body (28) is not deformable, the cavity not deforming under said mass impact.

2. Device according to claim 1, wherein the percussion means (23) comprise an actuator (25).

3. Device according to claim 2, wherein the actuator (25) is an electromagnet and the mass (24) is a metal mass.

4. Device according to claim 2, wherein the mass (24) is displaced in the axis of the outlet orifice (19) of the cavity (28).

5. Device according to claim 2, wherein the cavity is implemented in a silicon wafer.

6. Device according to claim 2, wherein the cavity forms a capillary located between an upstream microfluidic system (41) and a downstream microfluidic system (42).

7. Device according to claim 6, wherein the mass (24) is displaced in a direction perpendicular to the capillary.

8. Device according to claim 2, wherein the percussion device comprises at least one flexible arm (45) supporting said mass (46) and an electrostatic actuator (47).

9. Device according to claim 8, wherein the cavity (48) forms a capillary located between an upstream microfluidic system (54) and a downstream microfluidic system (55).

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Tropfens einer Flüssigkeit, umfassend:

- ein Gehäuse (28) mit einem Hohlraum, gefüllt mit der genannten Flüssigkeit (27) und versehen mit einer Ausgangsöffnung (29),

- Einwirkungseinrichtungen auf eine Wand (30) des genannten Gehäuses (28), um das Ausstoßen wenigstens eines Flüssigkeitstropfens durch diese Öffnung (29) auszulösen,

dadurch gekennzeichnet,
dass die Wand (30) steif bzw. starr ist, dass die genannten Einwirkungseinrichtungen Schlageinrichtungen mit einer Masse (24, 46) sind, um durch die Ausbreitung bzw. Fortpflanzung des Stoßes dieser Masse (24, 46) auf diese Wand (30) durch die Wand und die Flüssigkeit in dem Hohlraum einen Ausstoß zu bewirken, und dadurch, dass das Gehäuse (28) unverformbar ist, der Hohlraum sich unter dem Stoß der Masse nicht verformt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Stoßeinrichtungen (23) eine Betätigungseinrichtung (25) umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Betätigungseinrichtung (25) ein Elektromagnet ist, und die Masse (24) eine metallische Masse ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Masse (24) sich in der Achse der Ausgangsöffnung (19) des Hohlraums (28) verschiebt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Hohlraum in einer Siliciumplatte realisiert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Hohlraum eine Kapillare bildet, die sich zwischen einem Mikrofluidsystem stromaufwärts (41) und einem Mikrofluidsystem stromabwärts (42) befindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Masse (24) sich in einer zu der Kapillare senkrechten Richtung verschiebt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Stroßeinrichtung wenigstens einen elastischen Arm (45), der die genannte Masse (46) trägt, und eine elektrostatische Betätigungseinrichtung (47) umfasst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Hohlraum (48) durch eine Kapillare zwischen einem Mikrofluidsystem stromaufwärts (54) und einem Mikrofluidsystem stromabwärts (55) gebildet wird.

Dessins