Development of integrated sensors for MEMS micropumps : biomedical applications

Abstract

Les Dispositifs Médicaux d’Injection (DMI) se développent de plus en plus. De nouveaux dispositifs apportent des innovations en terme de performances et d’utilisation par rapport aux seringues classiques. Le DMI développé par Eveon est un dispositif bio-inspiré possédant des capteurs, une micropompe, un flacon et une aiguille. Il permet une injection automatique, précise au microlitre garantissant une faible perte de liquide médicamenteux grâce aux techniques de miniaturisation utilisées dans la fabrication des microsystèmes. En effet, une micropompe à membrane en silicium intégrant des capteurs a été réalisée par des procédés issus de la microélectronique. Deux types d’actionneurs ont été couplés à la membrane : un actionneur bimétallique intégré et un actionneur piezoélectrique externe. Dans le cas de l’actionneur bimétallique, des thermo-résistances ont été conçues, fabriquées et caractérisées pour permettre de mesurer le profil thermique de la membrane lors de l’actionnement avec une erreur de 5%. Dans le cas de l’actionneur piezoélectrique externe, des piezorésistances ont été intégrées selon l’axe radial de la membrane afin de contrôler le profil de contraintes dans la membrane, asservir l’actionneur en fonction de la contre-pression et maximiser les caractéristiques de la pompe. Afin d’assurer la délivrance d’une dose précise de médicament, un capteur de débit est intégré dans les canaux microfluidiques de la micropompe. Ce capteur innovant permet de détecter des débits de liquide dans la gamme spécifiée par les dispositifs médicaux d’injection, à savoir une plage de débit allant de 0.5mL/min à 4mL/min.Injection Medical Devices are more and more developed. New devices bring innovations in terms of performances and use for classical syringes. Eveon develops a bio-inspired device including some sensors, a micropump, a reservoir and a needle. This automatic injection can be microliter precise with a small loss of medical liquid thanks to microfabrication techniques used for microsystems. Indeed, a silicon membrane micropump integrating sensors was fabricated using processes from microelectronic fabrication. Two actuation types were coupled to the membrane: an integrated bimetallic actuator and an external piezoelectric actuator. In the case of the bimetallic actuator, thermo-resistances were designed, fabricated and characterized to measure the thermal profile of the membrane during the actuation with a 5% error. In the case of piezoelectric actuation, piezoresistances were integrated within the membrane profile along the radial axis to control its stress, feedback the actuation as a function of the pressure and maximize the pump characteristics. To ensure that the dose of medicine was delivered, a flow rate sensor was integrated in the microfluidic channels of the micropump. This innovative sensor can detect liquid flow rate in a range specified for injection medical devices, namely flow rates from 0.5mL/min to 4mL/min