DE10058378A1 - Vorrichtung zur Überwachung der Fluiddurchflußrate in einer Fluidleitung - Google Patents
Vorrichtung zur Überwachung der Fluiddurchflußrate in einer FluidleitungInfo
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Abstract
Eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Fluiddurchflußrate (PHI) in einer Fluidleitung weist eine Durchlaßvorrichtung (10) mit einem Fluiddurchgangskanal und einem gegen den Fluidfluß elastisch aufgehängten, beweglichen Element, und eine Detektionsvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Stellung des gegen den Fluidfluß elastisch aufgehängten, beweglichen Elements auf.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Fluid
dosierungssysteme, und insbesondere auf eine Vorrichtung
zur Überwachung einer Fluiddurchflußrate in einer Fluidlei
tung, mit der mikrodosierte Fluidströme in einer Fluidlei
tung sowohl äußerst zuverlässig als auch sehr einfach und
schnell überwacht werden können.
Es gibt eine Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten,
bei denen es erwünscht ist, schnell und zuverlässig eine
quantitative Aussage über den Fluidfluß in einer Fluidlei
tung treffen zu können. Gerade wenn bei sehr geringen Do
sierungsraten ein sehr kleiner Fluidfluß vorliegt, muß häu
fig zuverlässig bestimmt werden, ob tatsächlich ein Fluid
fluß erfolgt oder aus irgendeinem Grund unterbunden ist.
Auf dem Gebiet der Medizin gehört die kontinuierliche oder
intermittierende Verabreichung von Medikamenten, Kontrast
mitteln und Infusionen in Gefäße oder in Körperhöhlen von
Patienten zu den Routinevorgängen bei Diagnostik-, Thera
pie- und Rehabilitationsmaßnahmen und stellt daher häufig
einen unerläßlichen Behandlungsvorgang dar. Die Applikation
oder Verabreichung eines medizinischen Fluids an einen Pa
tienten erfolgt im allgemeinen über sogenannte intravenöse
Katheter, die im folgenden auch als Patientenzugang be
zeichnet werden. Eine unbeabsichtigte Unterbrechung der Applikation
wird dabei vor allem durch einen unerwünschten
Verschluß des Katheters verursacht.
Ein Verfahren, das üblicherweise in der Praxis eingesetzt
wird, um einen Katheterverschluß zu erkennen, ist die indi
rekte Erfassung des Strömungszustandes durch eine Druck-
oder Kraftmessung. Diese Möglichkeit wird z. B. bei Perfuso
ren oder Insulindosierungspumpen verwendet. Durch einen
Verschluß des Patientenzugangs steigt durch den kontinuier
lichen Vorschub des Kolbens der Dosierungspumpe der Druck
im Fluidsystem an. Dieser Druckanstieg wird durch die Ver
wendung eines Kraftsensors am Spritzenhalter oder indirekt,
z. B. durch den Anstieg des Motorstroms der Dosierungspumpe,
erfaßt und dann ausgewertet.
Das im vorhergehenden beschriebene Verfahren liefert Ausga
besignale, die von einer internen Elektronikanordnung in
der Dosiereinrichtung ausgewertet werden, wobei bei über
schreiten eines bestimmten Sollwerts für den anliegenden
Druck ein Alarm ausgelöst wird.
Gerade bei sehr kleinen Förderraten, wie es beispielsweise
auch bei der Verabreichung lebenswichtiger Medikamente der
Fall sein kann, dauert der Druckaufbau in einem hydrauli
schen System jedoch sehr lange, bis ein signifikanter,
durch das herkömmliche Verfahren erfaßbarer Druckanstieg
erreicht wird. So können beispielsweise bis zu 60 Minuten
verstreichen, bis ein Verschluß in der Medikamentenversor
gung detektiert und schließlich ein Warnsignal ausgegeben
wird.
Die Betrachtung des Druckaufbaus in einem hydraulischen Sy
stem kann durch die Einführung einer "fluidischen Kapazi
tät" vorteilhaft veranschaulicht und systematisiert werden.
So führen alle elastischen Komponenten, wie z. B. elastische
Kunststoffleitungen des hydraulischen Systems und potenti
elle Lufteinschlüsse in dem verwendeten Fluid, die zwischen
dem Ort der Durchfluß- oder Verschlußüberwachungsvorrich
tung und dem Patientenzugang liegen, zu einem Blindmassen
strom in diese elastischen Komponenten, jedoch nicht zu ei
ner Verabreichung des medizinischen Fluids an den Patien
ten. Je größer diese fluidische Kapazität ist, und je klei
ner die Dosierungsrate und damit die Fluiddurchflußrate
ist, um so länger dauert es, bis ein Verschluß an dem Pati
entenzugang erkannt wird.
Aus den obigen Ausführungen wird deutlich, daß gerade auf
dem sensiblen Gebiet der klinischen Medizin die zuverlässi
ge und sichere Überwachung einer möglichen Unterbrechung
der Medikamentenzufuhr oder die Einhaltung eines individu
ellen Dosierbereichs notwendig und damit Grundvoraussetzung
ist, um optimale Behandlungs- bzw. Therapiemaßnahmen für
einen Patienten zu gewährleisten. Die bisher bekannten Ver
fahren und Anordnungen zur Erfassung und Überwachung einer
Fluiddurchflußrate in einer Fluidleitung weisen jedoch vor
allem für einen klinischen Einsatz in vielerlei Hinsicht
nachteilige Eigenschaften auf.
Ein Problem mit gegenwärtigen Fluidflußüberwachungssystemen
besteht darin, daß der zunehmenden Verfügbarkeit von hoch
wirksamen, in sehr geringen Dosen zuzuführenden Substanzen
mit geeigneten Mikrodosierungssystemen entweder nur eine
mangelhafte oder eine sehr aufwendige und damit sehr teuere
Überwachung der tatsächlich zugeführten Dosierungsmengen
gegenübersteht. So werden gegenwärtig zum einen indirekte
Überwachungsmaßnahmen verwendet, die entweder ungenau oder
aber kostenintensiv sind, wobei zum anderen die jeweiligen
therapeutischen Maßnahmen aufgrund der nicht optimalen
Überwachung zumeist unter klinischen Bedingungen, d. h. un
ter klinischer Überwachung, durchgeführt werden müssen, ob
gleich dies bei einer adäquaten Flußüberwachung auch unter
ambulanten Bedingungen geschehen könnte.
Es wird ferner deutlich, daß je nach Art des verabreichtem
Medikaments eine verzögerte Erkennung des Verschlusses ei
nes Patientenzugangs oder eine fehlerhafte Dosierung gra
vierende gesundheitsschädliche Folgen für den Patienten
nach sich ziehen kann. Daher ist für eine Vielzahl von eta
blierten und potentiellen Therapie- und Behandlungsverfah
ren eine schnelle und zuverlässige Erfassung der Fluid
durchflußrate durch eine Fluidleitung äußerst wichtig, da
nur so ein für den Patienten gefährlicher Katheterverschluß
oder eine falsche Dosierungsrate eines Medikaments erkannt
und verhindert werden kann.
