CN102105184A - 被动流体流量调节器 - Google Patents

Abstract

公开了一种被动型的流体流量调节器(1)，其具有适于连接到流体储存器的流体入口和适于连接到患者的身体的流体出口(13)。所述调节器包括刚性衬底(2)和弹性膜片(3)，它们在预定连结区域(4)中紧密地连结在一起以在其间限定腔(6)，所述腔连接到所述流体出口，而所述膜片具有与所述腔相对的第一表面(12)，第一表面连接到所述流体入口。所述膜片具有与所述腔邻接的多个通孔(15)，从而限定从所述流体入口到所述流体出口的路径，并且是挠性的，从而当流体对第一表面施加足够的压力时能够与所述衬底接触。所述通孔被布置为使得当流体压力增加时，它们一个接着一个关闭以增加调节器流阻，使得根据施加于第一表面、在预定压力范围内的压力，流体流速将是基本恒定的。

Description

被动流体流量调节器

技术领域

本发明涉及一种被动流体流量调节器，尤其是用于药物输送的领域中的类型，所述药物为液体或气体，例如用于缓解疼痛。本发明的流量调节器也可以用于引流脑积水患者的脑脊髓液(CSF)。本发明还涉及这种流体流量调节器的制造工艺以及包括后者的装置。

背景技术

与主动药物输送装置相比，被动药物输送装置并不依赖于泵输送药物，而是依赖于加压药物储存器。这些被动装置的已知问题在于至输送位置(例如患者的身体)的药物流速可能根据保留在储存器中的药物的量而变化，只更储存器中的压力取决于该量。这种被动装置因此通常带有流体流量调节器以保证药物流速相对于保留在储存器中的药物的量尽可能恒定。

这种被动药物流量调节器的例子可由申请人通过注册商标“Chronoflow”获得并且在专利US 6,203,523 B1中公开。该装置包括适于连接到流体储存器的流体入口和适于连接到患者的身体的流体出口。它包括刚性衬底和弹性膜片，它们在周边连结区域紧密地连结在一起以在其间限定腔。该腔连接到流体出口，而膜片具有与腔相对的第一表面，第一表面连接到流体入口。膜片具有与腔邻接的中心通孔，从而限定从流体入口到流体出口的射流路径，并且是挠性的，从而在流体对第一表面施加大于第一预定阈值的压力的情况下能够与衬底接触。当膜片在它的中心通孔的区域中与衬底接触时，这会堵塞后者并且导致阻碍流体流过它。

该装置还包括在衬底中蚀刻的流量调节器敞开通道，所述通道带有面向膜片的中心通孔的入口和连接到装置出口的出口。该通道具有螺旋曲线的形状使得施加于膜片的压力越大，它关闭通道越多，因此迫使流体流入其中以设法离开腔。因此，当施加于膜片的压力增加时，位于流量调节器通道内的射流路径的长度增加，装置的流体阻力同样如此。因此，流速可以根据储存器压力在预定范围内保持大致恒定。

然而，这种装置的制造是复杂和昂贵的。实际上，必须根据特定图案蚀刻衬底，所述特定图案在精度水平方面是很细致的，必须使流量调节能够正确地操作。因此，不仅衬底的制造需要特定的额外步骤，而且这些步骤执行起来很细致。取决于装置的尺寸，诸如SOI的特定材料将用于衬底的制造，这更加昂贵。

而且，通过该工艺制造的装置然后被设计用于关于药物的输送的一组特定参数，即，预定储存器压力范围和平均流速。

脑积水通常是由于脑室中或脑上的蛛网膜下隙中的CSF流出的阻塞。脑积水治疗通过手术：它包括将脑室导管(例如由硅橡胶制造的管)放置到脑室中以旁路通过流堵塞/功能障碍蛛网膜肉芽和将过量流体引流到其他体腔中，从那里可以再吸收所述流体。

多数CSF分流器基于不管CSF的流速怎样保持颅内压(ICP)恒定的原则。CSF分流器被构造为当CSF分流器的入口和出口之间的压差被减小到预定水平(被称为分流器的断开压力)时截断CSF流。

在Hakim的US 3,288,142中说明了ICP分流器的例子，该专利是用于控制患者的身体的不同部分之间的流体的引流的外科引流阀装置，尤其用于将脑脊髓液从脑室引流到血流中(被称为脑室-心房造口引流术)。

临床经验证明该分流原则不是理想的方案。例如由于位置的变化、身体锻炼或病理性压力波产生的ICP的突然升高导致过量CSF引流。在文献(Aschoff等人，1995)中的若干报告指出了由于该过度引流产生的问题，尤其脑室的明显缩窄作为导致植入分流装置不正常工作的主要因素被指出。原因在于室壁可能围绕脑室CSF分流装置塌缩，并且微粒(细胞、碎片)可能侵入分流装置中。

Drake等人的美国专利5,192,265描述了设法通过提供一种相当复杂的抗虹吸装置来克服上述困难的分流器的例子，所述抗虹吸装置通过控制室中的压力允许经皮地选择流阻，所述室是充气的并且与调节流量的主室的一个挠性壁压力连通。

