在液体药剂输送系统中使用的传感器的制作方法

专利名称：在液体药剂输送系统中使用的传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在液体药剂输送系统中使用的传感器设备，其具有微流体室和光学检测系统，还涉及具有这种传感器设备的输液泵设备和液体药剂输送系统，以及这种传感器设备对于测量流体系统中的压力和/或气泡的存在的使用。
背景技术：
一般针对对可通过皮下输液而给予的药物具有持续且在一天过程中具有变化的需要的患者，使用用于自动释放液体药剂的设备。具体应用是例如特定疼痛治疗以及对糖 尿病的治疗。在这些情况下，使用了计算机控制的输液泵设备，其可以由患者随身携带，并在药库中包含特定数量的液体药剂。药库通常包括对于一天或若干天来说足够的药物。通过输液管或注射针将液体药剂从药库供应至患者的身体。特别是在药剂(例如，胰岛素)的自己给予中，使用所讨论的药剂并凭借输液泵设备自己给予该药剂的患者倾向于强调便利性和谨慎性。因此，对这种输液泵设备的可接受的尺寸进行限制，以便不会通过穿衣而明显并且尽可能舒适地携带。在优选类型的输液泵设备中，液体药剂由下行流泵从柔性容器获得。柔性容器具有容器与其容量相比更小的容积剩余的优势，这降低了制造成本并实现了对更小总体尺寸的输液泵设备的设计。在经由输液泵设备的液体药剂给予的上下文中，传感器设备可以用于控制剂量，监视系统的正确操作，以及用于快速检测故障和危险，例如阻塞的输液线或管、空容器或者发生故障的泵系统。典型地，压力传感器设备被布置在泵设备的流体路径下行流和输液管的上行流中。典型地，这种压力传感器设备包括填充有液体且流体连接至流体系统的微流体室。该室被柔性的弹性膜覆盖，使得传感器室内部的流体压力与外部(例如，大气)压力之间的压力差将暂时使膜变型。然后，可以通过合适的手段来测量膜的由此产生的偏斜(deflection),以确定流体系统的内部压力。用于测量膜的变形的合适方案是对膜的反射出的光束的光学检测。例如，在“Amicrofluidic experimental platform with internal pressure measurements, ” M. J.Kohl et al. , Sensors and Actuators A 118 (2005), pp. 212-221 中公开了这种压力传感器设备。图I示意性地示出了根据现有技术的这种压力传感器设备6。与流体系统相连接的微流体室I包括刚性底基板11和柔性的弹性顶盖12 (例如，膜)。光学检测系统5被布置为通过确定光束53a与盖膜12的交互来测量盖膜12的变形。为此目的，发光设备51(例如，激光二极管)以特定角度将光束53a导向至盖膜12的表面上，在该表面处反射光束53b。微流体室的内部容积14与外部环境之间的压力差Λ P作用于盖膜12上，并根据该压力差，使盖膜12变形至特定程度12’。因此，反射的光束的角度改变，并且光束横向偏移。通过观察反射的光束53b、53b’的位置，可以测量盖膜的变形，并且，基于所获得的结果，可以确定压力差值。为了能够观察反射的光束，光学检测系统5中的检测器必须被设计为可移动，或者，不同位置和不同角度处的多个检测器必须被包括在根据现有技术的设备中。这两个方面均使这种传感器设备昂贵且难以制造。柔性的弹性顶盖膜12是相当易碎的，并且因此易于毁坏。损坏或者甚至毁坏的盖膜将导致错误的压力测量和/或流体系统的泄漏，这两者均不可接受。因此，应当保护顶盖膜12免于机械毁坏以及其他有害的环境影响。同时，柔性顶盖12必须保持可接入光学检测系统5。光学检测系统5可以被布置在膜12的合适的保护盖内。然而，由于包括任何压力传感器设备的液体输液泵系统的流体系统一般被设计为一次性(disposable)部件，因此出于卫生的原因，这种解决方案是非常昂贵的，这是由于将必须与微流体室一起丢弃检测器系统5的任何光发射和接收设备。
重要的是，压力传感器设备的微流体室没有气泡，以避免系统或随机测量差错。微流体传感器室中(以及更一般地，流体系统内任何位置)的气泡降低流体系统的硬度，并且因而延迟传感器对在流体系统变得阻塞的情况下可能发生的压力改变的响应。结果产生的不能再现的测量差错可以降低输液泵设备的剂量准确度，并增加对阻塞事件的响应时间。输液泵设备的流体系统中(特别地，泵系统中)而且还有其他组件(例如，容器)中存在的气泡还造成另外的问题。如果气泡保持处于流体系统中，则可能给予这些气泡而不是液体药剂，这导致潜在危险的剂量差错。此外，出于医疗原因，一般应当避免将空气给予患者体内。流体系统(特别地，输液泵设备中)的另一问题是流体系统中的死容积。