DE19716897C1 - Dosiervorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dosiervor­ richtung zum Dosieren eines Fluidflusses von einer Eingangs­ seite zu einer Ausgangsseite eines Dosiervorrichtungsele­ ments, die beispielsweise als Dosiervorrichtung bei der Me­ dikamentendosierung auf dem Gebiet der Medizintechnik geeig­ net ist.

Auf dem Gebiet der Medizintechnik sind Dosiervorrichtungen bekannt, die Flußwiderstände umfassen, deren Durchfluß von dem Druck abhängt, mit dem das zu dosierende Medium strö­ mungsmäßig vor dem Flußwiderstand beaufschlagt ist. Zur Er­ fassung der Druckdifferenz werden üblicherweise zwei unter­ schiedliche Drucksensoren verwendet, die strömungsmäßig vor und strömungsmäßig hinter dem Flußwiderstand angeordnet sind.

Bekannte Flußwiderstände sind beispielsweise durch Glaska­ pillare oder Mikrokanäle in kapillarer Form gebildet. Nach­ teilig an derartigen bekannten Dosiervorrichtungen ist der aufwendige Aufbau derselben, der dadurch bedingt ist, daß ein Flußwiderstand und zwei unterschiedliche Drucksensoren, die strömungsmäßig vor und hinter dem Flußwiderstand ange­ ordnet sind, benötigt werden.

In den Patent Abstracts of Japan, P 1828, November 18, 1994, Vol. 18, No. 609 ist eine Einrichtung zum Messen einer Durchflußmenge beschrieben, bei der in einem durchströmten Kanal bzw. einem durchströmten Rohr eine elastische Platte mit einer Öffnung angeordnet ist. Ferner sind in der elasti­ schen Platte Einrichtungen zum Erfassen der Auslenkung der elastischen Platte vorgesehen.

Aus der DE 195 29 396 A1 ist eine Meßvorrichtung zur Messung der Durchflußmenge eines in einem Strömungsquerschnitt strö­ menden Mediums bekannt, bei der eine von dem Medium beauf­ schlagte Platte durch in derselben gebildete Schnitte biege­ elastisch gestaltet ist, wobei auf der Platte Dehnungsmeß­ streifen zur Erfassung einer Verbiegung der Platte vorgese­ hen sind.

In der DE 42 23 067 C2 ist ein mikromechanischer Durchfluß­ begrenzer beschrieben, der in einer Mehrschichtstruktur auf­ gebaut ist. Dieser Durchflußbegrenzer ist in Kombination mit einem mikromechanischen Ventil für mikromechanische Dosier­ vorrichtungen einsetzbar.

Die DE-AS 19 43 021 lehrt eine Einrichtung zur Messung des Durchflusses eines Rohrs nach dem Wirkdruckverfahren, bei der eine vom Meßdruck abhängige elastische Verformung eines Bauteils in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die zur Erfassung der elastischen Verformung verwendeten Deh­ nungsmeßfühler sind dabei direkt an einer elatischen Meß­ blende, die in dem durchströmten Rohr angeordnet ist, ange­ bracht.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Dosiervor­ richtung mit einem einfachen Aufbau zu schaffen, die die exakte Dosierung eines zu dosierenden Mediums ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Dosiervorrichtung gemäß An­ spruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Dosiervorrichtung mit einem Dosiervorrichtungselement zum Dosieren eines Fluid­ flusses von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite des Dosiervorrichtungselements. Das Dosiervorrichtungselement weist eine Membran, die zumindest eine Öffnung aufweist, die für ein zu dosierendes Medium einen Flußwiderstand dar­ stellt, und einen in die Membran integrierten Drucksensor zum Erfassen einer zwischen der Eingangsseite und der Aus­ gangsseite des Dosiervorrichtungselements vorliegenden Druckdifferenz auf. Die Dosiervorrichtung weist ferner einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des zu dosie­ renden Mediums, einen steuerbaren Druckgeber zum eingangs­ seitigen Beaufschlagen des zu dosierenden Mediums mit einem Druck, und eine Steuervorrichtung zum Steuern des steuerba­ ren Druckgebers abhängig von der mittels des Drucksensors erfaßten Druckdifferenz und der mittels des Temperatursen­ sors erfaßten Temperatur auf.

