(57)【要約】  流体流れ用途において使用するためのセンサが提供される。センサは、流体流れを第１の導管から受けるように構成される入口チャンバと、流体流れを第２の導管に提供するように構成される出口チャンバと、入口チャンバを出口チャンバから分離する膜であって、入口チャンバから出口チャンバへの流体流れを可能とするための流体通路を含む、膜とを含む。センサは、さらには、膜の変形によって変化するように構成される電気特性を有する、膜上に配設された回路構成要素と、回路構成要素の電気特性の変化に基づく電気信号を提供するための、基板上に形成され、回路構成要素と結合された導体とを含む。膜は、基板上に形成されたエピタキシャル層を含む。上記のセンサを製作及び使用するための方法も提示される。
2021512737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流れ用途において使用するためのセンサであって、
流体流れを第１の導管から受けるように構成される入口チャンバと、
前記流体流れを第２の導管に提供するように構成される出口チャンバと、
前記入口チャンバを前記出口チャンバから分離する膜であって、前記入口チャンバから前記出口チャンバへの前記流体流れを可能とするための流体通路を備える、膜と、
前記膜上に配設された回路構成要素であって、前記膜の変形によって変化するように構成される電気特性を有する、回路構成要素と、
基板上に形成され、前記回路構成要素と結合された導体であって、前記回路構成要素の前記電気特性の変化に基づく電気信号を提供するように構成される、導体と
を備え、
前記膜は、前記基板上に形成されたエピタキシャル層を含む、センサ。
【請求項２】
前記回路構成要素は、ピエゾ抵抗素子であり、前記回路構成要素の前記電気特性は、電気抵抗である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
第２の膜上に配設された第２の回路構成要素をさらに備え、前記第２の膜は、前記入口チャンバ又は前記出口チャンバのうちの１つを雰囲気圧力から分離し、前記第２の回路構成要素は、前記第２の膜の変形によって前記第２の回路構成要素の電気特性を変化させるように構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記基板は、半導体材料を含み、前記膜は、前記半導体材料の上方に成長させたエピタキシャル層を含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記基板上に付着させた電極をさらに備え、前記電極は、前記流体流れ内の流体と接触するように、及び、前記流体の電気特性を測定するように構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記基板上に付着させられ、パッシベーション層により前記流体流れ内の流体から分離された、電極をさらに備え、前記電極は、前記流体内の泡含有量を測定するように構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記基板上に形成された第２の導体をさらに備え、前記第２の導体は、温度センサから信号を受信するように構成され、前記信号は、前記流体流れ内の流体の温度を測定するために使用される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
センサを作製するための方法であって、
エピタキシャル層を基板の上方に成長させるステップであって、前記エピタキシャル層を形成するステップは、ドーパント原子を選択的に埋め込んで、前記エピタキシャル層内のひずみに反応する電気構成要素を形成するステップを含む、成長させるステップと、
膜を前記エピタキシャル層上に形成するステップであって、前記膜は、前記膜の反対の両側の間の圧力差が前記エピタキシャル層内の前記ひずみを誘導するように選択される厚さを有する、形成するステップと、
前記膜を通る流体通路を形成するステップと、
入口継手を前記基板に取り付けて、入口チャンバを前記膜の第１の側に形成するステップと、
出口継手を前記基板に取り付けて、出口チャンバを前記膜の第２の側に形成するステップと、
電気コネクタを前記電気構成要素にボンディングするステップと
を含む、方法。
【請求項９】
温度検知構成要素を前記基板上に形成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
メタライゼーション層を前記基板の選択された区域に付着させて、導電率センサを形成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
メタライゼーション層及びパッシベーション層を前記膜の上方に付着させて、前記電気構成要素への電気接触部を形成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
パッシベーション層を前記基板上に付着させ、前記基板内の前記パッシベーション層をエッチングするステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
雰囲気圧力を前記出口チャンバから分離する第２の膜を形成し、流体圧力を前記第２の膜内の第２のひずみから測定するための、前記第２の膜上の第２の電気構成要素を形成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
膜を形成するステップは、前記基板を、前記基板の背面端部から前記エピタキシャル層までエッチングするステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
