La présente invention concerne un système de mesure de débit micro fluidique d'un liquide utilisant une mesure de pression d'un gaz d'une part et une mesure de pression du liquide d'autre part. Elle se rapporte plus particulièrement à un système de mesure de débit d'un liquide dans un circuit microfluidique, la mesure de débit selon l'invention étant rapide, précise, et beaucoup plus simple à mettre en œuvre que les méthodes connues de mesure de débit adaptées aux débits micro fluidiques. Par ailleurs, cette méthode de mesure de débit permet un asservissement rapide du débit mesuré, c'est à dire un contrôle de débit du liquide.

L'invention concerne également un capteur de pression de fluide, de préférence un liquide, ainsi qu'un capteur de pression différentiel pour deux fluides, notamment un gaz et un liquide lorsqu'il est mis en œuvre dans le système de mesure de débit selon l'invention.

L'invention concerne également un ensemble réservoir et capteur de pression intégré dans le bouchon du réservoir, une canalisation de type capillaire faisant office de résistance hydraulique reliant au moins partiellement le liquide du réservoir à une entrée du capteur.

D'autres aspects de l'invention concernent l'utilisation du système de mesure et/ou contrôle de débit ainsi que l'utilisation du capteur de pression, sous forme simple ou différentielle, dans des applications telles que la perfusion d'un milieu de culture cellulaire, de réactifs dans un réacteur chimique, le contrôle du bouchage de canalisations micro fluidiques, ou la réalisation d'un générateur de gouttes à cadence élevée.

De l'article intitulé « micromachined flow sensors-a review » de N .T. Nguyen publié dans la revue FLOW M EASUREM ENT AN D INSTRUMENTATION-MARCH 1997, on connaît de nombreuses méthodes de mesure du débit d'un liquide dans la gamme des débits micro fluidiques, c'est à dire les débits de liquide inférieurs à 100 mL/min, et typiquement compris entre l L/min et 1 mL/min pour la majorité des applications. Les méthodes les plus courantes sont basées sur l'utilisation de capteurs thermiques faisant usage de la mesure du déplacement d'un flux thermique transporté par le mouvement du liquide (voir par exemple le capteur de la gamme LG16 commercialisé par la société Sensirion AG.).

Il est également connu d'utiliser des capteurs vibrants basés sur la force de Coriolis pour réaliser des mesures de débit de fluides tels que ceux commercialisés sous la dénomination Cori-FLOW par la société Bronkhorst.

II est connu également d'utiliser la mesure d'une différence de pressions pour mesurer des débits de gaz (voir par exemple les capteurs de pression différentiels commercialisés par la société First Sensor).

Des capteurs de pression sont décrits par exemple dans les brevets US5515735, US8403908, ou WO9740350 et sont utilisables pour la mesure de débit de liquides à l'aide de deux capteurs de pression liquide mesurant la perte de charge du liquide dans une canalisation ou à travers des restrictions de formes diverses. Dans l'article intitulé « Design and Fabrication of a MEMS Flow Sensor and Its Application in Précise Liquid Dispensing de Yaxin Liu et al - State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin, China » les auteurs mesurent cette différence de pression en aval d'un réservoir de liquide contrôlé en pression à l'aide de deux capteurs de pression de liquide.

Il est également connu de US 2006/144151 un capteur de pression d'un liquide dans lequel l'étanchéité est assurée à l'aide de deux diaphragmes 22 et 24, collés à l'aide d'une couche de colle 23 ce qui est compliqué à réaliser et peu fiable : une solution plus simple et fiable est nécessaire lorsqu'on utilise deux fluides différents à des pressions qui peuvent être variables.

Tous les capteurs de débits micro fluidiques connus à ce jour et décrits ci-dessus utilisés pour le contrôle d'un débit micro fluidique comportent un certain nombre d'inconvénients :

Les capteurs basés sur une mesure thermique sont en général peu précis et sensibles à l'environnement et à la nature du liquide.

Les capteurs de pression différentiels, utilisant par exemple deux capteurs de pression séparés par une restriction peuvent avoir des temps de réponse beaucoup faibles (< 10 ms) et être précis (< 5%FS) mais ces capteurs sont complexes à réaliser dans une application micro fluidique en un unique élément sensible car il est nécessaire d'intégrer dans cet unique élément deux éléments sensibles à la pression et une restriction sur la même puce micro fluidique. En outre ils nécessitent l'utilisation d'une restriction de diamètre très faible pour induire une perte de charge importante dans un espace compact, ce qui engendre un bouchage fréquent de cette restriction, les rendant peu fiables et difficiles à mettre en œuvre. C'est pour ces raisons qu'aucune solution satisfaisante, simple, fiable et facile à réaliser en micro fluidique n'est disponible aujourd'hui sur le marché. Le système de mesure de débit micro fluidique d'un liquide dans un circuit micro fluidique selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte :

-un réservoir partiellement rempli de ce liquide et surmonté d'un ciel gazeux,

-des moyens pour maintenir la pression du gaz du ciel gazeux à une valeur prédéterminée PI,

-des moyens pour prélever du liquide dans le réservoir et pour le délivrer en sortie à une pression P2 inférieure à PI,

-des moyens capteurs de pression dont une première entrée est reliée au ciel gazeux et dont une seconde entrée est reliée à la sortie de liquide à pression P2, la sortie des moyens capteurs de pression délivrant un signal fonction de la différence des pressions (P1-P2) qui est représentative du débit de liquide à pression P2 délivré au circuit micro fluidique.

