EP1846735A1 - Procede de mesure de volume par profilometrie optique de surface dans un dispositif micromecanique et ensemble destine a une telle mesure - Google Patents

Procede de mesure de volume par profilometrie optique de surface dans un dispositif micromecanique et ensemble destine a une telle mesure

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Publication number
EP1846735A1
EP1846735A1 EP06709429A EP06709429A EP1846735A1 EP 1846735 A1 EP1846735 A1 EP 1846735A1 EP 06709429 A EP06709429 A EP 06709429A EP 06709429 A EP06709429 A EP 06709429A EP 1846735 A1 EP1846735 A1 EP 1846735A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
movable member
image
closure plate
cavity
plate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06709429A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Eric Chappel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Debiotech SA
Original Assignee
Debiotech SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Debiotech SA filed Critical Debiotech SA
Publication of EP1846735A1 publication Critical patent/EP1846735A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F22/00—Methods or apparatus for measuring volume of fluids or fluent solid material, not otherwise provided for

Definitions

  • the invention relates to a method of measuring volume variation by surface optical profilometry in a micromechanical device, said micromechanical device comprising a stack covered with a transparent closure plate, said stack comprising a support plate and a silicon wafer covering said support plate and covered with said closure plate, at least one cavity being formed between said closure plate and said silicon wafer, a movable member formed in the silicon wafer being adapted to move towards and away from the support plate respectively between a first position and a second position which define a volume variation of said cavity.
  • transparent here means that the closure plate passes radiation belonging to the spectral range extending at least from the ultraviolet to the included infrared.
  • the movement of the movable member formed in the silicon wafer and which moves towards and away from the support plate can be generated under the pressure of a fluid in said cavity, in particular under the pressure of a liquid for the movable member of a control member or liquid outlet generally forming a valve, or by a mechanical bias of an actuator, for example piezoelectric type or other, or by a combination of different stresses.
  • the present invention relates to the production of an assembly intended for the measurement of the volume variation generated by the deformation of a movable member such as a membrane in a micromechanical device, in particular of the fluidic type, in particular a mobile member forming the liquid pumping member of a micropump operating for example as a micropump for medical use which regularly delivers a controlled amount of a liquid medicine.
  • This measurement can be a simple validation test in production if the machining tolerances are sufficient. Otherwise, this measurement can serve as a calibration of the pumping volume of the micropump.
  • the value of this measurement is then indicated in the identification sheet of each fluidic device (for example in the form of an analog coding - by adjusting the value of the electrical resistance of a resistor - or digital - by means of an EEPROM memory, a bar code of a fusible circuit, wired or coded by laser). This makes it possible, during the control of the micropump by the electronic control system, to be able to read this value so that this system calculates the number of "shots pump" to trigger per unit of time to reach the desired flow and therefore deliver the quantity of liquid with a very high precision.
  • this measurement is carried out by determining the quantity of pumped liquid (or pumping volume) at each "pump stroke” or back and forth movement of the pumping membrane.
  • the forward movement of each "pump stroke” corresponds to the movement of the pumping membrane from a first position (called “bass”, which is away from the closure plate) to a second position (called “high”, which is close of the closing plate), while the return movement of each "pump stroke” corresponds to the movement of the membrane from this second position (called “high”) to this first position (called “low”).
  • the membrane undergoes from its initial rest position, a deformation in response to the piezoelectric actuator (or any other type of control including electrostatic), then a return to its rest position.
  • the rest position corresponds to one of the two extreme positions among the first position, called “low”, and the second position, called “high”, and the other position among the first position and the second position is a deformation position.
  • the document WO 01/90577 presents a micropump in which the rest position of the pumping membrane coincides with the first position, called "low".
  • this procedure for measuring the pumping volume is relatively long (several minutes) since it is necessary to fill with liquid the entire fluid circuit of the micropump, to measure the volume of liquid entering or leaving the micropump for one or more pump strokes, and finally to dry the fluid circuit.
  • the present invention therefore aims to overcome the disadvantages of the volume variation characterization techniques of a fluidic device of the prior art, including those using the passage of liquid.
  • the present invention proposes to provide a non-contact volume measurement method with the internal cavity of the fluidic device.
  • an optical surface profilometry apparatus is provided and disposed of so that the face of the movable member turned towards the closure plate is the reference face for the measurement
  • activating the acquisition and image processing means to obtain a second image of said reference face in said second position of the movable member
  • step d) the movable member is placed in its second position by a deformation generated mechanically, in particular by an actuator and therefore, advantageously, without passage of fluid, in particular liquid, in the cavity.
  • This measurement is therefore performed by comparing the images of the face of the movable member facing the cavity, obtained in a first position (especially at rest) and in a second position (particularly after deflection), according to profilometry measurement techniques. optical.
  • said surface optical profilometry apparatus is an interferometer operating either in white light by detecting the maximum coherence of two polychromatic wave fronts, or in light monochromatic phase shifter (PSI), operating in digital holographic microscopy so that said first image and second image are interference images.
  • PSI light monochromatic phase shifter
  • said surface optical profilometry apparatus comprises a reference mirror and, during step a), a compensation plate is placed, optically equivalent to said transparent closure plate, on said reference mirror.
  • said surface optical profilometry apparatus is an instrument operating according to the principle of confocal microscopy.
  • said micromechanical device is a micropump
  • said cavity is a pumping chamber
  • said movable member is a membrane and the variation is measured.
  • the volume of the pumping chamber between the first position of the membrane, said low position reached when said membrane terminates its movement in the direction opposite to the closure plate (for example when said membrane is in mechanical abutment), and the second position of the membrane corresponding to a high position reached when said membrane ends its movement towards the closure plate (For example when said membrane is in mechanical stop).
  • the membrane is in mechanical abutment
  • the membrane must be understood of all the situations in which there is a mechanical abutment, that is to say a stoppage of the movement of the membrane by contact, whether it is the membrane itself. even that which makes this contact, or that it is another piece which is attached to it in a solidarity way.
  • the present invention also aims to provide a set of volume variation measurement by optical surface profilometry in a fluidic micromechanical device overcoming the disadvantages of the prior art.
  • said measurement assembly comprises:
  • a micromechanical device comprising a stack covered with a transparent closure plate, said stack comprising a support plate and a silicon wafer covering said support plate and covered with said closure plate, at least one cavity being formed between said plate closure and said silicon wafer, a movable member formed in the silicon wafer being adapted to move towards and away from the support plate respectively between a first position, said low, and a second position, said high, which define a volume variation of said cavity,
  • a surface optical profilometry apparatus mounted such that the face of the movable member turned towards the closure plate is the reference face for the measurement when a light beam is directed on the micromechanical fluidic device
  • image acquisition and processing means making it possible to acquire and process the images coming from the optical profilometry apparatus and to determine the volume variation of the cavity generated by the deformation of the movable member by comparing a first image of said reference face in said first position of the movable member to a second image of said reference face in said second position of the movable member.
  • said surface optical profilometry apparatus is an interferometer operating either in white light by detecting the maximum coherence of two polychromatic wave fronts, or in monochromatic light with phase shift (PSI), or operating in digital holographic microscopy so that said first image and second image are interference images.
  • PSI phase shift
  • said surface optical profilometry apparatus comprises a reference mirror and in that a compensating plate, optically equivalent to said transparent closure plate, is placed on said reference mirror.
  • said surface optical profilometry apparatus is an instrument operating according to the principle of confocal microscopy.