流体流れを制御するための方法であって、
センサを通る前記流体流れを提供するステップであって、前記センサは、入口チャンバを出口チャンバから分離する膜を含み、前記膜は、流体通路を含み、前記膜は、基板上に形成されたエピタキシャル層を含む、提供するステップと、
電力を、前記膜上のピエゾ抵抗構成要素に提供するステップであって、前記ピエゾ抵抗構成要素は、前記入口チャンバを前記出口チャンバから分離する前記膜の変形を測定するように構成される、提供するステップと、
前記膜の前記変形を、前記膜上の前記ピエゾ抵抗構成要素の電気特性の変化に基づいて検出するステップと、
前記センサを通る前記流体流れの流量を、前記膜の前記変形に基づいて取得するステップと、
コントローラによって、流体流れパラメータを、前記流量に基づいて修正するステップと
を含む、方法。
【請求項１６】
前記コントローラによって、前記流体流れパラメータを修正するステップは、ポンピング電力を調整して前記流量を修正するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記コントローラによって、前記流体流れパラメータを修正するステップは、前記流体流れの、流体温度、泡含有量、又は塩分濃度のうちの１つを調整するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
第２の電力を、前記センサ内の第２のピエゾ抵抗構成要素に提供するステップであって、前記第２のピエゾ抵抗構成要素は、第２の膜の変形を測定するように構成され、前記第２の膜は、前記センサ内の入口チャンバ又は出口チャンバのうちの１つを雰囲気圧力から分離する、提供するステップと、
前記入口チャンバ又は前記出口チャンバと、前記雰囲気圧力との間の圧力差を決定するステップと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
流体温度を、前記基板上に配設された温度センサから受信するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
第２の電力を、前記基板上に形成された電極に提供して、前記流体流れ内の流体導電率を測定するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的には、流体流れ測定及び制御のための装置及び方法に関する。より詳しくは、本開示は、流体送達用途において、微小電気機械移動システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｍｏｖｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ）を使用して流体流れパラメータを測定するための装置及び方法に関係する。
【背景技術】
【０００２】
流体送達の多くの手法は、流体流れ制御に対して関連性をもつ、複数個の流体流れパラメータの測定を伴う。これらのパラメータのうちのいくつかは、特に、医学的用途（例えば、血管内薬物送達、皮下薬物送達、及び同類のもの）の事例において関連性がある。複数個のパラメータを測定することに加えて、取り扱いの容易さのためにコンパクトなフォーム・ファクタを提供すること、並びに、デバイスへの移動及びアクセス（例えば、医学的用途における医療提供者、患者、その他）を楽にすることが望ましい。典型的には、複数個の流体パラメータを測定するデバイスは、コンパクトでなく、また、アクセスの容易さが望ましい用途（例えば、医療施設内の救急室、及び同類のもの）においてそれらのデバイスの使用を妨げる可動部品を含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
第１の実施例において、流体流れ用途において使用するためのセンサが提示される。センサは、流体流れを第１の導管から受けるように構成される入口チャンバと、流体流れを第２の導管に提供するように構成される出口チャンバと、入口チャンバを出口チャンバから分離する膜であって、入口チャンバから出口チャンバへの流体流れを可能とするための流体通路を含む、膜とを含む。センサは、さらには、膜上に配設された回路構成要素であって、膜の変形によって変化するように構成される電気特性を有する、回路構成要素と、基板上に形成され、回路構成要素と結合された導体であって、回路構成要素の電気特性の変化に基づく電気信号を提供するように構成される、導体とを含む。膜は、基板上に形成されたエピタキシャル層を含む。
【０００４】
いくつかの実施例において、センサを作製するための方法が提示される。方法は、エピタキシャル層を基板の上方に成長させるステップであって、エピタキシャル層を形成するステップは、ドーパント原子を選択的に埋め込んで、エピタキシャル層内のひずみに反応する電気構成要素を形成するステップを含む、成長させるステップと、膜をエピタキシャル層上に形成するステップであって、膜は、膜の反対の両側の間の圧力差がエピタキシャル層内のひずみを誘導するように選択される厚さを有する、形成するステップとを含む。方法は、さらには、膜を通る流体通路を形成するステップと、入口継手を基板に取り付けて、入口チャンバを膜の第１の側に形成するステップと、出口継手を基板に取り付けて、出口チャンバを膜の第２の側に形成するステップと、電気コネクタを電気構成要素にボンディングするステップとを含む。
【０００５】