Die schnelle Erkennung eines Verschlusses oder die schnelle
und zuverlässige quantitative Erfassung des momentanen Flu
iddurchflusses und damit der Dosierungsmenge ist bisher
auch aus Kostengründen nicht realisiert worden. Durch die
Verwendung von Einmal-Artikel-Komponenten, wie z. B. Perfu
sorleitungen, Infusionsbestecken, Kathetern usw., wie sie
in der Medizin aus hygienischen Gründen allgemein üblich
sind, müßte jeder, die Fluidströmung direkt messende Sensor
(Strömungs- oder Drucksensor), der in einem direkten Kon
takt mit dem Fluid oder dem Patienten kommt, nach der Ver
wendung entsorgt werden, was infolge des gestiegenen Ko
stendrucks im Gesundheitswesen nicht akzeptabel ist.
Infolge der angestrebten Kostenreduzierung im Gesundheits
wesen sollte daher eine Überwachungseinrichtung sehr ko
stengünstig verfügbar sein, ohne daß dabei jedoch Einbußen
hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Sensors auftreten.
Ferner würde sich bei verfügbarer Technik die Heimanwendung
von Dosierungssystemen anbieten, wenngleich diese zumindest
wegen der unzureichenden Kenntnis des Anwenders oder des
ambulanten Pflegepersonals derzeit mit herkömmlichen Anord
nungen noch nicht durchführbar ist. Hinzu kommt, daß infol
ge der Grunderkrankung und/oder des Alters des Patienten
die Aufmerksamkeit, Wahrnehmung und das Urteilsvermögen
desselben erheblich beeinträchtigt sein können. Ambulante
Besuche der entsprechenden Spezialambulanz nur bei einer
alarmierten Unterbrechung der Medikamentenzufuhr könnten in
erheblichem Umfang zur Kostenkontrolle auf dem Gesundheits
sektor beitragen und zugleich das zuweilen beträchtliche
Patientenrisiko reduzieren.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Konzept
zur zuverlässigen Überwachung von Fluiddurchflußraten in
einer Fluidleitung zu schaffen, mit dem eine schnelle, aber
dennoch unaufwendige Erfassung der Fluiddurchflußrate in
einer Fluidleitung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Überwachungsvorrichtung zur
Überwachung einer Fluiddurchflußrate in einer Fluidleitung
gemäß Anspruch 1 gelöst.
Eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Fluid
durchflußrate in einer Fluidleitung gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Durchflußvorrichtung mit einem Fluid
durchgangskanal und mit einem gegen den Fluidfluß elastisch
aufgehängten Element auf. Die Überwachungsvorrichtung weist
ferner eine Detektionseinrichtung zur berührungslosen Er
fassung der jeweiligen Stellung des gegen den Fluidfluß
elastisch aufgehängten, beweglichen Elements auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß sowohl die Erfassung einer Dosierungsunterbrechung bei
kleinsten Dosierungsraten als auch die quantitative Erfas
sung von sehr kleinen Fluiddurchflußraten dann zuverlässig
und schnell erfolgen kann, wenn die Fluiddurchflußratener
fassung totvolumenfrei, beispielsweise unmittelbar vor dem
Patientenzugang, stattfindet. Um diese zuverlässige und
schnelle Erfassung und Überwachung einer Fluiddurchflußrate
in einer Fluidleitung zu gewährleisten, wird eine Durch
flußvorrichtung zusammen mit einer Detektionsvorrichtung
verwendet. Die Durchflußvorrichtung ist dabei als kosten
günstig herstellbarer Massenartikel (Low-Cost-Einwegkompo
nente) ausgelegt, wohingegen die Detektionsvorrichtung mit
der Erfassungs- und Auswerteelektronik wiederverwendbar
ausgelegt ist.
Die Durchflußvorrichtung weist als wesentliches Merkmal ein
gegen den Fluidfluß elastisch aufgehängtes, bewegliches
Element auf, das so ausgelegt ist, daß das bewegliche Ele
ment eine erste Stellung, d. h. seine Ruhestellung, ein
nimmt, wenn die Fluiddurchflußrate durch die Durchflußvor
richtung unterhalb einer Schwellenflußrate liegt, wobei das
bewegliche Element eine zweite Stellung, d. h. seine ausge
lenkte Stellung, einnimmt, wenn die Fluiddurchflußrate
durch die Durchflußvorrichtung oberhalb einer Schwellen
flußrate liegt. Die verschiedenen Stellungen des elastisch
aufgehängten, beweglichen Elements werden dann von der De
tektionsvorrichtung berührungsfrei erfaßt. Bei einer opti
schen Erfassung wird die Stellung des beweglichen Elements
dahingehend überprüft, ob sich ein optischer Lichtweg durch
die Durchflußvorrichtung verändert, d. h. ob der Lichtweg
von dem elastisch aufgehängten, beweglichen Element ver
sperrt oder freigegeben ist.
Anstelle der Detektion mit Durchlicht ist es auch möglich,
Reflexionslichtschranken zu verwenden. Bei einer Reflexi
onslichterfassung wird nur eine lichtdurchlässige Abdec
kung, wie z. B. eine Glasabdeckung, benötigt, wodurch der
Herstellungsprozeß für die Durchflußvorrichtung vereinfacht
werden kann. Es können darüber hinaus auch andere geeignete
berührungslose Erfassungsverfahren, wie z. B. magnetische
oder kapazitive Erfassungsverfahren verwendet werden, wobei
die Auslenkung des elastisch aufgehängten, beweglichen Ele
ments dann beispielsweise über die kapazitive oder indukti
ve Verstimmung eines Resonanzkreises bestimmt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung kann die
wiederverwendbare Detektionsvorrichtung einfach auf die
Durchflußvorrichtung aufgesteckt oder auf eine andere ge
eignete Weise mit derselben gekoppelt werden.
Die aus Durchflußvorrichtung und Detektionsvorrichtung be
stehende Überwachungsvorrichtung ist über herkömmliche Ver
bindungseinrichtungen, wie z. B. LUER-Standardverbinder aus
Kunststoff, mit anderen Leitungselementen verbindbar. Da
durch kann die Überwachungsvorrichtung totvolumenfrei un
mittelbar vor dem Patientenzugang (Katheter) adaptiert wer
den.
Die Elastizität der Aufhängung des beweglichen Elements ist
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nun so ausgelegt,
daß das elastisch aufgehängte, bewegliche Element ab einem
vorgegebenen Schwellenwert für die Fluiddurchflußrate voll
ständig ausgelenkt wird. Dabei wird es an einen mechani
schen Anschlag stoßen, so daß eine weitere Druckerhöhung
durch größere Fluiddurchflußraten zu keiner Beschädigung
des elastisch aufgehängten, beweglichen Elements oder des
sen elastischer Aufhängung führen wird. Erst bei sehr klei
nen Fluiddurchflußraten unterhalb des Schwellenwerts für
die Fluiddurchflußrate ist der Druckabfall ausreichend
klein, damit sich das bewegliche Element in seine Ruhelage
zurück bewegt.
