Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de microélectronique et microsystèmes IMM (Laboratoire de microsystèmes 2 LMIS2)

Magnetically actuated micropumps

Yamahata, Christophe ; Gijs, Martin (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3208.

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    Summary
    "Lab-On-a-Chip" (LOC) systems are intended to transpose complete laboratory instrumentations on the few square centimetres of a single microfluidic chip. With such devices the objective is to minimize the time and cost associated with routine biological analysis while improving reproducibility. At the heart of these systems, a fluid delivery unit controls and transfers tiny quantities of liquids enabling the biological assays. This explains the need for robust integrated micropumps as a precondition for the development of many LOC devices. In this context, we have developed a rapid prototyping method for the fabrication of microfluidic chips in plastic and glass materials. The microfabrication principle, which is based on the powder blasting microstructuring process, was used to build devices in either polymethylmethacrylate (PMMA) or borosilicate glass. Various types of micropumps have been developed which were all based on external magnetic actuation. The use of ferrofluids (or magnetic liquids) has been the subject of the first part of the research. A piston pump using a ferrofluid plug moved by an external magnet has been studied. The integration of a rare-earth material (NdFeB) in a flexible polydimethylsiloxane (PDMS) membrane, in the form of a powder or as a classical permanent magnet, has then been proposed. An external electromagnet was used to actuate the magnet-containing diaphragm of a reciprocating micropump. Different types of valves, which constitute the critical element in reciprocating micropumps, have also been investigated. We have studied silicone membrane valves, nozzle-diffuser elements and ball valves. While nozzle-diffuser elements present the simplest valving solution from a manufacturing point of view, ball valves have been proposed as a very promising alternative due to their high efficiency. Together with the detailed characterization of the prototypes, we have proposed analytical models that predict the hydrodynamic behaviour of the micropumps. The performances of our micropumps indicate that magnetic actuation is well adapted for LOC microsystems. While we have demonstrated that our proposed microfabrication technique is an excellent rapid prototyping method for disposable plastic devices, our glass micropumps present a competitive low-cost alternative satisfying criteria of biocompatibility and high temperature (130 °C) resistance.
    Résumé
    Les systèmes de type "Laboratoire intégré sur une puce" (en anglais, Lab-on-a- Chip ou LOC) ont pour ambition de transposer des instrumentations complètes de laboratoire sur les quelques centimètres carrés d'une puce microfluidique. Avec de tels dispositifs, l'objectif est de réduire au minimum le temps et le coût associés aux analyses biologiques les plus courantes, tout en améliorant leur reproductibilité. Au coeur de ces systèmes, une unité de distribution de fluide commande et transfère des quantités minuscules de liquides pour permettre les analyses biologiques. L'intégration de micropompes robustes apparaît ainsi comme une condition préalable au développement ultérieur pour de nombreux dispositifs LOC. Dans ce contexte, nous avons développé une méthode de prototypage rapide permettant la fabrication de microsystèmes fluidiques en plastique et en verre. Le procédé de fabrication est basé sur la technique de structuration par microsablage. Cette technique a été employée pour réaliser des pièces intégralement en poly(méthyle methacrylate) (PMMA) ou en verre borosilicaté. Au moyen de ce procédé de fabrication, nous avons pu développer différents types de micropompes, toutes étant basées sur le principe d'un actionnement magnétique externe. L'utilisation de ferrofluides (ou "liquides magnétiques") a fait l'objet de la première partie de cette recherche. Nous avons ainsi proposé une pompe à ferrofluide (déplacé par un aimant externe) inspirée du principe de la pompe à piston. Par la suite, nous avons opté pour l'intégration d'un aimant en terres rare (en NdFeB) dans une membrane flexible en poly(diméthyle siloxane) (PDMS): soit sous la forme de poudres ou simplement en introduisant un aimant fritté classique. Nous avons utilisé un électro-aimant externe pour l'actionnement de l'aimant contenu dans le diaphragme de la micropompe. Nous nous sommes par ailleurs concentrés sur le choix des valves car elles constituent l'élément critique des pompes. Nous avons étudié les valves à membrane flexible en silicone, les éléments de type "diffuseur" et les valves à billes. Du point de vue de leur construction, les diffuseurs constituent la solution la plus simple pour produire un effet de directivité du flux. Les valves à billes, quant à elles, peuvent être une alternative prometteuse en raison de leur grande efficacité. Tout en présentant une caractérisation détaillée des divers prototypes, nous avons établi des modèles analytiques simples qui permettent de prévoir le comportement hydrodynamique de ces micropompes. Les performances de nos différentes pompes indiquent que les actionneurs magnétiques sont bien adaptés pour les microsystèmes de type LOC. Enfin, nous avons pu démontrer que notre méthode de prototypage rapide est une excellente solution pour la fabrication d'échantillons jetables; tandis que les pompes en verres sont une alternative peu coûteuse et répondent aux critères de biocompatibilité et de résistance à haute température (130 °C).