Vorzugsweise besteht das Dosiervorrichtungselement aus einem eine Halbleitermembran aufweisenden Halbleiterchip, wobei der Drucksensor durch auf oder in der Membran angeordnete piezoresistive Widerstände gebildet ist. In dem Halbleiter­ chip, der beispielsweise aus Silizium bestehen kann, ist ferner vorzugsweise der Temperatursensor integriert.

Eine Alarmgebereinrichtung kann vorgesehen sein, die einen Alarm ausgibt, falls vor und/oder hinter der Membran ange­ ordnete Strömungskanäle ein Leck aufweisen oder verstopft sind oder falls die zumindest eine Öffnung der Membran ver­ stopft ist, wobei derartige Störungen auf der Basis der durch den Drucksensor erfaßten Druckdifferenz erkannt werden können.

Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung ist gegenüber bekann­ ten Dosiervorrichtungen vorteilhaft dahingehend, daß die Druckdifferenz direkt mit einem Sensor bestimmt wird und nicht durch zwei Druckmessungen gegenüber der Atmosphäre, wobei die Ergebnisse der beiden Messungen nachfolgend voneinander subtrahiert werden. Ferner ist der Flußwiderstand, die Re­ striktion, gemäß der vorliegenden Erfindung direkt in den Drucksensor integriert. Folglich wird nur ein einziger Chip benötigt, der sowohl die Funktion der Druckdifferenzmessung als auch die Funktion des Flußwiderstands, der Flußrestrik­ tion, erfüllt.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab­ hängigen Ansprüchen dargelegt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend teilweise bezugnehmend auf die einzige beiliegende Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt eine schematische Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Dosiervorrichtungselements.

Wie in der Figur dargestellt ist, dient bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Dosier­ element ein Dosierchip, der als ein piezoresistiver Druck­ sensor mit einem oder mehreren Löchern in der Drucksensor­ membran, die als Flußwiderstand mit definiertem Strömungs­ widerstand dienen, ausgebildet ist.

In der Figur ist der Dosierchip, der vorzugsweise durch einen Halbleiterchip, der beispielsweise aus Silizium besteht, ge­ bildet ist, allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. In dem Chip ist beispielsweise durch herkömmliche Ätztech­ niken eine Membran 12 gebildet. Auf der Membran sind bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vier in einer Wheat­ stone'schen Brückenschaltung angeordnete piezoresistive Wi­ derstände 14 angeordnet, von denen in der Figur nur zwei zu sehen sind. Ferner ist in der Membran zumindest eine Öffnung 16, die als Flußwiderstand mit definiertem Strömungswider­ stand dient, vorgesehen. Die Öffnung 16 kann beispielsweise mittels herkömmlicher Trockenätztechniken in der Membran 12 gebildet sein.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel liegt linksseitig ein Überdruck an der Membran 12 an. Dadurch er­ gibt sich die dargestellte Verformung der Membran, die mit­ tels der piezoresistiven Widerstände 14 erfaßt werden kann. Diese Verformung ist ein Maß für den an der Membran 12 an­ liegenden Überdruck.

Beim Anlegen eines derartigen Überdrucks strömt das zu do­ sierende Medium, d. h. eine Flüssigkeit oder ein Gas, durch das Loch 16 oder alternativ die Löcher, wenn eine Mehrzahl von Löchern in der Membran 12 vorgesehen ist. Wie beschrie­ ben, wird die Membran 12 aufgrund des Druckabfalls ausge­ lenkt, wodurch direkt die Druckdifferenz von der in der Figur linksseitig angeordneten Eingangsseite zu der in der Fi­ gur rechtsseitig angeordneten Ausgangsseite, die an dem Flußwiderstand anliegt, detektiert werden kann.

Der Fluß ϕ, der in der Figur durch den Pfeil angedeutet ist, der durch den Flußwiderstand fließt, ist eine Funktion des an demselben anliegenden Druckes.

