JP5726907B2 - マイクロメカニック受動的フローレギュレータ - Google Patents
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Description
⇒ 可撓性の膜1を備えた上端層(以下、膜と呼ぶ)
⇒ スルー・ホール11有するピラー4、キャビティ5、入口ポート9、及び、出口ポート10を備えたミドル・プレート2(以下、ピラー・プレートと呼ぶ)
本発明のすべての側面図に関して、流れ方向が、灰色の矢印で示されている。
ピラー・プレート2は、所定のリンキング・エリア16内で、膜1に、しっかりと連接されている。膜1は、2つの面を有する:膜70の前面(上面)は、図1aに表わされていない、流体リザーバの圧力を受け、一方、膜71の裏面は、ピラー・プレートの正面の凹部21内に位置している。膜の凹部21は、ピラー・プレート2内のキャビティ5に結合されている。ピラー・プレート2は、スルー・ホール11を有するピラー4を含み、該ピラーは、穴60から大きな出口と出口ポート10に結合されている、キャビティ5に囲まれている。キャビティ5は、それゆえ、ピラーの正面を除いて、出口圧力を受ける。設計によっては、ピラー・エリア4は、キャビティ5のエリアより、少なくとも、10分の1より小さくてよい。
⇒ スルー・ホール208を有する可撓性の膜1を備えた上端層
⇒ フル・ピラー(full pillar)4、キャビティ5、入口ポート9、及び、出口ポート10を備えたミドル・プレート2
⇒
リザーバの流体は、膜1の上面70と接触している。リザーバ内圧力は、スルー・ホール208、バルブ6、キャビティ5、並びに、最後に、出口スルー・ホール60、及び、出口ポート10を通る流れを引き起こす。作動原理は、本発明の第1の好ましい実施態様に極めて類似している:リザーバ圧力の任意の変化によって、バルブ6の開度が変更され、それゆえ、それらの流体抵抗が変更される。膜内の穴は、膜が静止位置(リザーバに圧力なし)の時、流体経路のどの他の部分よりも、少なくとも、10倍大きい、流体抵抗を有する。デバイスは、特定の圧力範囲にわたって、流体抵抗が一定のままであることを確保するように、設計されてもよい。
⇒ 可撓性の膜1を備えた上端層
⇒ ピラー4、スルー・ホール11、及び、最終的に、チャネル8を備えたミドル・プレート2
⇒ 流体ポート9、及び、10、並びに、最終的に、チャネル8を備えたボトム基板3(以下、ボトム基板と呼ばれている)。
ピラー・プレート2は、膜1、及び、ボトム・プレート3に、それぞれ、所定のリンキング・エリア16と17において、しっかりと連接されている。膜とピラー・プレートの間のキャビティ5は、キャビティ内部の圧力が、確実に、出口圧力に大変近いようにするため、他のスルー・ホールと比較して、大きな出口スルー・ホール60を有する。
流量範囲は、リザーバとバルブ6の間の内方向流体経路の流体抵抗によって決まる。大きな流体抵抗が、低流量を得るために必要である。
凹部キャビティ20、又は、21の高さが、ギャップ7を画成する。
ピラー基板に対して、SOIを使用することは、酸化物は極めて効率的なエッチング停止材であるので、チャネル深さの機械加工精度を改善するために、望ましいこととなり得る。
図6aは、本発明の好ましい実施態様に記載の、バルブ6を示し、ここで、反結合性の層は、膜1の裏面上にある。反結合性の層51の形状は、2つの平らな面が接触して行く時に起こる、スクイーズ・フィルム効果を制約するために、作られる。反結合性の層51は、好ましくは、(図6aに示すように)膜1、又は、(図6bに示すように)ピラー・プレート2、又は、双方の、全面にわたって、均等に分布された、寸法の小さいパッドから作られている。特定の反結合性の形状53は、バルブ・シート全体を覆うために、バルブ6に対して作られねばならない。
・酸性、又は、アルカリ性溶液による、どんな腐食をも防止するための、液体と接触している面の、通常は、膜面80と81、又は、70と71、キャビティ5、より一般的には、流体経路全体の、特定のコーティング(例えば、TiO2など)。
・デバイスのプライミングを改善し、面汚染を少なくするため、液体と接触している、すべての面上に親水性物質のコーティング(例えば、PEGなど)。
・バルブ漏えいの防止のための粒子フィルタ。
⇒ 穴が開けられていない膜プレート100
⇒ 高圧での、膜100の応力を制限するため、スルー・ホール11、ピラー130、及び、ステップ131を有する、ピラー・プレート101
⇒ スルー・ホール12とチャネル8を有するチャネル・プレート3
