DE10058378C2 - Vorrichtung zur Überwachung der Fluiddurchflußrate in einer Fluidleitung - Google Patents

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 Ap­ plikation 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.

Die US-3,776,036 beschreibt ein Fluidflußmeter zum Umwan­ deln eines Fluidflusses in ein elektrisches Ausgangssignal, welches ein Körperbauglied mit einem Durchgang und einen Schwebekörper, der über eine Blattfeder an einem Tragebau­ glied befestigt ist, aufweist. Der Schwebekörper, die Blattfeder und das Tragebauglied sind in dem Körperbauglied derart angeordnet, daß der Schwebekörper an einem sich in Flußrichtung weitenden Abschnitt des Durchganges angeordnet ist, um in einer Richtung entlang der Flußrichtung des Flu­ ids in dem Durchgang gegen die Federkraft der Blattfeder bewegbar zu sein. Die Auslenkung des Schwebekörpers in Flußrichtung ist abhängig von dem Fluidfluß. Abhängig von der Auslenkung blockiert oder ermöglicht ein Durchbruch in dem Schwebekörper, daß Licht von einer Glühbirne zu einer photoempfindlichen Vorrichtung auf der gegenüberliegenden Seite des Durchganges zu gelangen. Die Glühbirne und die photoempfindliche Vorrichtung werden von einem Sattelbau­ glied getragen, welches einen Schlitz aufweist, in welchem das Körperbauglied entfernbar aufgenommen und gehalten wer­ den kann. Ein über einen Spiegel weiterer durch den Durch­ gang gelenkter Strahlengang von der Glühbirne zu einer wei­ teren photoempfindlichen Vorrichtung wird zur Kompensation von Fluiddichteschwankungen und Intensitätsschwankungen der Glühbirne verwendet. Da die Lichtmenge, die von der Glüh­ birne zu der photoempfindlichen Vorrichtung gelangt, abhän­ gig von der Bewegung des Schwebekörpers ist, zeigt folglich das Ausgangssignal der photoempfindlichen Vorrichtung die Flußrate des Fluids durch den Durchgang an. Als eine Anwen­ dung wird der Einsatz des Fluidmeters bei einer Kraftstoff­ leitung beschrieben, wobei das kompensierte Ausgangssignal des Fluidmeters zusammen mit einem die Fahrgeschwindigkeit angebenden Signal verwendet wird, um den gegenwärtigen Ver­ brauch anzuzeigen.

Die DE 197 81 747 T1 beschreibt einen elektrischen Kapazi­ tätsmikroströmungssensor sowie eine Herstellung und eine Halterung für denselben. Der Kapazitätsmikroströmungssensor besteht im wesentlichen aus einem Kondensator, der aus ei­ ner auf einem ersten Substrat gebildeten Elektrode und ei­ ner gegenüberliegenden Erhebung in einem zweiten Halblei­ tersubstrat besteht. Die Substrate sind miteinander derart verbunden, daß zwischen der Elektrode und der Erhebung ein schmaler Spalt entsteht, der von einer Vertiefung in dem Halbleitersubstrat umgeben wird. Dieser Hohlraum ist durch Fluiddurchlässe zu einer Randseite des durch die Substrate gebildeten Chips hin offen. Zur Messung des Fluidflusses wird der Strömungssensor in einem Kanal, durch den ein Flu­ id fließt, dessen Fluidfluß zu bestimmen ist, derart ange­ ordnet, daß die Fluiddurchlässe dem strömenden Fluid zuge­ wandt sind und das strömende Fluid an den Außenseiten der Substrate vorbeiströmt. Aufgrund dieser Anordnung bildet sich in dem Hohlraum zwischen den Substraten der an den Fluiddurchlässen anliegende Staudruck aus, während an den Außenseiten der Substrate der statische Druck vorliegt. Auf die Erhebung wirkt der Differenzialdruck, der aufgrund der dünneren Stellen des Substrates an den Vertiefungen dazu führt, daß sich die Erhebung von der Elektrode entfernt, was wiederum zu einer kapazitiven Änderung führt. Für den Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Flu­ ids und dem Differentialdruck wird das Bernoullische Theo­ rem verwendet.