Ainsi, l'invention propose une méthode de mesure rapide et précise d'un débit de liquide sortant d'un réservoir sous pression, utilisant une mesure unique de pression au niveau du liquide. Cette mesure est réalisée à la sortie du réservoir de liquide à distribuer dans le circuit micro fluidique situé en aval du réservoir. La pression du liquide dans le réservoir est contrôlée à l'aide d'un gaz sous pression placé de préférence au dessus du liquide et formant un ciel gazeux au dessus de ce liquide et de moyens de perte de charge tels qu'une canalisation de préférence sous la forme d'une restriction produisant une perte de charge lorsque le liquide circule dans celle-ci. La mesure de débit selon l'invention est réalisée à l'aide d'un moyen de mesure de la différence entre la pression PI du gaz, mesurée dans le réservoir et la pression P2 du liquide mesurée en aval de la restriction de résistance hydraulique Rh. Le débit D sortant de la restriction suit la loi : D=(Pl-P2)/Rh (le terme « restriction » signifie selon l'invention, une canalisation ou tout autre moyen provoquant une perte de charge lors de l'écoulement du liquide dans cette restriction ou d'une manière plus générale, après passage au travers de moyens de perte de charge, les deux termes étant employés indifféremment). La différence de pressions (P1-P2) est traduite par des moyens de mesure de pression adaptés, en un signal (par exemple électrique) d'amplitude (par exemple) proportionnelle au (ou fonction du) débit sortant de la restriction.

La résistance hydraulique Rh sera de préférence selon l'invention supérieure à 1,2x10 puissance 10 Pa.s.L ^"1 afin de maintenir le débit de liquide micro fluidique dans une gamme de pressions raisonnables. Avantageusement, cette résistance sera constituée d'un tube capillaire cylindrique de diamètre intérieur inférieur à environ 300 μιτι et/ou d'un canal micro fluidique intégré dans une puce micro fluidique, de préférence de section carré et de hauteur inférieure à environ 300 μιτι.

La cavité dans laquelle est logé un élément sensible à la pression (senseur de pression) et dans laquelle transite de préférence le liquide à pression P2 aura de préférence un faible volume interne, plus préférentiellement inférieur à 50 μί, afin de limiter les temps de remplissage et/ou de transfert de liquide. Dans la présente description, le terme « moyens de mesure de la pression » désigne un ensemble d'un ou plusieurs « capteurs de pression » ainsi que leur électronique de commande et/ou un ordinateur spécialement configuré pour effectuer les opérations équivalentes, permettant (selon les variantes de réalisation de l'invention) d'effectuer la mesure de pression du liquide et/ou du gaz et de délivrer en sortie un signal proportionnel à (P1-P2). Ces moyens comportent des « moyens capteurs de pression » qui sont constitués d'un ou plusieurs « capteurs de pression » qui désignent un ensemble mécanique dans lequel le fluide (gaz ou liquide) circule jusque dans une cavité dans laquelle est placé un élément sensible à la pression (« senseur de pression ») qui transforme la pression exercée par le fluide sur cet élément en un signal, généralement électrique.

Les moyens capteurs de pression peuvent prendre différentes formes : ils peuvent être constitués par deux capteurs de pression, dont la différence entre les pressions mesurées est calculée par exemple à l'aide d'un circuit électronique différentiateur ou un ordinateur spécialement configuré pour calculer le débit de liquide sortant de la restriction, en appliquant la formule ci-dessus.

Le procédé de mesure de débit selon l'invention a l'avantage d'utiliser un unique élément de mesure en contact avec le liquide en aval de la restriction, cet élément pouvant être de constitution simple et bon marché.

Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, la restriction n'est pas disposée dans le capteur de pression du liquide, mais en amont de celui-ci dans une portion de circuit de liquide qui n'est pas encore micro fluidique (c'est à dire qui a un diamètre de canalisation supérieur à environ 23 micromètres, diamètre couramment utilisé en micro fluidique) ce qui permet d'utiliser une restriction de taille(diamètre) plus importante que lorsque celle ci fait partie du réseau micro fluidique, (de préférence supérieur à 50 μιτι plus préférentiellement supérieur à 100 μιτι) limitant ainsi le risque de bouchage de la restriction et donc du circuit micro fluidique. Le diamètre du capillaire utilisé est très dépendant de la gamme de débit de liquide micro fluidique que l'on veut mesurer, sachant que le débit dans le capillaire évolue à la puissance 4 du diamètre du capillaire. Un diamètre de capillaire de 23 micromètres correspond à une échelle de mesure de débit d'eau d'environ 1 microlitre par minute pour un capillaire de longueur 135 mm, ce qui correspond aux capteurs de débits les plus sensibles disponibles commercialement à ce jour. Ainsi l'invention permet de multiplier par trois environ le diamètre de la résistance iso-débit, ce qui est un avantage considérable pour éviter le bouchage de la restriction.

Pour toutes ces raisons, le système de mesure de débit selon l'invention permet de réaliser un très bon compromis entre fiabilité, rapidité et précision tout en conservant un coût peu élevé.

Les moyens de mesure de pression peuvent être constitués selon une variante de l'invention, par un ensemble de deux capteurs de pression Px chacun délivrant un signal Sx numérique ou analogique représentatif de la pression du gaz ou de la pression du liquide, le calcul de la différence d'amplitude entre les signaux étant réalisée, de manière connue en soi, à l'aide d'un calculateur dans le cas de signaux numériques ou un circuit soustracteur dans le cas de signaux analogiques.

Parmi les capteurs de pression de liquide, on pourra soit utiliser des capteurs de pression de liquides connus, soit utiliser le capteur de pression selon l'invention (qui sera décrit ci-après). On pourra également utiliser des capteurs de pression différentiels pour mesurer la différence de pression entre gaz et liquide, soit de forme déjà connue, soit selon une variante de capteur selon l'invention.

Ainsi selon un mode préférentiel de réalisation du système selon l'invention, la différence de pression peut être également mesurée à l'aide d'un capteur de pression différentiel. Ce mode de réalisation permet de n'utiliser qu'un seul capteur de pression et de s'affranchir notamment de la mesure de la valeur absolue de la pression du liquide et du gaz. On peut alors utiliser un capteur adapté à la mesure d'une gamme de pression plus faible ce qui rend la mesure de la différence de pression plus précise.

Selon une autre variante de réalisation de l'invention, les moyens capteurs de pression peuvent également utiliser le même signal que celui utilisé pour réguler la pression du gaz dans le réservoir à l'aide d'un régulateur de pression réglable. Selon encore une autre variante de réalisation de l'invention, la mesure de la pression en amont de la restriction, et par conséquent la mesure du débit de liquide, peut être corrigée par la hauteur de liquide dans le réservoir qui induit une différence de pression hydrostatique parasite ne provenant pas de la perte de charge à travers la résistance hydraulique Rh. Par exemple, la hauteur de liquide peut être maintenue fixe à une valeur connue prédéterminée, mesurée avec un capteur ou déduite à partir d'une hauteur initiale de liquide dans le réservoir et du débit cumulé sortant du réservoir.

