DD291009A5 - Einrichtung zur feindosierung, insbesondere mikrodosierung von druckbeaufschlagten fluessigen und gasfoermigen medien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Feindosierung, insbesondere Mikrodosierung von druckbeaufschlagten fluessigen und gasfoermigen Medien. Als bekannte Elemente besitzt die Einrichtung einen volumenvariablen Dosierspeicher, eine Einlaszleitung mit Einlaszventil, eine Auslaszleitung mit Auslaszventil und eine Fuellstandsmeszeinrichtung. Erfindungsgemaesz bestehen die Einzelteile aus einkristallinem Silizium. Die beiden Ventile sind als Membranventile ausgefuehrt, deren Membran seitlich des Ventilsitzes durchbrochen und quer zur Stroemungsrichtung angeordnet ist. Die die Membran und die Austrittsoeffnung enthaltenden Ventilteile weisen aeuszere elektrische Anschluesse auf. Der Dosierspeicher besitzt eine Silizium-Flachmembran und mindestens zwei Endlagenschalter. Die Ventile und der Dosierspeicher sind auf einem mit Durchbruechen und Verbindungskanaelen versehenen Traeger aus Silizium angeordnet. Die Einrichtung besitzt folgende Eigenschaften: Eignung fuer Implantation, fuer empfindliche Medikamente, hohe Zuverlaessigkeit und Sicherheit vor UEberdosierung, geringer Energiebedarf, geringes Gewicht, kleines Volumen und leistungslose Messung der Menge.{Mikrodosierung; druckbeaufschlagte fluessige und gasfoermige Medien; volumenvariabler Dosierspeicher; Einlaszventil; Auslaszventil; Fuellstandsmeszeinrichtung; Membranventile; Einzelteile aus einkristallinem Silizium; Flachmembran; Endlagenschalter}

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Dosieren minimaler Flüssigkeits- und Gasmengen für den Einsatz auf allen den Gebieten, wo höchste Präzision und Zuverlässigkeit erforderlich sind. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Analysenmeßtechnik und die Dauerinfusionstherapis vermittels implantierbarer Geräte.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist eine Anzahl Mikrodosiereinrichtungen bekannt, darunter vor allem in implantierbaren Infusionspumpen. Ihre Funktion wird wesentlich durch das verwendete Antriebsprinzip bestimmt. Verwendet werden mechanische, elektromechanische, osmotische, elektroosmotische, elektrochemische und hydraulische Antriebe. Die so erzeugten Förderdrücke weisen unterschiedliche Zjitcharakteristiken auf, so daß die Dosiereinrichtung dem Antriebssystem angepaßt sein müssen. Bei implantierbaren Infusionsgeräten kann zwischen aktiven und passiven Dosiereinrichtungen unterschieden werden. Aktive Dosiereinrichtungen enthalten ein aktives Pumpenelement. Bei passiven Dosiereinrichtungen wird die Volumenänderung durch einen Überdruck dos Dosiermediums erreicht. Typischer Vertreter ist die freigasgetriebene Infusionspumpe. Bei ihr drückt das Treibgas eines Behälters auf einen flexiblen Medikamenten-Vorratsbehälter. Die sich über eine Zuleitung an den Vorratsbehälter anschließende Dosiereinrichtung setzt sich in neueren Ausführungen aus einem Einlaßventil, einem volumenvariablen Dosierspeicher und einem Auslaßventil zusammen. Eine solche Ausführung ist als Medikamentendosiergerät in der DE-OS 3520782, A 61 M - 5/16, beschrieben. Der Aufbau der Ventile ist nicht näher erläutert. Sie werden vermittels elektrischer Signale gesteuert. Dagegen ist der Aufbau des Dosierspeichers und der mit ihm gekoppelten Füllstandsmeßeinrichtung dargestellt. Der Dosierspeicher ist als ein durch einen federbelasteten Kolben veränderlicher Raum oder als unter Feder- oder Gasdruck stehender Faltenbalg ausgebildet. Auch für die Füllstandsmeßeinrichtung werden mehrere Möglichkeiten angegeben. Die erste Möglichkeit sieht eine am Ende des Stößels des Kolbens oder Faltenbalgs befestigten magnetischen Kern vor, der bei Bewegung des Stößels mehr oder weniger in den Innenraum einer Spule eindringt. Die damit verbundene Änderung der