Um bei der Bewegung des elastisch aufgehängten, beweglichen
Elements die auftretende Gleit- und Haftreibung möglichst
niedrig zu halten, sind sogenannte laterale und vertikale
Abstandshalter vorgesehen. Die Abstandshalter können dabei
an dem beweglichen Element selbst oder auch an den das Ele
ment umgebenden Wandflächen angeordnet sein. Diese Abstandshalter
sorgen ferner für eine exakte Führung des be
weglichen Elements bei dessen Auslenkung.
Das elastisch aufgehängte, bewegliche Element ist technisch
so ausgelegt, daß es beim Zurückkehren in seine kräftefreie
Grundstellung eine berührungslose Erfassung der eingenomme
nen Grundstellung ermöglicht. Das elastisch aufgehängte,
bewegliche Element verändert dabei beispielsweise den opti
schen Lichtweg durch die Durchflußvorrichtung, wobei entwe
der durch ein Versperren oder auch durch ein Freigeben des
Lichtwegs (je nach gewähltem Anwendungsfall) die Lageände
rung des beweglichen Elements wiedergegeben wird.
Um die Lageänderung des beweglichen Elements zu erfassen,
erzeugt eine Sendeeinheit für elektromagnetische Strahlung
(z. B. eine Leuchtdiode) oberhalb der Durchflußvorrichtung
ein kontinuierliches oder auch gepulstes Signal (z. B. ein
Lichtsignal). Eine auf die Wellenlänge dieses Signals aus
gelegte Empfängereinheit (z. B. eine Photodiode), die unter
halb der Durchflußvorrichtung, d. h. gegenüberliegend zu der
Sendeeinheit, angeordnet ist, kann bei einer Auslenkung des
elastisch aufgehängten, beweglichen Elements ein Signal
messen. Für optimale Betriebseigenschaften sollte die Wel
lenlänge der elektromagnetischen Strahlung derart gewählt
sein, daß das verwendete Fluid für die Strahlung möglichst
transparent bzw. durchlässig ist. Bei fehlender Auslenkung
des elastisch aufgehängten, beweglichen Elements unterhalb
des Schwellenwerts für die Fluiddurchflußrate wird dagegen
kein Signal erfaßt. Durch die Verwendung eines Durchlicht
konzeptes wird eine robuste und zuverlässige Verschlußer
kennung für Fluidleitungen realisiert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsge
mäßen Überwachungsvorrichtung besteht außerdem darin, daß
die Detektionseinrichtung nicht nur ein "digitales" Signal
(Fluidfluß - kein Fluidfluß) liefert, sondern abhängig von
der Auslegung des elastisch aufgehängten, beweglichen Ele
ments und der Signalverarbeitung der Detektionseinrichtung
auch quantitative Aussagen über die Höhe der Flußrate er
möglicht. Diese Ausführung als kostengünstiger Strömungs
sensor ist neben medizintechnischen Anwendungen auch bei
Anwendungen, z. B. im Bereich der Labortechnik (Dosierüber
wachung bei Pipetten, bzw. Dosierungsmodule in Kombination
mit Mikropumpen als geregeltes Dosierungssystem, usw.) vor
teilhaft einsetzbar. Es ist ferner zu beachten, daß das er
findungsgemäße Prinzip zur Überwachung von Fluidflußraten
in Fluidleitungen sowohl für Gase als auch Flüssigkeiten
verwendbar ist, wobei hier ebenso Anwendungen auch außer
halb der Medizintechnik, z. B. in der Industriepneumatik,
der Prozeßsteuerung bei Massenflußsteuerungseinrichtungen
usw., denkbar sind.
Durch die vorliegende erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Überwachung einer Fluiddurchflußrate in einer Fluidleitung
kann eine Vielzahl von Vorteilen erreicht werden.
Beispielsweise wird durch die Realisierung der Fluidflußü
berwachungsvorrichtung einer Fluidleitung im klinischen Be
reich die Patientensicherheit erhöht. Sie trägt beispiels
weise zur Entlastung des medizinischen Personals bei und
steigert zugleich die Versorgungsqualität der Patienten.
Sie ermöglicht bei (bereits existenten) Therapien mit kleinen
Fluidflußraten eine Flußüberwachung und macht andere
Therapien mit kleinen Fluidflußraten erst möglich. Die Flu
idflußüberwachung eröffnet auch die Möglichkeit, bisher nur
stationär durchführbare Therapien auch auf "extraklinische"
Bereiche zu verlagern. Die erfindungsgemäße Überwachungs
vorrichtung hat daher einen gesteigerten medizinischen Nut
zen und kann bei gleichzeitiger Versorgungsqualitätssteige
rung zu einer Kostenreduzierung im Gesundheitswesen beitra
gen. Dabei ist von entscheidender Bedeutung, daß die erfin
dungsgemäße Überwachungsvorrichtung für die Fluiddurchfluß
rate unmittelbar vor dem Patientenzugang plaziert werden
kann, wodurch die Erkennung beispielsweise eines Verschlus
ses der Fluidleitung oder die quantitative Überwachung der
Fluiddurchflußrate ohne Zeitverzögerung zuverlässig durch
geführt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Überwachungsvor
richtung besteht darin, daß die mikrofluidischen Kompo
nente, d. h. die Durchflußvorrichtung, die bei der vorlie
genden Erfindung aus einem Verbund aus Glas und Silizium
gebildet ist, wirtschaftlich in der Medizintechnik einge
setzt werden kann, da die mikrofluidische Komponente der
vorliegenden Erfindung mit einer beherrschbaren Herstel
lungstechnologie kostengünstig gefertigt werden kann, wobei
ferner eine kostengünstige und einfache Aufbau- und Verbin
dungstechnik der Fluidkomponente zu Standardverbindern, wie
z. B. LUER-Standardfluidverbindern, ermöglicht wird. Durch
die Adaptierbarkeit mit gegenwärtig verwendeten LUER-Stan
dardfluidverbindern kann somit eine in Silizium realisierte
Fluidflußüberwachungsstruktur kontaminationsfrei und kostengünstig
mit LUER-Standardfluidverbindern versehen wer
den.
Zusammenfassend läßt sich also feststellen, daß durch die
vorliegende Erfindung die zuverlässige Erfassung und Über
wachung einer Fluiddurchflußrate in einer Fluidleitung er
möglicht wird, indem eine aus einer Durchflußvorrichtung
und einer Detektionsvorrichtung bestehende Überwachungsvor
richtung verwendet wird, wobei die Durchflußvorrichtung als
Massenartikel kostengünstig herstellbar ist, und die auf
wendigere Detektionsvorrichtung wiederverwendbar ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a-d schematische Darstellungen in Seitenansicht und
Draufsicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Durchflußvorrichtung der erfindungsgemäßen
Überwachungsvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellungen eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Detektionsvorrichtung
der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung;
Fig. 3a-b schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen
Durchflußvorrichtung während des Betriebs;
Fig. 4 weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfin
dungsgemäßen Durchflußvorrichtung;
Fig. 5a-b die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung mit
Anschlußadaptern für Standardverbinder; und
Fig. 6 ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für die
Durchflußvorrichtung gemäß der vorliegenden Er
findung.