程控阀的使用与近侧堵塞和整体分流修正的风险的减小关联，两个研究群体中的差异的一个可能解释是程控阀可以允许医生在注意到过度引流的临床指征和症状和/或放射学证据之后通过增加阀压力设置避免这样的脑室塌缩。照这样，近侧堵塞被防止，并且分流修正手术被避免。在Hakim等人的美国专利No.4,551,128中描述了这种可调节阀。然而，由于隔膜材料的弹性性质，可能需要植入阀的维护。此外，在植入之后该可调节阀的流速调节可能需要手术程序。

在Watanabe的美国专利No.4,781,673中所述的另一种可调节阀机构包括两个平行流体流动通道，每个通道包括流速调节器和开闭阀。通过经由头皮可触地致动开闭阀手动控制通过通道的流体径流。尽管Watanabe装置允许经由头皮可触地控制流速并且因此不需要外科手术，但是需要患者和/或医生注意阀设置。

在Nissels的美国专利No.6,126,628中所述的一个系统描述了一种双路径抗虹吸和流量控制装置，其中两个路径共同作用。在正常径流期间，主要路径和从属路径敞开。当检测到过量径流时，主要路径关闭并且径流被转向到高阻的从属路径。从属路径使流速减小90％，同时将引流速度保持在生理范围内，这防止由于过度引流产生的损伤性并发症。然而，该装置旨在用于包括用于控制流速的阀的分流系统并且应当被放置在所述阀的远侧，从而由于待植入的附加材料而引起麻烦的程序。该系统可以仅仅只能用于低压流量控制阀。

发明内容

本发明的第一目标是改进已知的装置和方法。更具体地，本发明的目标是提出一种克服上述缺陷的被动流体流量调节器。

本发明的另一个目标是通过作为替换选择提出一种被动流体流量调节器弥补上述现有技术的缺陷，所述被动流体流量调节器制造更容易和便宜并且在涉及它的使用条件的范围内提供更大的灵活性。

为此，本发明的实施例特别包括如上公开的调节器，其中它的膜片包括至少一个附加通孔，所述附加通孔与所述腔邻接并且被布置为使得流体可以流过它，即使假如它对膜片第一表面施加大于第一预定阈值但是小于第二预定阈值的压力。所述膜片和所述附加通孔还被布置为使得根据施加于膜片第一表面、在大约第一到第二预定阈值范围内的压力，流体流速是基本线性的，优选是恒定的。

根据一个优选实施例，所述膜片可以包括与所述腔邻接的n个附加通孔，每个第j附加通孔被布置为使得流体可以流过它，假如流体对第一表面施加大于第j预定阈值但是小于第(j+1)预定阈值的压力。再次地，所述膜片和所述n个附加通孔还被布置为使得根据施加于第一表面、在大约第一到第(n+1)预定阈值范围内的压力，流体流速是基本线性的，优选是恒定的。

所述通孔优选地具有这样的形状使得它们没有任何锐边并且可以属于包括圆形、椭圆形、长圆形和伸长形状的群组。

根据本发明的一个备选实施例，第二衬底可以附着在所述膜片的第一表面侧以实现双向流体流量调节器。

本发明还涉及包括如上公开的流体流量调节器的装置并且提供这种调节器的制造工艺。

附图说明

通过阅读参考附图给出的优选实施例的以下详细描述将更显而易见本发明的其他特性和优点，该优选实施例作为非限定性例子被提供，并且在附图中：

图1显示了根据本发明的一个优选实施例的流体流量调节器的简化横截面图，该调节器经受第一压力值；

图2显示了图1的流体流量调节器的相同视图，该调节器经受第二更大的压力值；

图3a显示了根据本发明的另一个典型实施例的膜片的简化平面图；

图3b显示了根据本发明的又一个典型实施例的膜片的简化平面图；

图4a显示了根据本发明的第一备选实施例的流体流量调节器的简化横截面图；

图4b显示了根据本发明的第二备选实施例的流体流量调节器的简化横截面图；

图5a显示了根据本发明的另一个典型实施例的膜片的简化平面图；

图5b显示了用于与图5a的膜片协作的薄膜的简化平面图；

图5c显示了当覆盖有图5b的薄膜时图5a的膜片的简化平面图，以及

图6显示了根据本发明的另一个典型实施例的覆盖有薄膜的膜片的简化平面图；

图7示出了被动自动调节脑积水阀的典型流速与压力特性的关系图；

图8示出了根据本发明的调节器的标称特性；

图9和10示出了根据本发明的调节器的第二实施例；

图11示出了第二实施例的剖视图；

图12示出了第二实施例的模拟特性；

图13示出了另一个实施例的模拟特性；

图14示出了第二实施例的变型；

图15示出了压力传感器的配置；

图16示出了压力传感器的另一个配置；

图17显示了膜片的弯曲应力的估计；

图18显示了弯曲应力随着压力的演变的FEM模拟；

图19显示了检测器信号与压力的关系的FEM模拟；

图20示出了每毫巴压力和每伏偏压的传感器的灵敏度；

图21示出了压力传感器的另一个实施例。

具体实施方式

图1和2显示了根据本发明的第一实施例的流体流量调节器的简化横截面图，所述流体流量调节器关于施加到它的压力的一般行为类似于先前所述的现有技术的装置。

实际上，在这些图上所示的流体流量调节器1包括刚性衬底2和弹性膜片3，它们在预定连结区域4中紧密地连结在一起以在其间限定腔6。取决于衬底材料，可以通过直接或阳极结合执行膜片与衬底的组装。