Selon une autre variante de l'invention la mesure de débit est utilisée pour contrôler précisément et rapidement le débit de liquide micro fluidique, à l'aide d'un générateur de pression de gaz réglable et d'un système de contrôle asservissant le débit du liquide à une valeur de consigne (éventuellement réglable) à l'aide par exemple d'un circuit de type PID.

En général, le gaz constituant le ciel gazeux au dessus du liquide sera généralement de l'air comprimé, éventuellement appauvri en oxygène (c'est à dire comportant moins de 21% en volume d'oxygène) (de préférence débarrassé de ses impuretés solides et/ou liquides à l'aide de filtres adaptés, tels que ceux utilisés pour filtrer l'atmosphère des salles blanches). Lorsque le liquide sera sensible à l'oxydation et/ou comportera des éléments susceptibles d'être modifiés par la présence d'oxygène (ou tout agent oxydant) à son contact, on utilisera de préférence comme gaz constituant le ciel gazeux au dessus du liquide (et permettant de « pousser » le liquide vers le circuit micro fluidique) un gaz inerte choisi parmi l'azote, l'argon, les gaz rares(Kr, Xe, Ne, ...) et/ou leurs mélanges.

L'invention concerne également un capteur de pression comportant un support (200) muni d'un logement dans lequel sont disposés une membrane (206) déformable associée à des moyens de mesure de la déformation de la membrane (212), la membrane pouvant se déformer sous l'action d'un fluide sous pression, de préférence un liquide, appliqué de préférence sur la surface supérieure(231) de la membrane (206), les moyens de mesure de la déformation de la membrane (205) étant reliés électriquement à des contacts électriques (202, 203) permettant de recueillir un signal électrique fonction de la pression du fluide, caractérisé en ce que la surface supérieure (231) de la membrane (206) délimite dans le logement du support (200) la face inférieure d'une cavité (208)comportant également une face supérieure, cavité dans laquelle débouchent deux canalisations distinctes respectivement d'arrivée (215) et de départ (216) (ou vice-versa) d'un fluide, permettant l'écoulement du fluide au contact de la surface supérieure (231) de la membrane (206) et en ce que le capteur comporte un joint d'étanchéité (210) disposé latéralement tout autour des parois du logement (200) entre la surface supérieure de la couronne (205) maintenant la membrane (206) et la face supérieure de la cavité (208).

De préférence, la cavité est sensiblement dépourvue de tout volume mort de manière à éviter la formation de bulles dans le fluide. La membrane sera de préférence une membrane souple en silicium.

De préférence également, les moyens de mesure de la déformation de la membrane (212) comportent des éléments sensibles à la déformation de la membrane tels que des éléments réalisés en matériau piezo-résistif.

Les moyens de mesure de la déformation de la membrane (212) remplissent une fonction de transducteurs qui transforment une déformation (extension) de la membrane en un signal (électrique) proportionnel à (ou fonction de) l'amplitude de cette déformation. Ainsi ces moyens comporteront de préférence des éléments sensibles à la déformation de la membrane, tels que par exemple des éléments réalisés dans un matériau piézo- résistif, déposés en couche mince ou implantés dans la membrane. Ils peuvent être disposés selon un schéma simple ou visant à en optimiser la précision, par exemple suivant un pont de Wheatstone pour améliorer la sensibilité, ou intégrant d'autres éléments, par exemple pour compenser l'effet de la température sur la mesure.

Pour plus de détails sur les moyens utilisant des éléments sensibles en matériaux piezo-résistif, on pourra se reporter à l'article de K.N. BHAT intitulé « Silicon Micromachined Pressure Sensors »-Journal of the Indian Institute of Science -vol 87-1- Jan-Mars 2007-journal.library.iisc.ernet.in.

La membrane ainsi que les moyens de mesure de la déformation peuvent être recouverts d'une couche isolante électriquement, pour les protéger de la conductivité électrique d'un liquide en contact, par exemple de l'eau, qui pourrait perturber la mesure. Les moyens de mesure de la déformation de la membrane sont de préférence reliés électriquement à l'extérieur du capteur aux contacts électriques

La cavité peut être par exemple de forme parallélépipédique avec les deux canalisations positionnées dans deux angles supérieurs opposés, ou de forme cylindrique avec les deux canalisations positionnées de manière diamétralement opposées, ou encore sous forme d'un canal reliant les deux canalisations. L'absence substantielle de volume mort (ce que l'homme de métier sait réaliser sans difficulté) évite la formation de bulles, qui peuvent perturber la mesure de pression si une ligne de contact de la bulle est en contact avec la membrane, auquel cas la tension de surface du liquide peut appliquer une force parasite sur la surface du capteur sensible à la pression.

D'autre part, il est préférable qu'aucune bulle provenant du capteur ne soit injectée dans le circuit micro fluidique, car dans de nombreux cas pratiques, une telle bulle perturberait les écoulements dans la puce et son fonctionnement.

Les moyens de mesure de la déformation de la membrane peuvent prendre d'autres formes adaptées tels que des moyens capacitifs, vibrants, etc.

De préférence, le volume de la cavité sera inférieur à 50 microlitres, de préférence inférieur à 10 microlitres, plus préférentiellement inférieur à 5 microlitres. Dans tous les cas, on réalisera une cavité de volume aussi faible que possible, mais généralement supérieur à 0,1 microlitre.

Selon un mode préférentiel, notamment lorsque le fluide est un liquide, le capteur sera de préférence muni d'un joint d'étanchéité disposé latéralement tout autour des parois du logement entre la surface supérieure de la membrane (ou du senseur de pression) et la face supérieure de la cavité. De préférence, le capteur comporte un espace disposé sous la membrane permettant à celle-ci de se déplacer sous l'action de la pression du fluide injecté dans le capteur.

Selon un mode préférentiel de réalisation, les canalisations d'arrivée et de départ de fluide dans la cavité font un angle compris entre environ 10° et 90°, de préférence entre 20° et 70° et plus préférentiellement entre 40° et 50°, avec la surface supérieure de la membrane.

