La présente invention concerne le domaine des micropompes dont au moins une partie du corps est réalisée en un matériau usiné par des procédés photolithographiques usuels pour former les divers organes et cavités de la pompe. Plus particulièrement, l'invention concerne la construction d'un clapet anti-retour réalisé selon cette technique et utilisable dans des micropompes de ce genre. Elle concerne également une micropompe utilisant un tel clapet anti-re¬ tour.

Dans un article paru dans la revue "Sensors and Actuators" 15 (1988), pages 153 â 167. H. van Lintel et al décrivent des micropom¬ pes comportant des clapets anti-retour destinés â isoler sélective¬ ment la chambre de pompage de l'entrée et de la sortie de la pompe lorsque le volume de cette chambre est modifié par les déformations de l'une de ses parois, déformations qui sont provoquées par une pastille piézoélectrique fixée sur cette paroi déformable.

Le corps de la pompe est formé par une plaquette en un matériau usiné par de procédés photolithographiques, un matériau particuliè¬ rement approprié étant le silicium. Le corps de pompe forme en même temps le corps des clapets, qui est donc réalisé dans une première plaquette en silicium par exemple, qui délimite une chambre avec au moins une seconde plaquette, en verre par exemple, accolée face â face à la première plaquette.

La chambre du clapet est divisée en deux compartiments par un obturateur de forme générale plane qui comporte dans une zone généralement centrale une nervure annulaire destinée, en vertu d'une contrainte élastique inhérente audit obturateur, à venir normalement s'appliquer contre un siège de clapet prévu sur la deuxième plaquet¬ te.

La zone centrale de l'obturateur est connectée à la première plaquette par l'intermédiaire de moyens de liaison formés par une

membrane mince déformable qui isole les deux compartiments l'un par rapport à l 'autre.

Les avantages d'une telle construction sont nombreux. En parti¬ culier, 1 'étanchéité d'un tel clapet est bonne, car l'obturateur est poussé contre le siège par la précontrainte inhérente de la membra¬ ne. Cette précontrainte est déterminée par l'épaisseur de la membra¬ ne qui est très légèrement incurvée dans la position de repos (fermée) du clapet grâce au fait que la nervure a une hauteur très légèrement supérieure â la distance séparant la membrane du siège du clapet.

Lors de la phase d'ouverture du clapet, (par exemple la phase d'aspiration de la pompe, lorsque le clapet est placé entre l'entrée de la pompe et la chambre de pompage), la précontrainte de la membrane induit non seulement une perte de pression, mais aussi une perte de volume utile de la pompe car la variation de volume de la chambre de pompage doit vaincre cette précontrainte et pour cela bomber la membrane dans un sens opposé au siège du clapet.

On voit donc que la perte de pression et la perte de volume sont interdépendantes. Par exemple, lorsque l'épaisseur de la membrane est choisie à une valeur telle que la précontrainte est faible, la perte de pression est faible. Cependant, dans ces conditions, la membrane du clapet est fortement bombée â chaque coup de la pompe si bien que la perte de volume est importante. Au contraire, si l'é¬ paisseur de la membrane est choisie à une valeur telle que la précontrainte est forte, la déformation de la membrane est faible si bien que la perte de volume est faible, mais la perte de pression est importante.

La perte de pression et la perte de volume ont finalement pour conséquence une perte d'énergie qui diminue la part du travail fourni à chaque coup de la pompe par la pastille piézoélectrique. Lors de la conception de la pompe, il faut donc choisir un compromis qui concilie une précontrainte donnée avec une perte de volume pas trop importante. Il s'est avéré que le meilleur compromis conduit à une valeur de la précontrainte qui est nettement supérieure à celle nécessaire à une bonne étanchéité du clapet en position fermée.

On voit donc que la membrane des clapets décrits dans l'article précité n'apporte pas une solution satisfaisante, car son

utilisation conduit à un rendement défavorable de la pompe dans laquelle le clapet est incorporé.

