Face à l’évolution de notre compréhension des plasmas froids, leur spectre d’exploitation n’a cessé de croître durant ces dernières décennies. Même si dans le domaine biomédical, l'intérêt s'est aujourd'hui étendu à applications diverses telles que la thérapie cellulaire, le soin des plaies, la chirurgie dentaire ou le traitement cornéen, la désinfection par plasma froid reste un sujet d’étude prépondérant dans le domaine. De nombreux générateurs plasma ont été développés dans le but de répondre aux exigences de désinfection des outils thermosensibles ou chimiosensibles. De nombreuses difficultés telles qu'un niveau de désinfection élevé, une durée de traitement minimale, un rapport de forme ou une géométrie complexe des outils doivent être prises en compte. Leur caractéristique commune est la nécessité d'une source de haute tension en entrée. Elle se justifie par l’obligation d'atteindre la valeur de tension de claquage du gaz de plusieurs kVolts. Dans certaines applications, cette source de haute tension peut représenter un problème de sécurité pour les personnes (choc électrique) et les appareils électriques (interférences électromagnétiques).
Les propriétés d'un matériau piézoélectrique se traduisent par sa capacité à se déformer sous l'effet d'un champ électrique et inversement à générer un champ électrique sous l'action d'une contrainte mécanique. On retrouve son emploi dans des domaines variés tels que la micromécanique (moteur à onde progressive, vaporisateur à ultrason…), l’instrumentation (microphone de contact, jauge de contrainte…) ou l’électronique (isolateur galvanique, transformateur électrique…). Les structures d’amplification de tension basée sur l’association mécanique de deux (ou plusieurs) cellules piézoélectriques et l’apparition de céramiques synthétiques aux performances accrues ont permis l'émergence d'une nouvelle gamme de transformateur à très fort gain électrique massique.
Depuis une vingtaine d'années, un certain nombre de recherches ont étudié la possibilité d'utiliser des transformateurs piézoélectriques comme source de plasma froid. Leur fort gain électrique et leurs propriétés diélectriques naturelles en font un support privilégié à la génération de plasma froid (Piezoelectric Direct Discharge Plasma (PDDP)) et le cœur d’un dispositif sécurisé grâce à leurs faibles niveaux d'alimentation (quelques volts). L'objectif de ma thèse se porte sur le développement et le perfectionnent de ces dispositifs de désinfection par plasma froid.
Dans l'objectif d'une optimisation du transformateur piézoélectrique pour une utilisation en générateur de plasma froid, il est nécessaire d’en modéliser le comportement. Ainsi, principalement deux modèles ont été développés : un modèle analytique linéaire unidimensionnelle permettant une étude globale sur son dimensionnement et un modèle numérique tridimensionnelle par éléments finis permettant une étude plus précise de l’impact d’une topologie complexe sur les champs électriques générés. Pour définir les conditions d’utilisation de ces transformateurs, des études de stress mécanique et thermiques ont étés menés, principaux facteurs limitant en puissance.
Afin de conforter les capacités de désinfection de plasmas générés par PT, différentes campagnes d’essais bactéricides ont été menés en laboratoire biomédical. Les transformateurs piézoélectriques ont été montés dans des supports de décharge sous flux d’Argon générant des plumes plasma de plusieurs centimètres auxquelles sont exposées les souches bactériennes suivant une adaptation du protocole EN 13697. Si les résultats pour le Staphylococcus aureus se sont montrés plus mitigés avec des performances dépassant difficilement les 4log de réduction, tous les tests effectués avec la bactérie Pseudomonas aeruginosa ont permis d'atteindre le facteur de réduction maximal mesurable (plus de 6,73 log) dans des conditions sèches et humides pour des temps d’exposition de plus de 15min. |
With the evolution of our understanding of cold plasmas, their spectrum of exploitation has continued to increase over the past decades. Even if in the biomedical field, the interest has now extended to various applications such as cell therapy, wound care, dental surgery or corneal treatment, cold plasma disinfection remains a major subject of study in this field. Many plasma generators have been developed to meet the disinfection requirements of heat-sensitive or chemosensitive tools. Many difficulties such as a high level of disinfection, a minimum treatment time, a shape ratio or complex tool geometry must be taken into account. Their common feature is the need for a high voltage input source. It is justified by the obligation to reach the gas breakdown voltage value of several kVolts. In some applications, this high voltage source can be a safety problem for people (electric shock) and electrical equipment (electromagnetic interference).
The properties of a piezoelectric material are reflected in its ability to deform under the effect of an electric field and conversely to generate an electric field under the action of mechanical stress. It is used in various fields such as micromechanics (progressive wave motor, ultrasonic vaporizer...), instrumentation (contact microphone, strain gauge...) or electronics (galvanic isolator, electrical transformer...). Voltage amplification structures based on the mechanical association of two (or more) piezoelectric cells and the emergence of synthetic ceramics with increased performances have led to the emergence of a new range of transformers with very high electrical mass gain.
Over the past twenty years, a number of studies have investigated the possibility of using piezoelectric transformers as a source of cold plasma. Their high electrical gain and natural dielectric properties make them a preferred medium for cold plasma generation (Piezoelectric Direct Discharge Plasma (PDDP)) and the heart of a secure device thanks to their low power supply levels (a few volts). The objective of my thesis is to develop and perfect these cold plasma disinfection devices.
In order to optimize the piezoelectric transformer for use in cold plasma generators, it is necessary to model its behaviour. Thus, mainly two models have been developed: a unidimensional linear analytical model allowing a global study on its dimensioning and a three-dimensional numerical model by finite elements allowing a more precise study of the impact of a complex topology on the generated electric fields. To define the operating conditions of these transformers, mechanical and thermal stress studies were carried out, the main factors limiting power.
In order to strengthen the disinfection capacities of plasmas generated by PT, various bactericidal test campaigns were conducted in biomedical laboratories. The piezoelectric transformers were mounted in Argon sub-flow discharge supports generating plasma feathers of several centimetres to which the bacterial strains are exposed according to an adaptation of the EN 13697 protocol. While the results for Staphylococcus aureus were more mixed with performances that hardly exceeded the 4log reduction, all tests performed with the bacterium Pseudomonas aeruginosa reached the maximum measurable reduction factor (more than 6.73 log) under dry and wet conditions for exposure times of more than 15min. |