  • said micromechanical device is a micropump
  • said cavity is a pumping chamber
  • said movable member is a membrane and the variation of the volume of the pumping chamber is measured between the first position of the membrane, corresponding for example to a rest position, and the second position of the membrane, corresponding for example to a deformed position.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a micropump
  • FIG. 2 diagrammatically represents a first assembly that can be used to implement the measurement method according to the first embodiment of the present invention according to first and second variants
  • FIG. 3 diagrammatically represents a second assembly that can be used to implement the measuring method according to the first embodiment of the present invention according to the first and second variants, as well as according to the third variant;
  • FIG. 4 shows schematically a third assembly also used to implement the measuring method according to one of the three variants of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 diagrammatically represents a fourth assembly that can be used to implement the measurement method according to the third variant of the first embodiment of the present invention:
  • FIG. 1 schematically shows a fifth assembly used to implement the measuring method according to the second embodiment of the present invention.
  • a micropump 100 forming a fluidic assembly formed essentially of a glass closure plate 120 and a stack 130, the glass closure plate 120 surmounting the stack 130.
  • the stack 130 comprises in a superimposed manner and from top to bottom in FIG. 1 three elements extending over the entire surface of the micropump 100, namely a silicon wafer 132, a silicon oxide layer 134 and a plate silicon support 136.
  • SOI SOICON-ON-INSULATOR
  • This micropump 100 integrates (from left to right in FIG. 1) a liquid inlet control member, a pumping part 102, a pressure detection member and a liquid outlet control member.
  • the micropump is provided with an additional glass closure plate 120 'fixed by plate welding on the face of the support plate 136 opposite to the glass closure plate 120, that is to say in the lower part in FIG.
  • a cavity is delimited between the glass closure plate 120 and the silicon wafer 132.
  • the silicon wafer 132 has been machined on its side turned towards the glass closure plate 120. This machining has delimited a pumping membrane 133 in the silicon wafer 132.
  • the glass closure plate 120 serves, in addition to sealing the cavity of the micropump 100 intended to be filled with liquid, abutment during the upward movement of the pumping membrane 133.
  • point elements 122 made of an anti-adhesion material are distributed on the face 120a of the closing plate 20 facing towards the of the stack 130.
  • the closure plate 120 ' also serves as a stop element in the downward movement of the pumping membrane 133 by contact between the plate 120' and a mobile pumping part 137 formed in the support plate 136 and disengaged from the latter , the mobile pumping part 137 being integral with the pumping membrane 133, via a portion 135 of the silicon oxide layer 134.
  • the micropump 100 comprises the pumping portion 102 provided with a pumping chamber 138 located in the cavity delimited between the glass closure plate 120 and the plate of silicon 132.
  • the pumping membrane 133 has a disc shape and is located in the silicon wafer 132, facing one side of the pumping chamber 138 and on the other hand an annular volume free of material machined in the plate support 136 and which separates from the rest of the silicon support plate 136 the pumping mobile portion 137 shaped solid cylinder and circular section.
  • the mobile pump part 137 is connected to the pumping membrane 133 by the portion 135 of the silicon oxide layer 134 left intact.
  • Control means of the micropump 100 are internal or external to the micropump: they are for example located opposite the pumping membrane 133.
  • control means may in particular be of piezoelectric, electromagnetic or pneumatic type.
  • the micropump 100 can be used in many applications, especially as a pump for medical use for the continuous delivery of a liquid medicine.
  • Such a pump can be, thanks to its very small dimensions, of the "implantable” type, that is to say that can be placed under the skin of the patient, or "external” type and connected by its control organ input to the blood circulatory system of the patient through a port of entry to the skin.
  • the micropump 100 is represented in the low rest position, forming a first position of the pumping membrane 133 in which the pumping membrane 133 is actually already slightly deflected with respect to the remainder of the silicon wafer.
  • the mobile pumping portion 137 is indeed slightly raised relative to the rest of the support plate 136, an annular anti-adhesion layer 139 being interposed between the mobile pumping portion 137 and the additional closure plate 120 '.
  • This first position, or low position, is here reached by the fact that the lower face of the mobile pumping part 137 comes into contact with the anti-adhesion layer 139 which thus forms a mechanical stop for the first position of the pumping membrane 133 .
  • the anti-adhesion layer 139 is disposed on the face In the first position of the pumping diaphragm 133, the lower surface of the pumping moving part 137 is then the lower face of the anti-adhesion layer 139 which comes into mechanical abutment against the upper face of the additional glass closure plate. 120 '.
  • the high position or second position of the pumping membrane 133 and the mobile pumping part 137 is shown schematically in FIG. 1 by dashed lines.
  • the pumping membrane 133 is brought closer by deformation of the face 120a of the closure plate 120 and anti-adhesion elements 122.
  • this second position or high position, sees the upper face of the membrane pumping 133 contact against the anti-adhesion point elements 122 which thus form a mechanical stop for the second position of the pumping membrane 133.
  • the pumping membrane 133 is integral with the silicon wafer 132 in which it is formed, the circular periphery of the pumping membrane 133 remains in the general plane of the silicon wafer 132 so that the diaphragm 133 forms in this second position, as can be seen in FIG. 1 by the dotted lines, a rather curved profile on its periphery.
  • the pumping membrane 133 performs round-trip rounds up and down and upwards (arrow 140) between its two extreme positions forming the first and second positions. which varies the volume of the pumping chamber 138, makes it possible to perform the pumping function.
  • This measurement is made by performing the visualization of the position of the pumping membrane 133 in its first position and in its second position, and then calculating the volume variation of the pumping chamber 138 corresponding to the difference between these two positions.
  • the principle is an optical measurement of the topography of the surface of the upper face of the pumping membrane 133 before and after actuation of the pump (i.e., in the down position and in the up position), the difference between the two images giving directly the value of the volume of liquid pumped.
  • this measurement or optical detection of the topography uses interferometric methods.
  • An interferometer is an optical device that divides a ray of light into two separate rays and recombines them.
  • the resulting interference phenomenon is recorded as interferograms consisting of dark and bright fringes that are directly correlated to the topography of the object.
  • FIG. 2 shows a measuring assembly 10 comprising a simplified interferometer with a Mirau-type objective, suitable for medium magnifications.
  • a collimated beam of white light 16 is formed which passes through a splitter plate 18 which separates the beam into two parts: a first beam portion illuminates the sample formed by the micropump 100, while the second beam portion is directed to a reference mirror 20.
  • a Mirau type interferometric measuring head 12 is disposed on the optical path formed between the separator plate 18 and the sample (micropump 100).
  • This Mirau type interferometric measuring head 12 comprises an objective 13. Between the objective 13 and the micropump 100, the Mirau type interferometric measuring head 12 furthermore comprises (from top to bottom in FIG. 2) the reference mirror. 20, a compensation blade 21 and another separating blade 23, The objective 13 is mobile in vertical translation thanks to a mobile support in translation 22.
  • the two beams respectively reflected by the reference mirror 20 and the sample (micropump 100) are then recombined and transmitted through the separator plate 18 to the camera
  • the interference phenomenon produces a series of dark and shiny fringes. This interference pattern called interferogram is projected on the CCD camera 24 and recorded. Upstream of the camera
  • CCD 24 is arranged an enlargement selector 26. At each measurement point, the intensity of the fringes is maximum in the coherence plane where the optical path difference traveled by the two beam portions is zero.
  • This technique makes it possible to detect surfaces with discontinuities.
  • the method consists in obtaining a representation, in particular topographic representation, of the pumping membrane 133 in the low position and in the high position, the difference between the two images making it possible to calculate the volume variation of the pumping chamber, that is to say say the nominal pumping volume of the pump.
  • the face of the pumping membrane 133 facing the pumping chamber 138 (top face in FIG. 1) therefore serves as a reflective surface.
  • the closing plate 120 forming a cover which can act in particular as a stroke limiter for the pumping membrane 133, must be transparent in the visible range for this technique.
  • a closing plate 120 made of glass is therefore possible but not a silicon closure plate.