⇒ 少なくとも、2つのスルー・ホール208を有する膜プレート1。
⇒ 出口スルー・ホール60、ピラー4、及び、ステップ131を有するピラー・プレート2
⇒ 圧電型
⇒ 静電気型
⇒ 形状記憶合金
⇒ 形状記憶ポリマ
⇒ 電磁気型
など。
⇒ 所定の圧力範囲で、一定流量
⇒ 低圧で開の閾値、圧力の中間範囲で一定流量、及び、高圧で遮断
⇒ 低圧で開の閾値、圧力の中間範囲で一定流量、及び、高圧で自由流れを有する、水頭症に似たプロファイル、
図2aに描かれたデバイスを検討する。基本的に、デバイスには、2つの主要な流体制約がある:
1.チャネル
2.バルブ
流体の動的粘度 η
流体体積質量 ρ
ヤング率 E
膜厚さ tm
穴半径 Rh
穴深さ Lh
ピラー半径 Rp
ピラー iと膜との間の距離(バルブ開口部高さ): hi
圧力勾配 ΔP=Pin−Pout
流体経路 iを通る流量 : Qi
チャネル幅 wc
チャネル高さ hc
チャネル長さ Lc
流体抵抗 Rf
チャネルの流体抵抗 Rfc
バルブの流体抵抗 Rfv
出口の流体抵抗 Rfout
ΔP=αiQi 2+βiQi
Rfoutによる、別の圧力降下ΔPout dは、この時:
ΔPout=RfoutQ
ΔPeff=ΔP+ΔPout
デバイスの圧力特性に対しての流量推定のため、分析モデルが使用される。
圧力の下の膜偏向の式を簡易化するため、発明者は、円形の膜と円形の穴から作られている、ピラー・プレートと膜プレートを有する、デバイスを設計する。
P>Pcontact i, の場合に対しては、
hi(P)=0
フローレギュレータは、疼痛管理のために、使用することができる。より小さな流量が予期され、通常は、時間当たり1ml以下が予期される。摂取過剰を避けるため、デバイスは、高圧では閉止弁でなければならない。
⇒ シリコン膜
⇒ ヤング率 170GPa
⇒ ポアソン係数 0.262
⇒ 厚さ 50ミクロン
⇒ ギャップ 20ミクロン
⇒ 深さ 2.5ミクロン
⇒ 巾 100ミクロン
マイクロ・チャネルは、ここでは、流量精度に関して、1σで、±6%の誤差を示す。
a) 1ml/日の一定流量
b) 粘度に関しては、水に相当する液体
c) 温度=37℃
d) 圧力範囲=200から400mbar
・チタン・ハウジング
・薬物リザーバ
・薬物のための充填ポート
・カテーテル・ポート
・ボーラス注入のためのカテーテル・アクセス・ポート
・ポンプ駆動
・温度センサー
・フローレギュレータ
・フィルタ(例えば、0.22ミクロンの細孔径を有する細菌フィルタ)
・コントロール・バルブ
・バルブ、温度センサー、及び、圧力センサーに電力を供給するバッテリ
・圧力センサーと温度センサーに電力を供給する、ワイアレス・システム
・以下を指示するアラーム・システム
* 低バッテリ
* 薬物リザーバが空
* 圧力過剰、又は、圧力不足(調節される圧力の範囲外)
* 膜破れ
* 過熱
⇒ 圧力変化(登山、ダイビングなど)による、摂取過剰、及び、摂取不足のリスク低減
⇒ ガス・プロペラが使用されていないならば、爆発のリスクなし
⇒ 充填/再充填の処置中のリスク低減
⇒ ポンプ作動中、身体への衝撃の間、摂取過剰のリスクなし
水頭症に専用のデバイスが、同様に、シリコン(170GPaのヤング率と0.262のポアソン比)とPMMA(3GPaのヤング率と0.35のポアソン比)にて設計された。
調節プロファイルが、15〜40mbarの間で、流量20ml/hを調節するように設定された。高流量によって、穴が開けられたピラーに連結されたチャネルの代わりに、可撓性膜内の穴の使用が可能となる。
⇒ それらの中央に1つの穴を有する、2枚の膜を有する膜プレート;1枚の膜は、膜の端近くに付加的穴を、同様に、有する。
⇒ 出口、及び、ピラーは、ボトム・プレート内に作られる。
プラスチックデバイスに対して、これらの寸法は、同一のレギュレータ内部で可変であってよい。
灰色の矢印が、流れ方向を指示する。本発明の第7の実施態様に記載の後のデバイスのバルブが、図13aに示されている。
Claims (19)
- 流体リザーバに連結されるように適合された流体入口、及び、送達位置に連結されるように適合された流体出口を含んでなる、フローレギュレータであって、
該レギュレータは、
上面と底面を有する基板と、
上面、底面及び可撓性部分を含む膜
を含んでなり、ここで、該基板の上面は該膜の底面に取り付けられ;
該基板、及び該膜のいずれか、又は双方は、該膜が静止位置にある時、該膜と該基板との間に、キャビティを画成するように、凹部と、
該キャビティに隣接し、上記流体出口と連通するスルー・ホールと、