不能使用所述死容积，这意味着不能完全清空或排空所述死容积。因此，死容积显著提高了每剂量的有效成本，并且因而提高了总体治疗成本，这是由于特定百分比的液体药剂不可避免地保持处于流体系统中并必须加以处理。该负面成本效应对昂贵的药剂来说特别重要。此外，给定总体库大小的特定死容积的相对部分随着绝对库大小的减小而增大。因此，最小化死容积随着库大小的减小变得越来越重要。为了在首次填充流体系统(系统的所谓起动注水(priming))时避免微流体室中的气泡，必须以受控的方式填充该室。然而，该目标可能受在该首次填充过程期间微流体室在空间中的非受控定向阻碍，这是由于重力场导致作用于气泡上的浮力。根据微流体室的定向和设计，可以在该室的特定区域中捕捉到气泡。由于流体系统中的气泡可能造成的如上解释的许多问题，急切地需要能够检测流体系统中的气泡的可靠且便宜的传感器。对于本说明书，术语“空气”的意义不应仅包括空气本身，而是还包括可存在于流体系统中的任何气体或气体组成，特别是纯氮或其他保护气体。发明目的
本发明的目的是提供一种在流体系统中(特别是在用于液体药剂的输液泵设备中)使用的有利的传感器设备，其克服上述以及其他问题中的一个或多个。本发明的另一目的是提供一种在流体系统中使用的有利传感器设备，其可以用作压力传感器和/或气泡传感器。本发明的又一目的是提供一种具有较不复杂的光学检测系统的传感器设备。有利地，在这种传感器设备中，可以容易地将光学检测系统与其他组件对准。
本发明的另一目的是提供一种对其组件的组装中的小变化不敏感的传感器设备。在根据本发明的传感器设备中，任何敏感部件应当是能够保护免于机械毁坏的。有利地，该传感器的与液体接触的任何部件被布置在能够可释放地附着至可再用的子单元的分离子单元中。这种传感器设备应当提供小的死容积，并且其应当是可填充的，而没有空气保持处于该室中，本质上不依赖于其在空间中的定向。其应当是可在大规模制造中低成本地生产。
此外，本发明的目的是提供一种输液泵设备或者输液泵设备的部件，以及具有根据本发明的传感器设备的液体药剂输送系统。这些和其他目的由根据独立权利要求所述的传感器设备、输液泵设备和液体药剂输送系统实现。在从属权利要求中给出了有利实施例。

发明内容
在液体药剂输送系统中使用的根据本发明的传感器设备具有微流体室，其包括刚性底基板和盖；以及光学检测系统，其被布置为朝向所述盖发射一个或多个光束，并观察从所述盖反射的一个或多个光束。所述光学检测系统被布置在底基板的与所述盖相对的侧上。有利地，照射到所述盖上的一个或多个光束和/或一个或多个反射的光束经过所述微流体室的底部结构。包括所述光学检测系统的可再用的部件可以耦合至包括所述微流体室的一次性部件。在这种传感器设备的有利实施例中，所述盖是柔性的弹性盖膜，并且所述光学检测系统被布置为确定所述盖膜的变形。这种有利传感器设备可以用作压力传感器设备。当在流体系统的外部压力和内部压力之间不存在压力差时，顶盖膜保持平坦。在正压力差的情况下，膜将向外凸出。然后，使用柔性膜的外表面的结果产生的位移来确定当前压力差。在根据本发明的这种压力传感器设备中，所述光学检测系统通过所述室的底部结构和液体填充的内容积来测量所述盖膜的变形。因此，可以通过将便宜的保护盖覆盖于膜上来保护敏感膜的外侧免于机械毁坏和环境影响。在传感器设备的另一有利实施例中，对所发射的光束的波长进行选择，以使得所述微流体室中的液体在该波长处示出高吸收系数。这种实施例特别有利地作为气泡传感器设备。在根据本发明的传感器设备的又一有利实施例中，所述光学检测系统包括两个或更多个光电传感器或者光电传感器阵列。有利地，根据本发明的传感器设备被适配为使得在所述盖的流体接触表面上反射一个或多个光束。所述流体系统中的液体一般是水或水溶液。对于水，有利波长是例如630 nm或1400 nm。在270 nm处给出针对典型胰岛素剂型的吸收最大值。因此，这种波长特别有利
地与胰岛素泵系统一起使用。当气泡经过光束时，沿光路径的吸收率显著降低，并且检测到更多光。因此，这种传感器设备可以用于识别空气在光束的路径中的存在，并且因而能够检测气泡的经过。如果根据本发明的设备包括两个或更多个光电传感器，或者甚至包括光电传感器阵列，则相比于其他检测器上的信号评估不同检测器上测量出的信号，以便测量盖膜的偏斜，并且由此确定流体系统中的压力。另一方面为了检测空气在光路径中的存在并且由此检测气泡，评估所检测到的光的绝对强度。这两个信息通道本质上彼此无关。在仅存在一个在根据本发明的传感器设备中使用的光电传感器的情况下，还有可能检测到气泡。气泡将导致所检测到的光信号的增大，而盖膜的偏斜将使光束从光传感器偏离，从而减小所检测到的光信号。因此，根据本发明的传感器设备具有以下特定优势可以以使得其可以同时被用作压力传感器和气泡传感器的这种方式来实现该传感器设备。在根据本发明的这种传感器设备的有利实施例中，所述底部结构包括棱柱状结构，所述棱柱状结构用于将来自底部结构材料的光束耦合至所述微流体室的内容积中的液体中，和/或将来自所述液体的光束耦合至所述底部结构材料中。