L'invention a pour but de fournir un clapet du type décrit ci-dessus dans lequel les inconvénients de l'art antérieur sont éliminés.

L'invention a donc pour objet un tel clapet qui est caractérisé en ce que les moyens de liaison de l'obturateur au corps du clapet sont formés par au moins deux organes de liaison distincts s'éten¬ dant dans le plan général de l'obturateur et laissant entre eux des ouvertures pour la mise en communication des deux compartiments de la chambre du clapet.

Grâce â ces caractéristiques, la précontrainte de l'obturateur peut être choisie à la valeur optimale, tandis que la perte de volume à l'ouverture du clapet est totalement éliminée. Comparé à un clapet de l'art antérieur dans lequel la membrane est pleine, on obtient donc une diminution globale de la perte d'énergie, relative aux deux effets, ce qui conduit à des pompes ayant un rendement nettement meilleur.

L'invention a également pour objet une micropompe munie d'un tel clapet anti-retour.

Il est à noter que Shuichi Shoji et Masayoshi Esashi ont déjà proposé un clapet pour une micropompe (voir Technical Digest of the 7th Sensors Symposium, 1988, pp. 217 à 220) dans lequel est prévu un obturateur circulaire dont la zone centrale coopère avec un siège de clapet et est connectée à un anneau périphérique au moyen de bran¬ ches déformables. Toutefois, dans ce cas, l'obturateur du clapet est réalisé par dépôt en phase vapeur d'une couche sacrificielle en verre au phosphosilicate sur laquelle est déposée du silicium polycristallin, également par dépôt en phase vapeur, pour former l'obturateur proprement dit. Un tel agencement ne présente aucune précontrainte à la fermeture. D'ailleurs, un tel clapet n'est pas étanche à la fermeture, car la couche sacrificielle étant éliminée, il subsiste nécessairement une fente entre la zone centrale de l'obturateur et le siège du clapet. Cette étanchéité peut être améliorée dans une certaine mesure si le clapet est soumis à une certaine pression à sa sortie, mais même dans ce cas des fuites demeurent. Il faut noter que les pertes de volumes causées par les

clapets sont négligeables car, avec ce type de technologie, les clapets sont petits devant la taille de la paroi déformable. En d'autres termes, les problèmes qui sont à la base de la présente invention ne s'y posent pas et, à fortiori, n'y sont pas résolus. Il est à noter d'ailleurs que les ouvertures de l'obturateur sont prévues uniquement pour permettre le décapage de la couche sacrifi¬ cielle.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî¬ tront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une coupe transversale, selon la ligne I-I de la figure 2, d'un clapet anti-retour suivant l'invention confor¬ mément à un premier mode de réalisation ; la figure 2 est une vue du clapet prise selon la ligne II-II de la figure 1 ; la figure 3A montre une vue de dessus de l'obturateur d'un clapet réalisé suivant une variante de l'invention ; la figure 3B montre une vue en perspective de l'obturateur d'un clapet réalisé suivant une autre variante de l'invention ; la figure 4 est une coupe selon la ligne IV-IV de la figure 5 d'un clapet anti-retour conformément à un autre mode de réalisa¬ tion de 1 'invention ; la figure 6 est une coupe transversale d'une micropompe utilisant un clapet selon les figures 1 et 2 ; et la figure 7 est une coupe transversale d'une micropompe utilisant un clapet selon les figures 4 et 5.

En se référant aux figures 1 et 2, on va tout d'abord décrire un clapet anti-retour selon l'invention dans une configuration isolée, c'est-à-dire indépendamment de son circuit d'utilisation.

Dans ce mode de réalisation, le clapet comporte une première plaquette 1 qui constitue le corps du clapet et qui est réalisée en un matériau usinable par des procédés photolithographiques. Un matériau particulièrement approprié est le silicium.