Selon une variante pour la réalisation notamment d'un capteur différentiel, le support sera traversé par une canalisation d'arrivée d'un second fluide dont une première extrémité vient à proximité de la surface inférieure de la membrane. Ce second fluide pourra être choisi parmi l'air à pression atmosphérique (fonction d'évent) et/ou un liquide ou un gaz y compris l'air, de préférence à pression différente, par exemple supérieure à la pression atmosphérique.

En général, l'espace (207) sera muni d'un évent de sortie (204). De préférence, l'extrémité de la canalisation d'arrivée (204, 207) située du côté opposé à la membrane (206) (la seconde extrémité) sera munie d'un connecteur fluidique (223), de manière à pouvoir amener de manière étanche le deuxième fluide dans le capteur de pression, notamment lorsque celui-ci est sous pression, par exemple un gaz.

L'invention concerne également un ensemble de mesure de débit qui est caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir muni d'un bouchon dans lequel est intégré un capteur selon l'invention, de manière à être solidaire du bouchon, ce dernier étant par ailleurs traversé par un capillaire faisant office de restriction, débouchant dans la canalisation d'arrivée de liquide, à proximité de la cavité du capteur. Elle concerne également un système intégrant l'ensemble de mesure de débit. De préférence, la restriction est disposée en amont des moyens capteurs de pression.

L'invention concerne aussi un système de mesure du débit d'un liquide (3) dans un circuit micro fluidique (17) caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de pression selon l'invention.

D'une manière générale, le système selon l'invention utilise la mesure de la pression PI d'un gaz maintenant en pression un liquide s'écoulant dans une restriction et sortant de celle-ci à une pression P2 inférieure à PI pour contrôler le débit de ce liquide. Plus généralement, elle concerne l'utilisation du capteur de gaz selon l'invention pour contrôler le débit de fluide aux entrées et/ou sorties d'une puce micro fluidique.

L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants donnés conjointement avec les figures qui représentent :

La figure 1, une première représentation schématique du système de mesure de débit de liquide micro fluidique selon l'invention,

La figure 2, une seconde représentation schématique du système de mesure de débit de liquide micro fluidique selon l'invention

La figure 3, une troisième représentation schématique du système de mesure de débit de liquide micro fluidique selon l'invention

La figure 4, une représentation schématique d'un système de contrôle du débit de liquide micro fluidique selon l'invention,

La figure 5, un exemple schématique de mesure de débit de liquide micro fluidique selon l'invention,

La figure 6, un exemple de contrôle de débit de liquide micro fluidique selon l'invention, Les figures 7a et 7b, respectivement une vue en coupe d'un capteur de débit et d'un capteur de débit différentiel selon l'invention,

La figure 8, une vue en coupe d'un système réservoir muni d'un tube capillaire et d'un capteur de débit selon la figure 7a.

La figure 9, une courbe représentant le débit mesuré en fonction de la différence de pression P1-P2.

Sur la figure 1, des moyens pour engendrer un gaz sous pression contrôlée 1 (source d'air comprimé par exemple dont la pression est régulée et de préférence contrôlable ou bouteille d'azote sous pression sur laquelle est branché un détendeur/régulateur de pression) sont reliés d'une part par la canalisation 6 à la partie supérieure 4 (ou ciel gazeux) du réservoir 2 dont la partie inférieure est remplie de liquide 3 (à faire circuler dans le la puce micro fluidique 17) en contact avec le gaz du ciel gazeux 4 et d'autre part par la canalisation 25 à une première entrée 18 d'un capteur de pression différentielle 13. Plongeant dans le liquide 3 se trouve une canalisation 8 sortant du réservoir 2 et se prolongeant par la canalisation 10 qui comporte une restriction 9 ayant une résistance hydraulique Rh (en pratique, les éléments 8, 9 et 10 peuvent être regroupés en un seul élément , par exemple un tube capillaire plongeant dans le liquide 3 de résistance hydraulique Rh, la pression du liquide 3 étant égale à P2 à la sortie du capillaire) et qui se prolonge ensuite d'une part par la canalisation 11 reliée à une seconde entrée 19 du capteur de pression différentielle 13 et d'autre part par une canalisation micro fluidique 12 dont l'extrémité vient alimenter le circuit (ou « puce ») micro fluidique 17. Le capteur de pression différentielle 13 (dont un exemple de réalisation sera décrit ci-après sur la figure 7) engendre un signal électrique S sur la ligne 14, dont l'amplitude est proportionnelle à la différence des pressions (P1-P2) ce signal étant transformé en un signal de mesure du débit de liquide 3 à la sortie de la restriction 9 dans les moyens de calcul de débit de liquide 15 de la manière explicitée ci-après (ou dans un ordinateur spécialement configuré à cet effet). Ce signal de mesure de débit de liquide 15 peut être par exemple affiché sur un afficheur numérique (non représenté sur la figure 1) et/ou utilisé (via la ligne en pointillés 16 sur la figure 1) pour contrôler/réguler la pression du gaz 4 via les moyens 1. Ainsi en mesurant la différence de pression entre la pression du gaz constituant le ciel gazeux au dessus du liquide 3 dans le réservoir (qui est donc égale à la pression du liquide 3 à l'interface gaz/liquide dans le réservoir 2) et la pression du liquide après avoir traversé la restriction 9 on peut mesurer le débit de liquide 3 en appliquant simplement la formule :

Débit de liquide=(Pl-P2)/Rh,

les pressions étant exprimées en Pascal, la résistance hydraulique en Pa.s.L ^' i et le débit de liquide en L/s.

Le débit de liquide 3 à l'entrée de la puce micro fluidique 17 peut ainsi être simplement contrôlé en faisant varier la pression PI du générateur de gaz sous pression contrôlée 1 grâce au détendeur/ régulateur de pression disposé en sortie de ce générateur.