Bezugnehmend auf Fig. 1a-d und Fig. 2 wird nun ein bevor
zugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Überwa
chungsvorrichtung, die aus einer Durchflußvorrichtung 10
und einer Detektionsvorrichtung 30 besteht, detailliert er
örtert.
Fig. 1a zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht
eine Durchflußvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfin
dung. Die Durchflußvorrichtung 10 weist eine obere transpa
rente Abdeckung 12, beispielsweise ein lichtdurchlässige
Glasabdeckung aus Pyrex, und eine untere transparente Ab
deckung 14, beispielsweise auch ein lichtdurchlässige Glas
abdeckung aus Pyrex, auf. Die lichtdurchlässigen Abdeckun
gen 12, 14 weisen an ihren zugewandten, gegenüberliegenden
Innenseiten jeweils Ausnehmungen oder Vertiefungen 12a, 14a
auf. Zwischen den beiden lichtdurchlässigen Abdeckungen 12,
14 befindet sich eine mit einer Struktur versehene Schicht
16, die vorzugsweise aus einem Siliziumwafer gebildet ist.
Die Ausnehmung 14a der Abdeckung 14 ist mit einer in
transparenten Schicht 18, z. B. einer undurchlässigen Metal
lisierung, versehen.
Wie aus Fig. 1b deutlich wird, ist in der Durchlaßvorrich
tung 10 ein Kanal 20 mit einem Kanaleingang 20a und einem
Kanalausgang 20b gebildet, wobei der mit dem Bezugszeichen
ϕ versehene Pfeil (siehe Fig. 1d) einen Fluidfluß durch den
Kanal 20 von dem Eingang 20a zu dem Ausgang 20b darstellt.
In der Durchflußvorrichtung 10 befindet sich angrenzend an
den Kanal 20 ein gegen den Fluidfluß ϕ elastisch aufgehäng
tes, bewegliches Element 22, das einen beweglichen Element
körper 22a und eine elastische Aufhängung 22b aufweist. Der
bewegliche Elementkörper 22a bildet einen beweglichen
Schlitten, wobei die elastische Aufhängung 22b als Feder
dient.
Das gegen den Fluidfluß ϕ elastisch aufgehängte, bewegliche
Element 22 befindet sich in seiner Ruhestellung, wenn kein
Fluidfluß ϕ vorhanden ist (siehe Fig. 1a und 1b), wobei
sich das gegen den Fluidfluß ϕ elastisch aufgehängte, be
wegliche Element 22 sich in seiner ausgelenkten Stellung
befindet (siehe Fig. 1c und 1d), wenn ein Fluidfluß ϕ durch
den Kanal 20 einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Dabei stößt das der Elementkörper 22a an einen mechanischen
Anschlag 24 an, der als Begrenzung der Auslenkung des Ele
mentkörpers 22a dient. Die Angabe Δx in Fig. 1c bezeichnet
die maximal mögliche Auslenkung (Hub) des beweglichen Ele
ments 22.
Das in Fig. 1a-d dargestellte bewegliche Element 22 ist in
transparent, wobei entweder das Material des Elements 22 an
sich intransparent sein kann oder auch das Element 22 eine
Beschichtung aufweisen kann. Wie es später erörtert wird,
wird diese Eigenschaft des beweglichen Elements 22 verwen
det, um in Verbindung mit der Metallisierung 18 die jewei
lige Stellung des beweglichen Elements 22 berührungslos zu
erfassen.
Anhand von Fig. 2 wird nun der bevorzugte Aufbau der Detek
tionsvorrichtung 30 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Überwachung einer Fluiddurchflußrate in einer Fluidleitung
beschrieben. Die Detektionsvorrichtung 30 umfaßt ein Gehäu
se 32, in dem sich eine Öffnung oder Ausnehmung 32a befin
det, die dafür vorgesehen ist, die Durchflußvorrichtung 10
aufzunehmen. Auf einer Seite der Öffnung 32a (in Fig. 2
oben) befindet sich eine Sendeeinheit 34 (z. B. eine LED),
wobei sich in der Öffnung 32a gegenüberliegend zu der Sen
deeinheit 34 eine Empfangseinheit 36 (z. B. einer Photodio
de) befindet. Um die Sendeeinheit 34 und die Empfangsein
heit 36 mit Energie zu versorgen, ist in der Detektionsvor
richtung 30 ferner eine Batterie 38 vorgesehen. Alternativ
können für eine externe Energieversorgung auch Anschlußlei
tungen nach außen vorgesehen sein. Ferner weist die Detek
tionsvorrichtung 30 eine Elektronikanordnung 40 auf, die
vorgesehen ist, um einerseits die Sendeeinheit 34 anzusteu
ern und andererseits das Signal der Empfangseinheit 36 aus
zuwerten, um im Alarmfall ein Alarmsignal auszugeben, indem
beispielsweise eine optische oder akustische Anzeigevor
richtung (nicht gezeigt) an der Detektionsvorrichtung 30
aktiviert wird.
Im folgenden wird nun die Funktionsweise der erfindungsge
mäßen Überwachungsvorrichtung, die aus der Durchflußvorrichtung
10 und der Detektionsvorrichtung 30 besteht, de
tailliert erörtert.
Es sollte bei der folgenden Beschreibung des erfindungsge
mäßen Konzepts beachtet werden, daß sich die verwendeten
Begriffe "optisch", "Licht", "Lichtweg", "transparent",
"lichtundurchlässig" usw. nicht nur auf sogenanntes "sicht
bares" Licht beziehen, sondern allgemein jegliche elektro
magnetische Strahlung umfassen, die die für die vorliegende
Erfindung erforderlichen "optischen" Eigenschaften auf
weist, so daß die Wellenlänge der verwendeten elektromagne
tischen Strahlung natürlich auch unterhalb oder oberhalb
der Wellenlänge von sichtbarem Licht liegen kann.
Wie in Fig. 1a bis 1d gezeigt, besteht die Durchflußvor
richtung 10 bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus
einem Verbund aus den Glasabdeckungen 12, 14 und der Sili
ziumstruktur 16. Das gegen den Fluidfluß elastisch aufge
hängte, bewegliche Element 22 ist in der Siliziumstruktur
gebildet und befindet sich zwischen den zwei optisch trans
parenten Glasabdeckungen 12 und 14, wobei das elastisch
aufgehängte, bewegliche Element 22 in der Anordnung frei
beweglich ist.