Une deuxième plaquette 2, en verre par exemple, est fixée, face contre face et d'une manière étanche, à la première plaquette, par exemple par liaison anodique (anodic bonding). Elle comporte un

orifice 3 qui est l'entrée du clapet anti-retour et forme le siège 4 de celui-ci dans la zone de la surface intérieure de la plaquette qui entoure l'orifice 3.

Une troisième plaquette 5, également en verre par exemple, est accolée à la première plaquette 1 du côté de celle-ci opposée à la deuxième plaquette. Cette troisième plaquette présente un orifice 6 qui est la sortie du clapet anti-retour.

L'empilement des trois plaquettes ainsi que les usinages prati¬ qués dans la première plaquette délimitent une chambre de clapet 7 divisée en un compartiment d'entrée 8 et un compartiment de sortie 9 par un organe obturateur 10.

Celui-ci est formé par une mince lamelle 11 venue de matière avec la première plaquette 1. Au centre de cette lamelle est prévue une nervure annulaire 12 centrée sur l'orifice 3 et s'étendant en direction de la deuxième plaquette 2. Une couche d'oxyde 13 recouvre la nervure ainsi que le fond de la cuvette qu'elle délimite face à l'orifice d'entrée 3. Du côté opposé, la lamelle 11 porte un bossage central 14 permettant de limiter l'excursion de l'obturateur 10 dans le sens de l'ouverture du clapet en cas de surpression à l'entrée de celui-ci.

La figure 2 fait clairement apparaître que la lamelle forme en fait deux organes de liaison lia et 11b raccordant la zone centrale de la lamelle au corps du clapet. Par conséquent, l'obturateur est séparé de ce corps par deux fentes parallèles 14a, 14b qui mettent en communication les compartiments 8 et 9 du corps du clapet.

La couche d'oxyde 13 est prévue notamment pour éviter l'adhé¬ rence du sommet de la nervure 12 à la plaquette 2 au cours des opérations de soudage anodique.

L'obturateur 10 est soumis à une certaine précontrainte lorsque la nervure 12 est appliquée sur son siège 4, car la couche d'oxyde 13 augmente légèrement la hauteur de la nervure 2 par rapport à l'interface entre les plaquettes 1 et 2. Plus la couche est épaisse et plus grande sera la précontrainte. Bien entendu, le degré de précontrainte détermine également la qualité de l'ëtanchéité du clapet en position de fermeture.

L'ouverture du clapet est réalisée lorsque la pression à l'en¬ trée 3 est supérieure à la somme de la pression à la sortie 6 et de

la pression induite par la précontrainte. Dans ces conditions, l 'obturateur 10 se déforme par flexion des branches lia et 11b, le centre de l'obturateur demeurant indéformable. Comme les comparti¬ ments 8 et 9 sont en communication à travers les fentes 14a et 14b, la déformation de l'obturateur ne provoque aucune variation de volume gênante, comme c'est le cas du clapet de la technique anté¬ rieure.

La figure 3A montre une variante du clapet anti-retour que l'on vient de décrire. Dans ce cas, l'obturateur comporte quatre branches 15a à 15d disposées en croix et laissant entre elles des ouvertures 16a â 16d qui mettent en communication les deux compartiments du clapet situés de part et d'autre de l'obturateur. Pour le reste, le clapet est identique à celui déjà décrit à propos des figures 1 et 2. Bien entendu, on peut choisir un autre nombre de branches tout en restant dans le cadre de l'invention.

Une autre variante de réalisation de l'obturateur est représen¬ tée sur la figure 3B. Comme pour les figures précédentes, l'obtura¬ teur est obtenu par une suite d'opérations de gravure dans une plaquette 100 en un matériau usinable par des procédés photolitho¬ graphiques, tel que le silicium.

Cet obturateur 102 comprend, dans une zone centrale, une partie plane de forme rectangulaire 104 pourvue, â sa périphérie, d'une nervure 106 s'étendant dans la direction perpendiculaire au plan de la plaquette 100. La nervure 106 est recouverte d'une couche d'oxyde 108 pour éviter l'adhérence avec le siège du clapet et pour induire une précontrainte sur l'obturateur.