  • This closure plate also induces additional optical interfaces. It is then necessary to place an equivalent plate on the reference mirror 20 in order to balance the two arms of the interferometer. Therefore, a compensation plate 21 of glass of the same thickness and optical index as the closure plate 120 is used.
  • one variant consists in preserving it and adding a filter that is preferably disposed at the front of the separating plate 18.
  • FIG. 3 shows a simplified view of a Michelson type of mounting which is well suited to small magnifications and which can be used for the second variant of the first embodiment.
  • a laser source 34 sends a collimated beam 36 to a splitter plate 38, which separates the beam 36 into a first incident beam portion 36al directed on the micropump 100 forming the sample and into a second part incident beam 36bl directed on the reference mirror 40 covered with the compensation plate 41 of glass.
  • Reflected beams (first part of reflected beam
  • the interference phenomenon produces a series of dark and brilliant fringes forming an interferogram which is projected onto the CCD 44 camera and recorded.
  • Another objective (not shown) can be added above the sample (micropump 100) to improve the transverse resolution.
  • interference fringes appear at each pitch variation equal to half the wavelength of the light source used. It is then necessary to unfold the phase to obtain the cartography of the heights.
  • the determination of the volume variation of the pumping chamber 138 again consists in subtracting the images obtained between the high and low positions of the membrane 133.
  • the combination of the VSI and PSI techniques exploits the advantages of the two methods.
  • Michelson interferometer shown in FIG. 3 can also be used for the first variant of the first embodiment by replacing the laser source with a white light source.
  • a Linnik interferometer can also be used for high magnifications.
  • the corresponding assembly 30 ' is illustrated in FIG. 4 and it will be presented by its differences with the Michelson type assembly of FIG. 3. Accordingly, the same reference signs as those of FIG. 3 are taken again in connection with FIG. 4 to designate the same elements.
  • the white light beam 36 from the source is taken again in connection with FIG. 4 to designate the same elements.
  • splitter plate 38 is separated by a splitter plate 38 into two beam portions
  • the reflected beams are then recombined and analyzed by a CCD camera 44 after the passage of the separating plate 38.
  • This Linnik-type interferometer shown in FIG. 4 can be used for the first variant, the second variant and a third variant embodiment of the first embodiment of the method. according to the present invention.
  • the digital holographic microscopy technique is used.
  • This third variant can use the assembly of FIG. 3 or that of FIG. 4.
  • the reference mirror 40 may be optionally inclined according to the reconstruction mode of the chosen digital hologram.
  • FIG. 5 Another type of assembly possible for this third variant and which uses two separator blades and two mirrors is illustrated in FIG. 5: it is an assembly operating in reflection mode.
  • a laser source 54 sends a collimated beam 56 on a first splitter plate 58, which separates the beam 56 into a first beam portion 56a directed on a first mirror 59 and into a second beam portion 56b directed to a second mirror 61, via a lens.
  • the beam reflected by the first mirror 59 serves as a reference beam 66.
  • the beams coming from the two mirrors 59, 61 are directed on a second splitter blade 63 located behind a lens 52.
  • the beam from the mirror 61 is directed on the micropump 100 forming the sample, via the objective 52.
  • This beam is reflected on the membrane and the reflected beam 68 is recombined with the beam reference 66 from the first mirror 59, after passing through the splitter plate 63, and then this beam recombined reaches the CCD camera 64 which records the interferogram.
  • the interference figure between the reference beam 66 and the object beam reflected by the sample is recorded (digitally by means of the CCD camera 64) via the system of separator plates 58 and 63. and mirrors 59 and 61.
  • hologram This distribution of intensity that is called hologram.
  • the reconstruction of the hologram takes place digitally, and the relief is performed by the so-called phase imaging method. It is mainly the interferogram analysis technique that changes with respect to the PSI. If the object does not introduce inhomogeneous phase shifts to the reflection, the phase image is related to the flight time of the wave, ie to the relief of the object. If this relief is not too important, we obtain a cartography of the surface in 3D.
  • the determination of the volume variation of the volume pumping chamber by subtraction of the images in the low position and in the high position of the pumping membrane of the micropump 100 is then similar to that described previously.
  • the confocal microscopy technique is used to perform the measurement or optical detection of the topography of the surface of the pumping membrane.
  • confocal microscopy techniques can be used to characterize microfluidic cavities.
  • the corresponding measuring assembly 70 is illustrated in FIG. 6.
  • a lens 72 is disposed above the sample
  • a laser light source 74 sends its light beam onto a splitter plate 76 which directs the light beam incident on the micropump 100, and in particular on the face of the pumping membrane 133 facing the pumping chamber 138.
  • the beam reflected by the membrane 133 reaches a series of photodetectors or a CCD camera 84.
  • the sample (micropump 100) or the complete measuring head is then moved to measure another horizontal section of the sample.
  • the series acquisition of these optical sections allows the 3D reconstruction of the pumping membrane in the lower position.

Abstract

Procédé de mesure de volume par prof ilométrie optique de surface dans un dispositif micromécanique (100) fluidique, le dispositif comprenant une plaquette de silicium (132) recouverte d'un plaque transparente (120) , au moins d'un cavité (138) étant formée entre les deux plaques et un organe mobile (133) formé dans la plaquette de silicium avec une surface de référence, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) on dispose un appareil de prof ilométrie optique (10 , -50; 30 ; 70) de surface, b) on fournit des moyens d'acquisition et de traitement d'image (24, -44 ;64; 84) c) on place ledit organe mobile (133) dans une première puis une deuxième position et on active ledit appareil de prof ilométrie pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image pour obtenir une image de ladite face de référence dans chacune des positions, et d) on compare les deux images pour déterminer la variation de volume de la cavité .

Description

Procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface dans un dispositif micromécanique et ensemble destiné à une telle mesure
L'invention concerne un procédé de mesure de variation de volume par profilométrie optique de surface dans un dispositif micromécanique, ledit dispositif micromécanique comprenant un empilement recouvert d'une plaque de fermeture transparente, ledit empilement comportant une plaque de support et une plaquette de silicium recouvrant ladite plaque de support et recouverte de ladite plaque de fermeture, au moins une cavité étant formée entre ladite plaque de fermeture et ladite plaquette de silicium, un organe mobile formé dans la plaquette de silicium étant apte à se rapprocher et à s'écarter de la plaque de support respectivement entre une première position et une deuxième position qui définissent une variation de volume de ladite cavité.
Le qualificatif « transparent » signifie ici que la plaque de fermeture laisse passer un rayonnement appartenant au domaine spectral s'étendant au moins de l'ultraviolet à l'infrarouge inclus.
Le mouvement de l'organe mobile formé dans la plaquette de silicium et qui se rapproche et s'écarte de la plaque de support, peut être engendré sous la pression d'un fluide dans ladite cavité, en particulier sous la pression d'un liquide pour l'organe mobile d'un organe de contrôle ou de sortie de liquide formant généralement une valve, ou par une sollicitation mécanique d'un actionneur, par exemple de type piézo- électrique ou autre, ou par une combinaison de sollicitations différentes.
Egalement, la présente invention se rapporte à la réalisation d'un ensemble destiné à la mesure de la variation de volume engendrée par la déformation d'un organe mobile tel qu'une membrane dans un dispositif micromécanique, en particulier de type fluidique, notamment un organe mobile formant l'organe de pompage de liquide d'une micropompe fonctionnant par exemple comme micropompe à usage médical qui délivre régulièrement une quantité contrôlée d'un médicament liquide.