さらなる実施例において、流体流れを制御するための方法が提示される。方法は、センサを通る流体流れを提供するステップであって、センサは、入口チャンバを出口チャンバから分離する膜を含み、膜は、流体通路を含み、膜は、基板上に形成されたエピタキシャル層を含む、提供するステップと、電力を、膜上のピエゾ抵抗構成要素に提供するステップであって、ピエゾ抵抗構成要素は、入口チャンバを出口チャンバから分離する膜の変形を測定するように構成される、提供するステップとを含む。方法は、さらには、膜の変形を、膜上のピエゾ抵抗構成要素の電気特性の変化に基づいて検出するステップと、センサを通る流体流れの流量を、膜の変形に基づいて取得するステップと、コントローラによって、流体流れパラメータを、流量に基づいて修正するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】いくつかの実施例による、流体流れを監視するためのセンサを含む流体流れシステムを例解する図である。
【図２】いくつかの実施例による、流体流れを監視するためのセンサを例解する図である。
【図３Ａ】いくつかの実施例による、流体流れを監視するための、図２のセンサを製作するための方法のステップを例解する図である。
【図３Ｂ】いくつかの実施例による、流体流れを監視するための、図２のセンサを製作するための方法のステップを例解する図である。
【図３Ｃ】いくつかの実施例による、流体流れを監視するための、図２のセンサを製作するための方法のステップを例解する図である。
【図３Ｄ】いくつかの実施例による、流体流れを監視するための、図２のセンサを製作するための方法のステップを例解する図である。
【図３Ｅ】いくつかの実施例による、流体流れを監視するための、図２のセンサを製作するための方法のステップを例解する図である。
【図３Ｆ】いくつかの実施例による、流体流れを監視するための、図２のセンサを製作するための方法のステップを例解する図である。
【図３Ｇ】いくつかの実施例による、流体流れを監視するための、図２のセンサを製作するための方法のステップを例解する図である。
【図４】いくつかの実施例による、流体流れを監視するためのセンサを製作するための方法におけるフローチャートを例解する図である。
【図５】いくつかの実施例による、センサによって流体流れを監視するための方法におけるフローチャートを例解する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図において、同じ又は同様の参照番号を有する要素は、別段に明示的に説述されない限り、同じ又は同様の、機能性又は構成を有する。
【０００８】
本開示は、ＩＶ流体送達の間に５つのパラメータを監視するためのモノリシックに一体化されたセンサである。いくつかの実施例は、中でも、流体流量、流体圧力（周囲雰囲気に相対的なゲージ圧力）、流体導電率、温度、及び、空気泡の存在などの検知モダリティを含む。本開示に従う実施例は、単一のデバイスへの１つ又は複数の上記の検知モダリティの一体化、及び、デバイスを製作するための方法を含む。
【０００９】
本開示に従う実施例の利点のうちのいくつかは、小さいフォーム・ファクタ、モノリシック・パッケージへの異なる検知モダリティの組合せを含む。さらには、本明細書において開示される実施例は、デバイスを生み出すための低コストで高生産量の製造方法を提供する。
【００１０】
本明細書において開示される実施例は、血管内薬物送達における流体センサへの用途を含み得る。より一般的には、本開示に従う実施例は、医学的用途に対する皮下流体送達における流体システムに対する、又は、配合、体液の除去、及び他の治療的用途に対する、流体を器官、腫瘍、及び同類のものに直接的に送達し得る、埋め込まれたシステムにおける用途を含み得る。
【００１１】
図１は、いくつかの実施例による、流体流れを監視するためのセンサ１００を含む流体流れシステム１０を例解する。流体流れシステム１０は、流体１５０を有する容器１４３を支持するフレーム１４０を含み得る。いくつかの実施例において、流体流れシステム１０は、試料流体を患者１６０から抽出するための流体抽出システムを含み得る。さらに、いくつかの実施例において、流体流れシステム１０は、例えば、薬剤調合及び又は貯蔵目的のために、流体１５０を、第１の入れ物又は容器から、第２の入れ物又は容器に移送し得る。
【００１２】
いくつかの実施例において、流体流れシステム１０は、静脈内送達システムであり、流体１５０は、血管を通して患者１６０に投与される静注用流体を含み得る。よって、流体１５０は、血液、血漿、又は薬剤を含み得る。いくつかの実施例において、流体１５０は、溶解し得る、気体泡１５１の形態でのものであり得る、若しくは、液体表面の上の方の気相を形成し得る、気体を含み、又は、これらの形態の任意の組合せを含む。気体泡１５１内の気体は、流体１５０内に溶解することが可能な、空気、窒素、酸素、又は任意の他の気体であり得る。流体１５０は、静脈内送達に適した任意の液体であり得る。よく使用される静注用液体は、患者１６０に静脈内に注射されることが望まれる、晶質（例えば、食塩水、乳酸リンゲル液、グルコース、デキストロース）、膠質（例えば、ヒドロキシエチルデンプン、ゼラチン）、液体薬剤、緩衝溶液、及び、血液製剤（例えば、濃厚赤血球、血漿、凝固因子）又は代用血液（例えば、人工血液）を含む。流体ライン１３０は、流体１５０を容器１４３から患者１６０に搬送する。いくつかの実施例において、流体１５０は、重力によって作り出される圧力差異により流体ライン１３０を通って移動する。よって、いくつかの実施例において、容器１４３は、フレーム１４０上に、患者に相対的により高い高さで配設される。いくつかの実施例において、ポンプ１４５が、圧力差異を作り出して、液体１５０を、流体ライン１３０を通して移動させる。
【００１３】
