Optimisation de forme pour une résistance de chauffe dans un microsystème

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1 pour une résistance de chauffe dans un microsystème Bertrand Selva 1

2 Plan de la présentation Présentation des microsystèmes Dimensions caractéristiques, technique de fabrication Le contexte «laboratoire sur puce» Notre problématique : intérêt d un système thermiquement compact pour obtenir une chauffe uniforme Optimisation Les outils employés : l algorithme NSGA2, Comsol La technique de calcul La paramétrisation, les contraintes, les critères Les premiers résultats Front de Pareto Les systèmes en cours de fabrication Les problèmes technologiques La validation expérimentale Le principe de mesure Résultats d une pré-manip 2

3 Qu est ce qu un microsystème? Petit dispositif fabriqué à l aide des technologies de microfabrication qui dérivent des technologies de la microélectronique Dimension dans la gamme du micromètre au centimètre Mécanismes physiques prépondérants dans les microsystèmes différents des mécanismes usuels à l échelle macroscopique Domaines couverts sont plus vastes que l électronique et la mécanique : physique des liquides thermique acoustique électromagnétisme chimie biologie optique 3

4 Les technologies de microfabrication Les systèmes sont fabriqués en salle blanche Les principaux outils de microfabrication : Photolitographie et gravure chimique Gravure par plasma (RIE) Filière PDMS 4

5 Les technologies de microfabrication La filière PDMS : polymère moulable, transparent, élastique, biocompatible, peu chère Motifs réalisés en résine sur des wafers de silicium par photolitographie Moule pour les canaux des systèmes microfluidiques 5

6 Les dimensions caractéristiques 6

7 Les domaines ouverts aux microsystèmes 7

8 Les laboratoires sur puce L idée est de rétrécir le laboratoire d analyse médicale à une puce de quelques cm_ et de n utiliser qu une goutte de sang pour effectuer ces analyses Microfluidique pour analyse biomédicale Nécessite le chauffage de fluide à des températures contrôlées en biologie (culture de cellule), en chimie 8

9 Composition du système Capot en PDMS : canaux fluidiques moulés (25µm) Cavité remplie de fluide (100µm) Membrane de PDMS : isolation électrique des résistances (30µm) Couche de SU8 : isolation thermique (100µm) Résistance : dépôt métallique (100nm) Wafer de silicium (280µm) Bloc d aluminium (environ 3cm) Schéma du système Photo d une micro résistance (1mm de diamètre) 9

10 Notre problématique : chauffer une cavité remplie de fluide de manière uniforme Solution : chauffer une grande surface pour s affranchir des effets de bord Mais ce n est pas compact! L idée est d apporter l énergie juste nécessaire sur la surface de chauffe afin de permettre sur un seul et même wafer d avoir une grande quantité de cavité à température contrôlée => optimisation de forme 10

11 La configuration de résistance Lignes de chauffe en série ou en parallèle Discrétisation de la résistance en éléments isolés de largeur variable Réponse thermique globale par superposition des contributions de tous les éléments isolés Les connecteurs ne perturbent pas thermiquement le système (ils sont constitués d un métal très conducteur) Chambre carrée de 600 microns de large Flux et courant constants par élément étudiée (.)(.).elementelementRILIISellLelρρϕ=== 11

12 Calcul éléments finis pour la réponse thermique d un élément Calcul par E.F. via COMSOL Température à la surface de la membrane Élément isolé modélisé par un flux surfacique constant Étude de toutes les tailles d éléments isolé possibles par pas d un micron isolé 12

13 Paramétrisation de la géométrie de Problème axisymétrique : deux symétries dans le problème la résistance Par fils : 1 paramètre associé à la largeur initiale et 5 pentes locales pour la demi-longueur du fils 6 paramètres par fils Largeur initiale de l ordre de la dizaine de microns Chambre de 600 microns de large 13

14 Détails de l optimisation Algorithme : NSGA 2 (utilisé par l équipe SETHE) Paramètres : largeur initiale et pente locale, 6 paramètres par fils Nombre de fils Contraintes : Température moyenne à maximiser, Écart de température sur la surface à minimiser 250 individus par génération 5000 générations par calcul Environ 5 jours de calcul Nombre de paramètres

15 Fronts de Pareto 15

16 Les formes retenues 8 fils en série 6 fils en série Carré de 600µm 8 fils en parallèle 6 fils en parallèle 16

17 Les problèmes technologiques Motif très fin Technologie d impression du masque inadaptée Nécessite la fabrication de masque en chrome Masque pour la photolithographie 17

18 La validation expérimentale Principe de mesure La rhodamine B est un luorochrome caractérisé par deux spectres (absorption et émission) L intensité de la fluorescence dépend de la température 1. Lampe à mercure 2. Filtre d excitation 3. Miroir dichroïque 4. Objectif 5. Objet 6. Filtre d émission 18

19 La validation expérimentale Principe de mesure La membrane de PDMS est déposée dans une solution très concentrée de Rhodamine La solution diffuse dans le PDMS Gradient de température dans la membrane faible La luminosité de la rhodamine est l image de la température moyenne dans l épaisseur de la membrane 19

20 La validation expérimentale Pré-manip La luminosité varie avec la température Grande plage de mesure La mesure nécessite un étalonnage précis (plus précis que les résultats obtenues pour cette courbe ) 20

21 La validation expérimentale Pré-manip Évolution au cours du temps de la luminosité moyenne Vidéo de la micro-résistance avec éclairage UV et filtre à rhodamine B Image de la distribution spatiale de la température 21

22 Ce qu il reste à faire Étalonner proprement la décroissance de la luminosité en fonction de la température Vérifier que la réponse de la rhodamine ne varie pas au cours du temps (sensible au ph ) Fabriquer des masques en chrome et les systèmes associés Vérifier que la connectique entre les fils de la résistance ne perturbe pas thermiquement le système 22

23 Autres projets : mélange par actionnement thermique Idée : Augmenter la longueur de l interface où il y a diffusion par succession d étirements/repliements de l interface Passage d un courant dans la résistance => chauffage et expansion du fluide Coupure du courant => refroidissement rapide (faible inertie thermique et surface d échange importante)

24 Autres projets : mélange par actionnement thermique

25 Pompage par effet Marangoni Utiliser la variation de tension superficielle à une interface pour mettre en mouvement 1F 2F du fluide dans un micro canal ().()..0xyxyxydddTdTbTdxdTdxdxFFLdLdxLdxdxγγυγγγγγγσσσ== ===+= 25

26 Pompage par effet Marangoni 26

27 Comportement des mousses à la chaleur Utiliser l effet Marangoni pour diriger des bulles dans une «patte d oie microfluidique» Casser des bulles par chauffage Étude de l influence de la température sur le flow focusing 27

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