用於檢測mems微泵的故障的方法和系統的製作方法

2023-10-08 10:34:34 2

用於檢測mems微泵的故障的方法和系統的製作方法
【專利摘要】一種用於檢測微泵的包括可能的欠或過輸送的故障的方法，所述微泵至少具有入口閥、具有內部壓力傳感器的泵浦室和出口閥，所述方法包括通過當泵不活動時至少以一定的時間間隔由所述泵浦室中的所述內部壓力傳感器進行的壓力的測量和與參考值的比較確定泵密閉性。
【專利說明】用於檢測MEMS微泵的故障的方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及可以有利地用於施予胰島素的MEMS (微機電系統)微泵。這樣的泵包括具有泵浦薄膜的泵浦室以及包括在兩個止回閥之間的集成傳感器。更具體地，本發明涉及用於監測MEMS微泵的狀態的方法。
【背景技術】
[0002]尤其是醫療裝置中的故障的檢測是重要的，原因是患者的壽命可能取決於所述裝置的正常工作。例如在輸注泵的情況下，故障的潛在危險結果典型地是藥物過輸注或欠輸注到患者中。
[0003]故障的例子是泵浦線路中的洩漏、堵塞或存在氣泡。
[0004]用於檢測醫療裝置的故障的現有技術的裝置和方法例如在以下專利文獻中公開:US2008/214979, EP1762263 和 US7104763。
[0005]MEMS微泵的例子在專利申請W02010/046728中公開。如圖1中所示的該MEMS微泵1是高度小型化和往復薄膜泵浦機構。它由矽或矽和玻璃製造。它包含入口控制元件(在這裡是入口閥2)、泵浦薄膜3、允許檢測系統中的各種故障的功能內部檢測器4和出口閥5。這樣的微泵的原理在現有技術中例如從US5，759，014獲知。
[0006]圖la示出微泵的橫截面，玻璃層的堆疊作為基板8、矽層作為固定到基板8的第二板9、第二玻璃層10作為固定到矽板9的頂板，由此限定具有容積的泵浦室11。
[0007]聯接到臺面6的致 動器(未在這裡表示)允許泵浦薄膜3的控制移位。通道7也存在以便將出口控制元件(出口閥5)連接到未在這裡表示的外部檢測器並且最後連接到放置在泵的相對側上的出口埠。
[0008]圖lb示出MEMS微泵的另一橫截面，該微泵包括在通道7上的蓋12、外部檢測器
13、在出口檢測器13和出口埠 18之間的流體通道17。
[0009]在泵1中，泵浦室的內部的壓力在泵浦周期期間取決於許多因素(例如，致動速率、入口和出口處的壓力、氣泡體積的可能存在、閥特性和它們的洩漏率)變化。
[0010]通過分析致動周期期間的壓力分布檢測故障。
[0011]微泵1中的內部壓力傳感器4和外部壓力傳感器13由相應地放置在泵浦室11和泵出口 5之間以及泵出口閥5和泵出口埠 18之間的矽薄膜製造。傳感器位於形成於微泵矽層9的表面和它的頂層10之間的通道中。另外，傳感器包括在薄膜上處於惠斯通電橋配置的一組應變敏感電阻器，利用矽的大壓阻效應。壓力的變化引起薄膜的扭曲並且因此橋不再平衡。傳感器設計成使信號與泵的典型壓力範圍內的壓力成線性。流體與互連導線和壓電式電阻器的表面接觸。通過使用與導線和壓電式電阻器相反的極性的附加表面摻雜保證橋的良好電絕緣。
[0012]由於在致動(衝程內檢測)期間執行分析方法，因此諸如胰島素容器加壓或兩個衝程之間的任何其它自由流動狀態的事件的發生未被檢測。低流速危險狀態因此可能被檢測得太遲，導致嚴重的患者損傷。[0013]所以需要改進用於檢測MEMS微泵的故障的現有方法和系統。

【發明內容】

[0014]本發明提供相對於現有技術的方法和系統的若干改進。