典型地，在衬底和膜片两者上的连结区域4可以具有范围在0.5到100nm RMS之间的糙度以避免任何泄漏。

作为非限定性例子，连结区域位于衬底和膜片两者的周边，衬底包括扁平中心部分8，所述扁平中心部分由环形肩部9围绕，从而当扁平膜片结合到衬底肩部时保留用于限定腔6的中心室。明显地，肩部可以具有任何其他形状而不超出本发明的范围，例如矩形。

为了包装目的肩部10可以与膜片一体化被提供，而不用在本发明的实现方面发挥作用。

衬底优选地由硅或Pyrex(注册商标)制造，而膜片优选地由硅制造。膜片可以通过任何常规的结合工艺连结到衬底。

备选地，衬底也可以通过热压印或注塑由塑料材料(例如SAN，聚碳酸酯等)制造。

该装置的典型优选尺寸如下：膜片可以具有在大约50到150μm之间的厚度，而腔可以具有在大约10到50μm之间的高度。

膜片3具有与腔侧相对的第一表面12，第一表面连接到在流体储存器侧的流体入口(未显示)，而腔连接到流体出口13，在该应用中为了药物输送的目的所述流体出口本身用于连接到患者的身体。当然，如在本说明书中稍后将要描述的，根据本发明的相同调节器可能用于其他应用。

膜片还具有若干通孔15，所述通孔15与腔邻接以限定药物输送通过根据本发明的调节器的路径。

考虑到如当前所述的药物输送装置的常规使用条件，它应当在从大约0到600mbar的压力范围内以大约1ml/h的恒定流速输送具有类似于20℃的水的性质的药物。

图1对应于这样的情况，其中施加于膜片3的压力小到使得后者是基本扁平的，作用于膜片的两侧的各自压力或多或少被平衡。

当施加于第一表面12的压力增加时，膜片经受扭曲并且朝着衬底2在腔6内弯曲，如图1b中所示。

从图2还可以看出通孔15在膜片上到处分布使得当后者弯曲时，取决于压力，一些通孔可能被堵塞并且其他未堵塞。

实际上，申请人进行了实验，实验的结论是有可能制造具有带有指定分布的指定数量的通孔的膜片使得压力范围可以被划分为子范围，每个子范围对应于特定数量的堵塞通孔15，并且使得在全部范围内流体流速保持大致恒定。

因此，考虑到膜片的指定孔，假如流体对第一表面12施加大于第一预定阈值(其将导致阻碍流体流过所述通孔)的压力，下一个通孔仍然可以让流体流过它，只要施加于第一表面的压力小于第二预定阈值，等等。当最后一个通孔被堵塞时，不会再有流体流过装置，根据本发明的调节器因此起到过压保护系统的作用。

有利地，膜片和通孔被布置为使得相对于施加于第一表面、在大约从第一预定阈值(对应于最中心孔的堵塞)到对应于第n外部通孔的第(n+1)阈值的范围内的压力，流体流速将基本恒定。

可以达成膜片厚度、腔厚度或膜片与衬底之间的间隙以及通孔的数量/直径的选择的主要参数是孔直径的公差以及膜片/间隙厚度的公差。

应当注意的是调节器关于流量与压力分布的关系的限定具有大的灵活性。实际上，调节器可以被设计为使得线图是基本平的或具有除零以外的斜率。它例如可以具有负斜率而不脱离本发明的范围。

从一般观点来看，通孔优选地具有这样的形状使得它们没有任何锐边以避免应力集中。通孔形状可以彼此不同，同时形状可以优选地属于包括圆形、椭圆形、长圆形和伸长形状的群组。

图3a和图3b以非限定方式显示了通孔形状和分布的例子。

如图3a中所示，椭圆形或长圆形孔可以有用于制造更连续的调节系统。

实际上，三个椭圆形孔301、302、303被设计在圆形膜片300上，它们的取向不是特别径向的。孔被定位为使得在流阻方面具有连续性：在完全关闭在膜片的中心的第一孔301所需的压力之前或刚好相同压力下，第二孔302开始关闭，等等。

孔可以有利地被布置为使得可以通过用线连结通孔的中心绘制螺旋曲线。

孔的取向必须根据膜片偏转性质被选择。

应当注意的是例如螺旋形的连续通道不是推荐的，只要它将大大改变膜片挠性。然而，可以通过由围绕膜片的垂直轴旋转制造的孔的分布使用特殊设计，例如图3b的典型设计。后者显示了被设计为螺旋曲线的区段的孔，每个区段的长度被选择以不明显改变膜片挠性。