Die DE 297 08 860 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchfluß- Überwachung in Rohrleitungen, die in oder an einer von dem zu erfassenden Fluid durchströmten Rohrleitung ein- oder abfügbar ist, eine Einlaßöffnung und einen Auslaß sowie ei­ nen von der Kraft einer Feder gegen die Einlaßöffnung ge­ drückten, von dem Fluid unter Mitnahme umströmbaren Ver­ schlußkörper aufweist, wobei aus der Lageveränderung des Verschlußkörpers auf die Fördermenge oder eine Feststellung über den Förderzustand geschlossen wird. Zur Erfassung der Lage des Verschlußkörpers wird eine Unterbrechung einer Lichtschranke durch denselben, eine Induktion einer Span­ nung in einer die Vorrichtung umgebenden Spule in dem Fall, daß das Verschlußstück einen Permanentmagneten aufweist, oder einer Veränderung des elektrischen Feldes zwischen den Kondensatorplatten, die an der Vorrichtung vorgesehen sind, durch Hinein- und Herausfahren des Verschlußkörpers vorge­ schlagen.

Die JP 1109217 A beschreibt einen Flußsensor mit drei Druck­ platten, die mittels Spiralfedern mit unterschiedlichen Fe­ derkonstanten an der Innenwand einer Röhre befestigt sind, um von der Innenwand aus in die Röhre zu ragen und in der Richtung der Röhre drehbar gelagert zu sein. Verformungs­ sensoren messen die Verformung der Spiralfedern, woraus die Flußrate des Fluids in der Röhre bestimmt wird.

Die JP 11108710 A beschreibt einen Sensor zur Flußratenerfas­ sung mittels eines Schwebekörpers, der in einer Durchlaß­ röhre entlang des Fluidflusses mechanisch frei beweglich ist und einen Magneten aufweist, und dessen Lage in der Röhre durch zwei Näherungssensoren des magnetischen Typs erfaßt wird, die aus normalerweise geöffneten Leseschaltun­ gen und Vorspannungsmagneten bestehen.

Die US 5,847,288 beschreibt ein Photodetektor-Biege­ balkenflußschalter- und -flußsensorsystem, bei dem das Vor­ handensein oder das Fehlen einer Fluidflußrate oberhalb oder unterhalb eines ausgewählten Wertes oder die Fluid­ flußrate selbst mittels eines Blockierungsobjektes erfaßt wird. Das Blockierungsobjekt ist an einem Biegebalken der­ art befestigt, daß dasselbe in eine Rohrleitung, in der der Fluidfluß bzw. das Vorhandensein desselben erfaßt werden soll, hineinragt, und daß ein Fluidfluß den Biegebalken mehr oder weniger biegt. Abhängig von der Flußrate nimmt das Blockierungsobjekt verschiedene Stellungen ein, die op­ tisch mittels einer Lichtschranke entweder durch Transmis­ sion oder durch Reflexion erfaßt werden.

Die DE 22 55 327 beschreibt einen Durchflußmesser, insbeson­ dere für einen Gebrauch bei Kraftfahrzeugen, zur Bestimmung des Kraftstoffverbrauches oder zum Messen, ob sich der Kraftstoffverbrauch in einem Normalbereich befindet. Der Durchflußmesser umfaßt einen Meßkanal, durch den der Kraft­ stoff fließt und eine konische Form aufweist, sowie einen Schwebekörper, der sich in dem Meßkanal befindet und sich in demselben entlang der Flußrichtung frei, der Schwerkraft und dem Fluidfluß unterworfen, bewegen kann. Der Meßkanal erstreckt sich vertikal, wobei der Kraftstoff von unten nach oben fließt. Der Schwebekörper wird abhängig von der Flußrate des Kraftstoffes gegen die Gewichtskraft nach oben gedrückt, wobei er je nach Lage eine oder mehrere Licht­ schranken unterbricht, um einen Normalverbrauch oder die Höhe des Kraftstoffverbrauchs selbst anzuzeigen.