Besteht der Flußwiderstand, die Flußrestriktion, aus einem Loch, dessen Durchmesser sehr viel kleiner ist als dessen Länge, so ist der Zusammenhang zwischen Fluß und Druck li­ near. Der Durchfluß wird dabei vor allem durch eine laminare Reibung begrenzt. Es ergibt sich ein Strömungsgesetz, das ähnlich dem Gesetz von Hagen-Poiseuille ist. Ist der Durch­ messer der Öffnung 16 sehr viel größer als die Länge dersel­ ben, sind die Strömungsverhältnisse ähnlich zu einem rei­ bungsfreien Ausfluß aus einer Blende, wobei nach dem Gesetz von Torricelli eine Abhängigkeit des Flusses, die von der Quadratwurzel der Druckdifferenz, die an dem Flußwiderstand anliegt, abhängt, erhalten wird.

In jedem Fall ist der Durchfluß durch die Flußrestriktion eine monoton steigende Funktion des an derselben abfallenden Druckes. Somit ist eine Kalibrierung möglich, wobei durch die Messung des Druckabfalls der Fluß bestimmt werden kann. Somit ist der Chip zum Dosieren von Fluiden, d. h. Gasen und Flüssigkeiten, geeignet.

Jedes Strömungsmedium hat als Stoffgröße seine Viskosität η(T), die von der Temperatur abhängt. Es ist somit vorteil­ haft, insbesondere wenn eine quantitative Strömungsmessung durchgeführt werden soll, einen Temperatursensor auf dem Chip zu integrieren. Dadurch kann die Temperatur des Strö­ mungsmediums erfaßt werden. Ferner ist die Kenntnis der Funktion η(T) für ein bestimmtes Strömungsmedium vorteil­ haft. Auf der Basis der erfaßten Temperatur und der Funktion η(T) kann dann bei einer Temperaturänderung ein regelbarer Druckgeber einer Dosiervorrichtung nachgestellt werden, um den Fluß konstant auf einer festgelegten Dosierrate zu hal­ ten.

Dosiervorrichtungen, die nach dem Überdruckprinzip arbeiten, für die das erfindungsgemäße Dosiervorrichtungselement ge­ eignet ist, umfassen häufig Druckgeber zum Erzeugen eines Überdrucks. Für Dosierzwecke nach dem Überdruckprinzip wird häufig ein Überdruck in der Größenordnung von 50 kPa verwen­ det. Es ist offensichtlich, daß bei Verwendung eines Über­ drucks in dieser Größenordnung der Drucksensor auf diesen Druck ausgelegt sein sollte.

Sollen chemisch aggressive Strömungsmedien dosiert werden, können dem zu dosierenden Medium ausgesetzte Bereiche des Halbleiterchips mit einer Passivierungsschicht versehen sein. Insbesondere Leiterbahnen auf der Vorderseite des Drucksensors werden vorteilhafterweise mit einer derartigen Passivierung versehen.

Im folgenden werden kurz beispielhafte Größenordnungen für das erfindungsgemäße Dosiervorrichtungselement angegeben. Die laterale Abmessung der Drucksensormembran 12 liegt vor­ zugsweise in einem Bereich von 2 × 2 mm² bis 5 × 5 mm². Die Membrandicke liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 µm und 60 µm. Der Durchmesser der Öffnung 16 kann beispiels­ weise in einem Bereich von 10 µm bis 100 µm liegen. Wie oben dargelegt wurde, kann in der Membran 12 eine Mehrzahl von Öffnungen 16 angeordnet sein.

Im folgenden wird beschrieben, wie auf der Basis der von dem Drucksensor 14 ausgegebenen Signale eine Alarmgebereinrich­ tung einen Alarm ausgeben kann, falls Störungen, beispiels­ weise Lecks oder Verstopfungen, in einer Dosiervorrichtung, die das erfindungsgemäße Dosiervorrichtungselement aufweist, auftreten. Eine derartige Alarmgebung kann beispielsweise auf dem Gebiet der Medikamentendosierung lebensrettend sein.

Eine erste Störung die auftreten kann, ist ein Ausfall des Druckgebers. Bei einem Ausfall des Druckgebers fließt kein oder nur noch ein sehr geringer Fluß durch die Öffnung der Membran. Ein geringer Fluß kann beispielsweise durch einen hydrostatischen Druck, der durch die Höhendifferenz zwischen einem Medienreservoir und einem Ausgang der Dosiervorrich­ tung bewirkt wird, bedingt sein. An dem Drucksensor fällt somit kein oder nur noch ein sehr geringer Druck ab, wobei in diesem Fall eine Alarmfunktion durch eine Alarmgeberein­ richtung, die beispielsweise in eine Steuervorrichtung der Dosiervorrichtung integriert sein kann, ausgelöst wird.

