(57)【要約】  流量センサがボディを含み、ボディは、入口及び出口と、入口と出口とを相互接続する飛行管とを含む。飛行管に沿って複数の電極が配置される。それらの電極は、局所的流体組成変化の形態のマーカを、流体の第１の位置に投入することと、少なくとも、第１の位置より下流である第２の位置においてマーカの位置を検出することと、により、飛行管内の流体体積の変位を特定して、流量パルスにおける流体の体積流量を推論するように、電気的に動作可能である。
2016527513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の体積流量を測定するセンサであって、ボディ及び制御回路を備え、前記ボディは、入口及び出口と、前記入口と前記出口の間にある少なくとも１つの飛行管とを備え、前記飛行管は、前記飛行管に沿って配置された少なくとも１つのマーカ検出器を備え、前記マーカ検出器は、前記流体内の少なくとも１つのマーカの位置を検出するように構成されており、前記制御回路は、前記飛行管に沿っての前記流体の体積変位を、前記マーカの既知の第１の位置と、前記少なくとも１つの検出器で検出された、前記マーカの少なくとも第２の位置と、から算出する、センサ。
【請求項２】
マーカ発生器を更に備え、前記マーカの前記既知の第１の位置は、前記マーカ発生器の位置によって決まる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記マーカの前記既知の第１の位置を検出する第２のマーカ検出器を更に備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記飛行管に沿っての前記マーカの複数の位置を検出する複数のマーカ検出器を備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
飛行時間流量測定を実施する為に、少なくとも１つのマーカ検出器が更に利用される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記マーカの拡散又は消散について調べる為に、少なくとも１つのマーカ検出器が利用される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記マーカは、前記流体の局所的組成変化である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記組成変化は、マーカ発生器によって引き起こされる、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記マーカ発生器は、前記流体の電気分解を行うように構成された電極を備える、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記マーカ検出器は、少なくとも１つの電極である、請求項７に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記電極は、前記流体の導電率、ｐＨ、及びキャパシタンスのうちの少なくとも１つの変化を検知するように構成される、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
少なくとも１つの飛行管の中の前記流体流量を調整する少なくとも１つの流量制御装置を更に備え、前記流量制御装置は、弁、流量調整器、圧力調整器、及びポンプのうちの少なくとも１つで構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記流量制御装置は、ストロークの完了後に少なくとも１つのマーカ検出器によって前記マーカ位置が検出可能であるように、前記流体の体積流量ストロークを生成するように構成される、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
センサを利用して、少なくとも１つのマーカを含む流体の体積流量を検知する方法であって、前記センサは、ボディを含み、前記ボディは、入口及び出口と、前記入口と前記出口の間にある少なくとも１つの飛行管とを含み、前記飛行管は、前記飛行管に沿って配置された少なくとも１つのマーカ検出器を含み、前記マーカ検出器は、前記流体内の少なくとも１つのマーカの位置を検出するように構成されており、
ａ. 前記マーカ発生器の位置、少なくとも１つのマーカ検出器による前記マーカの検出、及びマーカ検出器によって前記マーカが検出される前の流量のうちの少なくとも１つから、マーカの第１の位置を特定するステップと、
ｂ．少なくとも１つのマーカ検出器１３０により、マーカの第２の位置を特定するステップと、
ｃ．少なくとも、前記第１の位置から前記第２の位置にかけての前記マーカの変位、並びに前記飛行管の形状から、前記体積流量を計算するステップと、
を含む方法。
【請求項１５】