Die Vertiefung 14a in der Glasabdeckung 14 wird durch eine
geeignete metallische Schicht 18 optisch intransparent ge
macht. In dem Auslenkbereich Δx des beweglichen Elementkör
pers 22a ist die Metallisierung 18 weggelassen, so daß bei
einer Auslenkung des elastisch aufgehängten, beweglichen
Elements 22 Licht die Durchlaßvorrichtung 10 passieren
kann.
Bei dem in Fig. 1a-1d gezeigten, bevorzugtes Ausführungs
beispiel wirken die Metallisierung 18 und die Struktur 22c
des Elements 22 bei einer optischen Erfassung also derart
zusammen, daß ein von der Lichtquelle 34 stammendes Licht
signal die Anordnung aus Metallisierung 18 und Struktur 22a
nicht durchlaufen und nicht zu der Empfangsvorrichtung 36
gelangen kann, wenn sich das elastisch aufgehängte, beweg
liche Element 22 in seiner Ruhestellung befindet, und daß
ein von der Lichtquelle 34 stammendes Lichtsignal an der
Anordnung aus Metallisierung 18 und Struktur 22c vorbeilau
fen und zu der Empfangsvorrichtung 36 gelangen kann, wenn
sich das elastisch aufgehängte, bewegliche Element 22 in
der ausgelenkten Stellung befindet (siehe Fig. 3a und 3b).
Bei dieser Anordnung würde ein Ausfall der Lichtquelle 34
oder der Empfangseinrichtung 36 ebenfalls einen Alarm aus
lösen.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Fluidflußüberwachungsvorrichtung besteht ferner darin, daß
anstelle der Detektion mit Durchlicht eine Reflexionslicht
erfassung (nicht gezeigt) verwendet wird.
Bei einer Reflexionslichterfassung werden die Lichtquelle
und die Empfangseinrichtung bezüglich der Durchflußvorrich
tung auf der gleichen Seite, d. h. vorzugsweise nebeneinan
der an der Ausnehmung einer Abdeckung, angeordnet. Die Me
tallisierungsschicht, die in diesem Fall unter dem Kanal
auf der gegenüberliegenden Abdeckung angeordnet ist, dient
als Reflexionsschicht. Die gegenüberliegende Abdeckung
braucht nun keine bestimmten Materialeigenschaften aufzuweisen,
sollte jedoch nicht reflektierend sein. Ein Vorteil
der Reflexionslichterfassung besteht darin, daß nur eine
Glasabdeckung benötigt wird, wodurch der Herstellungsprozeß
für die Durchflußvorrichtung vereinfacht wird.
Bei der Reflexionslichterfassung wirken die Metallisierung
und der Elementkörper bei einer optischen Erfassung derart
zusammen, daß ein von der Lichtquelle stammendes Lichtsi
gnal den Kanal durchläuft und von der Metallisierung zu der
Empfangsvorrichtung zurückreflektiert wird, wenn sich das
elastisch aufgehängte, bewegliche Element in seiner ausge
lenkten Stellung befindet, und daß ein von der Lichtquelle
stammendes Lichtsignal den Elementkörper nicht durchläuft
und nicht zu der Empfangsvorrichtung zurückreflektiert
wird, wenn sich das elastisch aufgehängte, bewegliche Ele
ment in seiner Ruhestellung befindet. Bei dieser Anordnung
würde ein Ausfall der Lichtquelle oder der Empfangseinrich
tung ebenfalls einen Alarm auslösen.
Eine alternative Ausführungsform dazu kann natürlich auch
darin bestehen, daß bei geeigneter Wahl der Position der
Sende- und der Empfangseinheit und der Reflexionsschicht
eine Lichtreflexion erfolgt, wenn sich das Element in sei
ner Ruhestellung befindet, und daß kein Reflexion auftritt,
wenn sich das Element in seiner ausgelenkten Stellung be
findet.
Bei der Auslegung und Dimensionierung der einzelnen Kompo
nenten der Durchlaßvorrichtung 10 sind jedoch einige mikro
fluidische Randbedingungen zu beachten. So stellt der Strö
mungswiderstand der Durchflußvorrichtung 10 eine Flußrestriktion
für die Fluiddurchflußrate dar. Der Druckabfall
in der Durchflußvorrichtung 10 kann bei gegebener Dosie
rungsrate folgendermaßen aufgeteilt werden, nämlich in den
Teil, der an dem elastisch aufgehängten, beweglichen Ele
ment direkt abfällt, und in den Teil, der an den Zuleitun
gen (Fluidleitungen) zu dem elastisch aufgehängten, beweg
lichen Element 22 abfällt. Der erste Teil soll dabei so
ausgelegt werden, daß die maximale von der Anwendung gefor
derte Flußrate bei den ebenfalls von der Anwendung vorgege
benen Druckrandbedingungen die Durchflußvorrichtung passie
ren kann.
Ferner wird die Elastizität des elastisch aufgehängten be
weglichen Elements 22, d. h. der elastischen Aufhängung 22b,
so ausgelegt, daß das bewegliche Element 22 ab einem gege
benen Schwellenwert für die Fluiddurchflußrate vollständig
ausgelenkt wird. Dabei wird das bewegliche Element 22 an
einen mechanischen Anschlag stoßen, so daß eine weitere
Druckerhöhung durch größere Dosierungsraten (Fluiddurch
flußraten) zu keiner Beschädigung des beweglichen Elements
22 führen wird. Erst bei sehr kleinen Fluiddurchflußraten
unterhalb eines Schwellenwerts für die Fluiddurchflußrate
ist der Druckabfall ausreichend klein, so daß das bewegli
che Element 22 in seine Ruhelage zurückkehren kann. Das
elastisch aufgehängte, bewegliche Element ist dabei, wie
oben detailliert erörtert, so ausgelegt, daß dasselbe beim
Zurückkehren in seine kräftefreie Grundstellung den opti
schen Lichtweg durch die Durchflußvorrichtung verändert,
d. h. versperrt oder freigibt.
Im folgenden wird nun bezugnehmend auf Fig. 3a und 3b de
tailliert auf die Funktionsweise der Detektionsvorrichtung
eingegangen. Eine optische Sendeeinrichtung 34 (z. B. eine
Leuchtdiode, LED) erzeugt auf einer Seite (oben in Fig. 3a)
der Durchflußvorrichtung 10 entweder ein kontinuierliches
oder gepulstes Lichtsignal, das vorzugsweise senkrecht auf
die Durchflußvorrichtung 10 einfällt. Eine auf die Wellen
länge dieses Lichtsignals ausgelegte Empfängereinrichtung
36 (z. B. eine Photodiode), die auf der anderen Seite der
Durchflußvorrichtung 10 gegenüberliegend zu der Sendeein
richtung 34 angeordnet ist, kann das Lichtsignal erfassen
und messen, wenn sich das elastisch aufgehängte, bewegliche
Element 22 in der ausgelenkten Stellung befindet (siehe
Fig. 3b), und kann kein Lichtsignal messen, wenn sich das
elastisch aufgehängte, bewegliche Element 22 in seiner Ru
hestellung befindet (siehe Fig. 3a), d. h., wenn die Fluid
durchflußrate unter der Schwellenrate liegt. Dieses Durch
lichtkonzept liefert eine robuste und zuverlässige Fluid
durchflußüberwachung.