Il existe des besoins de caractérisation du volume des cavités formées dans des dispositifs micromécaniques, en particulier fluidiques, d'une façon qui ne perturbe pas la structure du dispositif, en particulier sans contact. En particulier, la mesure de la variation du volume de ces cavités est nécessaire pour caractériser l'aptitude au pompage propre à chacun de ces dispositifs fluidiques après sa fabrication, c'est-à-dire le volume pompé, en particulier de liquide, à chaque déflection de l'organe mobile ou « coup de pompe » lorsque l'organe mobile considéré est la membrane de pompage d'une micropompe.
Cette mesure peut être un simple test de validation en production si les tolérances d'usinage sont suffisantes. Dans le cas contraire, cette mesure peut servir de calibration du volume de pompage de la micropompe. La valeur de cette mesure est alors indiquée dans la fiche d'identification de chaque dispositif fluidique (par exemple sous forme d'un codage analogique -par ajustage de la valeur de la résistance électrique d'une résistance- ou numérique -au moyen d'une mémoire EEPROM, d'un code barre d'un circuit fusible, câblé ou codé par laser). Ceci permet en effet, lors de la commande de la micropompe par le système de contrôle électronique, de pouvoir lire cette valeur afin que ce système calcule le nombre de « coups de pompe » à déclencher par unité de temps pour atteindre le débit désiré et donc délivrer la quantité de liquide avec une très grande précision. De manière habituelle, dans le cas d'une micropompe telle que celle présentée par exemple dans le document WO 01/90577, cette mesure est réalisée par détermination de la quantité de liquide pompé (ou volume de pompage) à chaque « coup de pompe » ou mouvement d'aller- retour de la membrane de pompage. Le mouvement aller de chaque « coup de pompe » correspond au mouvement de la membrane de pompage depuis une première position (dite « basse », qui est éloignée de la plaque de fermeture) vers une deuxième position (dite « haute », qui est proche de la plaque de fermeture), tandis que le mouvement retour de chaque « coup de pompe » correspond au mouvement de la membrane depuis cette deuxième position (dite « haute ») vers cette première position (dite « basse »).
Selon la structure de la micropompe, plusieurs situations peuvent se présenter quant à la position de la membrane de pompage lorsque cette dernière est au repos. Parmi ces différentes situations, on peut citer, de façon non exhaustive :
- le cas où la membrane subit depuis sa position initiale de repos, une déformation en réponse à l'actionneur piézo-électrique (ou tout autre type de commande notamment électrostatique), puis un retour à sa position de repos. Ici, Ia position de repos correspond à l'une des deux positions extrêmes parmi la première position, dite « basse », et la deuxième position, dite « haute », et l'autre position parmi la première position et la deuxième position est une position de déformation. Parmi ces deux hypothèses, le document WO 01/90577 présente une micropompe dans laquelle la position de repos de la membrane de pompage coïncide avec la première position, dite « basse ».
- le cas où la membrane subit depuis sa position initiale de repos, formant une position intermédiaire, une première déformation en réponse à un premier type de sollicitation de l'actionneur, afin de venir dans sa première position, dite « basse », puis une deuxième déformation en réponse à un deuxième type de sollicitation de l'actionneur, afin de venir dans sa deuxième position, dite « haute », puis cette membrane est à nouveau sollicitée par l'actionneur afin de venir en position basse. On a un actionnement de type « push-pull », à savoir qu'il faut d'abord attirer la membrane vers le bas pour aspirer le liquide puis pousser la membrane pour expulser le liquide. La membrane est donc déformée en position haute et en position basse. Lorsque la membrane n'est plus sollicitée, celle-ci revient à sa position de repos intermédiaire. Ainsi, cette procédure de mesure du volume de pompage est relativement longue (plusieurs minutes) puisqu'il est nécessaire de remplir avec du liquide tout le circuit fluidique de la micropompe, de faire la mesure du volume de liquide entrant ou sortant de la micropompe pour un ou plusieurs coups de pompe, et enfin de sécher le circuit fluidique. De plus, il est nécessaire d'effectuer une inspection visuelle de la membrane après cette mesure, afin de vérifier l'absence de toute anomalie et en particulier que la membrane n'est pas restée bloquée en position déformée.
On comprend que cette mesure nécessite de multiples manipulations et traitements qui sont trop longs pour une caractérisation en série nécessaire lors de la production de type industriel. De plus, du fait du passage du liquide, il existe un risque de contamination par des résidus solides tels que des poussières ou des particules. Ainsi, pour s'assurer de l'absence de bactéries, une décontamination est réalisée : après séchage de l'ensemble une stérilisation aux rayons gamma est possible mais sans séchage, la stérilisation est rendue plus complexe.
La présente invention a donc pour objectif de surmonter les inconvénients des techniques de caractérisation de variation de volume d'un dispositif fluidique de l'art antérieur, notamment celles qui utilisent le passage de liquide.
A cette fin, la présente invention se propose de fournir un procédé de mesure de volume sans contact avec la cavité interne du dispositif fluidique.
Cet objectif est rempli grâce au procédé de mesure de variation de volume par profilométrie optique de surface selon l'invention qui est caractérisé en ce que l'on réalise les étapes suivantes : a) on fournit et on dispose un appareil de profilométrie optique de surface de sorte que la face de l'organe mobile tournée en direction de la plaque de fermeture soit la face de référence pour la mesure, b) on fournit des moyens d'acquisition et de traitement d'image permettant d'acquérir et de traiter les images provenant de l'appareil de profilométrie optique, c) on place ledit organe mobile dans ladite première position et on active ledit appareil de profilométrie optique de surface pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image pour obtenir une première image de ladite face de référence dans ladite première position de l'organe mobile, d) on place ledit organe mobile dans ladite deuxième position et on active ledit appareil de profilométrie optique de surface pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image pour obtenir une deuxième image de ladite face de référence dans ladite deuxième position de l'organe mobile, et e) on compare ladite deuxième image à ladite première image de ladite face de référence pour déterminer la variation de volume de la cavité engendrée par la déformation de l'organe mobile. A noter que dans l'étape d), l'organe mobile est placé dans sa deuxième position par une déformation engendrée de façon mécanique, notamment par un actionneur et donc, de façon avantageuse, sans passage de fluide, en particulier de liquide, dans la cavité. Ainsi, on comprend que grâce à l'invention, on effectue très simplement la mesure de variation de volume de la cavité sans contact et sans passage de fluide, et en particulier de liquide, dans la cavité.
Cette mesure est donc effectuée par comparaison des images de la face de l'organe mobile tournée vers la cavité, obtenues dans une première position (notamment au repos) et dans une deuxième position (notamment après déflexion), selon des techniques de mesure de profilométrie optique.
Selon un premier mode de réalisation du procédé de mesure de volume par profïlométrie optique de surface, ledit appareil de profilométrie optique de surface est un interféromètre fonctionnant soit en lumière blanche par détection du maximum de cohérence de deux fronts d'onde polychromatiques, soit en lumière monochromatique avec décalage de phase (PSI), soit fonctionnant en microscopie holographique digitale de sorte que lesdites première image et deuxième image sont des images d'interférences.
Selon ce premier mode de réalisation du procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface, de façon préférentielle, ledit appareil de profilométrie optique de surface comporte un miroir de référence et, lors de l'étape a), on place une plaque compensatrice, optiquement équivalente à ladite plaque de fermeture transparente, sur ledit miroir de référence.
Selon un deuxième mode de réalisation du procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface, ledit appareil de profilométrie optique de surface est un instrument fonctionnant selon le principe de la microscopie confocale.
Selon une mise en œuvre préférentielle du procédé de mesure de volume par profïlométrie optique de surface selon l'invention, ledit dispositif micromécanique est une micropompe, ladite cavité est une chambre de pompage, ledit organe mobile est une membrane et l'on mesure la variation du volume de la chambre de pompage entre la première position de la membrane, dite position basse atteinte lorsque ladite membrane termine son déplacement dans la direction opposée à la plaque de fermeture (par exemple lorsque ladite membrane est en butée mécanique), et la deuxième position de la membrane correspondant à une position haute atteinte lorsque ladite membrane termine son déplacement vers la plaque de fermeture (par exemple lorsque ladite membrane est en butée mécanique).