流体流れシステム１０のいくつかの実施例は、容器１４３内の流体１５０の温度を調整するためのサーモスタット１４７を含む。流体流れシステムは、流体ライン１３０と流体的に結合されたセンサ１００を含む。センサ１００は、流体流れの複数個の測定を提供するように構成される。いくつかの実施例において、センサ１００は、流体流れの、流体圧力、流体流量、泡濃度、流体温度、及び流体導電率を測定するように構成される。いくつかの実施例において、センサ１００は、流体送達システム１０内の流体と、雰囲気圧力Ｐとの間の圧力差異を測定するように構成される。
【００１４】
いくつかの実施例において、流体流れシステム１０の動作は、例えばナース・ステーションに配置されるリモート・コントローラ１７０によりワイヤレスで制御され得る。ワイヤレス通信は、コントローラ側のアンテナ１７５、及び、フレーム１４０上のアンテナ１５５により遂行され得る。コントローラ１７０は、プロセッサ１７１と、メモリ１７２とを含む。メモリ１７２は、プロセッサ１７１により実行されるとき、コントローラ１７０に、本開示に従う方法に含まれるステップのうちのいくつかを少なくとも部分的に遂行させる、コマンド及び命令を含み得る。さらにまた、センサ１００は、アンテナ１５５と、及び、コントローラ１７０とワイヤレスで通信して、命令をコントローラ１７０から受信し、データをコントローラ１７０に提供し得る。
【００１５】
コントローラ１７０、アンテナ１５５、及びセンサ１００は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｗｉ−Ｆｉ、又は任意の他の無線周波数プロトコルを介して通信し得る。よって、コントローラ１７０は、センサ１００からの読取り値を処理し、薬剤移送又は注入に対して関連性がある、流体流量、及び、流体の他の特質を決定するように構成され得る。流体ライン１３０内の弁１９０は、センサ１００が、あらかじめ決定されたしきい値より低い泡含有量を検出するとき、流体１５０が患者１６０の中へ流れることを可能とするように動作させられ得る。いくつかの実施例において、弁１９０は、上記で説明されたように警告が発せられるとき、コントローラ１７０により閉じられ得る。
【００１６】
さらにまた、コントローラ１７０は、センサ１００における泡計数がしきい値より高くなると、警告を集中型システムに提供し得る。いくつかの実施例において、コントローラ１７０は、さらには、コマンドをサーモスタット１４７に提供して、流体１５０の温度を、センサ１００により提供される泡計数又は温度測定値に基づいて調節し得る。
【００１７】
図２は、いくつかの実施例による、流体流れを監視するためのセンサ１００を例解する。いくつかの実施例において、センサ１００は、シリコンＭＥＭＳ製作技術を使用して、複数個の検知能力を、実質的に低減されたフォーム・ファクタを有するパッケージ内に組み込み得る。例えば、及び制限なしに、いくつかの実施例は、示されるように、最大で５つの、又はより多い検知モダリティを含み得る。
【００１８】
センサ１００は、流体流れ２５０を第１の導管２５３から受けるように構成される入口チャンバ２５１を含む。出口チャンバ２５２は、流体流れ２５０を第２の導管２５５に提供するように構成される。膜２０２ａは、入口チャンバ２５１を出口チャンバ２５２から分離する。膜２０１ａは、入口チャンバ２５１から出口チャンバ２５２への流体流れ２５０を可能とするための流体通路２２１を含み得る。いくつかの実施例において、膜２０２ａは、基板２０１の上方に成長させたエピタキシャル層であり得、基板２０１は、その後、その基板の「背面側」（図の下部部分）でエッチングされる。よって、いくつかの実施例において、流体通路２２１は、オリフィスを膜２０２ａ内へとエッチングすることにより形成され得る。
【００１９】
いくつかの実施例において、センサ１００は、膜２０２ａ上に配設された回路構成要素２１０ａを含む。回路構成要素２１０ａは、膜２０２ａの変形によって電気特性を変化させるように構成され得る。いくつかの実施例は、電力を提供し、電気信号をセンサ１００内の異なる回路構成要素から受信するための、基板２０１上に形成された複数個の導体２１７をさらに含む。いくつかの実施例において、導体２１７は、回路構成要素２１０ａに対する電気信号を、回路構成要素２１０ａの電気特性の変化に基づいて、電気信号を使用して流体流れ２５０の流量を取得するように構成される回路に提供する。いくつかの実施例において、膜２０２ａは、基板上に形成されたエピタキシャル層である。いくつかの実施例において、センサ１００内の検知モダリティは、流体通路２２１をまたぐ入口チャンバ２５１と出口チャンバ２５２との間の圧力降下を流量に関係付けるトリチェリの法則に基づく流量測定を含み得る。
【００２０】
いくつかの実施例において、回路構成要素２１０ａは、ピエゾ抵抗素子であり、電気特性は、電気抵抗である。回路構成要素２１０ａは、入口チャンバ２５１と出口チャンバ２５２との間の圧力差に関係付けられる、膜２０２ａの変形を検出するために、近位の、及び、流体通路２２１の周りの区域内に形成される。回路構成要素２１０ａを監視することは、かくして、流体通路２２１を通る流量を（例えば、トリチェリの法則を使用することにより）算出するために使用され得る、膜２０２ａをまたぐ圧力降下の直接的な尺度を与える。
【００２１】
ピエゾ抵抗圧力センサは、材料内に存在するひずみへの材料の導電率の依存である、ピエゾ抵抗の原理を基に作動する。よって、膜２０２ａは、選択的にドープされるピエゾ抵抗器領域（例えば、回路構成要素２１０ａ）を伴って形成される。膜２０２ａをまたぐ圧力差は、その膜が、付与される応力のもとで曲がる（又は「たわむ」）ことを引き起こす。例えば、膜２０２ａをまたぐ圧力差は、流体通路２２１を通る流体流れの圧力降下により引き起こされる。膜２０２ａのひずみ又は変形により生成される内部応力は、圧力差に対して補償する。膜２０２ａ内のひずみは、ピエゾ抵抗素子２１０ａの抵抗の変化を生み出す。抵抗の変化は、例えば、１つ又は複数の導体２１７を通してアクセス可能な、ホイートストン・ブリッジ回路アーキテクチャによって、電子的に検出され得る。
