Micro pompes à vide à actionnement thermique

Autor: Lopez Quesada, Guillermo
Přispěvatelé: Institut Clément Ader (ICA), Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE-SUPAERO)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), INSA de Toulouse, UNIVERSITY OF THESSALY, Stéphane Colin, Dimitris Valougeorgis, STAR, ABES
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Fluid mechanics [physics.class-ph]. INSA de Toulouse; UNIVERSITY OF THESSALY, 2019. English. ⟨NNT : 2019ISAT0048⟩
Popis: The rapid development of the semiconductor industry has been followed, in the last decades, by huge progress in microfabrication processes, providing a large number of micro-electro-mechanical systems (MEMS). Some of these systems, such as lab-on-a-chip or micro total analysis systems for gas sensing, analyzing and separation, as well as for drug delivery, require an external pumping system to transfer the gas samples inside, outside and through the device. Additionally, radio frequency switches, accelerometers, gyroscopes, atomic clocks, electron beam optic systems, vacuum tubes, and other components that depend on electron or ion optics require a stable vacuum environment for proper operation. Since merely sealing these devices is not sufficient to guarantee long-term operation free of leakages and outgassing, miniaturized vacuum pumping components are needed to maintain proper functionality. Different processes and devices have been developed in the recent years for these MEMS, however, some of them are at the stage of laboratory research while the more established ones have only limited applications.The Knudsen pump, which is a device exploiting the thermal transpiration phenomenon, is able to generate a macroscopic gas flow by applying exclusively a tangential temperature gradient along a surface without any moving parts or external pressure gradient. Since the Knudsen pump only requires a temperature gradient for its operation, its architecture is quite simple and it does not require any moving parts, which provides high reliability and avoids any maintenance and particle generation. Its advanced compactness and working principle enables the device to be powered by wasted heat from other processes and allows for low power consumption. Furthermore, since the direction of the flow can be reversed by inverting the thermal gradient in the microchannels, the Knudsen pump provides significant benefits for sampling and separation devices. Consequently, the Knudsen pump is considered as a suitable candidate to address many of the issues existing in MEMS requiring any kind of gas pumping devices. Some specific geometrical and operational configurations have been investigated to optimize the efficiency of this thermally driven pump, however, when it comes to the particular point of fabricating a Knudsen pump, the progress in the field is limited mainly due to micro-fabrication difficulties and constraints linked to the control of local thermal gradients, with only a few working prototypes achieved.This work presents a computational and experimental investigation of the performance characteristics of different multi-stage Knudsen pumps including the quantitative comparison and optimization of various designs plus the fabrication and testing of some prototypes to characterize their performance and optimize efficiency and low energy consumption. The computational investigation has been performed with a code developed during the stay in the University of Thessaly (UTH, Volos, Greece) based on kinetic modeling via the infinite capillary theory, taking into account all foreseen manufacturing and operation constraints. The manufacturing of the prototypes has been done in collaboration with the Laboratoire d'Architecture et d'Analyse des Systèmes (LAAS, Toulouse, France) including the partial development of the manufacturing process for multi-layered devices with dry film photoresist. Finally, the experimental work has been conducted in the microfluidics laboratory in the Institut Clément Ader (ICA, Toulouse, France).
Le développement rapide de l'industrie des semi-conducteurs a été suivi, au cours des dernières décennies, par d'énormes progrès dans les processus de microfabrication, fournissant un grand nombre de systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS). Certains de ces systèmes, tels que les laboratoires sur puce ou les systèmes de détection de gaz, d’analyse et de séparation, ainsi que ceux dédiés au transport de médicaments, nécessitent un système de pompage externe pour transférer les échantillons de gaz à l’intérieur, à l’extérieur et à travers le système. De plus, les commutateurs radiofréquences, les accéléromètres, les gyroscopes, les horloges atomiques, les systèmes optiques à faisceau d’électrons, les tubes à vide et d’autres composants dépendant de l'optique électronique ou ionique nécessitent un environnement de vide stable pour un fonctionnement correct. Etant donné que le simple fait de sceller ces dispositifs ne suffit pas à garantir un fonctionnement à long terme, sans fuite ni dégazage, des composants de pompage sous vide miniaturisés sont nécessaires pour maintenir un fonctionnement correct. Différents procédés et dispositifs ont été développés ces dernières années pour ces MEMS, mais certains d’entre eux sont encore au stade de la recherche en laboratoire alors que les plus aboutis ne visent que des applications limitées.La pompe de Knudsen, dont le principe de fonctionnement est basé sur le phénomène de transpiration thermique, est capable de générer un écoulement de gaz macroscopique en appliquant exclusivement un gradient de température tangentiel le long d’une surface, sans aucune pièce mobile ni gradient de pression externe. La pompe de Knudsen ne nécessitant qu'un gradient de température pour son fonctionnement, elle a une architecture assez simple et ne nécessite aucune pièce mobile, ce qui offre une grande fiabilité et évite tout entretien et toute génération de particules. Sa compacité avancée et son principe de fonctionnement permettent à l'appareil d'être alimenté par la chaleur perdue provenant d'autres processus et de réduire la consommation d'énergie. De plus, comme le sens de l'écoulement peut être inversé en inversant le gradient thermique dans les microcanaux, la pompe de Knudsen offre des avantages considérables pour les dispositifs d'échantillonnage et de séparation. Par conséquent, la pompe de Knudsen est considérée comme un candidat approprié pour résoudre de nombreux problèmes existants dans les MEMS nécessitant tout type d'appareil de pompage de gaz. Certaines configurations géométriques et opérationnelles spécifiques ont été étudiées pour optimiser l'efficacité de cette pompe à entraînement thermique. Cependant, en ce qui concerne le point particulier de la fabrication d'une pompe de Knudsen, les progrès sur le terrain sont limités principalement en raison de contraintes de microfabrication et de difficultés liées au contrôle des gradients thermiques locaux. Ainsi, seuls quelques prototypes fonctionnels ont été réalisés.Ce travail présente une étude numérique et expérimentale des caractéristiques de différentes pompes de Knudsen à plusieurs étages, incluant la comparaison quantitative et l'optimisation de diverses architectures, ainsi que la fabrication et les tests de certains prototypes afin de caractériser leurs performances et d'optimiser leur efficacité et leur faible consommation d'énergie. L'investigation numérique a été réalisée avec un code développé pendant le séjour à l'University of Thessaly, basé sur une modélisation cinétique via la théorie des capillaires infinis, tenant compte de toutes les contraintes de fabrication et de fonctionnement prévues. Les prototypes ont été fabriqués en collaboration avec le Laboratoire d'Architecture et Analyse des Systèmes, incluant le développement partiel du procédé de fabrication de systèmes multicouches de films secs photosensibles. Enfin, les travaux expérimentaux ont été réalisés dans le laboratoire microfluidique de l’Institut Clément Ader.
Databáze: OpenAIRE
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