L'expression « la membrane est en butée mécanique » doit s'entendre de toutes les situations dans lesquelles il existe une butée mécanique, c'est-à-dire un stoppage du mouvement de la membrane par contact, que ce soit la membrane elle-même qui réalise ce contact, ou que ce soit une autre pièce qui lui est attachée de façon solidaire.
La présente invention a aussi pour objectif de fournir un ensemble de mesure de variation de volume par profilométrie optique de surface dans un dispositif micromécanique fluidique surmontant les inconvénients de l'art antérieur.
A cet effet, selon la présente invention ledit ensemble de mesure comporte :
- un dispositif micromécanique comprenant un empilement recouvert d'une plaque de fermeture transparente, ledit empilement comportant une plaque de support et une plaquette de silicium recouvrant ladite plaque de support et recouverte de ladite plaque de fermeture, au moins une cavité étant formée entre ladite plaque de fermeture et ladite plaquette de silicium, un organe mobile formé dans la plaquette de silicium étant apte à se rapprocher et à s'écarter de la plaque de support respectivement entre une première position, dite basse, et une deuxième position, dite haute, qui définissent une variation de volume de ladite cavité,
- un appareil de profilométrie optique de surface monté de telle sorte que la face de l'organe mobile tournée en direction de la plaque de fermeture soit la face de référence pour la mesure lorsqu'un faisceau lumineux est dirigé sur le dispositif micromécanique fluidique,
- des moyens d'acquisition et de traitement d'image permettant d'acquérir et de traiter les images provenant de l'appareil de profilométrie optique et de déterminer la variation de volume de la cavité engendrée par la déformation de l'organe mobile en comparant une première image de ladite face de référence dans ladite première position de l'organe mobile à une deuxième image de ladite face de référence dans ladite deuxième position de l'organe mobile.
En conséquence, grâce à cet ensemble de mesure par profilométrie optique, on peut mettre en œuvre le procédé selon l'invention et effectuer très simplement la mesure de variation de volume de la cavité sans contact et sans passage de fluide, et en particulier de liquide, dans la cavité
Selon un premier mode de réalisation de l'ensemble de mesure par profilométrie optique selon la présente invention, ledit appareil de profilométrie optique de surface est un interféromètre fonctionnant soit en lumière blanche par détection du maximum de cohérence de deux fronts d'onde polychromatiques, soit en lumière monochromatique avec décalage de phase (PSI), soit fonctionnant en microscopie holographique digitale de sorte que lesdites première image et deuxième image sont des images d'interférences.
De préférence, selon ce premier mode de réalisation de l'ensemble de mesure par profilométrie optique, ledit appareil de profilométrie optique de surface comporte un miroir de référence et en ce qu'une plaque compensatrice, optiquement équivalente à ladite plaque de fermeture transparente, est placée sur ledit miroir de référence.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'ensemble de mesure par profilométrie optique, ledit appareil de profilométrie optique de surface est un instrument fonctionnant selon le principe de la microscopie confocale. Selon un agencement préférentiel de l'ensemble de mesure par profilométrie optique, ledit dispositif micromécanique est une micropompe, ladite cavité est une chambre de pompage, ledit organe mobile est une membrane et l'on mesure la variation du volume de la chambre de pompage entre la première position de la membrane, correspondant par exemple à une position de repos, et la deuxième position de la membrane, correspondant par exemple à une position déformée.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en section longitudinale schématique d'une micropompe; - la figure 2 représente schématiquement un premier montage utilisable pour mettre en œuvre Ie procédé de mesure conforme au premier mode de réalisation de la présente invention selon des première et deuxième variantes; et, - la figure 3 représente schématiquement un deuxième montage utilisable pour mettre en œuvre le procédé de mesure conforme au premier mode de réalisation de la présente invention selon les première et deuxième variantes, ainsi que selon la troisième variante ;
- la figure 4 représente schématiquement un troisième montage également utilisable pour mettre en œuvre le procédé de mesure conforme à l'une des trois variantes du premier mode de réalisation de la présente invention ; et
- la figure 5 représente schématiquement un quatrième montage utilisable pour mettre en œuvre le procédé de mesure conforme à la troisième variante du premier mode de réalisation de la présente invention :
- la figure 6 représente schématiquement un cinquième montage utilisable pour mettre en œuvre le procédé de mesure conforme au deuxième mode de réalisation de la présente invention. Sur la figure 1 est visible une micropompe 100 formant un ensemble fluidique formé essentiellement d'une plaque de fermeture en verre 120 et d'un empilement 130, la plaque de fermeture en verre 120 surmontant l'empilement 130.
L'empilement 130 comporte de façon superposée et de haut en bas sur la figure 1 trois éléments s'étendant sur toute la surface de la micropompe 100, à savoir une plaquette de silicium 132, une couche d'oxyde de silicium 134 et une plaque de support en silicium 136.
Ce type d'empilement dénommé communément SOI {«SILICON-ON-INSULATOR») est disponible dans le commerce sous la forme de plaques ou "wafer" notamment utilisés dans l'industrie électronique à semiconducteur.
Cette micropompe 100 intègre (de gauche à droite sur la figure 1) un organe de contrôle d'entrée de liquide, une partie de pompage 102, un organe de détection de pression et un organe de contrôle de sortie de liquide. De manière préférentielle, outre la plaque de fermeture en verre 120 et l'empilement 130, la micropompe est munie d'une plaque de fermeture en verre supplémentaire 120' fixée par soudage de plaque sur la face de la plaque de support 136 opposée à la plaque de fermeture de verre 120, c'est-à-dire en partie basse sur la figure 1.
Une cavité est délimitée entre la plaque de fermeture de verre 120 et la plaquette de silicium 132. Pour délimiter la cavité, la plaquette de silicium 132 a été usinée sur sa face tournée vers la plaque de fermeture de verre 120. Cet usinage a délimité une membrane de pompage 133 dans la plaquette de silicium 132.
Il faut noter que la plaque de fermeture en verre 120 sert, en plus de refermer de manière étanche la cavité de la micropompe 100 destinée à être remplie de liquide, de butée lors du mouvement ascendant de la membrane de pompage 133.
Afin d'empêcher une adhésion ou un effet de ventouse entre la membrane de pompage 133 et la plaque de fermeture 120, des éléments ponctuels 122 réalisés dans un matériau anti-adhésion sont repartis sur la face 120a de la plaque de fermeture 20 tournée en direction de l'empilement 130.
La plaque de fermeture 120' sert elle aussi d'élément de butée dans le mouvement descendant de la membrane 133 de pompage par contact entre la plaque 120' et une partie mobile de pompage 137 formée dans la plaque de support 136 et désolidarisée de cette dernière, la partie mobile de pompage 137 étant solidaire de la membrane 133 de pompage, par l'intermédiaire d'une portion 135 de la couche d'oxyde de silicium 134.
La combinaison de ces deux butées (plaques 120 et 120') permet de contrôler l'amplitude maximale du mouvement vertical de la membrane de pompage 133 et d'assurer la précision du volume maximal de liquide pompé à chaque mouvement d'aller-retour de la membrane de pompage 133.
Entre l'organe de contrôle d'entrée de liquide et le détecteur de pression, la micropompe 100 comprend la partie de pompage 102 munie d'une chambre de pompage 138 située dans la cavité délimitée entre la plaque de fermeture de verre 120 et la plaquette de silicium 132. La membrane de pompage 133 présente une forme de disque et elle est située dans Ia plaquette de silicium 132, en regard d'une part de la chambre de pompage 138 et d'autre part d'un volume annulaire exempt de matière usiné dans la plaque de support 136 et qui permet de séparer du reste de la plaque de support en silicium 136 la partie mobile de pompage 137 en forme de cylindre plein et de section circulaire. La partie mobile de pompage 137 est reliée à la membrane de pompage 133 par la portion 135 de la couche d'oxyde de silicium 134 laissée intacte.