【００２２】
いくつかの実施例は、第２の膜２０２ｂ上に配設された第２の回路構成要素２１０ｂを含む。第２の膜２０２ｂは、出口チャンバ２５２を雰囲気圧力Ｐから分離する。制限なしに、いくつかの実施例は、入口チャンバ２５１を雰囲気圧力Ｐから分離する第２の膜２０２ｂを含み得る。よって、膜２０２ｂの一方の側は、流体１５０と接触しており、他方の側は、雰囲気圧力Ｐにさらされる。かくして、膜２０２ｂは、流体１５０（入口チャンバ２５１又は出口チャンバ２５２のいずれかの中の）と雰囲気圧力Ｐとの間の圧力差異を補償するように変形させられる（例えば、「ひずまされる」）。例えば、膜２０２ｂは、雰囲気圧力Ｐが出口チャンバ２５２内の流体圧力より大きいとき、出口チャンバ２５２へと「内に陥没」し得る。逆に、膜２０２ｂは、雰囲気圧力Ｐが出口チャンバ２５２内の流体圧力より低いとき、チャンバ２５２から「外に隆起」し得る。膜２０２ａ及び第２の膜２０２ｂは、本明細書において以降、一括して「膜２０２」と呼称される。いくつかの実施例において、第２の回路構成要素２１０ｂは、第２の膜２０２ｂの変形によって電気特性を変化させるように構成され得る。例えば、第２の回路構成要素２１０ｂは、ピエゾ抵抗素子を含み得、そのピエゾ抵抗素子は、その素子が第２の膜２０２ｂの変形にしたがって変形させられる際、その素子の抵抗率を変化させるように構成される。本明細書において以降、回路構成要素２１０ａ及び第２の回路構成要素２１０ｂは、一括して「回路構成要素２１０」と呼称される。よって、上記で説明された流量測定と同様の原理が、雰囲気圧力Ｐに相対的な、入口チャンバ２５１又は出口チャンバ２５２のうちの１つの中の流体圧力を監視するために使用される。
【００２３】
いくつかの実施例において、基板２０１は、半導体材料（例えば、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、及び、上記の任意の組合せ又は合金、及び同類のもの）を含み、膜２０２は、半導体材料の上方に成長させたエピタキシャル層を含む。
【００２４】
いくつかの実施例は、基板２０１上に付着させた電極２０３ａ及び２０３ｂ（本明細書において以降、一括して「電極２０３」と呼称される）をさらに含む。電極２０３は、流体１５０と接触して、流体導電率などの、流体１５０の電気特性を測定するように構成され得る。流体導電率は、規定される幾何学的配置で（例えば、図２が例解するように、あらかじめ決定された距離に沿って水平に）流体１５０にさらされる、電極２０３の間のインピーダンスを測定することにより監視される。導体２１７は、電流、例えば直流（ＤＣ：ｄｉｒｅｃｔ−ｃｕｒｒｅｎｔ）を電極２０３に提供し得る。よって、ＤＣインピーダンス及び幾何学的因子が、流体導電率をもたらす。
【００２５】
いくつかの実施例は、基板上に付着させられ、パッシベーション層２０７ａ及び２０７ｂそれぞれ（本明細書において以降、一括して「パッシベーション層２０７」と呼称される）により流体１５０から分離された、電極２０５ａ及び２０５ｂ（本明細書において以降、一括して「電極２０５」と呼称される）をさらに含む。電極２０５は、流体１５０の誘電特性を指し示し得る、流体１５０の静電容量を測定するように構成され得る。いくつかの実施例において、電極２０５は、流体１５０の電気誘電率εの値を通して、流体内の泡含有量を測定するように構成される。電極２０５の間の静電容量は、流体１５０の誘電特性により決定され得る。例えば、静電容量は、水のより高い誘電率のために、同じ幾何学的配置による空気間隙と比較して、水又は何らかの高誘電率流体が電極２０５の間の空所を満たすとき、より高くなり得る。いくつかの実施例において、センサ１００は、空気泡の存在及びサイズが検出され得るように、時間の関数として、電極２０５の間の静電容量を監視する。
【００２６】
いくつかの実施例において、センサ１００は、流体温度を測定するための温度センサ２１５を含む。シリコン集積回路（例えば、ＭＥＭＳ）を含む実施例において、温度センサ２１５は、バンドギャップ・センサを含み得、測定は、Ｐ−Ｎ接合温度の関数としての、順方向バイアス・ダイオードの電圧の変動に基づく。温度センサ２１５をまたぐ電圧が、導体２１７を通して提供され得る。いくつかの実施例において、流体とＰ−Ｎ接合との間の熱平衡を依然として可能としながらダイオードを流体から電気的に絶縁するために、薄いパッシベーティング層が、Ｐ−Ｎ接合の上方に形成される。温度補償及び線形化回路網が、同じようにして、オン・チップで含まれ得る。
【００２７】
構成要素の代替的な配置構成が、等しく良好に作動し得、図面において示される個別の配置構成は、１つの有力な解決策にすぎない。１つの態様において、単一のシリコンＭＥＭＳチップ内の５つの検知能力のモノリシックな組込みは、コンパクトで使用するのが容易な用途に対して、きわめて望ましい。
【００２８】
センサ１００は、様々なシステム、構成要素の中に、又は、患者のＩＶアクセス・ポートにラインで接続されるスタンドアローン・モジュールとして組み込まれ得る。例えば、センサは、マイクロ・ポンピング・デバイス内へと組み込まれ得、制御される流量の能動的フィードバックを提供し、圧力若しくは流体導電率がレンジから外れていることが判明した場合、又は、空気がライン内で検出された場合に、警告生成を可能にすることができる。代わりに、この低コスト・センサは、例えば、患者へのすべての静注用流体送達を監視することを可能とするために、スマート・カテーテル内に一体化され得る。