L'obturateur 102 comprend également des moyens de liaison de la zone centrale au corps du clapet, i.e. à la plaquette 100. Ces moyens de liaison sont constitués par une pluralité de bras parallè¬ les entre eux.

Plus précisément deux bras 110, 112 relient un côté 114 de la zone centrale à la plaquette et deux bras 116, 118 relient le côté opposé 120 de la zone centrale à la plaquette. Ces quatre bras sont disposés dans un même plan.

Deux bras supplémentaires 120, 122 reliant respectivement les côtés 114 et 120 de la zone centrale à la plaquette sont disposés

dans un plan différent (inférieur sur la figure 3B) de celui des quatres bras 110, 112, 116, 118.

Le bras supplémentaire 122 (resp. 124) est disposé entre les bras 110, 112 (resp. 116, 118). On comprend que cette structure assure une meilleure stabilité du clapet selon l'axe Z-Z, en limi¬ tant les possibilités de mouvement du clapet autour de l'axe X-X.

Les figures 4 et 5 illustrent un autre mode de réalisation de l'invention. Sur celles-ci, le corps du clapet formé par une pla¬ quette 17 usinée comme la plaquette 1 délimite, avec une plaquette 18, la chambre 19 du clapet. La plaquette 17 comporte un orifice 20 qui est la sortie du clapet, la chambre 19 présentant une forme en croix à quatre branches 19a à 19d. A l'extrémité de chaque branche est prévu un échelon 21, légèrement surélevé par rapport au fond de la chambre 19.

C'est sur les échelons 21 qu'est appliqué un obturateur 22 en forme de croix également et s'ajustant avec un jeu important dans la chambre 19. Au centre de l'obturateur 22 est prévue une nervure 23 coopérant avec un siège 24 formé par le pourtour d'un orifice 25 (entrée du clapet) pratiqué dans la plaquette 18.

Dans ce mode de réalisation, la chambre 19 est également divisée en deux compartiments 26 et 27 qui sont mis en communication par des espaces en forme de L 28a â 28d laissés libres dans la chambre 19 le long des branches de l'obturateur.

Il est à noter que ce dernier est une pièce indépendante usinée séparément de la plaquette 17 mais réalisée, par exemple, dans le même matériau que celle-ci.

Bien entendu, d'autres formes peuvent être choisies pour la chambre 19 et l'obturateur 22. On peut ainsi, par exemple, réaliser une chambre circulaire et prévoir un échelon unique de forme annu¬ laire sur le pourtour du fond de la chambre. Dans ce cas, on peut utiliser un obturateur circulaire, comportant des découpes pour mettre en communication les deux compartiments de la chambre. On peut aussi utiliser l'obturateur en forme de croix représenté sur la figure 5.

Les figures 6 et 7 montrent deux applications des clapets que l'on vient de décrire dans des micropompes actionnées par des pastilles piézo-électriques.

Chaque micropompe se compose d'une chambre de pompage définie par deux plaquettes accolées l'une à l'autre, un clapet anti-retour à travers lequel la chambre de pompage peut sélectivement communi¬ quer avec une entrée de la pompe et un second clapet à travers lequel la chambre de pompage peut sélectivement communiquer avec une sortie de la pompe. La micropompe comprend enfin des moyens pour provoquer une variation périodique de volume de la chambre de pompage ; ces moyens sont généralement constitués par une pastille piézo-ëlectrique raccordée à une source de tension électrique alternative.

La micropompe représentée sur la figure 6 comprend une première plaquette 1 en un matériau usinable par des procédés photolithogra¬ phiques, tel que le silicium. Une deuxième plaquette 2 et une troisième plaquette 5, qui sont par exemple en verre, sont fixées face contre face et d'une manière étanche chacune sur une face de la première plaquette.

Pour fixer les idées, les plaquettes- 1, 2 et 5 ont respective¬ ment une épaisseur de l'ordre de 0,3 mm, 1 mm et 1 mm (les propor- tions n'ont pas été respectées sur le dessin). La dimension en surface de ces plaquettes est de l'ordre de 15 x 20 mm .