使用这种棱柱结构的主要优势之一在于返回的所反射的光束的路径由棱柱结构限定。光学传感器可以被布置在棱柱结构之下。因此，所述光学检测系统可以被实现为不具有移动部件的静态系统。仅需要所限定的小数目的检测器，其可以关于所述棱柱结构容易地对准。根据本发明的传感器设备中的光学检测系统的正确功能对检测器的位置和定向中的较小变化不敏感。因此，制造和组装过程中必要的准确度降低，这降低了传感器设备的总体成本。在一个有利实施例中，传感器设备的顶盖膜是可透气的，其具有以下优势传感器设备中剩余的任何气泡可以通过盖膜而排出。在根据本发明的传感器设备的特别有利实施例中，一个或多个壁或填充物位于所述室中，所述壁或填充物在其间限定了流体通道，使得所述流体通道从所述室的入口延伸至所述室的出口。所述壁或填充物中的每一个所具有的高度小于由所述底部结构与所述盖膜之间的距离限定的所述室的高度，以便在每个壁或填充物的顶表面与所述盖膜之间限定流体间隙。对所述壁或填充物和所述室的尺寸进行选择，以使得当液体被引入到流体室中时，经由所述流体通道、通过毛细力、利用液体来填充所述流体间隙。换言之，将通过毛细力、利用被引入到流体室中的液体来填充与所述流体通道的由所述液体填充的部分相邻的流体间隙。与现有技术相比，根据本发明的这种传感器设备具有显著减小的死容积。此外，在负压力差的情况下(在这种情况下盖膜将朝向该室向内位移)，在特定实施例中，壁可以支撑盖膜，从而避免膜自身对微流体室的阻塞。在根据本发明的这种传感器设备的甚至更有利的变型中，在所述壁或填充物中提供棱柱状结构以用于将来自所述壁的底部结构材料的光束耦合至所述微流体室的内容积中的液体中，和/或将来自所述液体的光束耦合至所述底部结构材料中。有利地，所述底部结构的表面的至少一部分、和/或所述壁、和/或面向所述室的内容积的顶盖膜是亲水性的。这增大了间隙中的毛细力，特别是对于水溶液来说。间隙的高度有利地介于约O. 02 mm与约O. 2 mm之间，并且更有利地介于O. 05 mm与O. 15 _之间。所述流体通道可以具有弯曲或蜿蜒状的形状，或者可以是直的。根据本发明的传感器设备的一些实施例具有两个或更多个流体通道。可以通过将根据本发明的传感器设备的微流体室的入口导管和出口导管流体连接，提供设旁路绕过该室的附加导管，这具有增大微流体室的流量并且因此增大传感器设备的流量的优势。有利地，旁路导管的入口的宽度小于入口导管的宽度，以防止气泡进入所述旁路导管。在根据本发明的传感器设备的另一有利变型中，一个或多个附加出口导管从所述流体通道分岔。由于可以大量地且在连续生产线上制造根据本发明的传感器设备的微流体室，因此每件的有效成本足够低以使得这些微流体室可以被实现为一次性使用的产品。根据本发明的输液泵设备和根据本发明的液体药剂输送系统包括如上所讨论的 根据本发明的传感器设备。本发明的另一有利方面是如上所讨论的根据本发明的传感器设备对于测量流体系统中的压力和/或测量流体系统中的气泡的存在的使用。


为了便于更全面理解本发明，现在参考附图。这些参考不应解释为限制本发明，而是仅意在是不例性的。图I在横截面视图中示意性地示出了本领域公知的传感器设备，其具有微流体室和光学检测系统。图2在横截面视图中示意性地示出了根据本发明的传感器设备的实施例。图3在横截面视图中示意性地示出了根据本发明的传感器设备的另一实施例。图4 (a)在俯视图中以及图4 (b)在沿平面A— A的横截面中示意性地示出了在根据本发明的传感器设备中使用的微流体室的典型实施例。图4 (c)示出了图4 (b)的详细视图。图5示出了在两个后续阶段中在根据本发明的传感器设备中使用的微流体室的实施例中的液体在真实实验中填充该室期间的分布。图6 (a)在俯视图中以及图6 (b)在沿线A— A的横截面中示意性地示出了与蜿蜒流体路径相结合的具有棱柱状结构的根据本发明的传感器设备的有利实施例。图7示出了在如图6所示的根据本发明的传感器设备中使用的棱柱结构的不同替换变型。图8描绘了在根据本发明的传感器设备中使用的微流体室的四个其他可能示例性实施例。图9示意性地示出了在流体通道中存在气泡的根据图6的传感器设备。图10示出了(a)在根据本发明的传感器设备中使用的微流体室的实施例，沿该室中的流体通道具有附加出口，从而提供捕获气泡的能力；以及(b)在根据本发明的传感器设备中使用的微流体室的实施例，具有旁路附加导管。