Spuleninduktivität dient der Ermittlung des Füllstandes des Doslerspeichers. Die zweite Möglichkeit stellt eine Abwandlung der ersten dar, indem der magnetische Kern in den Luftspalt eines Magnetkreises eintaucht. Die damit einhergehende Änderung des magnetischen Widerstandes ist ein Maß für den Füllzustand des Doslerspeichers. Bei der dritten Möglichkeit sind ein kleiner Magnet am Boden des Faltenbalge und gegenüber an der Außenwand der Dosierkammer ein Hallelement angeordnet. Die Änderung der Hallspannung Infolge Bewegung des Magneten dient der Messung des Füllstandes der Dosierkammer. Der Dosierspeicher und die Füllstandsmeßeinrichtung sind aus feinmechanischen Elementen aufgebaut bzw. enthalten elektrische und magnetische Elemente, die feinmechanisch gefertigt sind. Alle Elemente werden mehr oder weniger individuell gefertigt, nicht nach einer Gruppentechnologie. Sie sind mit Methoden der Mikromechanik nicht herstellbar. Dadurch ist der Fertigungsaufwand relativ hoch. Zu groß sind auch die Masse und das Volumen für die Implantation. Die Signalgabe und die Steuerung der Ventile sind für einen Batteriebetrieb zu onergieaufwendig, Verwendet werden ermüdungsbehaftete Werkstoffe. Die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit sind dadurch eingeschränkt. Es ist unwahrscheinlich, daß ein mit den genannten Elementen aufgebauter Dosierspeicher ein Volumen von wenigen Mikrolitern aufweist. Ebenso ist mit diesen Elementen der Temperaturbereich der dosierbaron Medien eingeschränkt. Bedenken bestehen auch hinsichtlich der erforderlichen hohen Sicherheit der Dosierung.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat den Zweck, den Fertigungsaufwand zu senken, Masse, Volumen und den Energieverbrauch zu senken, die Lebensdauer, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit zu erhöhen, die dosierbare Minimalmenge zu verringern und den Temperaturbereich der dosierbaren Medien zu erweitern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Mikrodosierung von druckbeaufschlagten flüssigen Arzneimitteln zu schaffen, die implantierbar für den Langzeiteinsatz ist, für empfindliche Medikamente geeignet ist, eine hohe Zuverlässigkeit aufweist, sich durch geringen Energiebedarf, kleines Volumen und geringe Masse auszeichnet, eine leistungslose Mengenmessung und eine Havarieerkennung besitzt und eine Überdosierung ausschließt. Die Lösung dieser Aufgabe schließt als bekannte Elemente einen volumenvariablen Dosierspeicher, eine Einlaßleitung mit Einlaßventil, eine Auslaßleitung mit Auslaßventil und eine Füllstandsmeßeinrichtung ein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen: Die Einzelteile bzw. -elemente bestehen aus einkristallinem Silizium. Das Einlaßventil und das Auslaßventil sind als Membranventile ausgeführt, deren Membran seitlich des Ventilsitzes durchbrochen und quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Die die Membran und die Ausuittsöffnung enthaltenen Ventilteile weisen äußere elektrische Anschlüsse auf. Per Dosierspeicher besitzt eine Flachmembran aus Silizium und mindestens zwei Endlagenschalter. Die Ventile und der Dosiersprciier sind auf einem mit Durchbrüchen und Verbindungskanälen als Ein- und Auslaßleitung versehenen Träger aus Silizium angeordnet. In zweckmäßigen Ausführungen ist weiterhin vorgesehen: Das Düsenteil und das die Membran enthaltende Teil des Ein- und Auslaßventils sind gleich ausgeführt. Die Einzelteile der Ventile sind zueinander so angeordnet, daß sie im spannungslosen Zustand geschlossen sind. Die Flachmembran des Dosierspeichers ist elektrisch leitend und mit einem äußeren elektrischen Anschluß verbunden. Die Endlagenkontakte des Dosierspeichers sind im geometrischen Zentrum der Flachmembran und ihr beiderseits gegenüberliegend angeordnet. Der nicht mit dem zu fördernden Medium in Berührung kommende Endlagenkontakt ist am Deckel des Dosierspeichers angeordnet. Der Träger ist auf seiner den Ventilen und dem Dosierspeicher abgewandten Seite mit einer aus Glas bestehenden Abdeckplatte bedeckt.