[0015]本發明可以有利地使用W02010/046728中所述的微泵，所述微泵在例如申請EP11171155.2中所述的裝置的內部。W02010/046728描述基於至少一個集成壓力傳感器的分析的衝程外檢測方法。EP11171155.2描述包括三個不同腔的醫療裝置，其中泵浦元件位於第一腔中，第二腔(其是容器)設計成包含用於輸送到患者的流體。第一和第二腔由剛性壁分離，而第二和第三腔以這樣的方式由可移動薄膜緊緊地分離使得當流體的體積變化時所述薄膜可以在第二和第三腔之間移動。所述裝置包括兩個不同的通氣裝置，第一個用於第一腔並且第二個用於第三腔。如果通氣裝置中的一個被堵塞，則裝置可能過或欠輸送包含在容器(第二腔)中的流體。 [0016]使用根據本發明的方法，可以在幾秒內檢測到引起自由流動的任何狀態。可以估計過或欠輸送的量。根據本發明的方法也允許檢測容器過填充。
[0017]在優選實施例中根據本發明的方法基於入口和出口閥兩者的等效流體阻力的原理。
[0018]優選地，在最後致動周期期間確定閥的殘餘流體阻力並且泵浦室的內部的壓力的實時監測允許在衝程外期間確定最大可能過或欠輸送。
[0019]一旦可能發生過或欠輸送的風險，衝程內和衝程外檢測方法聯合用於向患者警報。
【具體實施方式】
[0020]用以下示出的例子將更好地理解本發明。
[0021]4.1.泵洩漏
[0022]泵浦裝置由包括顆粒和空氣過濾器的容器、具有入口(2)和出口(5)止回閥、泵浦薄膜(3)和集成檢測器(4和13)的MEMS微泵1以及將微泵的出口( 18)連接到患者身體、例如包括導管的裝置製造。
[0023]與胰島素接觸的泵浦裝置的所有部分限定流體路徑。
[0024]將洩漏定義為可以導致過或欠輸送的任何密閉性缺陷。
[0025]在這裡區分兩種類型的洩漏。
[0026]1.從流體路逕到外部的洩漏，典型地由於:
[0027].容器故障
[0028].微泵破裂
[0029].隔膜問題
[0030]?針頭問題
[0031 ] 2.流體路徑內的洩漏，典型地由於:
[0032]?在閥座之下的顆粒
[0033].閥座中的破裂
[0034]朝著外部的洩漏將通常引起欠輸送。這些類型的洩漏可以在生產期間由流體路徑密閉性測試解決。
[0035]防破裂環也植入泵浦薄膜、入口和出口閥中。矽中的任何破裂電氣地打開防破裂環。因此在功能測試期間、但是也在裝置的工作期間電氣地測試微泵的可移動或敏感部分的機械完整性。
[0036]流體路徑內的洩漏可以弓丨起過和欠輸送。
[0037]閥的密閉性防止胰島素容器和患者之間的直接連通，原因是即使在致動期間也有至少一個閥在流體路徑中是常閉的。
[0038]一個閥座之下的顆粒的存在引起影響泵精度的回流。
[0039]與入口和出口之間的壓力的梯度關聯的兩個閥之下的顆粒的存在引起自由流動。
[0040]由於有可以潛在地輸送閥座之下的顆粒的流動，因此閥密閉性的測試應當連續地執行，儘管生產中的密閉性的測試足以檢測閥座的破裂，原因是這僅僅是由於工藝問題。[0041 ] 本發明描述生產中和工作中洩漏檢測方法。
[0042]4.2.閥密閉性和等效流體阻力
[0043]在這裡考慮完全工作泵單元，即，已成功地通過所有生產測試。流體路徑因此與閥一樣密閉。
[0044]現在重要的是討論 密閉性的概念，原因是正在談論通過具有有限粗糙度並且沒有順應性的硬閥座的僅僅大約每小時幾納升的流速。
[0045]常閉閥由其相應的入口和出口的有限殘餘流體阻力Rin和Rwt表徵。
[0046]由於兩個流體阻力串聯放置，因此當它們的流體阻力的和1^+1?_達到閾值時潛在地有自由流動的風險並且這與Rin和Rwt的單獨值無關。