Der Druckabfall an dem elastisch aufgehängten, beweglichen
Element 22 wird bei der erfindungsgemäßen Überwachungsvor
richtung einerseits so klein ausgelegt, daß keine für die
Anwendung unerwünschte Fluiddurchflußratenbegrenzung durch
die Wirkung der Durchflußvorrichtung 10 als eine Flußre
striktion eintritt. Andererseits muß dieser Druckabfall
auch groß genug sein, um einen signifikanten Einfluß von
Störgrößen zu vermeiden. Eine in der Mikrofluidik häufig
auftretende Störgröße sind die freien Oberflächen von Gas
blasen. Der Entwurf der Strömungsführung in der Durchfluß
vorrichtung wird daher so ausgelegt, daß die durch die
Oberflächenspannung hervorgerufenen Kräfte auf das ela
stisch aufgehängte, bewegliche Element 22 gegenüber den
Kräften, die aufgrund der Fluidflußströmung auf das Element
22 wirken, klein sind.
Wie oben dargestellt, ist der signifikanteste mikrofluidi
sche Störeinfluß die Kraftwirkung von freien Oberflächen
auf das elastisch aufgehängte, bewegliche Element 22. In
der Praxis kann die Anwesenheit von kleinsten Gasblasen und
damit auch von freien Oberflächen nicht ausgeschlossen wer
den. Deshalb ist die Durchflußvorrichtung 10 so ausgelegt,
daß die Krafteinwirkung von freien Oberflächen selbst im
Worst-Case-Fall, d. h. im schlimmst anzunehmenden Fall, die
Funktion der Fluiddurchflußratenerkennung nicht beeinträch
tigt.
Außerdem sollen auch die Randbedingungen für die Detektion,
z. B. durch die Schwächung des Lichts aufgrund der Extinkti
on berechnet werden, um dies bei der Komponentenauswahl für
die Lichtquelle 34 und die Photodiode 36 zu berücksichti
gen. Außerdem sollte die Wellenlänge der verwendeten Strah
lung derart gewählt werden, daß das eingesetzte Fluid für
die Strahlung im wesentlich voll transparent ist. Damit ist
auch die Konzeption der Aufbau- und Verbindungstechnik zwi
schen der Durchflußvorrichtung 10 und der Detektionsvor
richtung 30 verknüpft.
Als Energieversorgung sind in der Detektionsvorrichtung 30
Knopfzellenbatterien 38 vorgesehen. Um Energie zu sparen,
kann der Betrieb von Sender (Lichtquelle 34) und Empfänger
(Photodiode 36) auch im getakteten Betrieb vorgesehen sein,
wobei die Intervalle durch die medizinischen Anforderungen,
d. h. durch die erforderliche Meßgenauigkeit, vorgegeben
werden. Durch das einfache und robuste Sensorkonzept werden
keine hohen Anforderungen an die elektronische Ansteuerung
der Sende- und Empfangseinrichtung gestellt. Die Alarmmel
dung kann durch eine Aktivierung einer optischen oder aku
stischen Anzeigevorrichtung an der Detektionsvorrichtung 30
erfolgen, oder indem ein Signal über eine Leitung oder
drahtlos an ein übergeordnetes Steuerungssystem ausgegeben
wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung einer Flu
iddurchflußrate in einer Fluidleitung kann bezüglich ihrer
Funktionalität noch erweitert werden. Ein Ansatzpunkt, ist
dabei beispielsweise die drahtlose Übertragung des Alarmsi
gnals (oder Meßsignals) mit Hilfe einer Transpondertechno
logie an eine übergeordnete Systemsteuerung. Die übergeord
nete Systemsteuerung kann dann eine Analyse des Alarmsi
gnals durchführen.
Der konstruktive Aufbau des Gehäuses 32 der Detektionsvor
richtung 30 sieht ferner eine einfache Montage der Durch
flußvorrichtung 10 an der Detektionsvorrichtung 30 vor, wo
bei die Einhaltung der optischen Randbedingungen (wenn eine
optische Erfassung vorliegt) sowie eine möglichst einfache
Bestückung durch die Elektronikkomponenten gewährleistet
wird.
Darüber hinaus sind weiter Ausführungsformen der erfin
dungsgemäßen Überwachungsvorrichtung denkbar, bei denen das
Sensorsignal nicht nur als "digitales" Signal (Fluidfluß-
kein Fluidfluß) vorliegt, sondern daß abhängig von der Aus
legung des gegen den Fluidfluß ϕ elastisch aufgehängten,
beweglichen Elements 22 und der Signalverarbeitung der De
tektionsvorrichtung 30 auch Informationen über die quanti
tative Höhe der Flußrate getroffen werden können. Eine der
artige Überwachungsvorrichtung ist dann auch in der Lage,
als Strömungssensor eingesetzt zu werden. Bei dieser Anord
nung werden alle Zwischenstellungen des beweglichen Ele
ments 22 zwischen dessen Ruhestellung (siehe Fig. 1a) und
dessen ausgelenkter Stellung (siehe Fig. 1c) erfaßt, wobei
das elastisch aufgehängte, bewegliche Element 22 so ausge
legt ist, daß dessen Auslenkung proportional zur Flußrate
in dem Kanal 20 ist.
So kann aus dem Grad des Lichtdurchgangs die jeweilige Aus
lenkung des beweglichen Elements 22 und damit die gesuchte
Flußrate ermittelt werden, da bei geeigneter Dimensionie
rung beispielsweise gilt: um so größer der Fluidfluß und
damit die Auslenkung des Elements 22 ist, um so höher ist
der Lichtdurchgang.
Der Schlitten 22a des elastisch aufgehängten, beweglichen
Elements 22 kann auch als eine Kammstruktur ausgebildet
sein, die abwechselnd den Lichtweg blockiert und wieder
freigibt. Beispielsweise durch Mitzählen der bei der Bewe
gung des beweglichen Elements 22 entstehenden Lichtpulse
kann damit die Position des beweglichen Elements 22 in meh
reren Stufen ermittelt werden.
Eine weitere alternative Ausführungsform des beweglichen
Elements 22 kann auch darin bestehen, daß sowohl das bewegliche
Element 22 als auch die darunterliegende Metallisie
rung 18 jeweils als Kammstruktur ausgebildet sind. So kann
die Blockierung des Lichtweges durch die überdeckende An
ordnung aus Metallisierung 18 und Schlitten 22a in der aus
gelenkten Stellung und die Freigabe des Lichtweges in der
Ruhelage des beweglichen Elements 22 erfolgen.
