Homogénéisation de l'écoulement dans une cellule de Hele-Shaw et caractérisation par µPIV en champ large

Dans les capteurs biologiques basés sur la microfluidique, l'analyte d'intérêt est en général amené en contact avec une surface fonctionnalisée où il est capturé. Cette surface est ensuite analysée par mesure optique (SPR...) ou acoustique (QCM...), permettant ainsi de quantifier précisément les analytes présents dans le liquide. Notre groupe développe des capteurs acoustiques à base de membranes résonantes couplées qui sont agencées en matrice pour augmenter la sensibilité du capteur. Cette architecture nécessite l'utilisation d'une grande chambre d'analyse, de l'ordre de 1cmx1cm, où les écoulements doivent être contrôlés pour garantir une bonne homogénéité des débits sur l'ensemble de la surface du capteur lors de l'insertion ou du renouvellement des fluides dans la cavité. On limite ainsi les écarts de traitement lors des réactions de fonctionnalisation, de capture, d'inactivation ou encore lors des étapes de nettoyage de la surface de capture. Il est dès lors nécessaire de concevoir des puces microfluidiques où la géométrie et les caractéristiques des fluides permettent un écoulement homogène sans zone morte ou zone de recirculation au sein de la chambre. Ainsi nous avons étudié différentes géométries de canaux d'entrée et de sortie dans une chambre microfluidique de grande surface et de faible profondeur, à travers des simulations par éléments finis en 2D et par le développement d'un banc expérimental de caractérisation d'écoulements. Pour minimiser le volume de l'échantillon à analyser et pour faciliter la diffusion des bio-analytes vers la surface d'interaction, nous avons fixé la hauteur de la chambre à 80µm. Dans ces conditions, nous nous plaçons dans un régime d'écoulement laminaire et la cavité microfluidique peut être assimilée à une cellule de Hele-Shaw de 1cm x 1cm de côté. La simulation des écoulements par éléments finis de ces structures a été faite sous COMSOL en utilisant le modèle laminaire 2D avec approximation de faible profondeur, qui correspond bien à l'écoulement de Hele-Shaw. Nous avons étudié 5 configurations différentes en faisant varier le nombre et l'espacement des canaux d'alimentation (1 entrée/1 sortie, 16 entrées/1 sortie, 16 entrées/16 sorties) et la géométrie de la chambre (carrée, losange, bézier). L'objectif de vitesse moyenne dans la chambre était de 200µm/s et l'uniformité de l'écoulement a été évaluée en observant le profil de vitesse dans différentes sections. Pour l'étude expérimentale, les dispositifs microfluidiques ont été réalisés par microfabrication en salle blanche. Les canaux fluidiques et la chambre sont structurés dans un substrat de silicium par gravure chimique KOH puis la chambre est refermée par collage anodique d'un substrat de verre autorisant l'observation optique.  La mesure expérimentale des vitesses d'écoulement a demandé de concevoir un nouveau banc de µPIV permettant l'observation sur un champ d'un cm², tout en visualisant, en lumière blanche, des particules de faible taille. Ces particules en mélamine ont un diamètre de 920 nm pour répondre aux contraintes de sédimentation et de non modification des écoulements. La mesure locale du champ de vitesse est obtenue par corrélation entre des paires d'images espacées de 50ms, puis en faisant une moyenne sur 100 paires d'image. Nous présenterons dans l'exposé la comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques pour les différentes chambres étudiées, qui montrent que l'on peut améliorer, en fonction de la configuration de la chambre, l'homogénéité des écoulements d'un facteur d'environ 5 sur 80% de la section

A novel model and design of a MEMS Stirling engine

International audienceIn this paper, we present a new model and design of a MEMS Stirling machine. The concept could be used to provide electricity to low level power systems. A modified adiabatic model including losses of a Stirling engine such as regenerator thermal efficiency, wall conduction, pressure drop, hysteresis, membrane finite speed and squeeze film damping losses is presented. A base design machine is proposed. A parametric study is conducted and used to derive guidelines for miniature design. Compared to macro-scale design, the same trend was observed for the influence of the thermal performance regenerator. However, different trends from macroscopic engines were observed: conduction losses are of major importance due to the low power of the miniature engines, hysteresis losses in the bounce space are also of high amplitude due to the small size if this volume, the choice of the working gas leads to hydrogen or air and not helium. We computed that membrane finite speed losses and squeeze film damping losses can be neglected in the investigated machine size. The first part of the paper presents the micromachine specific features, the second part describes the model, the last part presents the base design results and design guidelines

A novel model and design of a MEMS Stirling cooler for local refrigeration

In this paper, we present a new model design and parametric studies of a miniature Stirling cooler machine for on-site refrigeration. The MEMS (Microelectromechanical systems) technology is investigated to design this machine. The concept could be used to provide cooling at chip scale and mitigate hot spots in electronic devices. Whereas numerous works deal with Stirling engines at a macroscopic scale, only a few works concern miniaturized Stirling engines. Therefore, a model analysis giving insights of the impact of the technological choices and downsizing of the machine is needed. A base design model is presented. The model results lead to a cooling power of 10 mW and a Coefficient Of Performance of 1.45. A parametric study is conducted for operational and design parameters. Compared to macro-scale design, the same trend is observed for the influence of the thermal performance regenerator. Different trends from macroscopic engines were observed for hysteresis losses importance, and the choice of the working gas. The raise in power due to the raise in frequency expected for micro-scale devices is counterbalanced by the degradation of the COP due to the increase in thermofluidic losses. Squeeze film damping and finite speed losses can be neglected at this scale