La résistance hydraulique sera de préférence supérieure à 1.2x10 puissance 10 Pa.s.L ^"1 . Selon un mode préférentiel de réalisation, la résistance hydraulique Rh sera constituée par un capillaire cylindrique de diamètre intérieur de préférence inférieur à 300 μιτι et/ou par un canal micro fluidique intégré dans une puce de section carré et de hauteur inférieure à 300 μιτι. Le moyen de mesure de la pression de liquide comportera de préférence un faible volume de liquide interne, de préférence inférieur à 50 μΙ_ pour limiter les temps de remplissage et transfert de liquide.

La figure 2 est une variante du système représenté schématiquement sur la figure 1. Sur cette figure ainsi que sur toutes les autres figures, les mêmes éléments portent les mêmes références et remplissent les mêmes fonctions. Sur cette figure 2 le capteur de pression différentielle 13 est constitué de 2 capteurs de pressions 20 et 21, dont la différence des valeurs de pression respectivement mesurées est calculée par exemple à l'aide d'un circuit électronique différentiateur ou un calculateur numérique spécialement configuré 33.

N'importe quel type de capteur de pression bien connu de l'homme de métier pouvant mesurer la pression d'un fluide (gaz ou liquide) peut être utilisé pour mesurer l'amplitude des pressions PI ou P2, dans la mesure où il délivre un signal S, de préférence électrique, dont la valeur est fonction de (par exemple proportionnelle à) l'amplitude de la pression mesurée. Ainsi le capteur 20 reçoit le gaz 4 directement sur son entrée 18 et délivre un signal analogique (ou numérique) SI sur la ligne 22 à une première entrée 31 d'un circuit différentiateur 33 (ou respectivement un calculateur spécialement configuré pour réaliser l'opération de soustraction) dont la sortie 34 est reliée à l'entrée des moyens de calcul de débit 15 (comportant ou non un afficheur numérique) via la ligne 14. La seconde entrée 32 du circuit 33 reçoit le signal S2 délivré sur la ligne 23.

La figure 3 est une autre variante de réalisation du système de la figure 2, dans laquelle on prévoit des moyens de consigne de pression 30 qui engendrent un signal de consigne de pression aux moyens 1 pour engendrer un gaz sous pression (ici ces moyens engendrent une pression variable et contrôlée en fonction de la valeur de consigne), ce signal de consigne de pression permettant d'une part de réguler la pression du gaz à la valeur voulue PI et d'autre part via la ligne 22 de fournir à l'entrée 31 du circuit ou calculateur 33 un signal dont l'amplitude (par exemple) est celle de la pression PI du gaz. Les autres éléments du système de la figure 2 restent inchangés sur cette figure 3.

La figure 4 est une variante de la figure 1 dans laquelle on a intercalé des moyens de contrôle de débit 40 entre les moyens

15 et les moyens 1, ces moyens de contrôle recevant par la ligne

16 le signal de mesure du débit de liquide et ajustant l'amplitude ou la valeur de celui-ci en fonction des moyens de consigne de débit 41, et délivrant via la ligne 34 un signal de consigne de pression aux moyens 1 (ce signal de consigne de pression ayant une amplitude ou une valeur calculée en utilisant la formule du débit en fonction des pressions rappelée ci-dessus).

Selon une variante de mise en œuvre, la mesure de débit peut être corrigée par la hauteur de liquide dans le réservoir qui induit une différence de pression hydrostatique parasite ne provenant pas de la perte de charge à travers la résistance hydraulique Rh. La hauteur de liquide peut être par exemple maintenue fixe et connue à priori, mesurée avec un capteur ou déduite à partir d'une hauteur initiale et du débit cumulé sortant du réservoir.

Avantageusement, cette méthode de mesure de débit peut être utilisée pour contrôler précisément et rapidement un débit liquide micro fluidique à l'aide d'un générateur de gaz de pression réglable et d'un système de contrôle 40 asservissant le débit suivant une consigne (par exemple PID). Sur la figure 5 est représenté un premier exemple pratique de réalisation du système selon l'invention, dans lequel les moyens 1 sont un contrôleur de pression vendu sous la dénomination commerciale ELVEFLOW OBI (ELVEFLOW est une marque déposée par la société ELVESYS) agissant dans une plage de pression (relative) de 0 à 2 bars (0 à 2x10 puissance 5 Pascal) qui contrôle la pression du gaz issu d'une source de gaz (non représentée sur la figure) à la valeur voulue. Les moyens de restriction de pression 8, 9, 10 sont constitués par un tube capillaire en matériau thermoplastique par exemple du type polyétheréthercétone (ou PEEK) de diamètre intérieur égal à 150 micromètre et de longueur 0,135 m plongé par une première extrémité dans le liquide 3 et alimentant par son autre extrémité un capteur de pression du liquide 50 de type « traversant » tel que décrit ci-après sur la figure 7 délivrant à sa sortie sur la canalisation 12 le liquide 3 à un débit qui peut varier entre 0 et 1.15 mL/min. Ce capteur 50 délivre également un signal électrique analogique proportionnel à la pression P2, via la ligne 52 au module d'acquisition 51 de dénomination commerciale « Elveflow SensorReader » qui transforme le signal analogique en signal numérique représentant la valeur de la pression P2 et envoie cette information via la ligne 53 à l'ordinateur 54 spécialement configuré pour réaliser les opérations qui vont être décrites ci-après. L'ordinateur 54 reçoit également par la ligne 58 une information sous forme numérique représentant la valeur de la pression PI imposée au ciel gazeux 4 via les moyens 1 et 5 et la ligne 59 qui transmet la valeur de consigne de la pression PI aux moyens 1. L'ordinateur réalise les opérations de soustraction des pressions PI et P2 puis de calcul de débit associé (comme expliqué ci-avant) et d'ajout éventuel de coefficients multiplicateurs afin d'obtenir (et d'afficher si nécessaire) le débit de liquide 3 (qui sera injecté dans le circuit micro fluidique 17) à l'aide des moyens 55. Dans cet exemple précis, la consigne de pression pour les moyens 1 est inscrite dans la mémoire 56 de l'ordinateur 54, par exemple à l'aide du clavier alphanumérique relié à l'ordinateur 54.