Des moyens de commande de la micropompe 100, dénommés de manière générique actionneur, sont internes ou externes à la micropompe : ils sont par exemple situés en regard de la membrane de pompage 133.
Ces moyens de commande peuvent être notamment à fonctionnement de type piézo-électrique, électromagnétique ou pneumatique.
La micropompe 100 peut être utilisée dans de nombreuses applications, notamment comme pompe à usage médical pour la délivrance en continu d'un médicament liquide.
Une telle pompe peut être, grâce à ses dimensions très réduites, de type « implantable », c'est-à-dire pouvant être disposée sous la peau du patient, ou bien de type « externe » et reliée, par son organe de contrôle d'entrée, au système circulatoire sanguin du patient par un port d'entrée au niveau de la peau.
Sur la figure 1, la micropompe 100 est représentée en position basse, de repos, formant une première position de la membrane de pompage 133 dans laquelle la membrane de pompage 133 est en réalité déjà légèrement défléchie par rapport au reste de la plaquette de silicium
132 : la partie mobile de pompage 137 étant en effet légèrement surélevée par rapport au reste de la plaque de support 136, une couche anti adhésion 139 de forme annulaire étant interposée entre la partie mobile de pompage 137 et la plaque de fermeture supplémentaire 120'.
Cette première position, ou position basse, est ici atteinte par le fait que la face inférieure de la partie mobile de pompage 137 vient en contact contre la couche anti adhésion 139 qui forme ainsi une butée mécanique pour la première position de la membrane de pompage 133.
Alternativement, si la couche anti adhésion 139 est disposée sur la face inférieure de la partie mobile de pompage 137, dans Ia première position de la membrane de pompage 133, c'est alors Ia face inférieure de la couche anti adhésion 139 qui vient en butée mécanique contre la face supérieure de la plaque de fermeture en verre supplémentaire 120'. La position haute ou deuxième position de la membrane de pompage 133 et de Ia partie mobile de pompage 137 est schématisée sur la figure 1 par des traits en pointillés.
Dans cette deuxième position, la membrane de pompage 133 s'est rapprochée par déformation de la face 120a de la plaque de fermeture 120 et des éléments anti adhésion 122. Ici, cette deuxième position, ou position haute, voit la face supérieure de la membrane de pompage 133 venir en contact contre les éléments ponctuels 122 antiadhésion qui forment ainsi une butée mécanique pour la deuxième position de la membrane de pompage 133. Comme la membrane de pompage 133 est solidaire de la plaquette de silicium 132 dans laquelle elle est formée, la périphérie circulaire de la membrane de pompage 133 reste dans le plan général de la plaquette de silicium 132 de sorte que la membrane 133 forme dans cette deuxième position, comme on peut le voir sur la figure 1 par les traits en pointillés, un profil plutôt courbe sur son pourtour.
Grâce à Pactionneur (non représenté) mentionné précédemment, la membrane de pompage 133 effectue des séries d'aller- retour de haut en bas et de bas en haut (flèche 140) entre ses deux positions extrêmes formant la première et la deuxième positions, ce qui faisant varier le volume de la chambre de pompage 138, permet de réaliser la fonction de pompage.
Dans sa deuxième position, la membrane de pompage 133 est déformée « sous tension ».
Selon la présente invention, on cherche donc à mesurer la variation du volume de cette chambre de pompage 138 sans contact et sans passage d'un liquide dans Ia cavité comportant la chambre de pompage 138.
Cette mesure est effectuée en réalisant la visualisation de la position de la membrane de pompage 133 dans sa première position et dans sa deuxième position, puis en calculant la variation de volume de la chambre de pompage 138 correspondant à l'écart entre ces deux positions.
Le principe est une mesure optique de la topographie de la surface de la face supérieure de Ia membrane de pompage 133 avant et après actionnement de la pompe (c'est-à-dire en position basse et en position haute), la différence entre les deux images donnant directement la valeur du volume de liquide pompé.
Selon un premier mode de réalisation, cette mesure ou détection optique de la topographie utilise des méthodes interférométriques.
On rappelle qu'un interféromètre est un dispositif optique qui divise un rayon de lumière en deux rayons séparés et qui les recombine.
Le phénomène d'interférences résultant est enregistré sous la forme d'interférogrammes constitués de franges sombres et lumineuses qui sont directement corrélées à la topographie de l'objet.
Selon une première variante du premier mode de réalisation, on utilise la technique de l'interférométrie en lumière blanche basée sur la détection du maximum de cohérence entre deux fronts d'onde polychromatiques. Sur la figure 2 est représenté un ensemble de mesure 10 comprenant un interféromètre simplifié avec un objectif du type Mirau, adapté aux grandissements moyens.
A partir d'une source de lumière blanche 14, on forme un faisceau collimaté de lumière blanche 16 qui passe au travers d'une lame séparatrice 18 qui sépare le faisceau en deux parties : une première partie de faisceau éclaire l'échantillon formé de la micropompe 100, tandis que la deuxième partie de faisceau est dirigée vers un miroir de référence 20.
Une tête de mesure interférométrique de type Mirau 12 est disposée sur le chemin optique formé entre la lame séparatrice 18 et l'échantillon (micropompe 100).
Cette tête de mesure interférométrique de type Mirau 12 comprend un objectif 13. Entre l'objectif 13 et la micropompe 100, la tête de mesure interférométrique de type Mirau 12 comprend en outre (de haut en bas sur la figure 2) le miroir de référence 20, une lame de compensation 21 et une autre lame séparatrice 23, L'objectif 13 est mobile en translation verticale grâce à un support mobile en translation 22.
Les deux faisceaux réfléchis respectivement par le miroir de référence 20 et par l'échantillon (micropompe 100) sont ensuite recombinés et transmis à travers la lame séparatrice 18 vers la caméra
CCD 24. Le phénomène d'interférence produit une série de franges sombres et brillantes. Cette figure d'interférence appelée interférogramme est projetée sur la caméra CCD 24 et enregistrée. En amont de la caméra
CCD 24 est disposé un sélecteur d'agrandissement 26. A chaque point de mesure, l'intensité des franges est maximale dans le plan de cohérence où la différence de chemin optique parcouru par les deux parties de faisceau est nulle.
En réalisant une translation (grâce au support 22) de l'objectif 13 de la tête de mesure interférométrique 12 ou de l'échantillon (micropompe 100) autour du point de focalisation, avec un enregistrement des interférogrammes à intervalles connus (VSI Vertical Scanning Interferometr/), il est ainsi possible de reconstituer le relief de la surface de l'échantillon à partir de la modulation en intensité du signal en fonction de la position verticale. En particulier, ici, on va reconstituer le relief de la face supérieure de la membrane de pompage 133.
Cette technique permet notamment de détecter des surfaces présentant des discontinuités.
La méthode consiste à obtenir une représentation, notamment topographique, de la membrane de pompage 133 en position basse et en position haute, la différence entre les deux images permettant de calculer la variation de volume de la chambre de pompage, c'est-à-dire le volume de pompage nominal de la pompe.
La face de la membrane de pompage 133 tournée vers la chambre de pompage 138 (face supérieure sur la figure 1) sert donc de surface réfléchissante.