Le clapet d'entrée est un clapet anti-retour identique à celui représenté sur les figures 1 et 2. Les références numériques dési¬ gnant les éléments de ce clapet sur la figure 6 correspondent à celles utilisées sur les figures 1 et 2.

L'orifice 3 constitue la conduite d'aspiration de la pompe.

Un tuyau 29, raccordé à un réservoir non représenté, est branché sur un raccord 30 disposé vis-à-vis de 1 Orifice 3.

Le réservoir peut contenir un médicament, par exemple au cas où la pompe est utilisée pour l'injection de ce médicament dans le corps humain avec un dosage précis. Dans cette application, la micropompe peut être portée sur le corps du patient, voire être implantée.

Le clapet de sortie est également réalisé par usinage de la première plaquette 1. Ce clapet comprend un obturateur 31 formé d'une membrane 32 au centre de laquelle est prévue une nervure annulaire 33 s'étendant en direction de la deuxième plaquette 2. Une couche d'oxyde 34 recouvre la nervure ainsi que la cuvette qu'elle

délimite. Cette couche d'oxyde évite l'adhérence de la nervure 33 à la plaquette 2 au cours des opérations de soudage anodique et améliore l 'étanchéité du clapet. Elle permet aussi du fait de son épaisseur de soumettre l'obturateur 31 à une certaine précontrainte lorsque le clapet est en position fermée.

L'obturateur 31 comprend dans la cuvette définie par la nervure annulaire 33 un orifice de sortie 35 qui constitue la conduite de refoulement de la pompe. Un raccord 36 sur lequel est branché un tuyau 37 est disposé vis-à-vis de cet orifice de sortie 35. Le tuyau 37 peut être branché à une aiguille d'injection (non représentée), dans le cas où la pompe est utilisée pour l'injection de médica¬ ments.

Entre les deux clapets se trouve la chambre de pompage 38. Elle est délimitée par les plaquettes 1 et 2 et communique avec le compartiment 8 de la chambre du clapet d'entrée par un passage 39 (fonctionnellement identique à l'orifice 20 de la figure 1) et avec la chambre 40 du clapet de sortie par un passage 41.

Cette chambre de pompage 38 peut être déformée par un moyen de commande qui généralement, comme représenté sur la figure 6, com¬ prend une pastille piézo-électrique 42 reliée à une source de tension alternative (non représentée). La pastille piézo-électrique 42 peut être du type PXE-52 de la société Philips, collée sur la plaquette 1 au moyen d'une colle appropriée. Cette pastille comporte une électrode (non représentée) sur chacune de ses faces ; pour assurer une isolation électrique convenable entre la pastille piézo-électrique et la plaquette 1, il est donc souhaitable de prévoir entre celles-ci une mince couche d'oxyde de silicium 43.

Le fonctionnement de la micropompe représentée est le suivant.

Lorsque la pastille piézo-électrique est commandée pour induire une diminution de pression dans la chambre de pompage 38, (ce qui correspond à un mouvement vers le bas sur la figure 6), l'obturateur 31 est maintenu en position fermée alors que l'obturateur 10 s'ouvre dès que la différence entre la pression régnant dans l'orifice 3 et la pression régnant dans la pompe (chambre de pompage 38 ou compar¬ timent 8 et 9 du clapet) est supérieure à la précontrainte à laquel- le est soumis l'obturateur 10. On se trouve alors en phase d'aspi¬ ration, le liquide circulant du tuyau 29 vers la chambre de pompage

38. Si l'on commande maintenant la pastille piézo-électrique pour induire une augmentation de pression dans la chambre de pompage 38 (ce qui correspond à un mouvement vers le haut sur la figure 6), l 'obturateur 10 se ferme dès que la pression dans la chambre, augmentée de la pression liée à la précontrainte de l'obturateur, est supérieure à la pression dans l'orifice 3. La pression dans la chambre de pompage 38 continuant à croître, l'obturateur 31 s'ouvre lorsque celle-ci devient supérieure à la somme de la pression dans l'orifice 35 et de la pression due à la précontrainte de l'obtura¬ teur. On se trouve alors en phase de refoulement, le liquide circu¬ lant de la chambre de pompage 38 vers le tuyau 37.