前記マーカは、その組成が周囲の流体に対して変化する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記マーカ発生器は、前記流体の電気分解を行う、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記マーカ検出器は、前記流体の導電率、キャパシタンス、及びｐＨのうちの少なくとも１つの変化を検知することによって前記マーカを検出する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記センサは更に、流れを止めたり、開放したりするように構成された流量制御装置を備え、前記マーカ発生器は、前記流れが開放される前に、前記流体内にマーカを発生させる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、流量の測定及び制御の技術分野に関する。より具体的には、本開示は、微小な流量パルスを測定及び調整する新規な方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低流量を高い精度で測定することは、技術的にかなりの難題である。この難題を解決したセンサの一例として、組成飛行時間センサがある。このクラスのセンサでは、流体は、通路、即ち「飛行管」内を流れ、飛行管の端から端までの間に少なくとも２つの電極対が配置されており、それらは、飛行管の上流部分にある第１の「書き込み」電極対と、書き込み電極対より下流にある第２の「読み取り」電極対である。流体に対して少量の酸化と還元を実施することにより、書き込み電極とその近傍の導電性流体とを通る電流が駆動されて「書き込み」パルスが印加され、これによって、酸化還元電極の上方で流体の導電率が局所的にわずかに変化する。この、導電率の変化という「マーカ」が書き込み電極から第２の「読み取り」電極対に向かって下流方向に流れ、「読み取り」電極対は、流体の導電率又はキャパシタンスの変化を測定することにより、その到達を検知する。マーカの流量は、書き込み電極と読み取り電極との間のマーカの飛行時間と、書き込み電極と読み取り電極との間の流路の既知の体積とに基づいて計算される。
【０００３】
この技術は、連続的な流れの測定に関しては優れているが、脈動流のような断続的な流れの測定は困難である。脈動システムでは、（「ストローク」と呼ばれる）第１の時間帯にわたって高流量の流れが発生する。ストロークが終了した後、システムは、（「ディレイ」と呼ばれる）第２の時間帯にわたってアイドル状態になる。システムがストローク状態にある時間の割合を「デューティサイクル」と呼び、これは式（１）で計算される。
【０００４】
デューティサイクル＝（ストローク時間）／（（ストローク時間）＋（ディレイ時間））・・・式（１）
【０００５】
組成飛行時間センサでは、ストロークの体積が飛行管の（書き込み電極と読み取り電極との間の）体積より小さいと、流れの中に作成されたマーカがストローク中に読み取り電極に到達しない可能性がある。更に、ストローク体積が飛行管の体積より大きい場合であっても、ストロークのタイミングが書き込みパルスと適正に同期しないと、全ストローク体積の情報の一部又は全てが失われる可能性があり、結果として、体積流量測定が著しく不正確になる可能性がある。この場合には、ストローク中の流量を測定する流量測定を実施することは不可能である。ディレイが短くて、その後にすぐ、次のストロークが続く場合、マーカは比較的迅速に読み取り電極まで運ばれ、書き込みと読み取りとの間の飛行時間にわたる平均流量が算出される。この平均流量は、ストローク時間とディレイ時間とが飛行時間と厳密にぴったり合わない場合には、システムの平均流量に相当しない。多くの書き込みパルスに関連付けられた流量測定値を時間に対して平均することにより、平均流量の測定精度を向上させることは可能であるが、デューティサイクルが非常に低い場合には、この平均は、ノイズが多くなり、正確な値に収束させるのに非実用的な長さの時間がかかる可能性がある。そのような状況では、システムは、流量範囲が目標値から外れた場合にユーザに警告することができなくなる。
【０００６】
この状況は、ディレイ時間が非常に長い用途では悪化し、マーカは、ストロークとストロークの間にかなり劣化する可能性がある。この状況では、マーカの信号は、読み取り電極においては、弱体化し、ディレイ時間が十分長い場合には完全に消えて、流量センサが流量を測定できなくなる可能性がある。
【０００７】
従来の組成飛行時間流量センサは、正確なストローク体積を測定できないという点で更に不利になる。そのような情報は、例えば、機械式ポンプの性能を診断する際に役立つ可能性がある。しかしながら、従来の組成飛行時間センサが飛行時間にわたる平均流量しか測定できない為、この情報は失われる。
【０００８】