明显地，孔越窄，在制造过程期间它们蚀刻越困难。本领域的技术人员可以毫无任何特殊困难地修改本公开以设计满足该需要的孔而不脱离本发明的范围。

图4a和4b显示了根据本发明的调节器的另一种实现方式的两个实施例，其中它是双向的。

实际上，有可能将第二衬底结合到膜片的第一表面侧使得后者可以变形并且沿两个方向提供相同的调节效果。

在图4a中，膜片401具有扁平中心部分402和周边肩部403，第一和第二衬底410、420通过所述周边肩部结合在膜片的每一侧以在膜片的两侧限定类似的腔406。

取决于流体流动方向，每个衬底具有至少一个孔411、421以限定入口/出口，而膜片具有类似于已经在上面所述的多个通孔415。

在图4b中，膜片501是扁平的，而每个衬底510、520具有布置在衬底510、520的扁平中心部分512、522中的孔511、521并且在周边肩部513、523结合到膜片以在膜片的两侧限定类似的腔506。

在这里再次地，膜片具有类似于已经在上面所述的多个通孔515。

应当注意的是图4b的实施例比图4a的实施例优选，只要它制造更容易并且因此更便宜。然而，这不应当被理解为限制本发明的保护范围，并且等效替换当然是可能的。

关于根据本发明的调节器的制造，可以执行常规步骤。

衬底可以由硅或Pyrex(注册商标)制造，而当有周边肩部时扁平中心部分可以通过各向同性湿法蚀刻步骤被制造。

如先前所述，备选地，衬底也可以通过热压印或注塑由塑料材料(例如SAN，聚碳酸酯等)制造。

关于该材料的特别合适的机械性质，膜片可以优选地由硅制造。膜片的加工也可以通过湿法蚀刻进行，而它的通孔可以使用干法蚀刻被制造。可能需要膜片和/或衬底上的抗结合层以典型地在组装期间防止膜片粘结到衬底上。对于硅制膜片和Pyrex制衬底，典型的抗结合层是氮化硅。

优选地应当特别留意用于彼此接触的装置的(即，膜片的或衬底的)不同表面的制备。实际上，不应当在会危害装置的操作的那些表面上，尤其在膜片上的通孔的附近，发现有害的微粒或灰尘。此外，衬底和膜片表面都可以具有范围在0.5到100nm RMS之间的糙度，从而当膜片变形和接触衬底时避免它们之间的任何泄露。

根据一个优选实施例，调节器的出口孔可以直接布置在膜片中以便简化衬底(一个或多个)的制造工艺。

取决于膜片的所需厚度，有可能简单地将钻孔硅片结合到蚀刻衬底上。实际上，100μm厚的硅片在市场上常规地可获得并且可以在通孔蚀刻在它们中之后直接被使用。

另一个制造工艺可以代替上述制造工艺被执行，在单向调节器装置的情况下该制造工艺在膜片的设计上更灵活。

实际上，膜片可以被设计为每个最后所需通孔带有若干孔，而附加薄层将覆盖膜片的整个第一表面。在使用膜片之前，附加层然后将根据指定规范被修整以打开所需通孔。

在该制造工艺的一个优选实现方式中，膜片可以在通过干法蚀刻在其中构型孔之前覆盖有铝或氧化硅的牺牲层。有可能例如设计每个最后所需通孔(即，每个压力子范围)有四个孔。牺牲层然后可以覆盖有附加薄层(例如聚合物层)以闭合所有那些孔。然后可以通过任何适应性常规操作(例如旋压或层压)施加附加层。

接着，将膜片结合到衬底并且可以在使用激光、热丝、火花等修整附加层以及牺牲层之前通过在调节器的腔中施加负压经验地完成通孔。

明显地，也有可能对膜片第一表面施加正压力以完成通孔或备选地在组装膜片与衬底之前可以特定地去除牺牲层而不脱离本发明的范围。

最大的孔优选地被制造为具有比标称计算直径略小的直径，即使考虑到直径公差的最差情况。接下来的孔应当具有逐渐比第一孔更小的直径。通过在腔中施加负压，流速可以被测量并且应当打开的下一个孔可以被估计以便保持流速大致恒定。

使用该方法，相同装置可以被成像和修整以便适合于仅仅用一个一般设计在流速值的大范围内调节流体径流。

而且，该方法允许绕开否则需要的蚀刻精度的问题，并且因此降低装置成本和尺寸。

图5a、图5b和图5c显示了根据本发明的装置的另一个典型实施例的简化平面图。更准确地，图5a显示了具有特殊设计以适配有聚合物薄膜的膜片，所述薄膜也具有特殊设计并且在图5b中示出，这两个元件之间的协作从图5c显现。

在一个方面，膜片600具有中心孔601和三串通孔602、603和604。

这些串的每一个包括五个通孔，所述通孔在这里以非限定示例方式在膜片的半径上对准。三个串例如彼此等角地间隔，本发明并不限于该特定特征。

指定串的通孔被设计为使得如果该串如上面结合图1和图2所述独自使用，它将允许在预定压力范围内保持流体流速的预定值。每个串被设计为对应于它自身的流体流速。

在另一个方面，在图5b上示出的薄膜610被设计为带有中心孔611和多个狭缝612，所述狭缝被布置为使得当薄膜设置在膜片600上时，通过薄膜与膜片之间的相对旋转，狭缝可以选择性地匹配通孔串602、603和604中的0串、任意1串、任意2串或3串，从而让相应的串打开。实际上，薄膜应当具有这样的机械性质使得它可以抵靠在膜片的第一表面上，只要一对后者施加压力(通过从第一表面侧施加的正压力或从腔侧施加的负压力)。