具体实施例方式在图2中在经过根据本发明的传感器设备6的微流体室I的横截面中描述了根据本发明的传感器设备6的第一实施例。微流体室I包括底部结构11和顶盖膜12，其限定了室I的内容积14。该室流体连接至流体系统(未示出)。盖膜12是柔性且弹性的。在根据本发明的传感器设备作为压力传感器进行操作的期间，微流体室I的内容积14填充有液体。内容积14的液体与外部环境的压力(例如，大气压)之间的压力差Λρ作用于盖膜12上，并向外凸出膜12’。当压力差下降时，变形且由此偏置的膜朝向无载平坦状态返回。盖膜12的变形的数量取决于压力差ΛΡο因此，可以使用膜12的变形来测量压力差。使用弹性聚合物作为盖膜的材料，可以使用直径处于例如2 mm至7 mm范围内的圆形膜来测量Ombar与200 mbar之间的压力差。对于更大的压力差,使用更小的直径,这是由于膜的变形不应当超过由所使用的材料限定的特定机械界限。在根据本发明的传感器设备的所示实施例中，发光设备51(例如，激光二极管或发光二极管)向顶盖膜12发射准直的光束53a。光束53a的路径穿过室的透明底部结构11和 内容积中的液体介质4。有利地，底部结构由透明聚合物材料(例如，PMMA或聚苯乙烯)制造。在将光从底部结构材料112转移至液体介质4时，根据两个材料的折射率之比，折射光束。然后，光束53a被盖膜12的内和/或外表面反射。盖膜可以是被涂覆以增加反射的金属蒸气。反射束53b再次经过液体4和底部结构材料112，并最终被光电传感器52、52’(例如，光电二极管或光电晶体管)接收。发光设备51和光电传感器52、52’二者均位于微流体室的与膜12相对的侧上。因此，与现有技术相比，如图2所示的根据本发明的压力传感器设备6具有以下特定优势光学检测系统5不需要接入膜12的外表面。因此，通过将光耦合经过室的底部结构11，可以向膜12提供保护盖或外壳(未示出)，从而掩盖膜12免于机械毁坏和环境影响。保护盖的定位或光学特性不需要高准确度，这就降低了制造成本。此外，保护盖可以用于将膜的变形限制于特定最大水平，从而防止膜免于由于流体系统中的过压而引起的不可逆的毁坏。如果膜将必须可从外部光学接入，则对盖的这种有利的附加使用将是不可能的。光学检测系统可以是根据本发明的传感器设备的可再用的子单元的一部分，该可再用的子单元可以可释放地附着至微流体室的与盖膜相对的较低侧，优选地，该盖膜被盖永久且不可接入地保护。该室可以是传感器的一次性子单元的一部分，包括与液体药剂相接触且必须不可再用的所有部件。在特别有利的实施例中，光学检测系统是输液泵设备的可再用的单元的一部分，该可再用的单元可释放地耦合至泵设备的一次性单元，其包括具有微流体室的流体系统。当盖膜变形12’时，根据变形程度，反射的光束的路径偏移和偏斜53b’。光电传感器52仅可以接收光束53b，只要其处于特定空间范围内即可。因此，在具有一个单一光电传感器的传感器设备的建立中，仅有可能确定盖膜12的变形或对应的压力差是否处于预定的目标范围内，所述预定的目标范围与光电传感器的空间检测范围相对应。因此，在这种实施例中，光学检测系统5递送与特定压力阈值相关的二进制开/关信号，该特定压力阈值可以由输液泵系统的控制单元使用。这种相对简单的系统完全足以检测流体线中的阻塞。在图2所示的实施例中，提供了两个光电传感器52、52’。第一传感器52接收膜变形的第一范围内的反射光束53b,包括针对未变形膜12的状态,等价于零压力差。第二光电传感器52’接收相邻变形范围内的反射光束53b’，包括膜12’的最大可允许变形状态。代替一个或两个光电传感器，可以使用多个传感器。在特别有利的实施例中，使用CCD传感器阵列52来检测反射光束，这将允许以高横向分辨率确定膜变形，并由此将允许以提高的精确度测量压力差。这种实施例递送了与压力有关的更详细信息，并且因此，在控制单元使用压力值来计算和/或监视液体的当前流动和所给予的液体药剂剂量的情况下是有利的。CCD传感器阵列的使用具有以下另外的优势阵列关于微流体室的角定向的特定范围内的偏离可以被校准测量考虑。这提高了测量的精确度，并允许校正当可再用光学检测系统耦合至新传感器室时该可再用光学检测系统的对准的变化。可以在盖膜12的任何位置上选择光束53a的反射点531。所述位置531与膜的中心越接近，则膜12在垂直方向(与未偏斜膜垂直)上的偏斜越大，这与反射点531’的更大横向偏移相对应，并由此与反射光束的更大横向偏移53b’相对应。位置531与室的边界越·接近，则膜表面12的倾斜的改变越大，并且由此，变形时的反射角的改变越大，这也与反射光束53b的更大偏移相对应。