Ausfüiirungsbelsplel In der zugehörigen Zeichnung zeigpn

Fig. 1: eine Prinzipdarstellung der Dosiereinrichtung Fig. 2: eine Schnittdarstellung des Einlaßventils der Dosiereinrichtung Fig. 3: eine Schnittdarstellung des volumenvariablen Dosierspeichers Fig. 4: eine Schnittdarstellung des Auslaßventils der Dosiereinrichtung

Fig. 5: Zeitdiagramm der Steuersignale des Einlaßventils (a) und des Auslaßventils (b) und der Ausgangspotentiale der Endlagenschalter (c,d).

Als Ausführungsbeispiel wurde die Dosiereinrichtung einer implantierbaren Insulinpumpe gewählt. Sie ist zusammen mit einem Treibgasbehälter, einem Insulin-Vorratsbehälter und einer elektronischen Steuereinheit in dem Gehäuse der Pumpe untergebracht. In der Fig. 1 sind nur die Elemente der Dosiereinrichtung dargestellt. Das Einlaßventil 1, der volumenvariable Dosierspeicher 2 und dns Auslaßventil 3sind auf einerTrägerscheibe oder-platte 4auseinkristallinem Silizium angeordnet. Der das Einlaßventil 1 und den Dosierspeicher 2 verbindende Abschnitt der Einlaßleitung δ und der den Dosierspeicher 2 und das Auslaßventil 3 verbindende Abschnitt der Auslaßleitung 6 sind als Durchbrüche und Verbindungskanäle in der Trägerscheibe 4 ausgeführt. Die anderen Abschnitte sind als Einlaßrohr 7 des Ventils 1 und als Auslaßrohr 8 des Ventils 3 ausgebildet. Die elektrischen Anschlüsse 9,10,41,45,46 der Ventile 1,3 für die Steuersignale, der elektrische Anschluß 20 der Trägerscheibe 4 und die elektrischen Anschlüsse 11,12 des Dosierspeichers 2 für die Ausgangspotentiale der Endlagenschalter sind schematisch angedeutet (Fig. 1).

DasEinlaßvsntil 1 ist aus einem Düsenteil 13 und eine Membran 14 aufweisenden Teil 15 zusammengesetzt. Das Düsenteil 13 besitzt eine sich zur Membran 14 hin konisch vergehende Düse 16. Sein um die engste Stelle der Düse 16 gelegener Bereich ist gegenüber seiner Umgebung erhöht als Ventilsitz 17 ausgebildet. Auf die gegenüberliegende Seite des Düsenteils 13 ist das