图5c示出了所有三个串保持未覆盖的配置。

因此，如果例如通孔被设计为使得串602、603、604分别对应于1、2和4ml/h的流体流速，可以通过在膜片600之上的薄膜610的合适角位置达到所有以下值：1ml/h(602打开)、2ml/h(603)、3ml/h(602+603)、4ml/h(604)、5ml/h(602+604)、6ml/h(603+604)和7ml/h(602+603+604)。

该装置可以优选地带有根据膜片上的薄膜的角位置指示流体流速的值的标记620，薄膜也带有相应标记621，允许薄膜与膜片之间的精确相对调节。

本领域的技术人员可以基于刚刚所述的概念实现其他实施例而不脱离本发明的范围。

图6示出了另一个这样的实施例，其中膜片700具有三串通孔701，而具有中心孔711和狭缝712的薄膜710被提供使得在任何时候单一串可以保持打开。通孔701在这里被设计为使得每个串对应于在预定温度下的预定流体流速。根据所示实施例，第一串对应于在10℃的温度下的1ml/h的流体流速，而其他两串对应于分别在20℃和30℃下的相同速度。

明显地，有可能为膜片提供另外的通孔串而不脱离本发明的范围，例如分别对应于在10℃、20℃和30℃下的2ml/h的流体流速的三串，等等。

该装置也可以用于具有不同粘度的不同流体类型。因此，通孔串可以被设计为考虑这些不同流体的使用。

本领域的技术人员可以毫无困难地组合刚刚所述的任何实施例以设计满足该需要的装置，例如同时考虑粘度和温度的串。

以上描述对应于作为非限定性例子描述的本发明的优选实施例。特别地，流体流量调节器的各种组成部分的所示和所述形状是非限定的。例如，通孔的数量是非限定的。中心通孔的存在作为一个实施例的示例性例子给出，但是本领域的技术人员可以毫无困难地设计不带有中心通孔的流体流量调节器。

作为例子，本领域的技术人员将毫无特殊困难地在尺寸、流速、材料或制造工序方面使本发明适应他的需要。

此外，也应当注意的是本装置可以被应用于患者的皮肤上或植入患者的身体中，例如在脑积水治疗的领域中，这典型地意味着借助于植入阀进行引流。

以下描述更具体地涉及用于引流脑积水患者的脑脊髓液(CSF)的调节器用作自动调节阀，该描述原则上也适用于其他应用。

图7显示了被动自动调节脑积水阀的典型流速与压力特性的关系图。在10到35mbar之间流速被调节为20ml/h。该值对应于0.5L/day的平均CSF产量。对于更高的CSF每日体积产量，必须不在高压力下调节以便避免引流不足。这解释了在高压力下的曲线的形状。在低压力下不再需要获得高流速(过度引流问题)。流速可以从在3到10mbar之间变化的阈值线性地增加20ml/h的值。

由于引起流体静压的变化的患者运动产生的过度引流受到该流速特性的强力限制。

该特性很接近于上述被动流量调节器的特性。在高压力下安全断路系统应当由标准限流器代替。可以通过将装置的最后孔朝着膜片的外缘移位简单地获得该特征。

在图8中示出了根据本发明的装置的标称特性。

本描述中的上述装置基于膜片的弹性变形，当施加压力时所述弹性变形与衬底接触。流速经由膜片中的微孔调节。必须进行FEM模拟以首先估计在不同工作压力下的膜片的形状。

也必须进行流体模拟以估计在孔的出口的射流行为。膜片与联接到大直径膜片的衬底之间的间隙的小尺寸在残余流阻方面确实是不利的。该问题不具有轴向对称性并且微孔和在它们的出口的大射流路径的网格化困难。

在公开实施例中提出了部分避免该影响的方案。而且流速的估计将变得明显更容易。

该思想仅仅是蚀刻衬底(RIE...)以便在膜片的孔的前面产生立柱。目标是保证在孔之后压力立即快速趋向于出口压力。同样重要的是保证膜片仍然经受对称变形。衬底的外环也可以被蚀刻以用于在出口的压力的更好平衡。各种掩模可以被设计用于该蚀刻区域。

我们在下面提出了用于蚀刻衬底的很基本的掩模(参见图9、10和11)：首先典型地通过硅的湿法蚀刻在区域801上蚀刻初始扁平衬底800，所述区域将限定膜片(未在这里表示)的直径。然后执行附加蚀刻(典型地为干法蚀刻)以便限定立柱803和腔804的第二水平面。当施加压力时衬底(第一蚀刻水平面801)和立柱803的较暗部分形成膜片的支座。阀的出口被标引为805。