为了获得最高分辨率，必须从发光设备51和光电传感器52、52’的位置和定向中选择最优值。例如，良好的位置是微流体室的半径的50%处的反射点。在图3中示出了根据本发明的传感器设备的另一有利实施例。在该特定实施例中，为底部结构11提供了从底部结构11突出的棱柱状结构16、16a、16b。第一棱柱状结构16用于将由发光设备51从底部结构的介质112发射的准直光束53a耦合至室中的液体介质4中，从而允许光束53a在盖膜12上的入射角更陡。两个其他棱柱状结构16a、16b被用于将反射光束53b、53b’耦合回到底部结构材料112中。代替两个棱柱状结构和两个光电传感器52、52’(如图3所示)，可以应用多个这种棱柱和/或包括CCD传感器阵列的多个光电传感器，以提高分辨率。根据本发明的传感器设备的这种实施例的重要优势是光学检测系统5对其关于微流体室的定向的较小偏离不敏感。这种较小变化可以在可再用部件和一次性部件耦合时发生，甚至在提供引导结构时发生。由于反射光束53b、53b’被棱柱结构16a、16b引导至位于棱柱结构下面的对应光学传感器52、52’，因此传感器的较小横向位移将不会影响光学检测系统的准确度。甚至可以校正影响棱柱和传感器的对准并由此影响由传感器检测到的光量的更大位移，这是由于所有传感器将遭受相同的未对准量。由于所有检测器都被定向于相同方向上，因此设备的组装可以由标准自动安置机器执行，这显著降低了制造成本。在图4中示出了适合用在根据本发明的传感器设备中的微流体室的特别有利实施例。圆形的流体室I包括底基板11和顶盖12。顶盖12与底基板11间隔开特定高度H1，从而限定了室I的内容积14。八个壁13布置在流体室I中，并限定了从入口 21延伸至位于室I的相对侧上的出口 22的蜿蜒状流体通道12。因此，入口导管211和出口导管221通过流体通道12而流体连接。壁13的高度H2小于室I的总体高度H1。因此，在顶盖12与壁13的上表面131之间存在流体间隙3，具有高度H3 = Hl - H2。对室和壁的尺寸(具体地，H1、H2、H3)进行选择，使得存在不可忽略的毛细力作用于存在于微流体室I中的流体4上。流体通道2中的流体4将被所述毛细力拖拽至流体间隙3中。具体尺寸一方面取决于所使用的液体，并且另一方面取决于顶盖12的表面和壁13的顶部131的属性，因为这将最终限定液体、表面和室中的气体/空气之间的界面张力，于是，这将针对微流体室的特定几何设置限定有效毛细力。由于在大多数情况下液体药剂是水溶液，因此优选地，至少大多数相关表面(即，壁13的顶表面131的表面和顶盖12的面向表面131的表面)是亲水性的，其中接触角< 90°，以便增加总体毛细效果。对于水溶液，间隙3的高度H3的优选范围处于20 μπι与200 μ m之间，并且优选地处于50 μ m与150μ m之间。室I和流体通道2的尺寸较不关键。微流体室I的典型直径可以例如处于约2_至 10mm之间。流体通道可以具有例如O. Imm至I mm的宽度，而壁13的高度H2处于O. 25mm至5 mm之间的范围内，并优选地处于O. 5 mm与I mm之间。流体通道2的宽度与高度H2之间的高宽比可以处于O. 25与5之间，并优选地约为I。当通过入口 21利用液体4填充微流体室I时，液体将本质上沿流体通道2流动。毛细力会将流体通道2中的液体4拉拽至间隙3的相邻部分中，从而有效地排挤掉间隙中存在的空气。在能量方面有利得更多的情况是，空气形成球形泡，其最小表面朝向亲水的围绕物，并且由此，没有气泡保持处于间隙3中。在图5中以实验方式演示了适合与根据本发明的传感器设备一起使用的这种微流体室I的第一次填充。在图5 (a)中，水溶液4已经沿下行流流经入口导管211和入口21至流体通道2中，并且当前处于位置B处。由于间隙3中的毛细力，液体4流动至间隙3的与已填充的流体通道2相邻的部分3. 1,3. 2,3. 3、3. 4中。在间隙中，位置B的下行流的流体通道2的仍填充有空气或气体7的周围部分限制了液体的进一步流动。因此，间隙3是逐部分地填充的。图5 (b)示出了稍后的阶段，其中，液体4已经在流体通道2中行进至位置C。间隙3的除部分3. 10外的所有部分都填充有液体4,部分3. 10尚未与液体相接触并仍填充有空气7。在图5中清楚可见，没有空气7保持处于室的已由液体4填充的部分中。当液体将最终已到达出口 22和出口导管221时，将完全填充微流体室I。没有空气7保持处于微流体室中。间隙中的气泡在能量方面不如流体通道2中的气泡优选。因此，在稍后阶段在间隙3中也将不形成气泡，并且，如果在间隙3中形成气泡，则这些气泡将迁移至流体通道2中。