Einlaßrohr 7 aus Glas aufgesetzt. Das Teil 15 mit der Membran 14 ist zusammen mit einer größeren Anzahl gleicher Teile mit mikromechanischen Verfahren hergestellt. Die Membran 14 ist seitlich des Ventilsitzes 17 mit Durchbrüchen 18 versehen, so daß der als Verschlußteil verbleibende Teil von feinen Bändchen des Hauptkörpers des Teils 15 gehalten wird. Die Wandung unterhalb der Membran ist nach außen leicht konisch gestaltet und auf einen entsprechenden konischen Ansatz 19 der Trägerscheibe 4 aufgesetzt. Sie ist oxydiert, so daß das Teil 15 und die Trägerscheibe 4, die beide aus einkristallinem Silizium bestehen, gegeneinander elektrisch isoliert sind. An dem Düsenteil 13 ist ein elektrischer Anschluß 45, an dem Teil 15 ein elektrischer Anschluß 9 und an der Trägerscheibe 4 ein elektrischer Anschluß 20 angebracht. Der Anschluß 20 ist mit der Masse der elektronischen Steuereinheit verbunden. Die Trägerscheibe 4 ist an der Stelle des Ansatzes 19 mit zwei Durchbrüchen 21,22 versehen, die sich zu der dem Ansatz 19 gegenüberliegenden Seite erweitern und in einem als Einlaßventil 5 fungierenden Verbindungskanal münden. Die Achsen der Durchbrüche 21,22 liegen seitlich des Verschlußteils der Membran 14. Zwischen den Durchbrüchen 21,22 befindet sich ein Steg 23 mit trapezförmigem Querschnitt. Die dem Einlaßventil 1 abgewandte Seite der Trägerscheibe 4 ist mit einer Abdeckplatte 24 aus Glas bedeckt. (Fig. 2)

Der Dosierspeicher 2 ist aus einem Deckel 42 aus einkristallinem Silizium, einem ringförmigen gläsernen Zwischenstück 25 einer Flachmembran 26 aus einkristallinem Silizium, einem weiteren gläsernen Zwischenstück 27 und einem ihm zugeordneten Abschnitt der Trägerscheibe 4 aufgebaut (Fig. 3).

Die Anordnung dieser Teile erfolgt entsprechend der Reihenfolge ihrer Nennung. Die Flachmembran 26 hat demnach ihre Lage zwischen den Zwischenstücken 25,27, wobei Letzteres auf der Trägerscheibe 4 aufliegt. Sie ist an ihren Oberflächen elektrisch leitend. Der Deckel 42 und die Flachmembran 26 tragen auf ihren äußeren Flächen je einen elektrischen Anschluß 11,12. In der Trägerscheibe 4 sind beiderseits der Mitte ein Durchbruch 28 und ein Durchbruch 29 eingearbeitet. Der Durchbruch 28 steht in Verbindung mit der Einlaßleitung 5, während der Durchbruch 29 in die Auslaßleitung 6 mündet. Beide verjüngern sich zur Flachmembran 26 hin, so daß der Steg 30 zwischen ihnen einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Im Gegensatz zum Steg berührt der Steg 30 die Abdeckplatte 24 so, daß keine direkte Verbindung zwischen der Einlaßleitung 5 und der Auslaßleitung besteht. Der Steg 30 besitzt im geometrischen Zentrum der Flachmembran 26 eine als Endlagenkontakt 31 fungierende Erhöhung. Eine als Endlagenkontakt 32 wirkende Erhöhung befindet sich gegenüberliegend auf der Innenwand des Deckels Der Raum zwischen der Flachmembran 26 und der Trägerscheibe 4 bildet den volumenvariablen Raum 43 des Dosierspeichers 2. Der Deckel 42 ist mit einem verschleißbaren Durchbruch 47 versehen. Das Auslaßventil 3 weist durch die Verwendung eines Düsenteils 33 und eines Teils 34 mit Membran 35, die praktisch gleich dem Düsenteil 13 und dem Teil 15 gestaltet sind, einen dem Einlaßventil 1 ähnlichen Aufbau auf (Fig. 4). Die Auslaßleitung 6 endet in einem Durchbruch 36, der sich zum Auslaßventil 3 hin verjüngt. Das Düsenteil 33 ist nicht direkt auf die Trägerscheibe 4 aufgesetzt, sondern auf das gläserne Zwischenstück 27, das koaxial zum Durchbruch 36 und zur Düse 37 eine Öffnung 38 hat. Die auf dem Düsenteil 33 aufliegende Fläche des Teils 34 ist mit einer Oxydschicht überzogen, so daß beide Teile 33,34 gegeneinander elektrisch isoliert sind. Der um die engste Stelle der Düse 37 gelegene Bereich ist gegenüber seiner Umgebung erhöht als Ventilsitz 44 ausgebildet. In die konische Wandung des Teils 34 ist das Ausgangsteil 39 eingefaßt, dessen konische Wandung ebenfalls eine Oxydschicht trägt. Es besitzt einen zum Durchbruch 36, zur Öffnung 38 und zur Düse 37 koaxial und sich zur Membran 35 hin verengenden Durchbruch 40, an dessen äußere Öffnung sich das Auslaßrohr 8 aus Glas anschließt. Das Düsenteil 33 ist mit einem elektrischen Anschluß 46, das Teil 34 mit einum elektrischen Anschluß 10, das Ausgangsteil 39 mit einem elektrischen Anschluß 41 versehen. Die Teile 33,34,35,39 sind aus einkristallinem Silizium hergestellt. Die elektrischen Anschlüsse 9,10,11,12,20,41,45,46 sind über mikroelektronische Leiterzüge mit der elektronischen Steuereinheit verbunden. Die beschriebene Dosiereinrichtung erfüllt ihre Funktion folgendermaßen:

Das Insulin aus dem Vorratsbehälter befindet sich im Einlaßrohr 7 und der Düse 16 unter einem Druck, der den Schließdruck der Membran 14 nicht übersteigt. Durch ein Steuersignal der Steuereinheit an den Anschlüssen 9,20,45 zum Zeitpunkt t_o wird die Membran 14 vom Ventilsitz 17 weg auf den Steg 23 infolge der elektrostatischen Kraft'.virkung gezogen. Das unter Druck stehende Insulin strömt nunmehr durch die Durchbrüche 18,21,22, die Einlaßleitung 5 und den Durchbruch 28 in den volumenvariablen Raum 43. Dabei wird die Flachmembran 26 vom Endlagenkontakt 31 abgehoben, wodurch die Anschlüsse 12, 20 voneinander getrennt werden, was von der Steuereinheit registriert wird. Wenn die Flachmembran 26 den Endlagenkontakt 32 berührt, entsteht eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen 11,12 was ebenfalls der Steuereinheit gemeldet wird (Zeitpunkt t,). Zum Zeitpunkt t₂ reagiert diese mit der Aufhebung des Steuersignals für das Einlaßventil 1 undzum Zeitpunkt t₃mit einem Steuersignal an den Anschlüssen 10,41,46. Das Einlaßventil 1 schließt, indem die Membran 14 auf ihren Ventilsitz 17 zurückfedert. Das Auslaßventil 3 öffnet durch Abheben der Membran 35 von seinem Ventilsitz. Nunmehr drückt die Flachmembran 26 das im Volumenvariablen Raum 43 zuvor eingespeicherte Volumen in den Durchbruch 29 und die Auslaßleitung 6. Da infolge des geöffneten Auslaßventils 3 ein Insulinstrom durch die Auslaßleitung 6, den Durchbruch 36, die Öffnung 38, die Düse 37, die Durchbrüche der Membran 35, den Durchbruch 40 in das Auslaßrohr 8 zustande kommt wird eine gleichgroße Insulinmenge abgegeben, die der Differenz der Volumina des Raumes 43 In den beiden Endlagen der Flachmembran 26 entspricht. Das Abheben der Flachmembran 26 vom Endlagenkontakt 32 wird als Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlüssen 11,12 eh&';>so wie das Aufsetzen auf den Endlagenkontakt 31 zum Zeitpunkt UaIs Schließen der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlüssen 12,31 von der Steuereinheit registriert. Diese hebt das Steuersignal für das Auslaßventil 3 zum Zeitpunkt t₆ auf. Zum Zeitpunkt te wird das Einlaßventil wieder aufgesteuert. Es beginnt ein neuer Dosierzyklus. Mit der Zyklusdauer liegt die Infusionsrate fest. Die Steuerung der beiden Ventile 1,3 erfolgt, wie man aus Fig. 5 erkennt, in Abhängigkeit von den Schaltzuständen der Endlagenschalter, also der Anschlüsse 11,12 und der Endlagenkontakte 32,31. Damit öffnet das Ventil 1 und schließt das Ventil 3 erst nach vollständiger Abgabe der Insulindosis, während das Ventil 1 erst nach vollständiger Füllung des volumenvariablen Raumes 43 schließt und das Ventil 3 nach Erreichen desselben Zustandes öffnet. Im Gegensatz zu einer zeitstarren Steuerung der Ventile 1,3 ist dadurch eine Dosierung immer derselben Insulinmenge gewährleistet. Als Füllstandsmeßeinrichtung fungiert praktisch der Dosierspeicher 2 selbst in Verbindung mit den beiden Endlagenkontakten 31, 32. Ist eines der beiden Ventile 1,3 ständig verstopft oder durchlässig, so ist das Wechselspiel der Schaltzustände der Endlagenschalter gestört, was von einer Logikschaltung der Steuereinheit erkannt und zu einer Schließung des jeweiligen anderen Ventils 3,1 sowie einer Alarmsignalgabe führt.

