Conception, étude et réalisation de micro-capteurs et micro-actionneurs chimiques et biologiques à base de dispositifs à ondes acoustiques de surface

Conception, study and realisation of chemical and biological micro-sensors and micro-actuators based on surface acoustic waves devices

• Auteur / Autrice : Denis Beyssen
• Direction : Patrick Alnot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Plasma, OptoElectronique et Microsystèmes
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Projection au plasma

Couches minces

Dispositifs à ondes acoustiques de surface

Microfluidique

Résumé

Ce travail est basé sur l’étude de l’interaction SAW/Liquide. Nous avons ainsi pu estimer la potentialité d’un système microfluidique à goutte à base d’ondes acoustiques de surfaces. Le système microfluidique a été réalisé sur un substrat piézoélectrique de LiNbO3 Y+128° propagation selon X. Nous avons utilisé des techniques classiques de Salle Blanche pour révéler les matrices d’électrodes interdigités. Afin de minimiser la force nécessaire à l’actionnement de la goutte, nous avons optimisé un procédé de dépôt plasma de couches minces fluorocarbonées. Le revêtement présentant le plus faible force de glissement a été réalisé sous (400 mT, 100 W). Ensuite, nous nous sommes intéressés aux phénomènes induits par l’interaction SAW/Liquide. Par une méthode de type PIV, nous avons pu visualiser la trajectoire de l’écoulement au sein de la goutte et déterminer la vitesse d’écoulement en fonction de la viscosité et de la puissance véhiculée par ces ondes élastiques. Puis, nous nous sommes intéressés à l’actionnement de goutte en fonction de différents paramètres tels que le volume et la viscosité. Le dernier chapitre est consacré aux effets thermiques liés à l’atténuation des ondes élastiques de surface à l’interface Solide/Liquide. Ces analyses ont été réalisées avec une caméra IR et révèlent que l’échauffement d’une goutte n’est pas négligeable. Finalement, les dispositifs à ondes acoustiques de surface ont un vrai potentiel en tant qu’ « outil » microfluidique. En effet, en couplant maîtrise de la fonctionnalisation des surfaces et interaction SAW/Goutte, les applications sont nombreuses telles que: atomiseur, micro-nanodistributeur, actionneur, mélangeur, thermocycleur.

This work deals with SAW/Liquid interaction. We want to evaluate the potentiality of a microfluidic system based on surface acoustic waves. This system was carried out on a LiNbO3 piezoelectric substrate, cut Y+128° X-propagating. We used clean room traditional techniques to reveal the interdigited transducers (IDTs). In order to minimize the required force to actuate a droplet, we have optimised plasma process to deposit fluorinated carbon films. The coating which presents the lowest sliding force was deposited at (400 mT, 100 W). Then, we have investigated the phenomena induced by the SAW/Liquid interaction. By PIV method, we have visualized the flow trajectory within the droplet and determined the streaming velocity as function of fluid viscosity and electrical power. Next, we have measured the droplet displacement velocity as function of volume and viscosity. Finally, we have shown important heating effects, related to the attenuation of the surface elastic waves at the Solid/Liquid interface. These analyses were carried out with an IR camera and reveal that a 20µl droplet with sufficient viscosity can be heated above 80°C. To conclude, our surface acoustic wave device presents a real potential as “microfluidic tool”. Indeed, numerous applications, such as atomisation system, micro-nanodispenser, actuator, mixer, thermocycler can be achieve by this device.