La plaque de fermeture 120 formant un capot, qui peut notamment jouer le rôle de limiteur de course pour la membrane de pompage 133, doit être transparente dans le domaine visible pour cette technique. Une plaque de fermeture 120 en verre est donc possible mais non une plaque de fermeture en silicium. Cette plaque de fermeture induit par ailleurs des interfaces optiques supplémentaires. Il est alors nécessaire de placer une plaque équivalente sur le miroir de référence 20 afin d'équilibrer les deux bras de llnterféromètre. On utilise donc une plaque de compensation 21 en verre de même épaisseur et de même indice optique que Ia plaque de fermeture 120.
Il n'y a pas d'ambiguïté sur la face observée lors de la détection, entre la face (avant) de la membrane 133 tournée vers la chambre de pompage 138 et la face (arrière) de la plaque de fermeture 120 tournée vers la chambre de pompage 138 car l'interféromètre ne peut pas à la fois se focaliser sur la membrane en position basse et observer des franges d'interférences sur cette face arrière. Ceci est du à la très faible longueur de cohérence de la lumière blanche (inférieure au micron).
C'est ce principe qui permet de repérer des discontinuités telles que celles rencontrées autour de la membrane 133. Ainsi la présence de particules est notamment révélée par des discontinuités sur la surface de la membrane 133.
On considère maintenant une deuxième variante du premier mode de réalisation : elle consiste à combiner la méthode de la première variante décrite précédemment à celle dite Phase Shifting Interferometry ou PSI (technique du décalage de phase) pour améliorer la résolution.
Dans le cas de cette deuxième variante, on peut utiliser le même montage que celui décrit précédemment en relation avec la figure 2, seule la source de lumière change car elle doit être désormais monochromatique. Au lieu de remplacer la source de lumière blanche 14 de la figure 1 par une source de lumière monochromatique, une variante consiste à la conserver et à ajouter un filtre que l'on dispose de préférence à l'avant de la lame séparatrice 18.
De plus, il n'est plus nécessaire de déplacer l'échantillon (micropompe 100) ou la tête de mesure (objectif 13) sauf si la profondeur de champ de l'objectif utilisé n'est pas suffisante pour observer toute la profondeur de la cavité (chambre de pompage 138).
La figure 3 présente une vue simplifiée d'un montage du type Michelson qui est bien adapté aux faibles grandissements et qui peut s'utiliser pour la deuxième variante du premier mode de réalisation. Dans cet ensemble de mesure 30, une source laser 34 envoie un faisceau collimaté 36 sur une lame séparatrice 38, ce qui sépare le faisceau 36 en une première partie de faisceau incident 36al dirigée sur la micropompe 100 formant l'échantillon et en une deuxième partie de faisceau incident 36bl dirigée sur le miroir de référence 40 recouvert de la plaque de compensation 41 de verre.
Les faisceaux réfléchis (première partie de faisceau réfléchi
36a2 et deuxième partie de faisceau réfléchi 36b2) sont ensuite recombinés par la lame séparatrice 38 et passent dans un objectif 33 puis dans un ensemble optique 46, formé d'une série de lentilles et d'un diaphragme, situé en avant d'une caméra CCD 44.
Le phénomène d'interférence produit une série de franges sombres et brillantes formant un interférogramme qui est projeté sur la caméra CCD 44 et enregistré. Un autre objectif (non représenté) peut être ajouté au dessus de l'échantillon (micropompe 100) pour améliorer la résolution transversale.
Ici, des franges d'interférences apparaissent à chaque variation de hauteur égale à la moitié de la longueur d'onde de la source de lumière utilisée. Il faut alors effectuer un dépliement de la phase pour obtenir la cartographie des hauteurs.
La détermination de la variation de volume de la chambre de pompage 138 consiste encore une fois à soustraire les images obtenues entre les positions haute et basse de la membrane 133. La combinaison des techniques VSI et PSI exploite les avantages des deux méthodes.
Il est à noter que l'interféromètre de type Michelson représenté sur la figure 3 peut aussi être utilisé pour la première variante du premier mode de réalisation en remplaçant la source laser par une source lumineuse blanche.
Un interféromètre de type Linnik peut également être utilisé pour les forts grandissements. Le montage correspondant 30' est illustré sur la figure 4 et il sera présenté par ses différences avec le montage de type Michelson de la figure 3. En conséquence, les mêmes signes de référence que ceux de la figure 3 sont repris en relation avec la figure 4 pour désigner les mêmes éléments. Dans ce cas, le faisceau de lumière blanche 36 issu de Ia source
34 est séparé par une lame séparatrice 38 en deux parties de faisceau
36a, 36b qui sont dirigées respectivement vers un miroir de référence 40 et l'échantillon (micropompe 100) via deux objectifs séparés (respectivement un premier objectif 48 et un deuxième objectif 49).
Les faisceaux réfléchis sont ensuite recombinés et analysés par une caméra CCD 44 après le passage de la lame séparatrice 38.
La lame de compensation 41 est bien évidemment placée sur le miroir de référence 4O.Cet interféromètre de type Linnik représenté sur la figure 4 peut être utilisé pour Ia première variante, Ia deuxième variante et une troisième variante de réalisation du premier mode de réalisation du procédé conforme à la présente invention.
Selon une troisième variante du premier mode de réalisation, on met en œuvre Ia technique de microscopie holographique digitale Cette troisième variante peut utiliser le montage de Ia figure 3 ou celui de la figure 4.
Dans ce cas, Ie miroir de référence 40 peut être éventuellement incliné selon le mode de reconstruction de l'hologramme digital choisi.
Un autre type de montage possible pour cette troisième variante et qui utilise deux lames séparatrices et deux miroirs est illustré sur la figure 5 : c'est un montage fonctionnant en mode réflexion.
Sur l'ensemble de mesure 50 de la figure 5, une source laser 54 envoie un faisceau collimaté 56 sur une première lame séparatrice 58, ce qui sépare le faisceau 56 en une première partie de faisceau 56a dirigé sur un premier miroir 59 et en une deuxième partie de faisceau 56b dirigée sur un deuxième miroir 61, via une lentille.
Le faisceau réfléchi par le premier miroir 59 sert de faisceau de référence 66.
Les faisceaux issus des deux miroirs 59, 61 sont dirigés sur une deuxième lame séparatrice 63 située à l'arrière d'un objectif 52.
A la sortie de cette deuxième lame séparatrice 63, le faisceau issu du miroir 61 est dirigé sur la micropompe 100 formant l'échantillon, via l'objectif 52. Ce faisceau se réfléchit sur la membrane puis le faisceau réfléchi 68 est recombiné avec Ie faisceau de référence 66 issu du premier miroir 59, après passage par la lame séparatrice 63, et ensuite ce faisceau recombiné parvient sur la caméra CCD 64 qui enregistre l'interférogramme.
Selon cette technique d'interférométrie holographique ou holographie digitale, on met en œuvre le principe qui consiste à enregistrer la distribution d'amplitude complexe de la lumière, à savoir l'amplitude et la phase.
On enregistre (de manière numérique grâce à la caméra CCD 64) la figure d'interférence entre le faisceau de référence 66 et le faisceau objet réfléchi par l'échantillon (membrane 133 de la micropompe 100) via le système de lames séparatrices 58 et 63 et de miroirs 59 et 61.
C'est cette distribution d'intensité que l'on nomme hologramme. La reconstruction de l'hologramme s'effectue de manière numérique, et le relief est réalisé par la méthode dite d'imagerie de phase. C'est principalement la technique d'analyse des interférogrammes qui change par rapport au PSI. Si l'objet n'introduit pas de déphasages inhomogènes à la réflexion, l'image de phase est liée au temps de vol de l'onde, c'est à dire au relief de l'objet. Si ce relief n'est pas trop important on obtient une cartographie de la surface en 3D.
La détermination de la variation de volume de la chambre de pompage volumes par soustraction des images en position basse et en position haute de la membrane de pompage de la micropompe 100 est alors similaire à celle décrite précédemment.