La figure 6 est un exemple de réalisation de l'invention permettant de rapidement contrôler le débit du liquide 3 dans le circuit micro fluidique 17. Comme sur la figure 5 on utilise le même capillaire en PEEK de diamètre intérieur 150 microns et de longueur 0,135 m pour créer une restriction de résistance hydraulique Rh. Le capteur de pression différentielle 13 tel que décrit ci-après sur la figure 7b est utilisé ici, avec les entrées gaz et liquide, respectivement 18 et 19, le liquide 3 passant au contact de la membrane du capteur piézo résistif et ressortant par la canalisation 12 en direction du circuit micro fluidique. Le gaz est au contact de la membrane du côté opposé au liquide et maintient ainsi une pression sur celle-ci opposée à la pression exercée par le liquide de l'autre côté de celle-ci. Il en résulte au niveau des électrodes du capteur 13 un signal électrique envoyé via la ligne 14 à l'entrée d'un contrôleur de type PID 102 qui envoie un signal de consigne de pression au contrôleur de pression 1 afin de réguler la pression PI du gaz 4. Le contrôleur PID 102 est une partie des moyens électroniques de contrôle 100, qui globalement permettent d'assurer le contrôle de pression du gaz à l'aide du signal issu du capteur 13 et une consigne de débit engendrée par l'ordinateur 54 spécialement configuré pour cette tâche, consigne de débit transmise au contrôleur PID 102 via une interface 101 de type USB. Avec une telle configuration, on a constaté qu'il était possible d'obtenir un temps de mise en place d'un débit contrôlé en moins de 100 ms. La figure 7a est une vue en coupe du capteur de pression selon l'invention. Le capteur 213 possède une partie inférieure 200 et une partie supérieure 211. La partie inférieure 200 comporte une face inférieure 201 et une face supérieure 230. Un espace 207 est délimité par la face supérieure 230 et par la face inférieure de la membrane 206 de faible épaisseur d'un capteur piézo- résistif et latéralement par une couronne 205 plus épaisse que la membrane, prolongeant la membrane 206 et solidaire de celle-ci de manière à la supporter. La membrane 206 déformable sous l'action d'un fluide sous pression, est une membrane souple en silicium supportée par une couronne plus épaisse 205, l'ensemble intégrant les moyens de mesure de la déformation de la membrane 212 qui comportent des éléments sensibles à la déformation de la membrane tels que des éléments réalisés en un matériau piézo-résistif. La partie inférieure de cette couronne 205 s'appuie d'une part sur la face supérieure 230 de la partie inférieure 200, de manière à délimiter latéralement l'espace 207, et d'autre part sur les extrémités des électrodes 202, 203 encastrées dans cette face supérieure 230 (ou simplement posées sur celle ci). Entre les électrodes 202 et 203 et la couronne 205, peut être disposé un élément conducteur électrique tel qu'un joint ou une colle conductrice (qui n'est pas représenté sur la figure) permettant la connexion électrique des éléments sensibles. Au dessus de cette surface 230 est disposé un support 209 (qui peut être d'un seul tenant avec la partie inférieure 200) comportant une ouverture traversante sur la paroi latérale 231 de laquelle vient s'appuyer la face latérale 232 de la couronne 205. La face supérieure de la membrane 206 se prolonge sur la partie supérieure de la couronne 205 formant une seule surface plane jusqu'à la paroi latérale 231 (En pratique, les éléments 205 et 206 sont réalisés dans le même bloc de silicium par gravure, comme décrit dans le document de N.K.BATH cité ci-dessus, en page 121.) sur laquelle vient s'appuyer un joint d'étanchéité 210 en forme de couronne carrée délimitant une cavité 208 placée sensiblement au dessus de la membrane 206 et débouchant sur celle-ci. L'espace 207 donne le débattement nécessaire à la membrane 206 lorsque celle-ci se creuse sous l'effet de la force exercée par le liquide à pression P2 sur la membrane 206. Il est à noter que l'espace 207 qui dispose d'un évent 204 de sortie de l'air emprisonné dans cet espace reste en communication fluidique avec l'environnement extérieur afin d'y maintenir une pression toujours égale à la pression atmosphérique, quelle que soit la pression exercée par la membrane. Cet évent peut également être relié (via une canalisation non représentée sur la figure par exemple) à une source de gaz (air, gaz inerte, ...) ayant une pression égale ou différente de la pression atmosphérique. Lorsque le gaz est à pression atmosphérique, le capteur permet de mesurer la pression relative du liquide (et non sa pression absolue). Lorsque la pression de ce gaz est différente de la pression atmosphérique, le capteur permet de mesurer une différence de pression entre le liquide et le gaz.

Le capteur 213 possède une partie supérieure 211 (support de conduite) dont la face inférieure comporte une partie en saillie 214 qui vient se loger au sommet de l'ouverture délimitée par la paroi latérale 231 en s'appuyant latéralement sur le joint 210 et venant fermer de manière étanche aux fluides (notamment liquides) la cavité 208.

Débouchant dans cette cavité 208 dans sa partie supérieure se trouvent deux canalisations respectivement 215 et 216 qui s'étendent à 45° environ vers l'extérieur de la partie supérieure 211 par l'intermédiaire des connecteurs micro fluidiques 10/32 UNF et leurs férules respectives 221 et 222 et des tubes capillaires micro fluidiques 217 et 218 qui traversent respectivement les corps 219 et 220 des connecteurs qui se vissent par exemple dans le support de conduite 211 afin d'assurer l'étanchéité fluide. En utilisation, on injecte le liquide à pression P2 par la canalisation 215 qui vient remplir la cavité 208 puis ressort par la canalisation 216 (ou vice-versa) en direction du circuit micro fluidique 17 et qui exerce une poussée (vers le bas sur la figure) sur la face supérieure de la membrane 208 proportionnelle à la pression P2. De cette manière on récupère ainsi grâce à la membrane 206 un signal électrique sur les électrodes 202, 203 dont l'amplitude est proportionnelle à la pression P2 du liquide (bien entendu, au lieu d'un liquide on peut utiliser un fluide quelconque) Pour plus de détails sur ce type de membranes on pourra se reporter par exemple à l'article de K.N.BATH précité.

La figure 7b est une vue en coupe du capteur de pression différentielle selon l'invention, semblable à celui décrit sur la figure 7a mais dont l'ouverture 204 est munie dans sa partie inférieure d'un connecteur fluidique 223 pour recevoir un second fluide, de préférence un gaz, de préférence sous pression, dans l'espace 207. Le capteur 213 possède une partie inférieure 200 et une partie supérieure 211.