Die US-4,729,244 betrifft eine Fluidflußratenmeßvorrich­ tung, die eine einseitig eingespannte Druckaufnahmeplatte aufweist, die in einem Fluidflußkanal angeordnet ist, der­ art, daß ein im wesentlichen senkrechter Fluidfluß gegen die Oberfläche an einem Endabschnitt der Platte anstößt, so daß der Querschnittsbereich des Fluidflusses gegenüberlie­ gend dem Endabschnitt der Platte vergrößert wird, wenn der Endabschnitt der Platte aufgrund der wirkenden Kräfte des Fluidflusses ausgelenkt wird. Gegenüberliegend zu der Druckaufnahmeplatte sind Auslenkungserfassungsspulen ange­ ordnet, die abhängig von Änderungen des relativen Abstandes zwischen den Spulen und der Druckaufnahmeplatte Induktivi­ tätsänderungen aufweisen, so daß die Auslenkung der Druck­ aufnahmeplatte über die Induktivitätsänderung der Erfas­ sungsspulen erfaßt werden kann.

Die US-2,971,253 betrifft eine Fluidflußmeßeinrichtung mit einer magnetfeldabhängigen Widerstandsanordnung, deren Wi­ derstandswerte durch ein speziell konfiguriertes Steuerbau­ glied gesteuert wird. Insbesondere steuert die Position des Steuerbauglieds den Umfang des magnetischen Flusses, der von dem Permanentmagneten der Widerstandsanordnung durch die zwei magnetfeldabhängigen Widerstände der Anordnung läuft. Die Widerstandswerte der Widerstände variieren damit als Funktion der Position des Steuerbauglieds. Das Steuer­ bauglied weist eine Drosselplatte auf, wobei ein Ende der­ selben elastisch an der Flußkammer der Meßeinrichtung ein­ gespannt ist, und wobei das andere Ende innerhalb der Fluß­ kammer frei angeordnet ist, um sich mit dem in der Kammer fließenden Medium zu bewegen. Auf diese Weise wird durch Variieren des Druckwertes des fließenden Mediums die Ampli­ tude der Bewegung der Drosselplatte und folglich damit die Widerstandswerte, die dadurch gesteuert werden, variiert.

Die US-5,945,608 ist dem gleichen Inhaber zugewiesen wie die US 5,847,288 und beschreibt ein strukturell ähnliches Flußüberwachungssystem, bei dem jedoch ein Permanentmagnet an dem biegbaren Federblatt angeordnet ist, so daß ein Aus­ gangssignal von einem Halleffekt-Wandler eine Auslenkung des Federblattes angibt, wenn der Permanentmagnet entspre­ chend der Richtung des Fluidflusses auf den Wandler zu oder von demselben weg ausgelenkt wird.

Die DE 42 15 258 A1 betrifft einen Sensor der ein Meß- Federblatt aufweist, das zwischen zwei parallelen Referenz- Federblättern angeordnet ist. Durch die zu bestimmende Ein­ gangsmeßgröße wird das Meß-Federblatt gegen die Referenz- Federblätter ausgelenkt. Die Änderungen der Kapazitäten, die durch das Meß-Federblatt und die beiden Referenz- Federblätter gebildet werden, wird zur Bestimmung der Aus­ lenkung ausgewertet. Da sich das Meß-Federblatt und die Re­ ferenz-Federblätter unter dem Einfluß der Schwerkraft in gleicher Weise biegen, ist der Sensor lageunabhängig ein­ setzbar.

Die WO 97/26527 A beschreibt eine mikromaschinell herge­ stellte Flügel-Typ-Mikroflußmeßeinrichtung aus Silizium. Die Mikroflußmeßeinrichtung umfaßt einen Flügel, von dem nach innen gerichtet ein Drehgelenk vorsteht. Das Drehge­ lenk ist mit Torsionsbalken versehen, die an einem Rahmen befestigt sind. Das Drehgelenk trägt einen Flügel für eine Rotation um die Torsionsbalken. Eine Auslenkungserfassungs­ einrichtung, die aus einem Torsionssensor besteht und in zumindest einen der Torsionsbalken aufgenommen ist, erfaßt eine Auslenkung des Flügels ansprechend auf ein Fluid, das auf den Flügel auftrifft. Der Rahmen, der Flügel und die Torsionsbalken sind zusammen in einer einkristallinen Schicht aus einem Siliziumhalbleitersubstrat monolithisch hergestellt. Dieser so gebildete Flußmeter ist an einer Trägerbasis befestigt, die einen Hohlraum aufweist, um das Biegen des Flügels zu ermöglichen.