另一方面，出于能量的原因，流体通道2中的气泡不会进入间隙3，但将被液体流传输走。微流体室I的所示能力与其在空间中的定向无关。由于负责间隙的平滑填充的毛细力和界面张力比作用于液体上的重力和作用于液体中的气泡上的浮力更强得多，因此微流体室最终将完全填充液体4，而与其定向无关。因此，这种微流体室的填充行为是可预测且可再现的，这对在根据本发明的传感器设备中使用来说非常有利。由于微流体室的操作内容积小于具有类似尺寸的中空微流体室的操作内容积，因此死容积(流体系统中的流体容积的绝不可能被排空且最终将在丢弃传感器设备时丢失的部分)显著减小。所公开的微流体室的另一优势在于以下事实将通过流体通道，将通过入口进入室的气泡引导至出口。由于流体通道的有效横截面区域本质上在其长度上恒定，因此液体流在其长度上也恒定，并不会在特定位置处下降。因此，无法在流体室中捕捉到气泡。在图6中公开了特别有利的传感器设备6，并且其例证了传感器设备的特别有用的实施例，其中，将根据本发明的传感器设备的有利光学检测方案与具有蜿蜒流体通道2的微流体室的优势进行组合。这种传感器设备的微流体室I本质上与图4所示的实施例相对应，同时，与图3类似地实现检测。在矩形检测区域55中，将室I的壁13减小至棱柱状结构16、16a、16b，以便将在壁中传播的入射光束53a耦合至液体4中，并将反射光束53b、53b’耦合回到壁和底部结构11中。棱柱结构仅形成壁13中的窄间隙。这防止沿检测区域的流体阻力降至低于沿流体通道2的流动阻力。发光设备51被布置为直接处于第一棱柱状结构16下面,并发射在壁中传播的准直光束53a，直到准直光束53a到达倾斜的棱柱表面为止，在该倾斜的棱柱表面处，向反射 点531折射光束。在盖膜12上反射之后，反射光束53b照射到第二棱柱状结构16a的棱柱表面上，在该棱柱表面处，朝向被布置为直接处于棱柱16a下面的光电传感器52折射光束。当压力差增大时，膜变形，并且反射点531’移动至右侧。反射光束53b现在照射到第三棱柱状结构16b的棱柱表面上，并到达第二光电传感器52’。在进一步增大压力差的情况下，反射光束到达下一棱柱16c等。棱柱结构的倾角和总体尺寸取决于微流体室的尺寸和属性、针对光束而使用的波长、底部结构材料和液体介质的折射率以及其他因素，并必须针对特定传感器几何结构而米用。在图7 (a)至(d)中描绘了可能棱柱结构的其他示例。在图7 (a)和(b)所示的变型中，棱柱结构是窄的，具有用于收集照射的光的较大棱柱表面。从光学检测的观点来看，这种设计是有利的。然而，窄的棱柱结构导致沿检测区域55的流动阻力减小，这对微流体室I的属性来说较不有利。在图7 (C)和(d)中的实施例中，棱柱状结构与其他壁13 —样宽。这增大了沿检测区域的流动阻力。另一方面，可用于接收光的棱柱的表面减小。微流体室可以具有圆形形状，如图6所示的传感器设备的实施例中那样，或者具有任何其他合适形状。这对微流体室中的流体通道的具体设计来说同样适用。依照根据本发明的传感器设备的具体设计，微流体室的一些实施例相比于其他实施例可以是优选的。图8示出了适合于与根据本发明的传感器设备一起使用的微流体室的多个可能变型。在图8 (a)中，流体通道2的蜿蜒部布置在椭圆形的室I中，而在图8 (b)的实施例中，室I具有矩形形状。在图8 (c)中，示出了具有蜿蜒流体通道12的替换路线的圆形室I。代替仅具有一个流体通道2，微流体室的壁13可以在室内限定两个或更多个流体通道，从公共入口延伸至公共出口。图8 (d)示出了微流体室I的这种实施例。入口导管211通过公共入口 21朝向室I打开。然后，流体通道分割为两个分离的流体通道2、2’，这两个分离的流体通道2、2’在公共出口 22处再次接合。在这种实施例中，优选地，提供了建设性的装置(例如，流动屏障)，其确保了在填充过程期间，在液体流进一步行进通过出口 22之前完全填充室I。流体通道的弯曲或蜿蜒的设计对具有较大基底区域的流体室来说是有利的，这是由于流体通道与间隙的外边缘之间的最长可能距离较短。此外，蜿蜒的流体通道可以用作用于限制经过流体系统的最大流量的高效装置。在到目前为止讨论的根据本发明的传感器设备的实施例中，微流体室I包括底部结构11和顶盖膜12，底部结构11和顶盖膜12沿室I的外缘一起密封在密封区域15中。底基板11和顶盖12的合适材料是例如聚合物材料。用于将两个基板11、12相连接的合适方法是热接合，激光接合、胶合等。壁13可以被实现为底基板11的必要组成部分。在这种情况下，作为示例，流体通道2以及甚至入口和出口导管可以是通过将必要的孔隙结构浮凸至平坦的底部结构12中来产生的。