Die Ausführung als kostengünstiger Strömungssensor ist ne
ben den medizintechnischen Anwendungsmöglichkeiten auch für
Anwendungen, z. B. im Bereich der Labortechnik (Dosierungs
überwachung bei Pipetten bzw. Dosierungsmodule in Kombina
tion mit Mikropumpen als geregeltes Dosierungssystem usw.)
denkbar. Das oben erörterte, erfindungsgemäße Sensorprinzip
ist sowohl für Gase als auch Flüssigkeiten geeignet. Auch
hier sind Anwendungen außerhalb der Medizintechnik, z. B. in
der Industriepneumatik, der Prozeßsteuerung bei Massenfluß
steuerungen usw., denkbar.
Hinsichtlich der Ausgestaltung der Durchflußvorrichtung 10
sind eine Reihe von unterschiedlichen Designvarianten denk
bar, die gegebenenfalls auch miteinander kombiniert werden
können. Beispielsweise können Noppen 26 an der Ober- und
Unterseite des beweglichen Elements 22 angeordnet werden,
um ein Anhaften desselben an der Decke 12a bzw. an dem Bo
den 14a zu verhindern. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist,
können laterale Abstandshalter und Führungsnoppen 26 an den
Seiten des beweglichen Elements 22 zur Minimierung der
Haft- und Gleitreibung und zur sauberen Führung des beweg
lichen Elements 22 entlang des Verfahrweges (Auslenkung Δx)
vorgesehen sein. Es ist dabei unerheblich, ob die Abstandshalter
an dem beweglichen Element 22 selbst oder an den das
Element umgebenden Wandflächen angeordnet sind.
Ferner können Anschläge 24 in der Ebene des beweglichen
Elements 22 angeordnet werden, die so plaziert sind, daß
die federnden Elemente, d. h. die elastische Aufhängung 22b,
vor einer Überlastung geschützt werden. Ferner können An
schläge in der Ebene des beweglichen Elements 22 so pla
ziert sein, daß das bewegliche Element 22 eine definierte
Endstellung hat und damit sichergestellt ist, daß der opti
sche Weg für das Durchlicht frei ist.
Es ist außerdem denkbar, eine Durchflußvorrichtung 10 mit
mehreren identischen beweglichen Elementen 22 vorzusehen,
die seriell oder parallel im Strömungskanal 20 angeordnet
sind, was zu einer Erhöhung der Redundanz und damit der De
tektionssicherheit führt. Ferner ist denkbar, in der Durch
flußvorrichtung mehrere seriell oder parallel im Strömungs
kanal angeordnete elastisch aufgehängte, bewegliche Elemen
te 22 mit unterschiedlich starken elastischen Aufhängungen
und separaten Lichtdetektoren vorzusehen, wobei die Detek
tion unterschiedlicher Fluidströmungszustände ermöglicht
wird.
Ferner kann das elastisch aufgehängte, bewegliche Element
22 als ein Hebel mit unterschiedlich langen Armen ausgebil
det sein, wobei der kürzere Arm in den Strömungsweg hinein
reicht und durch das strömende Medium (Fluid) je nach Strö
mungsgeschwindigkeit ausgelenkt wird. Der längere Arm des
Hebels erfährt dabei eine durch das Längenverhältnis der
beiden Hebelarme bestimmte Auslenkung. Die örtliche Position
des längeren Hebels kann wiederum berührungslos detek
tiert und zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit verwen
det werden.
Fig. 5a und 5b zeigt nun alle Komponenten der erfindungsge
mäßen Überwachungsvorrichtung für eine Fluiddurchflußrate
in einer Fluidleitung und ferner mögliche Adapter, die für
eine Steckverbindung mit Standardsteckern, z. B. LUER-
Standardverbinder, eingesetzt werden. Wie in Fig. 5a ge
zeigt ist, weist die Durchflußvorrichtung 10 vorzugsweise
an jeder Seite ein sogenanntes Abbruchende 40, 41 auf. Die
Abruchenden 40, 41 sind aus hygienischen Gründen (Sterili
tät) vorgesehen. An der Durchflußvorrichtung 10 befinden
sich ferner übliche Verbinder 44 und 46, die dafür ausge
legt sind, daß die Durchflußvorrichtung 10 in sogenannte
LUER-Adapter 48, 50 eingefügt werden kann. Wie es in Fig.
5b gezeigt ist, kann die gesamte Anordnung in dem zusammen
gebauten Zustand auf übliche LUER-Stecker aufgesteckt wer
den und damit direkt vor einem Patientenzugang 52 plaziert
werden. Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung kann
somit totvolumenfrei unmittelbar vor dem Patientenzugang 52
adaptiert werden. Die wiederverwendbar Detektionsvorrich
tung 30 kann auf die Durchflußvorrichtung 10 aufgesteckt
werden. Die Erfassung der Fluiddurchflußrate erfolgt, wie
oben erörtert, berührungsfrei, z. B. optisch, mit der zuver
lässig und einfach zu realisierenden Durchlichtmethode.
Darüber hinaus ist auch eine berührungslose magnetische
oder kapazitive Erfassung der Fluiddurchflußrate denkbar,
indem beispielsweise ein Resonanzkreises durch die Auslenkung
des beweglichen Elements 22 eine kapazitive oder ma
gnetische Verstimmung erfährt.
Im folgenden wird nun anhand von Fig. 6 ein bevorzugtes
vorteilhaftes Verfahren zur prozeßtechnischen Herstellung
der erfindungsgemäßen Durchflußvorrichtung 10 erläutert.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Verfahren wird als Aus
gangsmaterial ein sogenannter BESOI-Wafer (BESOI = Back-
Etched-Silicon-On-Insulator) verwendet. Als erster Schritt
I wird das elastisch aufgehängte, bewegliche Element 22
beispielsweise mit einem Trockenätzverfahren in der rück
seitigen Siliziumschicht 16 des BESOI-Wafers realisiert.
Mit dem Trockenätzverfahren können beliebige Strukturen in
allen Freiheitsgraden in der Siliziumschicht 16 hergestellt
werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Durch
flußvorrichtung mehrere bewegliche Elemente 22 aufweisen
soll, da bei diesem Verfahren beliebig komplizierte Struk
turen (z. B. das Element 22 mit den Abstandshaltern 26 usw.)
mit einer Maske bei einem Ätzschritt hergestellt werden
können.
Als nächstes wird bei Schritt II ein Pyrex-Wafer struktu
riert, d. h. die Abdeckung 12 wird geformt, indem die Aus
nehmung 12a in den Glasabdeckung 12 beispielsweise durch
ein isotropes Ätzverfahren gebildet wird. Daraufhin wird
die strukturierte Abdeckung 12 durch ein etabliertes Wafer
bondverfahren (anodisches Bonden) an der Siliziumschicht
des BESOI-wafers angeordnet (Si-Pyrex-Verbindung).
Bei einem nächsten Schritt III wird die obere Silizium
schicht bis zur Oxidschicht weggeätzt oder abgeschliffen.
Bei Schritt IV wird der Isolator (Oxidschicht) des BESOI-
Wafers bis zur (unteren) Siliziumschicht 16 entfernt.