[0047]在乾式功能測試之後，表徵從加壓泵浦室通過在這裡放置成並聯的常閉閥的壓力衰減。因此可以獲得僅僅由下式限定的Req:
「00481 R = R'"R"'"
[0049]該表達式可以以更簡約的方式寫成:
[0050]l/Req=l/Rin+l/R0Ut
[0051]Req由Rin和R-之間的最低值確定。將定義為功能測試期間的最小容許值。該值與由設計輸入和由可以由壓力傳感器檢測的入口和出口之間的最小壓力差允許的最大洩漏率Qmax相關。
[0052]最大洩漏率由下式限定:
? APth
[0053]δ腿= "
十 ^out
[0054]對於Req和Λ Pth的指定值，對於Rin=Rwt=2Re(1獲得和的最小值，如下所述:
[0055]R,t-R=
eq
[0056]於是
【權利要求】
1.一種用於檢測微泵的包括可能的欠或過輸送的故障的方法，所述微泵至少具有入口閥、具有內部壓力傳感器的泵浦室和出口閥，所述方法包括通過當泵不活動時至少以一定的時間間隔由所述泵浦室中的所述內部壓力傳感器進行的壓力的測量和與參考值的比較確定泵密閉性。
2.根據權利要求1所述的方法，其中當泵活動時通過在泵浦周期的至少一部分期間測量所述泵浦室中的壓力傳感器獲得所述參考值。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括確定如以下方程中限定的等效流體阻力:l/Req=l/Rin+l/R0Ut其中Rw是等效流體阻力，Rin是當閉合時的所述入口閥的殘餘流體阻力，Rout是當閉合時的所述出口閥的殘餘流體阻力，所述等效流體阻力由所述內部壓力傳感器經由泵活動時的所述泵浦室中的壓力變化的原位測量確定。
4.根據權利要求3所述的方法，還包括當泵活動時泵的入口處和出口處的壓力的測量，所述可能的欠或過輸送於是由根據以下關係確定的最大洩漏率Qmax表徵:Qmax= Δ P/4Req其中ΛP是所述入口和出口壓力之間的差。`
5.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其中在外部控制出口閥，並且其中所述方法包括當出口閥由外部裝置閉合時泵的致動引起存在於泵浦室中的氣體的壓縮，所述方法包括在所述壓縮之前和之後測量泵浦室中的氣體的壓力，所述方法還包括分析壓縮之後的所述氣體的壓力衰減，所述壓力衰減由閉合時的入口閥和出口閥的所述殘餘流體阻力引起。
6.根據權利要求5所述的方法，其中當泵活動時在泵浦周期的至少一部分期間通過分析所述內部壓力傳感器確定泵的壓縮比、分別為Pin和Pwt的入口閥和出口閥的打開閾值。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，包括當泵活動時用所述內部檢測器確定容器壓力，所述方法包括所述等效流體阻力和所述容器壓力與預定閾值之間的比較，所述方法包括當所述流體阻力小於流體阻力的所述預定閾值和/或所述容器壓力大於所述預定閾值壓力值時觸發警報。
8.根據權利要求3所述的方法，還包括當泵不活動時由所述內部壓力傳感器測量泵浦室中的靜態相對壓力P，所述欠或過輸送於是由根據以下關係確定的最大洩漏率Q表徵:Qmax=l//Req(l/P+1/Pvalin))其中作為入口閥的打開閾值的pvalin等於入口閥之上和之下的壓力差，相應的所述泵浦室壓力和所述容器壓力之間的壓力差，其是打開入口閥所必需的。
9.根據權利要求1或2所述的方法，還包括當功能泵處於休止時和在容器填充期間由所述內部壓力傳感器測量壓力。