Weitere Störungen können durch Lecks in Strömungskanälen strömungsmäßig vor und hinter dem Flußwiderstand bewirkt werden. Befindet sich vor dem Flußwiderstand, d. h. auf der Hochdruckseite, ein Leck, wird die resultierende Flußänder­ ung ebenfalls durch die Differenzdruckmessung erfaßt, da nunmehr ein geringerer Fluß durch den Dosierchip fließt. Wesentlich unwahrscheinlicher ist dagegen ein Leck ström­ ungsmäßig hinter dem Flußwiderstand, d. h. auf der Nieder­ druckseite. Ein solches Leck kann von dem Dosierchip nicht erfaßt werden. Als Sicherheitsmaßnahme sollte der Dosierchip daher möglichst nahe am Dosierausgang der Dosiervorrichtung, beispielsweise an der Kanüle, mit möglichst wenigen und hochwertigen Verbindern angebracht sein.

Eine weitere Störung kann durch Verstopfungen des Strömungs­ kanals vor oder nach dem Flußwiderstand bewirkt sein. Im Falle der Medikamentendosierung verschließt sich beispiels­ weise nach einiger Zeit häufig eine am Patienten gelegte Ka­ nüle, so daß die Dosierfunktion nicht mehr gewährleistet ist. Verschließt sich der Strömungskanal vor oder nach dem Flußwiderstand, etwa in einem Filter oder in der Kanüle, so fließt kein Fluß mehr, weshalb kein Druck mehr an dem Druck­ sensor abfällt. Somit kann in diesem Fall eine Alarmfunktion ausgelöst werden.

Es ist ferner möglich, daß der Flußwiderstand des Dosier­ chips selbst, der durch die Öffnung in der Membran gebildet ist, verstopft. Somit fällt der gesamte Druck an dem Dosier­ chip, d. h. der Membran, ab. In der Regel ist der Druckabfall am Dosierchip jedoch wesentlich größer als der am Rest der Dosiervorrichtung, etwa an Schläuchen, Verbindern, Filtern oder Kanülen der Dosiervorrichtung, abfallende Druck. Daher wird der kleine, gemessene Druckanstieg im Fall einer Ver­ stopfung der Restriktion nicht von einem Druckanstieg in Folge einer Temperaturerhöhung, bei Flüssigkeiten, bzw. ei­ ner Temperaturerniedrigung, bei Gasen, des Strömungsmediums zu unterscheiden sein. Bei Flüssigkeiten sinkt die Viskosi­ tät mit steigender Temperatur, weshalb der Fluß und somit der Druckanstieg zunimmt, während bei Gasen die Viskosität mit sinkender Temperatur abnimmt. Soll auch in einem solchen Fall des Verstopfens des Flußwiderstands in der Membran das Auslösen einer Alarmfunktion möglich sein, sind zusätzliche Maßnahmen notwendig.

Eine erste Maßnahme besteht darin, zwei Dosierchips der oben beschriebenen Art hintereinander zu schalten. Im Normalbe­ trieb fällt dann an beiden baugleichen Chips etwa der halbe Dosierdruck ab. Wenn die Öffnung von einem der beiden Do­ sierchips verstopft, fällt an diesem der gesamte Druck ab, während an dem anderen Chip dann kein Druck abfällt. Somit kann das Verstopfen des Flußwiderstands, d. h. der Öffnung, zuverlässig gemessen werden. Mit einer derartigen Anordnung zweier hintereinander geschalteter Dosierchips kann auch ei­ ne teilweise Blockierung eines Flußwiderstands gemessen wer­ den, da sich das Verhältnis der beiden Drücke weg von 1 : 1 verschiebt. Nachteilig ist jedoch der höhere Aufwand, da man zwei Chips benötigt, und ferner der Aufwand für die System­ steuerung höher ist.