Als nächstes wird bei Schritt V ein weiterer Pyrex-Wafer
strukturiert, d. h. die Abdeckung 14 wird geformt, indem die
Ausnehmung 14a in den Glasabdeckung 14 beispielsweise durch
ein isotropes Ätzverfahren gebildet wird. Die Ausnehmung
14a in der Glasabdeckung 14 wird durch eine geeignete (z. B.
metallische) Schicht 18 optisch intransparent gemacht. An
der Stelle, an der sich das elastisch aufgehängte, bewegli
che Element 22 in seiner Ruhestellung befindet, d. h. unter
dem Kanal 20, wird die Metallisierungsschicht 18 weggelas
sen, so daß bei einer Auslenkung des elastisch aufgehäng
ten, beweglichen Elements 22 Licht die Durchlaßvorrichtung
10 passieren kann.
Daraufhin wird bei Schritt VI der strukturierte Gegenwafer
(d. h. die Abdeckung 14) wiederum durch ein anodischen Bon
den gegenüberliegend zu der Abdeckung 12 an der Silizium
schicht des BESOI-Wafers angeordnet wird. Nach dem Wafer
bonden ist das elastisch aufgehängte, bewegliche Element 22
in der Anordnung frei beweglich.
Durch das oben beschriebene Verfahren ergeben sich eine
Reihe von Vorteilen. So ist beispielsweise gegenüber her
kömmlichen Prozeßschritten kein laterales Freiätzen oder
Unterätzen erforderlich. Ferner können große Platten, die
den Schlitten 22a des beweglichen Elements 22 bilden, realisiert
werden, wobei keine Lochplatten zum Freiätzen des
Schlittens 22a nötig sind.
Aufgrund des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens ist
es ferner möglich, die als Feder dienende elastische Auf
hängung 22b mit derart hoher Elastizität auszubilden, daß
der Hub Δx des beweglichen Elements 22 verhältnismäßig groß
ausgelegt werden kann. Damit wird durch das oben beschrie
bene Herstellungsverfahren die bereits beschriebene Durch
lichtvariante der Überwachungsvorrichtung ermöglicht.
Mit diesem Verfahren kann die Herstellung der Durchflußvor
richtung 10, die als Low-Cost-Artikel zur einmaligen Ver
wendung konzipiert ist, äußerst kostengünstig vorgenommen
werden.
Claims (20)
1. Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Fluid
durchflußrate in einer Fluidleitung, mit folgenden
Merkmalen:
einer Durchlaßvorrichtung (10) mit einem Fluiddurch gangskanal (20) und einem gegen einen Fluidfluß (ϕ) elastisch aufgehängten, beweglichen Element (20); und
einer Detektionsvorrichtung (30) zur berührungslosen Erfassung der Stellung des gegen den Fluidfluß (ϕ) elastisch aufgehängten, beweglichen Elements (22).
einer Durchlaßvorrichtung (10) mit einem Fluiddurch gangskanal (20) und einem gegen einen Fluidfluß (ϕ) elastisch aufgehängten, beweglichen Element (20); und
einer Detektionsvorrichtung (30) zur berührungslosen Erfassung der Stellung des gegen den Fluidfluß (ϕ) elastisch aufgehängten, beweglichen Elements (22).
2. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich
das elastisch aufgehängte, bewegliche Element (22) in
einer ersten Stellung bezüglich des Fluiddurchlaßka
nals (20) befindet, wenn sich die Fluiddurchlaßflußra
te (ϕ) unter einem vorbestimmten Schwellenwert befin
det, und sich das elastisch aufgehängte, bewegliche
Element in einer zweiten Stellung bezüglich des Fluid
durchlaßkanals (20) befindet, wenn sich die Fluid
durchflußrate über dem vorbestimmten Schwellenwert be
findet.
3. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die
erste Stellung des elastisch aufgehängten, beweglichen
Elements (22) dessen Ruhestellung ist, und die zweite
Stellung des Elements (22) dessen vollständige Auslen
kung ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der das gegen den Fluidfluß (ϕ) elastisch aufge
hängte, bewegliche Element (22) abhängig von der Flu
iddurchflußrate in dem Kanal (20) Zwischenstellungen
zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung
einnimmt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Durchflußvorrichtung (10) einen Anschlag
(24) zur Begrenzung der Auslenkung (Δx) des elastisch
aufgehängten, beweglichen Elements (22) aufweist
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der zwischen dem beweglichen Element (22) und den
das bewegliche Element (22) umgebenden Wandflächen la
terale und vertikale Abstandshalter (26) vorgesehen
sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der mehrere bewegliche Elemente (22) in der Durch
flußvorrichtung (10) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Detektionsvorrichtung (30) eine Sendeein
richtung (34) zum Emittieren elektromagnetischer
Strahlung und eine Empfangseinrichtung (36) zum Emp
fangen der elektromagnetischen Strahlung aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Wellenlänge
der elektromagnetischen Strahlung derart gewählt ist,
daß das Fluid in dem Kanal 20 für die Strahlung im we
sentlichen transparent ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Wellenlänge
der elektromagnetischen Strahlung im ultravioletten
Bereich, im sichtbaren Bereich oder im Infrarot-
Bereich gewählt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der
die Sendeeinrichtung (34) und die Empfangseinrichtung
(36) für eine Durchlichterfassung einander gegenüber
liegend bezüglich der Durchflußvorrichtung (10) ange
ordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der
die Sendeeinrichtung (34) und die Empfangseinrichtung
(36) für eine Reflexionslichterfassung auf der glei
chen Seite bezüglich der Durchflußvorrichtung (10) an
geordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der
die Empfangseinrichtung (36) der Detektionsvorrichtung
(30) ein Signal von der optischen Sendeeinrichtung
(34) empfängt, dessen Intensität der Auslenkung des
elastisch aufgehängten, beweglichen Elements (22) ent
spricht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der
die Detektionsvorrichtung (30) zur berührungslosen Er
fassung eine magnetische Detektionsvorrichtung ist,
die die Stellung des elastisch aufgehängten, bewegli
chen Elements (22) magnetisch erfaßt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der
die Detektionsvorrichtung (30) zur berührungslosen Er
fassung eine kapazitive Detektionsvorrichtung ist, die
die Stellung des elastisch aufgehängten, beweglichen
Elements (22) kapazitiv erfaßt.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Detektionsvorrichtung (30) in einem gepul
sten Betrieb arbeitet.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der
die Detektionsvorrichtung (30) in einem kontinuierli
chen Betrieb arbeitet.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Detektionsvorrichtung (30) eine Transpon
derschaltung aufweist, um das erfaßte Signal an eine
externe Auswerteelektronik zu übermitteln.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Durchflußvorrichtung (10) als Gegenstand
zur einmaligen Verwendung ausgelegt ist.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Detektionsvorrichtung (30) als Gegenstand
zur mehrmaligen Verwendung ausgelegt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000158378 DE10058378C2 (de) | 2000-11-24 | 2000-11-24 | Vorrichtung zur Überwachung der Fluiddurchflußrate in einer Fluidleitung |
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