該キャビティ内の少なくとも2つのピラーであって、該ピラーの各々の高さは、該膜が静止している時、ギャップが、ピラー自由端と反対側のキャビティ・ウォールの間に、形成される様な、高さであるもの
を有し、
前記レギュレータは、さらに該キャビティに隣接し、上記流体入口と連通する2つの別のスルー・ホールを含んでなり、ここで該別のスルー・ホールの少なくとも1つは、該基板に配置されており、
該ピラーの各々は、なおその上、上記別のスルー・ホールの1つと整列されていて、該ギャップ内にバルブを形成し、
該ピラーは、なおその上、該整列したスルー・ホールの幅より大きい幅を有し;
前記レギュレータを流れる流体は、前記膜の上面に圧力をかけるが、
上記膜は、
第1の所定の閾値より高い圧力が、該膜の上面にかかる場合、
該基板の、少なくとも第1の部分と、上記キャビティ内部で、そして第1のバルブを含む部分と接触することができ、
上記ギャップ高さを、最大でゼロにまで下げ、流体が前記第1のバルブを通して流れるのを妨げる結果となり、
上記膜は、
第2の所定の閾値より高い圧力が、該膜の上面にかかる場合、
該基板の、少なくとも第2の部分と、該キャビティ内部で、そして第2のバルブを含む
部分と接触することができ、
流体が前記第2のバルブを通して流れるのを妨げる結果となり;
ここで、上記ピラーと上記別のスルー・ホールの位置と寸法は、少なくとも、上記第1と第2の所定の閾値からなる圧力の範囲内で、流体流量が受動的に調節されるように、配置される、
上記フローレギュレータ。 - 前記キャビティ内に請求項1で定義されたもの以外のn個の別のピラーを含んでなる請求項1に記載のフローレギュレータであって、
前記基板及び前記膜のいずれか、又は双方は、該キャビティに隣接する、請求項1で定義されたもの以外の少なくともn個の別のスルー・ホールを含んでなり、前記流体入口と連通し、及び、請求項1で定義されたもの以外のn個のバルブを形成し、
各バルブは、所定の閾値より低い圧力が、膜の上面にかかる場合、流体がそれを通して流れ得るように、配置されていて、
上記n個のバルブが、少なくとも、前記第1の所定の閾値及び上記所定の閾値からなる圧力の範囲内で、流体流量が受動的に調節されるように、さらに設計、及び、配置されている、
上記フローレギュレータ。 - 所定のリンキング・エリアにおいて、基板に連接されたボトム・プレートを含んでなる請求項1又は2に記載のフローレギュレータであって、
該ボトム・プレートは、基板の前記別のスルー・ホール、及び、流体入口と連通している、スルー・ホールを含んでなり、
前記流体リザーバに連結された入口、ボトム・プレート内の該スルー・ホール、基板内の該別のスルー・ホール、前記バルブ、前記キャビティ、及び、出口と連通している、前記スルー・ホールから作られた、入口から、出口への流体経路を画成している、
上記フローレギュレータ。 - 基板の前記別のスルー・ホールの、少なくとも1つと連通している、少なくとも1つの流量絞り弁を含んでなる、請求項1又は2に記載のフローレギュレータであって、
ここで、該流量絞り弁が、所定の圧力範囲において、流体経路の他の部分の流体抵抗よりも、大きな流体抵抗を有する、
上記フローレギュレータ。 - 前記基板と前記ボトム・プレートとの間のインターフェースが、少なくとも1つのチャネルが中に画成されるチャネル・プレーン、基板の前記別のスルー・ホール、及び、少なくとも該チャネルと連通しているボトム・プレートの前記スルー・ホールを含み、
該チャネルが、所定の入口圧力範囲において、流体経路の他の部分の流体抵抗よりも、大きな流体抵抗を有する、
請求項3に記載のフローレギュレータ。 - 基板とボトム・プレートとの間の前記インターフェースが、シリコン・オン・インシュレータの層である、請求項5に記載のフローレギュレータ。
- 少なくとも1つの、前記バルブが、閉止弁、及びチェック・バルブのいずれか、又は双方である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のフローレギュレータ。
- 前記膜と前記基板との間のリンキング・エリアが、膜のm個の可撓性の部分と、該膜のm個の可撓性の部分と該基板との間のm個のキャビティを画成し、
該m個のキャビティが、互いの間と、出口に連結された共通のスルー・ホールと連通し
ていて、
該m個のキャビティの各々が、少なくとも1つのピラー、入口に連結された1つのスルー・ホール、及び、それゆえ、少なくとも1つのバルブを含んでなり、
各バルブが、所定の閾値より低い圧力が、膜の上面にかかる場合、流体がそれを通して流れるように、配置されていて、
