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Patent Searching and Data


Title:
PROPORTIONER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1998/048328
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention pertains to a device comprising an element for proportioning a fluid flow ($g(f)) from the inlet to the outlet of the proportioner (10), fitted with a membrane (12) with at least one opening (16) which acts as a resistance to the outflow of the proportioned medium, as well a built-in pressure sensor (14) inside the membrane (12) to capture any pressure difference between the inlet and the outlet of said proportioner (10), which also comprises a temperature sensor to capture the medium temperature, a controlled pressure transmitter for boosting the proportioned medium at the inlet, as well as a setting device fitted on the pressure transmitter for adjusting the pressure depending on the pressure difference captured by the pressure sensor (14) and the temperature captured by the temperature sensor.

Inventors:
RICHTER MARTIN (DE)
Application Number:
PCT/EP1998/002373
Publication Date:
October 29, 1998
Filing Date:
April 22, 1998
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
RICHTER MARTIN (DE)
International Classes:
G01F1/36; G01F1/38; G01F13/00; G05D7/06; (IPC1-7): G05D7/00; G05D16/16; G05D11/035; G05D11/13; G01F1/74; G01F11/06; F16K31/365
Foreign References:
EP0239331A21987-09-30
US4330003A1982-05-18
GB2064826A1981-06-17
Attorney, Agent or Firm:
Schoppe, Fritz (Postfach 71 08 67, M�nchen, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Dosiervorrichtung mit einem Dosiervorrichtungselement (10) zum Dosieren eines Fluidflusses ( ) 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 Flu widerstand darstellt; und eine 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 aufweist, 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) erfa ten Druckdifferenz und der mittels des Tempe ratursensors erfa ten Temperatur.
2. Dosiervorrichtung gemä Anspruch 1, bei der das Dosier vorrichtungselement als Halbleiterchip ausgebildet ist, wobei die Membran (12) eine Halbleitermembran ist.
3. Dosiervorrichtung gemä Anspruch 2, bei der der Druck sensor (14) durch auf oder in der Membran angeordnete piezoresistive Widerstände gebildet ist.
4. Dosiervorrichtung gemä Anspruch 2 oder 3, bei der der Temperatursensor auf dem Halbleiterchip integriert ist.
5. Dosiervorrichtung gemä einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der dem zu dosierenden Medium ausgesetzte Bereiche des Halbleiterchips passiviert sind.
6. Dosiervorrichtung gemä 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 gemä 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 gemä einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zwei Dosiervorrichtungselemente (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 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 Flu widerstands zu ermöglichen.
Description:
Dosiervorrichtung Beschreibunq 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 Flu widerstände umfassen, deren Durchflu von dem Druck abhängt, mit dem das zu dosierende Medium strö- mungsmä ig vor dem Flu widerstand beaufschlagt ist. Zur Er- fassung der Druckdifferenz werden üblicherweise zwei unter- schiedliche Drucksensoren verwendet, die strömungsmä ig vor und strömungsmä ig hinter dem Flu widerstand angeordnet sind.

Bekannte Flu widerstände 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, da ein Flu widerstand und zwei unterschiedliche Drucksensoren, die strömungsmä ig vor und hinter dem Flu widerstand 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 Durchflu menge 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 Al ist eine Me vorrichtung zur Messung der Durchflu menge 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 Dehnungsme - streifen zur Erfassung einer Verbiegung der Platte vorgese- hen sind.

In der DE 42 23 067 C2 ist ein mikromechanischer Durchflu - begrenzer beschrieben, der in einer Mehrschichtstruktur auf- gebaut ist. Dieser Durchflu begrenzer 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 Me druck abhängige elastische Verformung eines Bauteils in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die zur Erfassung der elastischen Verformung verwendeten Deh- nungsme fühler sind dabei direkt an einer elatischen Me - 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 gemä 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 Flu widerstand 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 erfa ten Druckdifferenz und der mittels des Temperatursen- sors erfa ten 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 undXoder 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 erfa ten Druckdifferenz erkannt werden können.

Die erfindungsgemä e Dosiervorrichtung ist gegenüber bekann- ten Dosiervorrichtungen vorteilhaft dahingehend, da die Druckdifferenz direkt mit einem Sensor bestimmt wird und nicht durch zwei Druckmessungen gegenüber Atmosphäre, wobei die Ergebnisse der beiden Messungen nachfolgend voneinander subtrahiert werden. Ferner ist der Flu widerstand, die Re- striktion, gemä 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 Flu widerstands, der Flu restrik- 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 Fig. näher erläutert.

Die Fig. zeigt eine schematische Querschnittansicht eines bei der erfindungsgemä en Dosiervorrichtung verwendeten Dosiervorrichtungselements.

Wie in der Fig. 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 Flu widerstand mit definiertem Strömungs- widerstand dienen, ausgebildet ist.

In der Fig. 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 Fig. nur zwei zu sehen sind. Ferner ist in der Membran zumindest eine Öffnung 16, die als Flu widerstand mit definiertem Strömungswider- stand dient, vorgesehen. Die Öffnung 16 kann beispielsweise mittels herkömmlicher Trockenätztechniken in der Membran 12 gebildet sein.

Bei dem in der Fig. 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 erfa t werden kann.

Diese Verformung ist ein Ma 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 Fi- gur linksseitig angeordneten Eingangsseite zu der in der Fi- gur rechtsseitig angeordneten Ausgangsseite, die an dem Flu widerstand anliegt, detektiert werden kann.

Der Flu , der in der Fig. durch den Pfeil angedeutet ist, der durch den Flu widerstand flie t, ist eine Funktion des an demselben anliegenden Druckes.