【００２９】
図３Ａ〜Ｇは、いくつかの実施例による、流体送達を監視するための一体化されたセンサ１００を製作するための方法のステップを例解する。図３Ａ〜Ｇは、製作ステップのうちのいくつかにおいては、デバイスの断面によって、標準的なシリコンＭＥＭＳプロセスを使用してセンサ１００を作製するための方法の概略的概観を例解する。デバイスは、単一のシリコン・ダイに組み入れられ、次いで、流体及び電気接続を提供するために、ハウジング内に一体化される。純粋に例解的な理由のために、及び、一般性の損失なしに、図３Ａ〜Ｇにおける基板の上部端部は、「正面」端部と呼称され、図３Ａ〜Ｇにおける基板の下部端部は、「背面」端部と呼称される。
【００３０】
図３Ａは、いくつかの実施例による、ステップ３００Ａを例解する。ステップ３００Ａにおいて、ベア・シリコン・ウェハ３０１は、正面表面上に成長させたエピタキシャル層３１１を有する。ドーパント原子が、ピエゾ抵抗器素子２１０を形成するために、このエピタキシャル層内へと選択的に埋め込まれる。基板材料がケイ素などの半導体を含むとき、ドーパント原子は、リン（Ｐ）若しくはヒ素（Ａｓ）などの電子供与体原子、又は、ホウ素（Ｂ）若しくはアルミニウム（Ａｌ）などの電子受容性原子、又は、供与体及び受容体原子の任意の組合せを含み得る。シリコン膜の、膜をまたぐ圧力差異に起因する曲がりは、結晶格子内のひずみにより誘導される、これらの埋め込まれた領域の抵抗の変化により検出される。
【００３１】
図３Ｂは、いくつかの実施例による、ステップ３００Ｂを例解する。ステップ３００Ｂにおいて、温度センサ回路網２１５が、シリコン・ウェハ３０１の正面側に発達させられる。
【００３２】
図３Ｃは、いくつかの実施例による、ステップ３００Ｃを例解する。ステップ３００Ｃにおいて、膜２０２ａ及び２０２ｂが、シリコン・ウェハ３０１の背面側からのディープ・シリコン・エッチングにより形成される。
【００３３】
図３Ｄは、いくつかの実施例による、流体通路２２１がピエゾ抵抗構成要素２１０ａの近位に膜２０２ａを通してエッチングされる、ステップ３００Ｄを例解する。ステップ３００Ｄにおいて、流体通路２２１は、シリコン・ウェハ３０１の正面端部から背面端部への流体流れ２５０を可能にする。流体通路２２１が膜２２１内に形成されると、基板３０１は、上記で詳細に説明された基板２０１の形状へと形成される。
【００３４】
図３Ｅは、いくつかの実施例による、ステップ３００Ｅを例解する。ステップ３００Ｅにおいて、背面側メタライゼーションが、導電率センサに対する電極２０３、及び、静電容量センサに対する電極２０５を形成するために遂行される。いくつかの実施例において、これは、１つのステップにおいて（電極２０３及び電極２０５の両方が同じ材料積層体である場合）、又は、複数個のステップにおいて成し遂げられ得る。電極２０３及び電極２０５は、同じ材料であることを必要とせず、なぜならば、電極２０３は流体１５０にさらされ、一方で、電極２０５はそうでないからである。電極２０５は、膜２０２ａの側壁上に付着させられる。これは、リフト・オフ手順によって成し遂げられ得、又は代わりに、金属が、均一に付着させられ、次いで、表面領域からエッチングされ得る。
【００３５】
図３Ｆは、いくつかの実施例による、ステップ３００Ｆを例解する。ステップ３００Ｆにおいて、パッシベーション層３０７が、電極２０５を流体１５０から絶縁するために、基板２０１の背面側に付着させられ、電極２０３を流体１５０にさらすために、窓を開けるように選択的にエッチングされる。いくつかの実施例において、ステップ３００Ｆにおいて、正面側絶縁及びメタライゼーションが、圧力センサ及び流量センサに対するピエゾ抵抗器２１０、並びに温度センサ２１５への選択的接触部を作り出すために遂行される。
【００３６】
いくつかの実施例において、ステップ３００Ｆは、基板３０１の正面側を追加的なパッシベーション層３２１によってパッシベーションして、電気構成要素を流体経路から絶縁するステップを含む。パッシベーション層３０７又は３２１に対するパッシベーション材料は、パリレンなどのコンフォーマル・ポリマ、又は、二酸化ケイ素などの無機ガラス層を含み得る。
【００３７】
図３Ｇは、いくつかの実施例による、ステップ３００Ｇを例解する。いくつかの実施例において、ステップ３００Ｇにおいて、継手２２１が、接着部分３５０によってセンサ・ダイに取り付けられる。いくつかの実施例において、ステップ３００Ｇは、ＭＥＭＳプロセスを完了するための、個々の電極に対するワイヤ・ボンディング、及び、ハウジング内への最終的なパッケージングを含む。
【００３８】
図４は、いくつかの実施例による、流体送達を監視するための一体化されたセンサ（例えば、センサ１００）を製作するための方法４００におけるフローチャートを例解する。よって、いくつかの実施例において、方法４００は、ＭＥＭＳ構成を使用して半導体基板（例えば、基板２０１）上にセンサを形成するステップを含む。方法４００における一体化されたセンサは、流量、圧力、塩分、泡含有量、及び同類のものなどの流体特性を測定するように構成される複数個の構成要素を含み得る。
【００３９】
方法４００のステップは、時間的に重なって、又は、ほとんど同時に遂行され得る。さらに、本開示に従ういくつかの実施例は、任意の順序で遂行される、方法４００において例解されるステップのうちの少なくとも１つを含み得るが、それらのステップのすべてを含むとは限らないことがある。
【００４０】