在图11中示出了系统的示意性剖视图，该图显示了立柱803和蚀刻水平面804以及带有孔15的膜片3。

衬底可以是Pyrex、硅或塑料。对于Pyrex或Si，在组装期间需要抗结合层来防止膜片粘结到立柱上。

在100μm厚度，200mm晶片可以不再支撑自身(对于300mm晶片来说为150μm)。也必须使用衬底来进行操纵，在阳极结合之后可以去除衬底。

为了对低压力敏感必须使用薄膜片和/或膜片与衬底之间的小间隙和/或大膜片直径。典型的膜片分流器相当大，直径为大约35mm或以上。

最大膜片直径＝15mm。

固定的膜片厚度t＝50微米。

10mbar的接触压力导致膜片与衬底之间的间隙为25微米。

可以简单地使用包括在立柱与膜片之间的孔和开口的串中的流阻建模径流。

孔的流阻Rf_i，直径D_i，液体的动态粘度η(SI单位)：

${\mathrm{Rf}}_i=\frac{128\mathrm{\ηt}}{{{\mathrm{\πD}}_i}^4}$

开口的流阻Rf_i′(P)，h_i(P)是对于立柱和孔I在压力P下的膜片与立柱之间的距离，并且D_i’是立柱直径：

${{\mathrm{Rf}}_i}^{\′}\left(P\right)=\frac{6\mathrm{\η}}{\mathrm{\π}{h}_i{\left(P\right)}^3}\ln \left(\frac{{D_i}^{\′}}{D_i}\right)$

流速Q采用以下形式：

$Q=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{Q}_i=\mathrm{\ΔP}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{Rf}}_i+{{\mathrm{Rf}}_i}^{\′}\left(P\right)}$

使用在压力下膜片变形的FEM模型估计函数h_i(P)。

仅仅使用3个孔匹配理论流速：使用模拟估计孔和立柱直径。如果孔与立柱之间的准直公差太紧，则孔的数量可以变化。位于膜片的外侧的孔不具有立柱。

参数：
			膜片Si	厚度50微米
E＝156Gpa	间隙25微米
			nu＝0.262	直径15mm
			离中心的径向位置(mm)	孔直径(um)	立柱直径(um)
3.46	48	60
			5	52	90
6.5	35	70

图12示出了获得的脑积水的典型流速与压力模拟曲线的关系图。

另一个实现例子是如下在药物输送应用中具有七个孔和立柱。

硅制膜片

直径5mm

厚度50微米

间隙25微米

7个孔和立柱的特性：

半径(mm)

孔直径(um)

立柱直径(um)

图13示出了实现该药物输送应用获得的流速与压力模拟曲线的关系图。

如上所述，通过将另一个衬底放置在膜片的前侧上，系统可以沿两个方向调节流量。

根据上文所述的原理的带立柱的衬底也可以用于双向调节。对于脑积水治疗，由于不允许返流(脑室污染的风险)，需要简单的止回阀。

在该情况下产生该止回阀的最简单方式是将带立柱808的相同衬底放在孔15的前面(膜片806的前侧)，但是没有间隙(参见图14)。新立柱808将改变系统的射流行为但是必须使先前所述的模型适应于射流行为的模拟。

也有可能典型地通过将层(优选抗结合层)加入到顶衬底的立柱808上或直接加入到也将被预加应力的膜片806上使膜片产生小的预张力。在图14中示意性地示出了该实施例，其中关于图11所述的部分具有相同的参考数字。在立柱803的前面(在膜片806的另一侧)可以清楚地看到盖807的新立柱808。

在本发明的另一个实施例中，知道患者的颅内压是有用的，以便检查治疗的效力和装置的良好功能。可以由医生使用无线系统监测该压力。

压力传感器本身可以简单地由直接植入硅膜片中的应变计制造，所述应变计由于CSF压力而经受大应力。这是差压传感器。

下面给出了压力传感器灵敏度的初步估计。

假定：电桥的电绝缘将由附加植入层制造，其极性与电阻器极性相反，以便不引入附加物理层(工艺的简化和更好的长期稳定性)。

对合适植入剂量的估计进行模拟。

衬底：硅SC n型

晶片(100)

电阻率：3到5ohm.cm

p电阻器沿着[110]方向的取向

在图15中示出了全桥配置。对于匹配电阻器R₁＝...＝R₄＝R，我们得到：

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1-{\mathrm{\ΔR}}_2+{\mathrm{\ΔR}}_3-{\mathrm{\ΔR}}_4}{4R}+o\left(\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\right)$

在图16中示出了电阻器R1-R4的取向的例子。

根据该取向和系统的对称性，我们得到：

ΔR₁＝ΔR₃＝-ΔR₂＝-ΔR₄＝ΔR

并且最后：

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}\≈\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}$

压阻效应采用以下形式：

ΔR/R＝∏_lσ_l+∏_tσ_t

其中

∏_l，∏_t：纵向、横向压阻系数

以及σ_l，σ_t：沿着电阻器和垂直于(面内)它的应力。

在硅(100)晶片上，压阻效应是取向依赖的：

∏_l＝π₁₁-sin²(2θ)(π₁₁-π₁₂-π₄₄)/2

∏t＝π12+sin²(2θ)(π11-π12-π44)/2

其中

θ＝电阻器相对于[100]方向的取向

π₁₁，π₁₂和π₄₄：压阻系数

n-Si：π₁₁＝-102.2，π₁₂＝53.4，π₄₄＝-13.6(×10^-11Pa^-1，全部)

p-Si：π₁₁＝6.6，π₁₂＝-1.1，π₄₄＝138.1(×10^-11Pa^-1，全部)

(在ρ_n-Si＝11.7Ωcm和ρ_p-Si＝7.8Ωcm时)