La partie inférieure 200 comporte une face inférieure 201 percée sensiblement en son centre d'un conduit 204 de fluide (de préférence un gaz, tel que le gaz 4) débouchant dans une cavité 207 délimitée dans sa partie supérieure par la face inférieure de la membrane 206 et latéralement maintenu par une couronne 205 prolongeant la membrane 206 et solidaire de celle-ci. La partie inférieure de cette couronne 205 s'appuie sur la face supérieure 230 de la partie inférieure 200, de manière à créer la cavité 207 et entourer l'extrémité supérieure du conduit 204, ainsi que sur les extrémités des électrodes 202, 203 encastrées dans cette face supérieure 230 (ou simplement posées sur celle- ci). Au dessus de cette surface 230 est disposé un support 209 (qui peut être d'un seul tenant avec la partie inférieure 200) comportant une ouverture traversante sur la paroi latérale 231 de laquelle vient s'appuyer la face latérale 232 de la couronne 205. La face supérieure de la membrane 206 se prolonge sur la partie supérieure de la couronne 205 formant une seule surface plane jusqu'à la paroi latérale 231, sur laquelle vient s'appuyer un joint d'étanchéité 210 en forme de couronne, délimitant une cavité 208 placée sensiblement au dessus de la membrane 206 et débouchant sur celle-ci. Le capteur 213 possède une partie supérieure 211 (support de conduite) dont la face inférieure comporte une partie en saillie 214 qui vient se loger au sommet de l'ouverture traversante délimitée par la paroi latérale 231 en s'appuyant latéralement sur le joint 210 et venant fermer de manière étanche aux fluides (notamment liquides) la cavité 208. Débouchant dans cette cavité 208 dans sa partie supérieure se trouvent deux canalisations respectivement 215 et 216 qui s'étendent à 45° environ vers l'extérieur de la partie supérieure 211 par l'intermédiaire des connecteurs micro fluidiques 221 et 222 et des tubes capillaires micro fluidiques 217 et 218 qui traversent respectivement les « bouchons » 219 et 220 qui se vissent par exemple dans le support de conduite 211 afin d'assurer l'étanchéité fluide. En utilisation, on injecte par exemple le gaz à pression PI de manière étanche dans la conduite 204 qui vient exercer une poussée sur la face inférieure de la membrane 206 et on injecte le liquide à pression P2 par la canalisation 215 qui vient remplir la cavité 208 puis ressort par la canalisation 216 (ou vice-versa) en direction du circuit micro fluidique 17 et qui à l'équilibre exerce une poussée de sens opposé sur la face supérieure de la membrane 208 proportionnelle à la pression P2. De cette manière on récupère ainsi grâce aux moyens de mesure de la déformation de la membrane 212 qui comportent des éléments sensibles piezo- résistif, un signal électrique sur les électrodes 202, 203 dont l'amplitude est proportionnelle à (ou fonction de) la différence P1-P2 des pressions des fluides. La figure 8 décrit un exemple de réalisation de l'invention tel que représenté sur la figure 5 avec intégration d'un capteur de débit fluide et d'un réservoir de fluide (liquide). Le réservoir 2 se compose d'un corps 60, ayant ici une forme cylindrique, fermé à sa partie inférieure et recouvert à son extrémité supérieure par un bouchon 61 qui vient le refermer hermétiquement et sur lequel est connecté latéralement un connecteur fluide 62 auquel est relié à une première extrémité à une canalisation fluidique (et non micro fluidique de préférence) 63 elle-même reliée au contrôleur de pression de gaz 1 (de type Elveflow OBI agissant dans la gamme de pression relative 0-2x10 puissance 5 Pascal), et à une seconde extrémité par la canalisation 64 à la partie supérieure du réservoir 2 correspondant au ciel gazeux 4 lorsque ce réservoir est partiellement rempli de liquide 3 dans sa partie inférieure. Dans cet exemple, la résistance Rh 8 prend la forme d'un capillaire en un matériau tel que le Polyetherethercétone ou PEEK, de 150 μιτι de diamètre intérieur, disposé de préférence sensiblement parallèlement à la paroi du corps 60 de façon à plonger dans le liquide 3 et faire remonter celui-ci dans le capillaire 8 sous l'effet de la pression imposée en fonctionnement à la surface du liquide 3 par le gaz 4 sous pression. Ce gaz doit être de préférence un gaz « propre » tel qu'utilisé dans les salles blanches (débarrassé de particules et/ou d'impuretés chimiques et/ou physiques) afin d'éviter la contamination du liquide 3 destiné au circuit micro fluidique 17. Ce gaz sera de préférence de l'air comprimé mais pourra également être un gaz inerte tel que décrit ci-avant lorsqu'on veut éviter une interaction possible entre l'oxygène de l'air et le liquide 3 (de préférence de l'azote et/ou de l'argon en bouteille de qualité appropriée mais également de l'air appauvri en oxygène (moins de 1% à 10% volume d'oxygène), éventuellement fourni par un générateur sur site du type « membrane » ou par adsorption. Ce gaz peut également si nécessaire être débarrassé de toutes ses impuretés minérales et/ou organique à l'aide de filtres adéquats (utilisés par exemple pour filtrer l'atmosphère des salles blanches). Le tube capillaire 8 traverse également de façon étanche le bouchon 61 du réservoir 2 et pénètre par l'intermédiaire du connecteur fluide 219 dans le circuit d'entrée de liquide du capteur 213, c'est à dire la canalisation 215 qui prolonge le capillaire 8 puis la cavité de mesure de pression du liquide 208 , puis la canalisation de sortie 216 vers le connecteur de sortie capillaire 220 dans lequel vient se connecter la canalisation 12 alimentant le circuit micro fluidique 17. La partie inférieure 200 du capteur 213 (ici en position supérieure) relie électriquement les électrodes 202, 203 du capteur par l'intermédiaire du connecteur électrique 90 et la ligne 52 au module d'acquisition de données de dénomination commerciale Elveflow SensorReader 51, lui-même relié électriquement par la ligne 53 à l'ordinateur 54 (se reporter à la figure 5 pour le traitement des données par l'ordinateur 54 spécialement configuré). L'intégration de l'élément capteur de pression en silicium contenant une membrane se déformant en réponse à la pression exercée par le liquide couplée à une jauge piezo résistive permettant de transformer cette déformation en un signal électrique est ici optimisée de manière à limiter le volume de la cavité de mesure 208 à quelques microlitres. Le chemin du fluide (liquide 3) dans le capteur selon l'invention est tel qu'il n'y a pas de volume mort au niveau du capteur (l'entrée du liquide et la sortie du liquide de la chambre de mesure sont réalisés grâce à des canalisations différentes) de manière à éviter la formation de bulles.