ステップ４０２は、エピタキシャル層を半導体基板の正面側の上方に成長させるステップを含む。いくつかの実施例において、ステップ４０２は、ドーパント原子を選択的に埋め込んで、エピタキシャル層内のひずみに反応する電気構成要素を形成するステップを含む。いくつかの実施例において、ステップ４０２は、選択的に埋め込まれたドーパント原子によって、圧力及び流量測定に対するピエゾ抵抗素子を形成するステップを含む。ピエゾ抵抗素子は、エピタキシャル層内で誘導されるひずみによって変化する抵抗率を有し得る。
【００４１】
ステップ４０４は、温度検知回路網をエピタキシャル層上に形成するステップを含む。
【００４２】
ステップ４０６は、膜を半導体基板内に形成するステップを含む。いくつかの実施例において、ステップ４０６は、半導体基板の背面側を、正面側に形成されるエピタキシャル層までエッチングするステップを含み得る。よって、いくつかの実施例において、ステップ４０４は、膜の反対の両側（例えば、正面端部及び背面端部）の間の圧力差がエピタキシャル層内のひずみを誘導するように、膜の厚さを選択するステップを含む。
【００４３】
ステップ４０８は、ピエゾ抵抗素子のうちの少なくとも１つを含む膜区域の部分を通る流体通路を形成するステップを含む。いくつかの実施例において、ステップ４０８は、膜の部分をエッチングして、流体通路を形成するステップを含む。
【００４４】
ステップ４１０は、背面側メタライゼーションを半導体基板の選択された区域に付着させるステップであって、選択された区域は、導電率センサ及び泡センサを含む、付着させるステップを含む。
【００４５】
ステップ４１２は、パッシベーション層を半導体基板の背面側に付着させて、静電容量電極の対を流体から絶縁するステップを含む。
【００４６】
ステップ４１４は、選択された区域内のパッシベーション層をエッチングして、導電率センサに対する電極を流体にさらすステップを含む。
【００４７】
ステップ４１６は、メタライゼーション層及びパッシベーション層を半導体基板の正面側に付着させて、圧力及び流量センサ内のピエゾ抵抗素子に対する選択的回路接触部を形成するステップを含む。
【００４８】
ステップ４１８は、パッシベーション層を半導体基板の正面側に付着させて、電気構成要素を流体から絶縁するステップを含む。
【００４９】
ステップ４２０は、入口及び出口継手をセンサ・ダイに取り付けて、膜により分離される入口チャンバ及び出口チャンバ（例えば、入口チャンバ２５１及び出口チャンバ２５２）を形成するステップを含む。
【００５０】
ステップ４２２は、ワイヤ・ボンディングを、最終的なパッケージングのために個々の電極に付与するステップを含む。
【００５１】
図５は、いくつかの実施例による、一体化されたセンサによって流体流れを監視するための方法５００におけるフローチャートを例解する。方法５００に従う方法は、少なくとも１つの測定構成要素を有する、本明細書において開示される一体化されたセンサ（例えば、一体化されたセンサ１００）を使用するステップを含み得る。さらに、いくつかの実施例によれば、本開示に従う方法は、本明細書において開示されるＩＶ送達システム（例えば、流体流れシステム１０）を含み得る。ＩＶ送達システムは、本明細書において開示されるような、フレームと、流体容器と、ポンプと、サーモスタットと、流体ラインと、アンテナと、センサと、弁とを含み得る（例えば、フレーム１４０、流体容器１４３、ポンプ１４５、流体ライン１３０、アンテナ１５５、センサ１００、及び弁１９０。図１を参照のこと）。
【００５２】
方法５００に従う方法は、メモリと、プロセッサとを含むコントローラ（例えば、コントローラ１７０、プロセッサ１７１、及びメモリ１７２。図１を参照のこと）により遂行される、方法５００における少なくとも１つのステップを含み得る。メモリは、プロセッサにより実行されるとき、コントローラに、方法５００における少なくとも１つのステップを遂行させるコマンドを記憶する。さらに、いくつかの実施例によれば、方法５００に従う方法は、図５に例解されるステップのうちの少なくとも１つを含み得るが、それらのステップのすべてを含むとは限らないことがある。なおまた、いくつかの実施例において、本明細書において開示される方法は、図５において例解されるシーケンスとは異なるシーケンスで遂行される、方法５００におけるステップを含み得る。例えば、いくつかの実施例においては、方法５００におけるステップのうちの少なくとも２つ以上が、時間的に重なって、さらには同時に、又は準同時に遂行され得る。
【００５３】
ステップ５０２は、センサを通る流体流れを提供するステップであって、センサは、入口チャンバを出口チャンバから分離する膜（例えば、膜２０２ａ、入口チャンバ２５１、出口チャンバ２５２）を含む、提供するステップを含む。
【００５４】
ステップ５０４は、電力を、センサ内のピエゾ抵抗構成要素に提供するステップであって、ピエゾ抵抗構成要素は、入口チャンバを出口チャンバから分離する膜の変形を測定するように構成される、提供するステップを含む。
【００５５】
ステップ５０６は、膜の変形を、センサ内のピエゾ抵抗構成要素の電気特性の変化に基づいて検出するステップを含む。
【００５６】
ステップ５０８は、センサを通る流体流れの流量を、膜の変形に基づいて取得するステップを含む。
【００５７】