Il faut noter que la précontrainte sur le clapet d'entrée selon l'invention peut être choisie faible, de sorte que la perte de volume sur le clapet de sortie, en phase d'aspiration, est minime. De plus, pendant la phase de refoulement, il n'y a pas de perte d'énergie au niveau du clapet d'entrée. La perte d'énergie est ainsi réduite de moitié par rapport à une micropompe munie de deux clapets à membrane.

Un second mode de réalisation d'une micropompe incluant un clapet anti-retour selon l'invention est représenté sur la figure 7. Le clapet anti-retour forme le clapet d'entrée de la micropompe. Il est identique au clapet représenté sur les figures 4 et 5. Les références numériques désignant les éléments de ce clapet sur la figure 7 correspondent à celles utilisées sur les figures 4 et 5.

L'orifice 25 constitue la conduite d'aspiration de la pompe. Un tuyau 44 raccordé à un réservoir (non représenté) est branché sur un raccord 45 disposé vis-à-vis de l'orifice 25.

La chambre de pompage est formée par les compartiments 26 et 27 du clapet. Le fond du compartiment 28 a été abaissé, par rapport au clapet de la figure 4, pour que la plaquette 17 ait une épaisseur suffisamment faible pour constituer la paroi déformable de la pompe. Comme pour la micropompe de la figure 6, cette déformation est commandée par une pastille piézo-électrique 42 collée sur une couche d'oxyde de silicium 43, servant d'isolant électrique, déposée sur la face de la plaquette 17 opposée à la face de cette plaquette définissant le fond de la chambre de pompage.

La chambre de pompage 19 communique par un passage 46 avec le clapet de sortie. Celui-ci comprend un obturateur 48 usiné dans la plaquette 18 et formé d'une membrane 50 et d'une nervure annulaire 52. La nervure annulaire est revêtue d'une couche d'oxyde 54 et délimite au-dessus d'un orifice de sortie 56, percé dans la plaquet¬ te 18, un volume 58 dans lequel règne la pression de sortie. L'ori¬ fice de sortie 56 communique avec un tuyau 60 par l'intermédiaire d'un raccord 62 disposé en vis-à-vis.

Lorsque l'obturateur 48 est fermé, la pression de sortie n'agit que sur une faible surface de la membrane 50 comparée à la surface nettement plus importante sur laquelle peut agir la pression régnant dans la chambre de pompage. Ceci a pour effet une régulation du débit de sortie qui 'devient pratiquement indépendante de la pression de sortie, cet effet étant provoqué par la précontrainte assurée par la couche d'oxyde 54.

Ce type de clapet de sortie ne peut fonctionner que s'il est soumis à une précontrainte élevée, qui est obtenue en déposant une couche d'oxyde non seulement sur la nervure d'annulaire 52, mais aussi éventuellement sur la membrane 50.

Ceci induit une perte de volume pompé, car l'augmentation de pression dans la chambre déforme la membrane 50, avant que le clapet ne s'ouvre, de manière beaucoup plus importante que dans le cas du clapet de sortie de la micropompe de la figure 6.

La réduction de la perte d'énergie qui est atteinte avec le clapet d'entrée selon l'invention est donc plus grande, en valeur absolue, dans une micropompe munie d'un clapet de sortie selon la figure 7 que dans une micropompe munie d'un clapet de sortie selon la figure 6.

Il faut également noter que la micropompe représentée sur la figure 7 ne comporte que deux plaquettes et que les tuyaux 44 et 60 sont situés d'un même côté de la pompe, ce qui permet une plus grande compacité que dans le mode de réalisation de la figure 6.