Besteht der Flu widerstand, die Flu restriktion, aus einem Loch, dessen Durchmesser sehr viel kleiner ist als dessen Länge, so ist der Zusammenhang zwischen Flu und Druck li- near. Der Durchflu 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 grö er als die Länge dersel- ben, sind die Strömungsverhältnisse ähnlich zu einem rei- bungsfreien Ausflu aus einer Blende, wobei nach dem Gesetz von Torricelli eine Abhängigkeit des Flusses, die von der Quadratwurzel der Druckdifferenz, die an dem Flu widerstand anliegt, abhängt, erhalten wird.

In jedem Fall ist der Durchflu durch die Flu restriktion eine monoton steigende Funktion des an derselben abfallenden Druckes. Somit ist eine Kalibrierung möglich, wobei durch die Messung des Druckabfalls der Flu bestimmt werden kann.

Somit ist der Chip zum Dosieren von Fluiden, d.h. Gasen und Flüssigkeiten, geeignet.

Jedes Strömungsmedium hat als Stoffgrö e seine Viskosität n(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 erfa t werden. Ferner ist die Kenntnis der Funktion n(T) für ein bestimmtes Strömungsmedium vorteil- haft. Auf der Basis der erfa ten Temperatur und der Funktion n(T) kann dann bei einer Temperaturänderung ein regelbarer Druckgeber einer Dosiervorrichtung nachgestellt werden, um den Flu konstant auf einer festgelegten Dosierrate zu hal- ten.

Dosiervorrichtungen, die nach dem Überdruckprinzip arbeiten, für die das erfindungsgemä e Dosiervorrichtungselement ge- eignet ist, umfassen häufig Druckgeber zum Erzeugen eines Überdrucks. Für Dosierzwecke nach dem Überdruckprinzip wird häufig ein Überdruck in der Grö enordnung von 50 kPa verwen- det. Es ist offensichtlich, da bei Verwendung eines Über- drucks in dieser Grö enordnung 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 Grö enordnungen für das erfindungsgemä e Dosiervorrichtungselement angegeben.

Die laterale Abmessung der Drucksensormembran 12 liegt vor- zugsweise in einem Bereich von 2 x 2 mm2 bis 5 x 5 mm2. Die Membrandicke liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 Mm und 60 Mm. Der Durchmesser der Öffnung 16 kann beispiels- weise in einem Bereich von 10 m bis 100 Mm 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 erfindungsgemä e 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 flie t kein oder nur noch ein sehr geringer Flu durch die Öffnung der Membran. Ein geringer Flu 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 strömungsmä ig vor und hinter dem Flu widerstand bewirkt werden. Befindet sich vor dem Flu widerstand, d.h. auf der Hochdruckseite, ein Leck, wird die resultierende Flu änder- ung ebenfalls durch die Differenzdruckmessung erfa t, da nunmehr ein geringerer Flu durch den Dosierchip flie t.

Wesentlich unwahrscheinlicher ist dagegen ein Leck ström- ungsmä ig hinter dem Flu widerstand, d.h. auf der Nieder- druckseite. Ein solches Leck kann von dem Dosierchip nicht erfa t werden. Als Sicherheitsma nahme 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 Flu widerstand bewirkt sein. Im Falle der Medikamentendosierung verschlie t sich beispiels- weise nach einiger Zeit häufig eine am Patienten gelegte Ka- nüle, so da die Dosierfunktion nicht mehr gewährleistet ist. Verschlie t sich der Strömungskanal vor oder nach dem Flu widerstand, etwa in einem Filter oder in der Kanüle, so flie t kein Flu mehr, weshalb kein Druck mehr an dem Druck- sensor abfällt. Somit kann in diesem Fall eine Alarmfunktion ausgelöst werden.

Es ist ferner möglich, da der Flu widerstand 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 grö er 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 Flu und somit der Druckanstieg zunimmt, während bei Gasen die Viskosität mit sinkender Temperatur abnimmt. Soll auch in einem solchen Fall des Verstopfens des Flu widerstands in der Membran das Auslösen einer Alarmfunktion möglich sein, sind zusätzliche Ma nahmen notwendig.

Eine erste Ma nahme 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 Flu widerstands, d.h. der Öffnung, zuverlässig gemessen werden. Mit einer derartigen Anordnung zweier hintereinander geschalteter Dosierchips kann auch ei- ne teilweise Blockierung eines Flu widerstands 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 Flu wi- derstand zu erkennen, bietet die Hintereinanderschaltung eines Dosierchips und eines passiven Flu widerstands. Wird ein passiver Flu widerstand strömungsmä ig vor oder hinter dem Dosierchip in Serie angebracht, wobei der Strömungswi- derstand beim Nennflu gleich dem des Dosierchips ist, fällt bei Normalbetrieb der halbe Dosierdruck an dem Dosierchip und der halbe Dosierdruck an dem passiven Flu widerstand ab.

Liegt nun eine Verstopfung des Flu widerstands des Dosier- chips vor, steigt der Druckabfall an demselben auf das Dop- pelte, was von der Systemsteuerung als Alarmfall erkannt wird, wenn dieser Druckabfall au erhalb 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 Flu wider- stands und des Flu widerstands des Dosierchips vergrö ert werden. Als passive Flu widerstände 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 gemä der vorliegenden Erfindung nur noch einen einzigen Chip, der sowohl die Funktion der Druckdifferenzmessung als auch die Funktion der Flu restriktion erfüllt, da die Re- striktion direkt in den Drucksensor integriert ist.