10.根據權利要求9所述的方法，其中在泵填充結束時致動泵，所述方法包括所述內部檢測器的測量和被測量的壓力與預定閾值之間的比較，泵被致動直到所述壓力變為小於所述預定閾值。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括預定數量的附加致動周期。
12.根據權利要求9所述的方法，包括當在填充期間由所述內部檢測器測量的壓力超過第一預定值時觸發警報，當所述壓力減小到低於第二預定值時停止所述警報。
13.根據權利要求1或2所述的方法，其中所述泵具有在泵的至少一個撓性部分上的防破裂裝置，所述方法包括防破裂裝置連續性的電測量。
14.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述泵還包括在出口閥之下的外部檢測器，所述等效流體阻力由所述內部壓力傳感器和外部壓力傳感器經由所述泵活動時所述泵浦室中的壓力衰減的測量確定。
15.根據權利要求14所述的方法，包括當泵活動時用所述內部檢測器和外部檢測器確定容器壓力，所述方法包括所述等效流體阻力和所述容器壓力與預定閾值之間的比較，所述方法包括當所述流體阻力和/或所述容器壓力分別小於和大於所述預定閾值時觸發警報。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括使用所述內部檢測器和外部檢測器確定空容器。
17.根據權利要求14或15所述的用於檢測微泵的欠或過輸送的方法，還包括當泵不活動時分別測量內部和外部檢測器的靜態相對壓力P和Ρο，所述方法包括確定所述出口閥的最小流體阻力Rwt，所述值R-在第一近似中由等效流體阻力Re(1最小化，所述欠或過輸送於是由根據以下關係確定的最大洩漏率Q表徵:Qmax= (P_Po) /Req°
18.根據權利要求14或15所述的方法，還包括當泵不活動時分別測量內部和外部檢測器的靜態相對壓力P和Ρο，所述欠或過輸送於是由根據以下關係確定的最大洩漏率Q表徵: κα/(ρ-ρ0)+υ其中pvalin是入口閥的打開閾值。
19.根據權利要求9至12中任一項所述的方法，其中泵還包括在出口閥之下的外部檢測器，所述方法包括用所述內部檢測器和外部檢測器進行的壓力測量和被測量的壓力與預定閾值之間的比較，泵被致動直到所述壓力變為小於所述預定閾值。
20.根據權利要求14或15所述的方法，其中泵包括用於壓力檢測器的參考埠的通氣孔，所述方法包括在所述檢測器的參考埠和外部之間存在壓力梯度的情況下通過根據預定閾值測量和比較兩個檢測器的信號確定通氣孔堵塞。
21.根據權利要求1或2或14所述的方法，還包括薄膜的部分、一半或完全致動以確定閥的等效流體阻力。
22.根據權利要求21所述的方法，其中由所述附加致動引起的流速小於泵活動時的通常流速。
23.一種微泵，其至少具有入口閥、具有內部壓力傳感器的泵浦室和出口閥，所述微泵包括欠或過輸送檢測裝置，所述欠或過輸送檢測裝置包括用於根據如權利要求2所述的方法確定等效流體阻力的處理單元。
24.根據權利要求23所述的微泵，還包括位於所述出口閥之下的外部壓力檢測器。
25.根據權利要求23或24所述的微泵，還包括在至少一個撓性部分上的防破裂裝置和用於防破裂裝置連續性的電測量的測量裝置。
【文檔編號】G01F1/34GK103635213SQ201280030834
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年6月22日 優先權日:2011年6月23日
【發明者】埃裡克·查佩爾, 史蒂芬·普羅恩奈克, 弗雷德裡克·內特爾 申請人:生物技術公司