Eine weitere Möglichkeit, eine Verstopfung in einem Flußwi­ derstand zu erkennen, bietet die Hintereinanderschaltung eines Dosierchips und eines passiven Flußwiderstands. Wird ein passiver Flußwiderstand strömungsmäßig vor oder hinter dem Dosierchip in Serie angebracht, wobei der Strömungswi­ derstand beim Nennfluß gleich dem des Dosierchips ist, fällt bei Normalbetrieb der halbe Dosierdruck an dem Dosierchip und der halbe Dosierdruck an dem passiven Flußwiderstand ab. Liegt nun eine Verstopfung des Flußwiderstands des Dosier­ chips vor, steigt der Druckabfall an demselben auf das Dop­ pelte, was von der Systemsteuerung als Alarmfall erkannt wird, wenn dieser Druckabfall außerhalb des Druckbereichs, der bei der Druckregelung durch die Viskositätsänderung bei einer Temperaturschwankung gegeben ist, liegt. Falls dieser Druckanstieg auf das Doppelte nicht ausreicht, kann auch das Verhältnis der Strömungswiderstände des passiven Flußwider­ stands und des Flußwiderstands des Dosierchips vergrößert werden. Als passive Flußwiderstände können beispielsweise Glaskapillare, Mikrokanäle oder in Silizium geätzte Löcher verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung schafft somit Dosiervorrichtungs­ elemente sowie Dosiervorrichtungen unter Verwendung dersel­ ben, bei denen die Druckdifferenz direkt mit einem Sensor bestimmt wird und nicht durch zwei Druckmessungen gegenüber der Atmosphäre, wobei dann die Ergebnisse der zwei Druckmes­ sungen voneinander subtrahiert werden. Ferner benötigt man gemäß der vorliegenden Erfindung nur noch einen einzigen Chip, der sowohl die Funktion der Druckdifferenzmessung als auch die Funktion der Flußrestriktion erfüllt, da die Re­ striktion direkt in den Drucksensor integriert ist.

Claims (8)

1. Dosiervorrichtung mit einem Dosiervorrichtungselement (10) zum Dosieren eines Fluidflusses (ϕ) von einer Ein­ gangsseite zu einer Ausgangsseite des Dosiervorrich­ tungselements (10), wobei das Dosiervorrichtungselement folgende Merkmale aufweist:
eine Membran (12), die zumindest eine Öffnung (16) aufweist, die für ein zu dosierendes Medium einen Flußwiderstand darstellt; und
einen in die Membran (12) integrierten Drucksensor (14) zum Erfassen einer zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Dosiervorrichtungselements (10) vor­ liegenden Druckdifferenz,
wobei die Dosiervorrichtung ferner folgende Merkmale aufweist:
einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des zu dosierenden Mediums,
einen steuerbaren Druckgeber zum eingangsseitigen Beauf­ schlagen des zu dosierenden Mediums mit einem Druck, und
eine Steuervorrichtung zum Steuern des steuerbaren Druckgebers abhängig von der mittels des Drucksensors (14) erfaßten Druckdifferenz und der mittels des Tempe­ ratursensors erfaßten Temperatur.

2. Dosiervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Dosier­ vorrichtungselement als Halbleiterchip ausgebildet ist, wobei die Membran (12) eine Halbleitermembran ist.

3. Dosiervorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Druck­ sensor (14) durch auf oder in der Membran angeordnete piezoresistive Widerstände gebildet ist.

4. Dosiervorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der der Temperatursensor auf dem Halbleiterchip integriert ist.

5. Dosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der dem zu dosierenden Medium ausgesetzte Bereiche des Halbleiterchips passiviert sind.

6. Dosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner eine Alarmgebereinrichtung zum Ausgeben eines Alarms aufweist, falls vor und/oder hinter der Membran angeordnete Strömungskanäle ein Leck aufweisen oder ver­ stopft sind oder die zumindest eine Öffnung (16) der Membran (12) verstopft ist.

7. Dosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Dosiervorrichtungselement (10) nahe einem Do­ sierausgang der Dosiervorrichtung in der Dosiervorrich­ tung angebracht ist.

8. Dosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zwei Dosiervorrichtungselemente (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hintereinandergeschaltet sind, um auf der Basis des Druckabfalls an den Membranen (12) der beiden Dosiervorrichtungselemente (10) die Erfassung ei­ ner Verstopfung oder Blockierung des jeweils in den Mem­ branen (12) vorgesehenen Flußwiderstands zu ermöglichen.