Selon un deuxième mode de réalisation, on utilise la technique de microscopie confocale pour réaliser la mesure ou détection optique de la topographie de la surface de la membrane de pompage.
En effet, les techniques de microscopie confocale sont utilisables pour caractériser les cavités microfluidiques.
L'ensemble de mesure 70 correspondant est illustré sur la figure 6. Un objectif 72 est disposé au dessus de l'échantillon
(micropompe 100).
Une source de lumière laser 74 envoie son faisceau lumineux sur une lame séparatrice 76 qui dirige le faisceaux lumineux incident sur la micropompe 100, et en particulier sur la face de la membrane de pompage 133 tournée vers la chambre de pompage 138. Le faisceau réfléchi par la membrane 133 parvient à une série de photo-détecteurs ou une caméra CCD 84.
En amont de Ia caméra CCD 84 est disposé un filtre diaphragme confocal ou « pinhole » 78, de sorte que seule l'image du plan focal 82 parvient à Ia caméra CCD 84.
Il est nécessaire de réaliser un balayage, dans un plan (X, Y) parallèle à la micropompe 100, de l'ouverture du diaphragme confocal 78 (pinhole) afin d'enregistrer une image complète de la cavité à travers la plaque de fermeture transparente 120. Ce diaphragme confocal 78 permet d'éliminer le signal provenant de plans hors focalisation (traits pointillées et mixtes sur la figure 5).
L'échantillon (micropompe 100) ou Ia tête de mesure complète est alors déplacé(e) pour mesurer une autre coupe horizontale de l'échantillon. L'acquisition en série de ces sections optiques permet la reconstruction 3D de la membrane de pompage en position basse.
Cette procédure est répétée en position haute de la membrane et la différence des deux profils donne Ia variation de volume de la cavité.
Il faut noter que ces techniques mises en œuvre conformément à la présente invention permettent simultanément de détecter et de localiser les défauts de la membrane de pompage 133 d'un diamètre équivalent à Ia longueur d'onde du faisceau de lumière utilisé, c'est-à-dire typiquement de l'ordre du micromètre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure de volume par profilométrie optique de surface dans un dispositif micromécanique (100) fluidique, ledit dispositif micromécanique (100) comprenant un empilement (30) recouvert d'une plaque de fermeture (120) transparente, ledit empilement (30) comportant une plaque de support (136) et une plaquette de silicium (132) recouvrant ladite plaque de support (136) et recouverte de ladite plaque de fermeture (120), au moins une cavité (138) étant formée entre ladite plaque de fermeture (120) et ladite plaquette de silicium (132), un organe mobile (133) formé dans la plaquette de silicium (132) étant apte à se rapprocher et à s'écarter de la plaque de support (136) respectivement entre une première position et une deuxième position qui définissent une variation de volume de ladite cavité (138), caractérisé en ce que l'on réalise les étapes suivantes : a) on fournit et on dispose un appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface de sorte que la face de l'organe mobile (133) tournée en direction de la plaque de fermeture (120) soit la face de référence pour la mesure, b) on fournit des moyens d'acquisition et de traitement d'image (24;44;64;84) permettant d'acquérir et de traiter les images provenant de l'appareil de profilométrie optique (10;50;30;70), c) on place ledit organe mobile (133) dans ladite première position (basse) et on active ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image (24;44;64;84) pour obtenir une première image de ladite face de référence dans ladite première position de l'organe mobile (133), d) on place ledit organe mobile (133) dans ladite deuxième position (haute)et on active ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface pour diriger un faisceau lumineux sur ladite face de référence, on active les moyens d'acquisition et de traitement d'image (24;44;64;84) pour obtenir une deuxième image de ladite face de référence dans ladite deuxième position de l'organe mobile (133), et e) on compare ladite deuxième image à ladite première image de ladite face de référence pour déterminer la variation de volume de la cavité
(138) engendrée par la déformation de l'organe mobile (133).
2. Procédé selon la revendication I1 caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface est un interféromètre (10;50;30) fonctionnant soit en lumière blanche par détection du maximum de cohérence de deux fronts d'onde polychromatiques, soit en lumière monochromatique avec décalage de phase (PSI), soit fonctionnant en microscopie holographique digitale de sorte que lesdites première image et deuxième image sont des images d'interférences.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface comporte un miroir de référence (20 ; 40) et en ce que lors de l'étape a), on place une plaque compensatrice (21 ; 41), optiquement équivalente à ladite plaque de fermeture (120) transparente, sur ledit miroir de référence(20 ; 40).
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface est un instrument (70) fonctionnant selon le principe de la microscopie confocale.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif micromécanique (100) est une micropompe, en ce que ladite cavité (138) est une chambre de pompage (138), en ce que ledit organe mobile (133) est une membrane (133) et en ce que l'on mesure la variation du volume de la chambre de pompage entre la première position de la membrane (133), dite position basse atteinte lorsque ladite membrane (133)termine son déplacement dans la direction opposée à la plaque de fermeture (120) ,et la deuxième position de la membrane (133) correspondant à une position haute atteinte lorsque ladite membrane (133) termine son déplacement vers la plaque de fermeture (120).
6. Ensemble de mesure de volume par profilométrie optique (10;30;50;70) de surface dans un dispositif micromécanique (100) fluidique, ledit ensemble de mesure comportant : - un dispositif micromécanique (100) comprenant un empilement (30) recouvert d'une plaque de fermeture (120) transparente, ledit empilement (30) comportant une plaque de support (136) et une plaquette de silicium (132) recouvrant ladite plaque de support (136) et recouverte de ladite plaque de fermeture (120), au moins une cavité (138) étant formée entre ladite plaque de fermeture (120) et ladite plaquette de silicium (132), un organe mobile (133) formé dans la plaquette de silicium (132) étant apte à se rapprocher et à s'écarter de la plaque de support (136) respectivement entre une première position, dite basse, et une deuxième position, dite haute, qui définissent une variation de volume de ladite cavité (138),
- un appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface monté de telle sorte que la face de l'organe mobile (133) tournée en direction de la plaque de fermeture (120) soit la face de référence pour la mesure lorsqu'un faisceau lumineux est dirigé sur le dispositif micromécanique (100) fluidique,
- des moyens d'acquisition et de traitement d'image (24;44;64;84) permettant d'acquérir et de traiter les images provenant de l'appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) et de déterminer la variation de volume de la cavité (138) engendrée par la déformation de l'organe mobile (133) en comparant une première image de ladite face de référence dans ladite première position de l'organe mobile (133) à une deuxième image de ladite face de référence dans ladite deuxième position de l'organe mobile (133).
7. Ensemble de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface est un interféromètre (10;30;50) fonctionnant soit en lumière blanche par détection du maximum de cohérence de deux fronts d'onde polychromatiques, soit en lumière monochromatique avec décalage de phase (PSI), soit fonctionnant en mïcroscopie holographique digitale de sorte que lesdites première image et deuxième image sont des images d'interférences.
8. Ensemble de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface comporte un miroir de référence (20 ; 40) et en ce qu'une plaque compensatrice (21 ;41), optiquement équivalente à ladite plaque de fermeture (120) transparente, est placée sur ledit miroir de référence (20 ; 40).
9. Ensemble de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit appareil de profilométrie optique (10;50;30;70) de surface est un instrument (70) fonctionnant selon le principe de la microscopie confocale.
10. Ensemble de mesure selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que ledit dispositif micromécanique (100) est une micropompe (100), en ce que ladite cavité (138) est une chambre de pompage (138), en ce que ledit organe mobile (133) est une membrane (133) et en ce que l'on mesure la variation du volume de la chambre de pompage entre la première position de la membrane (133) et la deuxième position de la membrane (133).
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