L'ordinateur 54 est spécialement configuré pour calculer le débit de liquide 3 : pour cela, l'ordinateur calcule la différence de pression entre la pression de gaz appliquée PI dans le réservoir à l'aide d'un contrôleur de pression de type Elveflow OBI et le capteur de pression intégré dans le capuchon du réservoir qui mesure la pression du liquide en sortie du réservoir 2 puis en déduit le débit de liquide dans le circuit à l'aide de l'équation D=(Pl-P2)/Rh de la manière décrite précédemment.

Un exemple d'utilisation de l'invention telle que décrite sur cette figure 8 consiste à perfuser un milieu de culture cellulaire dans une chambre micro fluidique (17) où sont cultivées des cellules vivantes (cellules de mammifère, levure ou autres) pour contrôler précisément la vitesse de renouvellement en nutriments apportés par le liquide 3 dans la chambre 17 d'une part et le cisaillement mécanique sur les cellules produit par le débit de perfusion, qui peut être délétère pour les cellules, d'autre part.

Une autre application de cette mise en œuvre est la perfusion d'un ou plusieurs réactifs dans un réacteur chimique en flux continu réalisé dans une puce micro fluidique Dans ce cas, les débits ont besoin d'être contrôlé précisément pour respecter la stœchiométrie de la réaction.

Dans une troisième application, la mesure du débit peut être un moyen de contrôler que les conduits d'un puce micro fluidique ne se bouchent pas lors de leur utilisation. En effet, lorsqu'une canalisation micro fluidique se bouche alors que des pressions constantes sont appliqués aux liquides entrant dans ces canalisations, le débit chute, ce qui peut être détecté simplement et à faible cout.

Dans une dernière application, le contrôle de débit est utilisé pour réaliser des gouttes à cadence élevée (de l'ordre de 1000 goûtes par seconde) à l'aide d'un puce micro fluidique et en utilisant un mélange de plusieurs réactifs comme liquide pour former la goutte. Ce type de générateur de goutte est utile pour réaliser automatiquement des diagrammes de phase de réaction suivant plusieurs dimensions, ce qui demande de tester un nombre très important de combinaisons de concentration de réactifs. Ce peut être utile par exemple en cristallographie pour tester les conditions de cristallisation d'une protéine en variant indépendamment pH, concentration de protéine et force ionique. Ou encore en chimie organique pour connaître les concentrations de deux réactifs et un catalyseur qui soient optimum pour obtenir le meilleur rendement. Etc

Pour évaluer la précision de la mesure de débit réalisée dans l'exemple de réalisation de l'invention montré en figure 8, nous avons comparé la différence de pression P1-P2 mesuré par le dispositif présenté en figure 8 avec une mesure de débit indépendante réalisée par mesure de la masse de liquide perfusée pendant un certain temps. Cette méthode permet également de calculer précisément la valeur de la résistance Rh qui permet de calculer le débit D à partir de la différence de pression P1-P2. Dans cette expérience présentée en figure 9, une pression fixe PI est imposé par un contrôleur de pression de gaz 1 (de type Elveflow OBI agissant dans la gamme de pression relative 0-2 bar) relié latéralement à un réservoir 2 de 50 ml par l'intermédiaire d'une canalisation 63 reliée à un bouchon 61 qui recouvre hermétiquement le réservoir comme montré en figure 8. Ce réservoir contient de l'eau filtrée sur laquelle vient s'appliquer la pression générée par le contrôleur de pression de gaz 1. Dans cet exemple, le tube capillaire 8, ici en Polyetherethercétone ou PEEK a un diamètre intérieur de 0,135 m de long, est placé de tel sorte qu'une de ses extrémités soit plongée dans le liquide 3 sur lequel la pression PI est appliquée et que l'autre extrémité soit à la pression P2 mesurée par le capteur de pression 50 et donne à travers un tube capillaire 12 sur un réservoir de sortie permettant d'accumuler le liquide perfusé. Pour obtenir la figure 9, une pression constante PI est appliquée par le contrôleur de pression de gaz 1 pendant un temps t variant de 360 s. pour les plus grands débits à 1500 s. pour les plus petits débits (La durée de mesure étant ajustée afin d'obtenir une meilleur précision). Pendant ce temps t, la différence de pression P1-P2 qui est constante est mesurée pendant que le réservoir de sortie se remplit progressivement (PI est ici le signal utilisé pour contrôler le contrôleur de pression 1 et P2 est le signal issu du capteur 213). Une fois le temps t écoulé, les réservoirs sont pesés sur une balance de précision, d'abord rempli du liquide qui a été amené par la pression durant la durée de l'expérience puis vidés et séchés afin de connaître précisément le poids du tube. La différence entre ces deux mesures donne très précisément la masse m de liquide perfusé pendant le temps t, dont on déduit le débit perfusé D avec la formule D = m/(rho.t) ou rho est la densité du liquide (pour l'eau utilisé dans cette expérience rho = 1000). La figure 9 montre que P1-P2 est proportionnelle au débit écoulé mesuré par la masse. Une régression linéaire sur des données expérimentales présenté en figure 9 permet de calculer précisément la résistance Rh du capillaire 8 (Rh = l,076xl0 ¹³ Pa.s.rrr ³ +/-0,3% s.e.m.)- En utilisant cette valeur de Rh, le dispositif présenté dans cet exemple permet dans la configuration présentée en figure 8 de contrôler un débit D dans la puce microfluidique 17 avec une précision de 0,75% de la pleine échelle.