我们得到：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\≈\frac{{\mathrm{\π}}_{44}}{2}({\mathrm{\σ}}_l-{\mathrm{\σ}}_t)={69.10}^{-11}({\mathrm{\σ}}_l-{\mathrm{\σ}}_t)$

通过在膜片之下施加正压力，信号

是正的。在该情况下压力被施加于膜片的顶表面(电阻器侧)并且我们应当反转V_out+和V_out-的极性以便使正压力获得正信号。

在不同压力下估计膜片中的应力。需要用于膜片的偏转的非线性模型，原因是我们具有大偏转(若没有衬底，膜片的自由偏转大于它的厚度的0.4倍)。

FEM模拟表明非线性效应可以被忽略(膜片应力)并且因此我们可以根据在40mbar的径向位置直接估计在膜片顶表面的弯曲应力，如图17中所示。

由于大膜片直径和厚度，我们可以忽略电阻器中的应力变化。

靠近膜片的边缘，在40mbar，我们得到

σ_l-σ_t≈30MPa

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\≈0.0207$

在图18中示出了在R＝7.35mm该应力随着压力的演变。

在图19中显示了每伏特偏压的检测器信号。

给出每mbar压力和每伏特偏压的传感器的灵敏度也是有用的，并且在图20中示出。

在20mbar，灵敏度为大约S＝0.5mV/V/mbar

对于2V的偏压，我们简单地得到1mV每mbar。

可以使用简单运算放大器毫无困难地监测检测器的信号。

该集成压力传感器的期望最小分辨率是1mbar。

可能需要将互连部分地移位到射流路径的外部(电阻器R1-R4未按比例)，如图21中所示。

不与液体接触的互连可以通过增加p+层的剂量被金属化或制造，原因是我们在未由n+层覆盖的区域中没有任何限制。

互连和电阻器的电绝缘可以通过附加非导电层获得。该新层应当被认为是检测器的设计(膜片硬度的增加...)。

从该描述和从示例性非限定例子将容易理解，根据本发明的调节器可以在不同应用中和以不同方式被使用并且需要时涉及不同应用的不同实施例可以组合在一起。

另外，由于根据本发明的系统可能对可以形成通道堵塞的微粒敏感，因此该装置应当优选地包括：

在入口的过滤器

防止蛋白结合的杆和圆筒的亲水涂层(例如PEG...)

应当在清洁室中清洁装置的不同部分和组件期间考虑对微粒的敏感性。

许多附加特征可以被实现并且它的应用领域可以扩展到除了脑积水治疗或药物输送以外的需要相同工作原理的其他应用。

当然，可以预见装置的其他应用的其他尺寸并且所有实施例作为不应当以限定方式被理解的示例性例子给出。

如上所述，在药物输送和引流CSF的脑积水分流的框架中进行了本发明的描述，但是它并不限于该特定应用，而是可以在医疗中或在其他领域中预见其他应用。将压力传感器集成到硅膜片中的可能性是主要优点，原因在于医生可以在外部使用无线系统监测CSF压力。由于它的特殊流量与压力的特性，该装置是被动的并且抗虹吸。无预期老化。可以使用气流计在晶片水平测试该装置。与CSF接触的所有材料是生物相容的。

将从先前的描述理解，调节器可以用作止回阀(图14)。它也可以用作这样的阀，例如当压力达到预定高值所述阀在高压下关闭(当孔被关闭时，原因是膜片完全变形)，或备选地，在一个变型中，所述阀可以保证调节器是打开的，即使在高压下，即，当压力达到预定高值时。为此，必须靠近腔6的一侧放置至少一个孔，因此保证即使当膜片完全变形时，该孔也将不关闭(与其他孔一样)。可以理解，调节器的特性可以受到孔的位置和它们的数量影响。

在医疗领域中，该装置可以被植入或不被植入并且必要时可以由生物相容材料制造。当然，根据情况，可以预见其他材料。而且取决于应用，其他值是可能的，并且本文中给出的例子完全是示例性的和非限定性的。

而且，取决于应用和预期效果，调节器和装置的尺寸和形状可以由技术人员随意改变。

例如，在膜片(参见图4a，4b和14)的两侧的腔可以在尺寸和形状上是相同或不同的。

另外，取决于应用和/或调节器的使用，压力阈值(第一、第二预定高值)可以由技术人员选择或确定。

使用的材料可以是适合调节器的预期使用的任何类型。在可植入装置的情况下它们是生物相容的。它们可以经受特定处理并且也可以涂覆有试剂，例如亲水试剂。

Claims (27)

1.被动型的流体流量调节器(1)，其具有适于连接到流体储存器的流体入口和适于连接到输送位置的流体出口(13)，

所述调节器包括刚性衬底(2)和弹性膜片(3)，所述刚性衬底和所述弹性膜片在预定连结区域(4)中紧密地连结在一起以在其间限定腔(6)，

所述腔(6)连接到所述流体出口(13)，而所述膜片(3)具有与所述腔(6)相对的第一表面(12)，第一表面连接到所述流体入口，

所述膜片(3)具有与所述腔(6)邻接的通孔(15)，从而限定从所述流体入口到所述流体出口(13)的路径，并且所述膜片(3)是挠性的，从而当流体对所述第一表面(12)施加大于第一预定阈值的压力时能够在所述腔(6)内与所述衬底(2)接触并且接触的一部分包括所述通孔(15)，从而导致阻碍流体流过所述通孔(15)，

