Étude expérimentale de microvannes et microinjecteurs destinés à l'environnement corrosif du gaz naturel : application à la microchromatographie en phase gazeuse

par Kinda Nachef

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Tarik Bourouina.

Soutenue en 2010

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015) , en partenariat avec École supérieure d'ingénieurs en électrotechnique et en électronique (Noisy Le Grand (Seine-Saint-Denis)) (laboratoire) , Schlumberger Limited (entreprise) et de Université de Paris-Sud. Faculté des Sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

Le président du jury était Alain Bosseboeuf.

Le jury était composé de Tarik Bourouina, Alain Bosseboeuf, Isabelle Dufour Dabadie, Carole Rossi, Éric Donzier, Patrick Tabeling, Olivier Français.

Les rapporteurs étaient Isabelle Dufour Dabadie, Carole Rossi.

mots clés

• Microvannes
• Microinjecteurs
• Polyétheréthercétone (PEEK)
• Micro-chromatographie
• Membranes (technologie)
• Gaz naturel
• Chromatographie en phase gazeuse
• Systèmes microélectromécaniques

Résumé

Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et l'étude de microvannes, comme briques élémentaires d'un microinjecteur, destiné à un micro système de chromatographie en phase gazeuse. L'analyse sur site du gaz naturel étant l'objectif de ce système de chromatographie, les vannes conçues doivent être inertes chimiquement pour résister aux espèces corrosives telles que le sulfure d'hydrogène. Par ailleurs, nous avons fait le choix de l’actionnement pneumatique d'une membrane mobile, ce qui impose que cette membrane soit constituée d'un matériau souple et étanche aux gaz. Le Poly Ether Ether Ketone (PEEK) s'est alors imposé comme un des matériaux pouvant répondre à l'ensemble de ces critères et nous l'avons ainsi utilisé, pour la première fois à notre connaissance, en tant que matériau de la structure élastique d'un micro système de type MEMS, à savoir la membrane de nos microvannes. Après la présentation du procédé d'assemblage du PEEK avec des substrats de silicium ainsi que celui de la fabrication complète des microvannes, nous exposerons la caractérisation des propriétés mécaniques de la membrane en PEEK ainsi que les caractéristiques des microvannes en tant qu'éléments microfluidiques fonctionnels. Enfin, nous poursuivrons notre exposé par notre travail de conception, de réalisation et de caractérisation préliminaire d'un microinjecteur, constitué, entre autres, de six microvannes, dont la membrane est en PEEK.

Titre traduit

Experimental study of microvalves and microinjectors intended to the harsh environment of natural gas : application to micro gas chromatography

Résumé

This thesis deals with the conception, the fabrication and the study of microvalves, as elementary bricks of a microinjector intended to a microsystem of gas chromatography. The analysis on site of the natural gas being the aim of this micro GC system, the microvalves have to be chemically inert so as to withstand corrosive components such as hydrogen sulfide. Moreover, we have chosen the pneumatic actuation of a mobile membrane, which imposes the membrane to be constituted of a flexible and airtight material. The Poly Ether Ether Ketone (PEEK) has be selected, as it answers the previously described constraints et we have thus used it, for the first time to our knowledge, as the elastic material of a structural element of a MEMS device, namely the membrane of our microvalves. Consecutive to the presentation of an assembly process of PEEK with silicon wafers as well as to the entire fabrication process of the rnicrovalves, the mechanical properties of the PEEK membrane have been drown out, and the characteristics of the microvalve as a functional microfluidic device are outlined. Finally, we pursue with the design, fabrication and first evaluation tests of microsystern of gas sample injection (or microinjector), comprising six PEEK-based microvalves.