为了获得必要的间隙3，可以在底层结构与室周围的顶层12之间布置高度为H3的薄分隔层，或者可以在浮凸步骤中产生间隙以及流体通道和壁。用于制造微流体室的另一合适技术是注模。在可能的替换方案中，壁13被实现为分离的填充结构，这些分离的填充结构被安 装至平坦底层11上。在该方案中，填充体可以附着至底层，并且然后可以以夹层状的方式布置在所述底层与相邻顶层之间。在根据本发明的传感器设备的尤其有利实施例中，对用于检测的波长进行选择，使得其在液体中具有高吸收系数，该液体在大多数情况下将是水溶液。有用的波长包括在其中水具有高吸收系数(例如，630 nm或1400 nm)的那些波长。在270 nm处给出典型胰岛素剂型的吸收最大值。因此，这种波长对与胰岛素泵系统一起使用来说特别有利。尽管在液体介质4中吸收了辐照光的一部分，但是光电传感器接收足以递送可靠结果的信号。然而，如果沿流体通道2拉拽气泡，并且气泡到达检测区域55，则吸收强烈减小，并且由光电传感器中的一个或多个接收到的信号显著增大。信号强度的这种突然增大可以后续用于对输液泵设备的用户和/或控制系统生成以下警告消息在流体系统中存在气泡；以及传感器的可靠性可能受到损害。因此，根据本发明的传感器设备还可以用于检测流体系统中的气泡，并确定其压力测量值是否可能由于在传感器中存在气泡而错误。图9示出了用作气泡传感器的如图6所示的根据本发明的传感器设备。液体流中的气泡71已经进入微流体室I。出于能量的原因，其无法进入流体间隙，并被沿流体通道2拖拽。当气泡71到达检测区域55时，入射光束53a和反射光束53b经过气泡，如图9 (b)所示。由检测器52检测到的光强度增大，传感器设备会将其解释为检测到气泡。考虑到微流体室I的已知几何结构、液体的电流传送速度以及光强度增大(与气泡的前部相对应)与光强度减小回到正常值(标记气泡的结尾)之间的时间段，根据本发明的这种传感器设备甚至能够确定所经过的气泡的体积。然后，控制单元可以使用这种信息来评估情形并采取必要步骤。在特别针对作为气泡传感器设备的使用的根据本发明的传感器设备的实施例中，膜12可以被实现为半刚性膜，或者甚至被实现为刚性盖。在图10中公开了与根据本发明的传感器设备6 —起使用的微流体室I的两个另外的有利变型。在图10 (a)中，两个附加出口开口 23位于沿蜿蜒流体通道2的不同位置处，附加出口导管231从蜿蜒流体通道2分岔。在主要出口 22的下行流处，出口导管221、231再次收敛于公共出口导管。附加出口开口 23小于主要出口开口 22。窄出口 23的宽度应当是流体通道2的宽度的50%或更小。对于具有特定尺寸的气泡，由于界面张力，进入窄出口 23将在能量方面不如停留在相对较宽的流体通道2中有利。因此，气泡将停留在流体通道的内部，在那里这些气泡将最终由光学检测系统5检测到。由于三个出口 23、22可用，因此经过传感器设备6的液体的吞吐量增大。图10(b)描绘了根据本发明的传感器设备的另一优选变型，其中，附加导管241设旁路绕过微流体室I。所述旁路导管241将入口导管221直接连接至出口导管221。旁路导管241的入口 24的宽度比入口导管211的宽度更小得多，为入口导管211的宽度的50%或更小。因此，气泡进入入口 24和旁路导管241并不有利，并且气泡将进入传感器设备，在其中气泡可以被检测到。为了确保在第一次填充过程期间旁路导管241和微流体室I 二者均完全填充，可以使用流动屏障或类似装置，如前已讨论。本发明的范围不应受这里描述的具体实施例限制。实际上，除这里描述的那些之外本发明的各种修改对本领域技术人员来说将从以上描述和附图中显而易见。因此，这些 修改意在落入所附权利要求的范围内。此外，在整个说明书中引用的任何参考文献的公开的全部内容以参考的方式并入此。参考标记的列表
I微流体室
II底基板
112 底基板材料
12柔性的弹性顶盖膜 12’、12’’ 变形的盖膜
13壁、填充物 131 壁的顶表面
14内容积
15密封区域
16、16a、16b、16c、16d 棱柱结构
2、2’流体通道
21人口
211 入口导管
22出口
221出口导管
23附加出口
231附加出口导管
24旁路导管的入口 241 旁路导管
3流体间隙
3.I、3. 2、……、3. 10 间隙的部分
4液体
5光学检测系统 51 发光设备 52、52’、52’’ 光电传感器53a入射光束
53b反射光束531、531’、531’’ 反射点
55检测区域
6传感器设备
7空气、气体71气泡
Hl流体室的高度
H2壁的高度
H3间隙的高度
Δρ压力差
权利要求
