Actionnement électriques de fluides dédiés aux microsystèmesReportar como inadecuado




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1 LAAS - Laboratoire d-analyse et d-architecture des systèmes Toulouse

Abstract : Recent advances in microfabrication, and the apparent necessity of miniaturizing detection and diagnostic systems has led to the emergence of a new research field called lab-on-chip, which are mostly working with fluids. Liquids actuations at the micrometer scale allow the development of many new methods based on electric field and potential. Electrowetting has been widely used to displace and manipulate droplets on a surface, whereas electroosmosis has been used for bulk fluid movement and mixing. In this thesis, we propose the integration of these two phenomena in existing microsystems. First, electrowetting is used in a liquid microspotting system based on a cantilevers array. A difference of electric potential between a fluid and a conducting substrate modify the energy of the liquid. Thus, the drop spreads on the surface and preferentially in existing grooves in the depositing tool. We thus obtain an original way to load the cantilevers decreasing the dead volumes in the loading droplet. Moreover, if the potential difference is applied between the liquid and the contacting surface, we can control the size and volume of deposited droplet, thus allowing the patterning of highly hydrophobic substrates. A theoretical model is proposed to describe and predict the fluid comportment; Experimentations are in a very good agreement with the predicted comportment and values. Electrowetting reveals to be the best electric actuation for the manipulation of droplets and small volumes of liquids. Second, electroosmosis is used to concentrate particles on a piezoelectric micromembrane. This actuation allows us to increase the number of particles at the surface of the vibrating part therefore decreasing the response time of the sensor. A theoretical model is proposed to describe and understand the effect of the electric field on both the bulk fluid and the objects in solution. Experimental validations are proposed with the design and fabrication of dedicated structures. Observe d concentration of particles was 105 higher that what is obtained with diffusion. The last step was to concentrate biological particles in adequate bulk fluid. Results were difficult to obtain and we do not observed the desired comportment. Nevertheless, the experimentations show clearly the huge potential of this electric actuation of fluid. Electroosmosis is therefore a real good phenomenon to decrease the response time of micrometric sensors.

Résumé : La récente progression des techniques de fabrication et la nécessité de miniaturiser des systèmes de détection et de diagnostic a permis l-émergence d-un nouveau champ de recherche appelé laboratoires sur puces. Le déplacement et la manipulation de fluides d-intérêt biologique à l-échelle micrométrique a ouvert la voie à de nombreux phénomènes basés sur des champs électriques. Parmi ceux-ci, l-électromouillage a été développé en tant qu-actionnement de volumes finis de liquides, et parallèlement, l-électroosmose comme actionnement de flux. Les travaux de cette thèse traitent de l-intégration de ces deux phénomènes sur des microsystèmes d-ores et déjà existant. Dans un premier temps, nous présentons l-utilisation de l-électromouillage dans un système de dépôts par contact à base de microleviers, liquides de dimensions caractéristiques micrométriques. L-application d-une tension électrique entre le substrat conducteur et un fluide, modifie l-énergie de ce dernier provoquant son étalement sur le solide et préférentiellement dans les canaux de l-outil de dépôt. Nous obtenons, ainsi, une méthode originale et propre de chargement des leviers diminuant les volumes nécessaires. Mais, également, en appliquant la tension entre le liquide et le substrat de dépôt, nous modulons le volume et la surface déposés et ce même sur des surfaces très hydrophobes. Afin d-expliquer et confirmer les observations, un modèle théorique décrivant l-électromouillage sur les microleviers a été proposé et expérimentalement vérifié, faisant de cet actionnement électrique de fluide un candidat prédictif et fiable de manipulation de volumes finis de liquides. Dans un second temps, nous avons utilisé l-électroomose afin de concentrer des particules sur une micromembrane piezoélectrique résonante. Cet actionnement électrique de fluide permet d-augmenter sensiblement le nombre de particules à la surface du capteur et ainsi d-améliorer ses performances. Un modèle théorique complet est proposé pour déc rire les effets du champ électrique sur le fluide et les objets en suspension et permet d-aboutir à de nombreuses données prédictives. Celles-ci ont ensuite été confirmées à l-aide de structures de tests spécifiquement fabriquées et une concentration 105 fois supérieure à celle obtenue par diffusion a été constatée. La dernière étape de ces travaux, l-utilisation des concentrateurs dans un milieu liquide biologique, a posé plus de problèmes que prévus et n-a pas permis d-obtenir les résultats escomptés. Néanmoins les observations d-ores et déjà réalisées nous laissent à penser que cet actionnement électrique de fluide demeure un excellent candidat pour diminuer fortement les temps de réponses des capteurs de tailles micrométriques.

en fr

Keywords : Electric actuations Microfluidics Electrowetting Electroosmosis Particles concentration Microsystems

Mots-clés : Actionnements électriques Microfluidique Electromouillage Electroosmose Concentration de particules Microsystèmes





Autor: Laurent Tanguy -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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