ステップ５１０は、流体流れ内の流体の、導電率、温度、又は泡含有量のうちの１つを取得するステップを含む。ステップ５１０は、流体体積に相対的な知られている幾何学的配置を伴う、２つの電極（例えば、電極２０３）の間のインピーダンスのＤＣ測定を遂行するステップを含み得る。インピーダンスを測定するために、ステップ５１０は、電極をまたぐ固定された電圧を付与し、結果的に生じる電流を測定するステップを含み得る。いくつかの実施例において、ステップ５１０は、電極を通る固定された電流を付与し、結果的に生じる電圧を測定するステップを含み得る。ステップ５１０は、導電率測定のための上記の方法から１つを、流体の実際の導電率に基づいて選択するステップを含み得る。いくつかの実施例において、ステップ５１０は、上記の２つの技法を、流体流れ内の流体の導電率を測定するために実現するステップを含み得る。測定されたインピーダンス、及び、幾何学的補正因子に基づいて、流体流れ内の流体の導電率が導出され得る。ステップ５１０は、流体流れ内の流体の温度を、Ｐ−Ｎ接合を有するダイオードを含む温度センサ（例えば、温度センサ２１５）によって測定するステップを含み得る。よって、ステップ５１０は、ダイオードを通る固定された電流を付与し、接合をまたぐ電圧を測定するステップを含み得る。ダイオードをまたぐ順方向電圧（一定の電流密度の場合）は、広い動作レンジにわたり温度に対して線形である。
【００５８】
いくつかの実施例において、ステップ５１０は、電極（例えば、電極２０５）の対の間の静電容量を測定するステップをさらに含み得る。よって、ステップ５１０は、電極の対の間の静電容量を、時間の関数として監視し、空気泡の存在及びサイズを、時間の関数としての静電容量値に基づいて検出するステップを含み得る。
【００５９】
ステップ５１２は、流体の、流量、導電率、温度、又は泡含有量のうちの少なくとも１つをコントローラに提供するステップを含む。
【００６０】
ステップ５１４は、コントローラによって、流体流れパラメータを、流量、導電率、温度、又は泡含有量のうちの少なくとも１つに基づいて修正するステップを含む。
【００６１】
前述の説明は、当業者が、本明細書において説明される様々な構成を実践することを可能にするために提供される。主題技術は、特に、様々な図及び構成を参照して説明されたが、これらの図及び構成は、単に例解目的のためのものであり、主題技術の範囲を制限するととられるべきではないということが理解されるべきである。
【００６２】
主題技術を実現する、多くの他の手立てが存在し得る。本明細書において説明される様々な機能及び要素は、主題技術の範囲から逸脱することなく、示されるものとは異なるように区分化され得る。これらの構成に対する様々な修正が、当業者にはたやすく明らかになり、本明細書において規定される包括的原理は、他の構成に適用され得る。かくして、多くの変更及び修正が、主題技術に対し、当業者により、主題技術の範囲から逸脱することなく為され得る。
【００６３】
本明細書において使用される際、項目の任意のものを区切るための用語「及び」又は「又は」を伴う、一連の項目の後に付く語句「のうちの少なくとも１つ」は、列挙の各々の構成物（例えば、各々の項目）よりむしろ、全体として列挙を修飾する。語句「のうちの少なくとも１つ」は、列挙される各々の項目のうちの少なくとも１つの選択を要さず、むしろ、その語句は、項目のうちの任意の１つのうちの少なくとも１つ、及び／又は、項目の任意の組合せのうちの少なくとも１つ、及び／又は、項目の各々のうちの少なくとも１つを含む意味合いを可能とする。実例として、語句「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」又は「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つ」は、各々、Ａのみ、Ｂのみ、若しくはＣのみ；Ａ、Ｂ、及びＣの任意の組合せ；並びに／又は、Ａ、Ｂ、及びＣの各々のうちの少なくとも１つを指す。
【００６４】
さらにまた、用語「含む」、「有する」、又は同類のものが、説明又は特許請求の範囲において使用される限りにおいて、そのような用語は、用語「備える」と同様の様式で、「備える」が、請求項において移行語として用いられるときに解釈されるように、包含的であることを意図される。単語「例示的」は、本明細書において、「実例、用例、又は例解としての役目をすること」を意味するように使用される。「例示的」として本明細書において説明されるいかなる実施例も、必ずしも、他の実施例よりも好ましい、又は有利であると解されることになるとは限らない。
【００６５】
単数形での要素に対する言及は、具体的に説述されない限り、「唯一無二」ではなくむしろ「１つ又は複数」を意味することを意図される。用語「いくつか」は、１つ又は複数を指す。当業者に知られている、又は、後に知られるようになる、本開示の全体を通して説明される様々な構成の要素に対する、すべての構造的及び機能的均等物は、参照により本明細書に明示的に組み込まれ、主題技術により包含されることを意図される。なおまた、本明細書において開示されるものは、そのような開示が上記の説明において明確に詳述されるかどうかに関わらず、公衆に供されることを意図されない。
【００６６】
主題技術の所定の態様及び実施例が説明されたが、これらの態様及び実施例は、単に実例として提示されたものであり、主題技術の範囲を制限することを意図されない。その上、本明細書において説明される新規の方法及びシステムは、その主題技術の趣旨から逸脱することなく、種々の他の形式で実施され得る。付随する特許請求の範囲、及び、それらの均等物は、主題技術の範囲及び趣旨の中に該当し得る形式又は修正を網羅することを意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2021512737.tif 000015
2021512737.tif 000016
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