該m個のバルブが、少なくとも、前記第1の閾値と上記所定の閾値からなる、圧力の範囲内で、流体流量が、受動的に調節されるように、さらに、設計、及び、配置される、
請求項1〜7のいずれか1項に記載のフローレギュレータ。 - 前記膜の前記m個の可撓性部分の各々の、厚さ及び直径のいずれか、又は双方、
m個のピラーの各々の、高さ及び直径のいずれか、又は双方、
前記m個のキャビティの高さ、及び
m個のスルー・ホールの各々の直径、
からなる群の1つ又はそれ以上の要素が可変である、
請求項8に記載のフローレギュレータ。 - 前記キャビティ内に、少なくとも1つのフル・ピラー、即ち、いかなるスルー・ホールも有していないピラー、及び少なくとも1つの段のいずれか、又は双方を含んでなる、請求項1〜9のいずれか1項に記載のフローレギュレータであって、
ここで、該フル・ピラー、及び該段のいずれか、又は双方は、前記バルブの部分を形成していなくて、
ここで、該フル・ピラー、及び該段のいずれか、又は双方は、所定の閾値より高い圧力がかかる場合、膜の撓みと応力を制限する、
上記フローレギュレータ。 - 所定のリンキング・エリア内で、膜の上面に連接された別のプレートを含んでなる、請求項1〜10のいずれか1項に記載のフローレギュレータであって、
ここで、該別のプレート及び膜のいずれか、又は双方が、該膜と該別のプレートとの間に、別のキャビティを形成するための凹部を有し、
該別のプレートは、加圧されたリザーバを、該別のキャビティに連結する、スルー・ホールを含んでなり、
ここで、該別のプレートは、膜内の該スルー・ホールの前に、少なくとも1つのピラーを含み、
該ピラーは、所定の圧力範囲において、膜内の該スルー・ホールを閉じ、
それゆえ、該スルー・ホールにおける逆流を防止する、
上記フローレギュレータ。 - 所定のリンキング・エリアにおいて、膜の上面に連接された、別のプレートを含んでなる、請求項1〜11のいずれか1項に記載のフローレギュレータであって、
ここで、該別のプレート及び膜のいずれか、又は双方が、該膜と該別のプレートとの間に、別のキャビティを形成するための凹部を有し、
ここで、該別のプレートが、少なくとも1つのピラーを含んで、該ピラーの方向への膜の撓みを防止し、
ここで、該別のプレートが、上記別のキャビティに連結したスルー・ホールを含み、
該フローレギュレータが、前記流体リザーバと連通している第1のポート、基板の前記スルー・ホールと連通している第2のポート、別のプレート内の該スルー・ホールと連通している第3のポートを含む、少なくとも、3つのポートを有する流体スイッチを含んでなり、
ここで、スイッチが、ポート1と2の間の連通を可能にし、一方、ポート3は閉じている、第1の位置上にある時、流体が、リザーバから基板のスルー・ホールにだけ流れ、上
記膜と該別のプレートとの間の上記キャビティ内のリザーバ圧力をかけること、及び、それゆえ、前記膜の撓みを防止して、前記バルブを閉じ、
ここで、スイッチの全てのポートは、スイッチが第2の位置にある時、互いの間で連通していて、
上記別のキャビティが、それゆえ、リザーバ圧力を受け、
流体が、リザーバから、基板のスルー・ホールに流れることを可能にし、
リザーバ圧力が変わると、膜の変位と、それゆえ、バルブの閉止を可能にする、
上記フローレギュレータ。 - 前記膜の上面に、薄い、弾力性のある、高分子層を含んでなる、請求項1〜12のいずれか1項に記載のフローレギュレータ。
- 基板の底面下、及び膜の上面のいずれか又は双方に、弾力性があり、除去可能なフィルムを含んでなり、
該フィルムが、フィルム位置決めに応じて、1つ、又は、数個の前記バルブを、選択的に、開く、又は、閉じる、開口部を有する、
請求項1〜13のいずれか1項に記載のフローレギュレータ。 - 前記ピラーを含む前記キャビティ内の、膜面及び基板面のいずれか、又は双方が、反結合性層を含む、請求項1〜14のいずれか1項に記載のフローレギュレータ。
- 流体と接触している表面が、親水性及び防食性のいずれか、又は双方の薬剤でコーティングされている、請求項1〜15のいずれか1項に記載のフローレギュレータ。
- 前記膜上に圧力をかけるように適合されたアクチュエータをさらに含んでなる、請求項1〜16のいずれか1項に記載のフローレギュレータ。
- 前記膜が歪ゲージを含む、請求項1〜17のいずれか1項に記載のフローレギュレータ。
- フィルタを含んでなる、請求項1〜18のいずれか1項に記載のフローレギュレータ。
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