Thermally Driven Vacuum Micropumps

Micro pompes à vide à actionnement thermique 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.