其中所述膜片(2)包括至少一个附加通孔(15)，所述附加通孔与所述腔(6)邻接并且被布置为使得流体可以流过它，假如所述流体对所述第一表面(12)施加大于所述第一预定阈值但是小于第二预定阈值的压力，所述膜片(3)和所述附加通孔(15)还被布置为使得根据施加于所述第一表面(12)、在大约所述第一预定阈值到所述第二预定阈值范围内的压力，流体流速是基本线性的。

2.根据权利要求1所述的调节器(1)，其中所述膜片(3)包括与所述腔(6)邻接的n个附加通孔(15)，每个第j附加通孔被布置为使得流体可以流过它，假如所述流体对所述第一表面(12)施加大于第j预定阈值但是小于第(j+1)预定阈值的压力，所述膜片和所述n个附加通孔还被布置为使得根据施加于所述第一表面、在大约第一预定阈值到所述第(n+1)预定阈值范围内的压力，流体流速是基本线性的。

3.根据权利要求2所述的调节器(1)，其中每个所述通孔(15)被设计为使得它具有这样的流阻，所述流阻根据施加于所述第一表面(12)、在大约所述第一预定阈值到它的相应预定阈值上限的压力范围内的压力线性地增加，使得所述流体流速是基本恒定的。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器(1)，其中所述通孔(15)具有不带有任何锐边的形状。

5.根据权利要求4所述的调节器(1)，其中每个所述通孔(15)可以具有诸如圆形、椭圆形、长圆形和伸长形状的形状。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器(1)，其中所述通孔(15)沿着螺旋曲线分布在所述膜片(3)上。

7.根据权利要求2-6中的任一项所述的调节器，其中所述通孔(15)以串(602，603，604)布置并且它包括堵塞元件(610，710)，所述堵塞元件相对于所述膜片(600，700)布置以在至少第一位置和第二位置之间可移动，所述堵塞元件具有至少一个开口(612，712)并且被设计为能够在所述第一位置中选择性地堵塞所述串中的至少一个并且在所述第二位置中通过使所述开口与所述串匹配让所述串打开。

8.根据权利要求7所述的调节器，其中所述堵塞元件是在所述膜片上可旋转的薄膜。

9.根据权利要求7或8中的任一项所述的调节器，其中所述堵塞元件(610，710)被设计为在至少两个不同位置之间可旋转以调节在包括下列的群组内的参数中的任何一个或任何组合：流体流速、温度、流体粘度或流体性质。

10.根据权利要求1-6中的任一项所述的调节器，其中它包括附加刚性衬底(420，520)，所述附加刚性衬底在第一表面侧的预定连结区域中紧密地连结到所述弹性膜片(401，501)以在其间限定附加腔(406，506)，每个衬底具有与相应腔连接的入口/出口孔(421，521)。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器，其中至少在所述连结区域(4)中，所述衬底和所述膜片都具有范围在0.5到100nm RMS的糙度。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器，其中它包括在所述腔(6)中在所述通孔(15)前面的至少一个立柱(803)。

13.根据权利要求12所述的调节器，其中它包括在所述孔(15)的另一侧的至少一个附加立柱(808)。

14.根据权利要求13所述的调节器，其中在所述孔(15)的另一侧的所述附加立柱(808)与膜片接触以形成止回阀。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器，其中它包括在膜片(3)上和/或在立柱(803，808)上的抗结合层。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器，其中当所述压力达到预定高值时它关闭。

17.根据权利要求1-15中的任一项所述的调节器，其中即使当所述压力达到预定高值时它也保持打开。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器，其中它包括测量膜片的变形的机构。

19.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器，其中它包括微粒过滤器。

20.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器，其中与流体接触的部分涂覆有亲水试剂。

21.根据前述权利要求中的任一项所述的调节器，其中变形传感器由外部机构供电和监测。

22.根据前述权利要求中的任一项所述的流体流量调节器(1)的制造工艺，包括以下步骤：

a)提供弹性膜片(3)；

b)将牺牲层施加到所述弹性膜片的第一表面(12)上；

c)在所述膜片中蚀刻多个孔，所述牺牲层限定蚀刻止挡；

d)将附加层施加到所述牺牲层上；

e)去除所述孔内部的所述牺牲层；

f)在与所述第一表面相对的它的一侧的预定连结区域(4)中组装所述膜片与刚性衬底(2)以在其间限定腔(6)；

g)在预定位置修整所述附加层以完成膜片中的通孔(15)。

23.根据权利要求22所述的工艺，其特征在于步骤e)和g)同时执行。

24.根据权利要求22或23所述的工艺，其特征在于所述附加层是通过喷涂、旋压或层压施加的聚合物层。

25.根据权利要求22-24中的任一项所述的工艺，其中所述衬底被蚀刻以产生立柱和出口孔。

26.药物输送装置，其包括根据权利要求1-21中的任一项所述的流体流量调节器(1)以及用于将药物输送到患者的身体中的输注机构。

27.脑积水自动调节阀，其包括如权利要求1-21中的任一项所述的至少一个调节器。

Images