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 Durchlaßvorrichtung gemäß An­ spruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen desselben nach Anspruch 22 gelöst.

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 Durchlaß- bzw. 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 Ab­ standshalter 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 klei­ nen 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 ko­ stengünstig 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 Durchflußvor­ richtung 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 aufzu­ weisen, 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 Flußre­ striktion 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 beweg­ liche 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 Abstands­ halter 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 Positi­ on 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 Auslen­ kung 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, rea­ lisiert 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 (23)

1. Durchlaßvorrichtung mit einem Fluiddurchgangskanal (20) und einem gegen einen Fluidfluß elastisch aufge­ hängten beweglichen Elementkörper (22) für eine Über­ wachungsvorrichtung zur Überwachung einer Fluid­ durchflußrate in dem Fluiddurchgangskanal (20) mit einer Detektionsvorrichtung (30) zur berührungslosen Erfassung der Stellung des gegen den Fluidfluß elastisch aufgehängten, beweglichen Elementkörpers (22), mit folgenden Merkmalen:
einer Schicht (16) mit einer ersten Hauptseite und ei­ ner zweiten, der ersten gegenüberliegenden Hauptseite, wobei in der Schicht (16) der Fluiddurchgangskanal (20) und der elastisch aufgehängte, bewegliche Elementkörper (22) gebildet sind, wobei sich der Fluiddurchgangskanal (20) entlang der durch die Schicht (16) aufgespannten Ebene erstreckt, und der elastisch aufgehängte, bewegliche Elementkörper (22) in der durch die Schicht (16) aufgespannten Ebene ver­ schiebbar ist;
einer ersten Abdeckung (12), die mit der ersten Haupt­ seite der Schicht (16) verbunden ist und die eine ers­ te Ausnehmung in der der ersten Hauptseite der Schicht (16) zugewandten Hauptseite aufweist, die zumindest dem elastisch aufgehängten, beweglichen Elementkörper (22) gegenüberliegt; und
einer zweiten Abdeckung (12), die mit der zweiten Hauptseite der Schicht (16) verbunden ist und die eine zweite Ausnehmung in der der zweiten Hauptseite der Schicht (16) zugewandten Hauptseite aufweist, die zu­ mindest dem elastisch aufgehängten, beweglichen Ele­ mentkörper (22) gegenüberliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schicht (16) ein Halbleitermaterial aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der sich der elastisch aufgehängte, bewegliche Elementkörper (22) in einer ersten Stellung bezüglich des Fluiddurchlaßkanals (20) befindet, wenn sich die Fluiddurchlaßflußrate (ϕ) unter einem vorbestimmten Schwellenwert befindet, und sich der elastisch auf­ gehängte, bewegliche Elementkörper in einer zweiten Stellung bezüglich des Fluiddurchlaßkanals (20) befin­ det, wenn sich die Fluiddurchflußrate über dem vorbestimmten Schwellenwert befindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die erste Stellung des elastisch aufgehängten, beweglichen Elementkörpers (22) dessen Ruhestellung ist, und die zweite Stellung des Elementkörpers (22) dessen vollständige Auslenkung ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der gegen den Fluidfluß (ϕ) elastisch aufge­ hängte, bewegliche Elementkörper (22) abhängig von der Fluiddurchflußrate in dem Kanal (20) Zwischenstellun­ gen zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stel­ lung einnimmt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Durchlaßvorrichtung (10) einen Anschlag (24) zur Begrenzung der Auslenkung (Δx) des elastisch aufgehängten, beweglichen Elements (22) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem beweglichen Elementkörper (22) und den den beweglichen Elementkörper (22) umgebenden Wandflächen laterale und vertikale Abstandshalter (26) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere bewegliche Elementkörper (22) in der Durchlaßvorrichtung (10) vorgesehen sind.

9. Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Fluid­ durchflußrate, mit
einer Durchlaßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8;
einer Detektionsvorrichtung (30) zur berührungslosen Erfassung der Stellung des gegen den Fluidfluß (ϕ) e­ lastisch aufgehängten, beweglichen Elements (22).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Detektionsvorrichtung (30) eine Sendeeinrichtung (34) zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung und eine Empfangseinrichtung (36) zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung derart gewählt ist, daß das Fluid in dem Kanal (20) für die Strahlung im wesentlichen transparent ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im ultravioletten Bereich, im sichtbaren Bereich oder im Infrarot- Bereich gewählt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Sendeeinrichtung (34) und die Empfangsein­ richtung (36) für eine Durchlichterfassung einander gegenüberliegend bezüglich der Durchflußvorrichtung (10) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Sendeeinrichtung (34) und die Emp­ fangseinrichtung (36) für eine Reflexionslichterfas­ sung auf der gleichen Seite bezüglich der Durchfluß­ vorrichtung (10) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der die Empfangseinrichtung (36) der Detektions­ vorrichtung (30) ein Signal von der optischen Sende­ einrichtung (34) empfängt, dessen Intensität der Auslenkung des elastisch aufgehängten, beweglichen E­ lementkörpers (22) entspricht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Detektions­ vorrichtung (30) zur berührungslosen Erfassung eine magnetische Detektionsvorrichtung ist, die die Stel­ lung des elastisch aufgehängten, beweglichen Element­ körpers (22) magnetisch erfaßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Detektionsvorrichtung (30) zur berührungslosen Erfassung eine kapazitive Detektionsvorrichtung ist, die die Stellung des elastisch aufgehängten, beweglichen Elementkörpers (22) kapazitiv erfaßt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, bei der die Detektionsvorrichtung (30) in einem gepulsten Betrieb arbeitet.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, bei der die Detektionsvorrichtung (30) in einem kontinuierli­ chen Betrieb arbeitet.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, bei der die Detektionsvorrichtung (30) eine Transponderschaltung aufweist, um das erfaßte Signal an eine externe Auswerteelektronik zu übermitteln.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Durchlaßvorrichtung (10) als Gegenstand zur einmaligen Verwendung ausgelegt ist.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektionsvorrichtung (30) als Gegenstand zur mehrmaligen Verwendung ausgelegt ist.

23. Verfahren zum Herstellen einer Durchlaßvorrichtung mit einem Fluiddurchgangskanal und einem gegen einen Flu­ idfluß elastisch aufgehängten beweglichen Elementkör­ per für eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung einer Fluiddurchflußrate in dem Fluiddurchgangskanal mit einer Detektionsvorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Stellung des gegen den Fluidfluß aufge­ hängten Elementkörpers, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines ersten Wafers mit einer ersten Schicht, einer zweiten Schicht und einer dazwischen angeordneten Isolationsschicht, eines zweiten und ei­ nes dritten Wafers;
Durchätzen der ersten Schicht von einer freiliegenden Hauptseite der ersten Schicht bis zur Isolations­ schicht, um in der ersten Schicht den Fluiddurch­ gangskanal und den elastisch aufgehängten, beweglichen Elementkörper (22) zu bilden, wobei sich der Fluid­ durchgangskanal (20) entlang der durch die Schicht (16) aufgespannten Ebene erstreckt, und der elastisch aufgehängte, bewegliche Elementkörper (22) in der durch die Schicht (16) aufgespannten Ebene verschieb­ bar ist;
Erzeugen einer ersten Ausnehmung in einer Hauptseite des zweiten Wafers, um eine erste Abdeckung zu erhal­ ten;
Verbinden des zweiten Wafers mit der Hauptseite, in der die erste Ausnehmung erzeugt wurde, mit der ersten Schicht des ersten Wafers, so daß die erste Ausnehmung zumindest dem elastisch aufgehängten, beweglichen Ele­ mentkörper (16) gegenüberliegt;
Entfernen der zweiten Schicht und der Isolations­ schicht, um eine dem zweiten Wafer abgewandte Haupt­ seite der ersten Schicht freizulegen;
Erzeugen einer zweiten Ausnehmung in einer Hauptseite des dritten Wafers, um eine zweite Abdeckung zu erhal­ ten;
Verbinden des dritten Wafers mit der Hauptseite, in der die zweite Ausnehmung erzeugt wurde, mit der frei­ gelegten Hauptseite der ersten Schicht, so daß die erste Ausnehmung zumindest dem elastisch aufgehängten, beweglichen Elementkörper (16) gegenüberliegt.