1.一种在液体药剂输送系统中使用的传感器设备(6)，所述传感器设备(6)具有微流体室(1)，其包括刚性底基板(11)和盖(12);以及光学检测系统(5)，其被布置为朝向所述盖(12)发射一个或多个光束(53a)，并观察从所述盖(12)反射的一个或多个光束(53b)，其特征在于，所述光学检测系统(5)被布置在底基板(11)的与所述盖(12)相对的侧上。
2.根据权利要求I所述的传感器设备，其特征在于，照射到所述盖(12)上的一个或多个光束(53a)和/或一个或多个反射的光束(53b)经过底部结构(11)。
3.根据权利要求I或2所述的传感器设备，其特征在于，所述盖是柔性的弹性盖膜(12)，并且所述光学检测系统(5)被布置为确定所述盖膜(12)的变形。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的传感器设备，其特征在于，对所发射的光束(53a)的波长进行选择，使得所述微流体室(I)中的液体(4)在该波长处示出高吸收系数。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述光学检测系统(5)包括两个或更多个光电传感器(52、52’、52’ ’ )或者光电传感器阵列。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述传感器设备被适配为使得在所述盖(12)的流体接触表面上反射一个或多个光束(53a)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述传感器设备是压力传感器和/或气泡传感器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述底部结构(11)包括棱柱状结构(16、16a、16b、16c)，用于将来自底部结构材料(112)的光束(53a、53b)耦合至所述微流体室(I)的内容积(14)中的液体(4)中，和/或将来自所述液体(4)的光束(53a、53b )耦合至所述底部结构材料(112 )中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其特征在于，一个或多个壁或填充物(13)位于所述室(I)中，所述壁或填充物(13)在其间限定了流体通道(2)，使得所述流体通道(2 )从所述室的入口( 21)延伸至所述室的出口( 22 );其中，所述壁或填充物(13 )中的每一个所具有的高度(H2)小于由所述底基板(11)与所述盖膜(12)之间的距离限定的所述室(I)的高度(H1)，以便在每个壁或填充物(13)的顶表面(131)与所述盖膜(12)之间限定流体间隙(3)，以及其中，对所述壁或填充物(13)和所述室(I)的尺寸(H1、H2)进行选择，以使得当液体(4)被引入到流体室(I)中时，经由所述流体通道(2)、通过毛细力、利用液体(4 )来填充所述流体间隙(3 )。
10.根据权利要求10所述的传感器设备，其特征在于，在所述壁或填充物(13)中提供棱柱状结构(16、16a、16b、16c)，用于将来自所述壁(13)的底部结构材料(112)的光束(53a、53b)耦合至所述微流体室(I)的内容积(14)中的液体(4)中，和/或将来自所述液体(4)的光束(53a、53b)耦合至所述底部结构材料(112)中。
11.根据权利要求9或10所述的传感器设备，其特征在于，所述流体通道(2)具有蜿蜒状的形状。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的传感器设备，其特征在于，附加导管(241)设旁路绕过所述室(I)，并将所述室(I)的入口导管(211)和出口导管(221)流体连接。
13.一种在液体药剂输送系统中使用的输液泵设备，其特征在于，根据权利要求I至12中任一项所述的传感器设备。
14.一种液体药剂输送系统,其特征在于，根据权利要求I至12中任一项所述的传感器设备。
15.根据权利要求I至12中任一项所述的传感器设备对于测量流体系统中的压力和/或测量流体系统中的气泡的存在的使用。
全文摘要
一种在液体药剂输送系统中使用的传感器设备(6)，具有微流体室(1)，其包括刚性底基板(11)和盖(12)；以及光学检测系统(5)，其被布置为朝向盖膜(12)发射一个或多个光束(53a)，并观察从盖膜(12)反射的一个或多个光束(53b)。光学检测系统(5)被布置在底基板(11)的与盖膜(12)相对的侧上。
文档编号A61M5/142GK102958549SQ201180032605
公开日2013年3月6日 申请日期2011年5月27日 优先权日2010年6月28日
发明者J.吕恩贝格尔 申请人:霍夫曼-拉罗奇有限公司