Die Füllstandsmessung vermittels der Endlagenschalter erfolgt stromlos. Eine Meßsignalumformung bzw. -aufbereitung ist überflüssig. Die Ventile 1,3 werden vermittels elektrostatischer Kräfte gesteuert. Dadurch ist eine nahezu energielose Steuerung möglich.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Feindosierung, insbesondere Mikrodosierung von druckbeaufschlagten flüssigen und gasförmigen Medien mit einer Einlaßleitung, einem Einlaßventil, einem volumenvariablen Dosierspeicher, einer Füllstandsmeßeinrichtung, einer Auslaßleitung und einem Auslaßventil, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile (4,13,14,15,26,33,34,35,39,42) aus einkristallinem Silizium bestehen, das Einlaßventil (1) und das Auslaßventil (3) als Membranventile ausgeführt sind, deren Membran (14,35) seitlich des Ventilators (17,44) durchbrochen und quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind, die die Düse (16,37), die Membran (14,35) und die Austrittsöffnung (21,22,40) enthaltenden Ventilteile (13,15,4,33,34,39) äußere elektrische Anschlüsse (45,9,20,46,10,41) aufweisen, der Dosierspeicher (2) eine Flachmembran (26) aus Silizium und mindestens zwei Endlagenschalter (11,32,12,31) besitzt und die Ventile (1,3) und der Dosierspeicher (2) auf einem mit Durchbrüchen (21,22,28,29,36) und Verbindungskanälen (5,6) ^ersehenen Träger (4) aus Silizium angeordnet sind.

2. Einrichtung zur Feindosierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenteil (13, 33) und das die Membran (14,35) enthaltende Teil (15,34) des Ein- und Auslaßventils (1,3) gleich ausgeführt sind.

3. Einrichtung zur Feindosierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile (13,14,15,17,33,34,35,44) der Ventile (1,3) zueinander so angeordnet sind, daß sie (1, 3) im spannungslosen Zustand geschlossen sind.

4. Einrichtung zur Feindosierung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachmembran (26) des Dosierspeichers (2) elektrisch leitend und mit einem äußeren elektrischen Anschluß (12) versehen ist.

5. Einrichtung zur Feindosierung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlagenkontakte (31,32) des Dosierspeichers (2) im geometrischen Zentrum der Flachmembran (26) und ihr beiderseits gegenüberliegend angeordnet sind.

6. Einrichtung zur Feindosierung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht mit dem zu dosierendem Medium in Berührung kommende Endlagenkontakt (32) am Deckel (42) des Dosierspeichers (2) angeordnet ist.

7. Einrichtung zur Feindosierung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (4) auf seiner den Ventilen (1,3) und dem Dosierspeicher (2) abgewandten Seite mit einer aus Glas bestehenden Abdeckplatte (24) bedeckt ist.