そこで、低脈動流量、及び個々のポンプストロークの体積を測定する、改良されたシステムが必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、背景技術の課題を解決するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書では、流路内の流れの個々のストロークの体積を測定することが可能な流量センサ及びシステムと、センサデータからストローク体積及び総流量を計算する方法と、について説明する。これらの体積測定値を時間に対して合計することにより脈動流量を計算する方法についても説明する。体積流量測定を最適化する為にセンサを流量源と同期して動作させる方法についても説明する。複数の流量測定技術を組み合わせた流量センサについても説明する。
【００１１】
実施形態によっては、流量センサがボディを含み、ボディは、入口ポート及び出口ポートと、これらを相互接続する飛行管とを含む。飛行管内には複数の電極が配置される。構成によっては、これらの電極は、飛行管の少なくとも１つの壁に、飛行管の全方向にわたって配置される。
【００１２】
構成によっては、電極は、対として配列され、これらの対は、２つの電極同士がそれらの最寄りの電極より物理的に近接するように定義される。構成によっては、これらの対は、流路の長さ方向に、互いに等距離になるように配置される。別の構成では、これらの対は、流路の入力近くではより密集して配列され、流路の出力近くではあまり密集しないで配列される。実施形態によっては、電極対は、その物理的配列よりも電気的動作で定義される。
【００１３】
実施形態によっては、電極は、電極間距離が同一であるか様々であるくしのように配列される。少なくとも１つの電極対、好ましくは互いに近接する電極同士が、それぞれ書き込み電極及び接地電極として動作し、飛行管内の流体の組成を局所的に変化させることによって流体にマーカを投入することに使用され、これは、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６，６７５，６６０号、同第７，２２５，６８３号、同第７，７０３，３３６号、及び同第８，３４７，７３１号に記載されているものと同じ仕組みである。書き込み機能は、センサの動作に従って１つの電極セットから別の電極セットに切り替えてよい。少なくとも１つの電極が、読み取り電極として動作し、飛行管内の流体の組成変化を検出することに使用され、これは、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第７，２２５，６８３号及び同第６，６７５，６６０号に記載されているものと同じ仕組みである。読み取り機能は、全ての各種読み取り電極からの同時並行読み取りであってよく、或いは、センサの動作に従って１つの電極又は電極セットから別の電極又は電極セットに切り替えてよい。実施形態によっては、書き込み電極は、流れの中の水の電気分解を行うことによってｐＨの局所的変化を引き起こし、読み取り電極は、電極に対して引き起こされた二重層キャパシタ効果に起因して、電極のそばを飛ぶ流体のｐＨが変化したときに、電極に対して引き起こされたキャパシタンス変化に起因する読み取り電極の電流を検知する。
【００１４】
処理装置が、読み取り電極からデータを受け取り、マーカの位置情報を集積する。飛行管の既知の断面、ストローク前のマーカの位置、及びマーカの新しい位置から、ストローク体積が計算される。所与のストロークにおいては、マーカは、書き込み電極における第１の位置から、第１の読み取り電極又は読み取り電極セットのそばの下流の第２の位置に向かって移動中である可能性があり、或いは、前記第２の位置から、第２の読み取り電極又は読み取り電極セットのそばの第３の位置に移動する可能性があり、その先にも同様の可能性がある。マーカが飛行管から離れていなくて、マーカが、小さくなりすぎて位置を特定できなくなるほどには消散していないとシステムが判定する限り、前記の同じマーカが、飛行管内の流体の前進を特定することに使用され続けてよい。構成によっては、読み取り電極と書き込み電極の機能が切り替えられてよい。例えば、マーカの投入後に書き込み電極対を読み取り電極として使用してよい。
【００１５】
本明細書で用いる上流位置及び下流位置の定義は流れの方向で決まる為、第１の流れ方向に従う下流読み取り電極は、流れの方向が変化したときに、書き込み電極として動作するように切り替え可能である。
【００１６】
実施形態によっては、流路内に６個を超える個別電極がある。実施形態によっては、流路内に１６個以上の個別電極がある。実施形態によっては、流路内に３２個以上の個別電極がある。実施形態によっては、これらの３２個の個別電極は、１６個の電極対を定義する。実施形態によっては、これらの３２個の個別電極は、３２個の読み取り電極を定義する。
【００１７】
本明細書に記載の幾つかの実施形態によれば、ストローク体積測定システムは、センサ、書き込み電極に書き込みパルスを印加する電子回路、及び読み取り電極からアナログ信号を読み取る電子回路を含む。実施形態によっては、この電子回路は、流量制御機構自体と通信して、流量ストロークの開始前の規定時間に書き込みパルスが流体に印加されるようにする。流量制御機構は、少なくともポンプ、弁、流量調整器、圧力調整器、及びコネクタのいずれか、又はこれらの組み合わせであってよい。実施形態によっては、書き込みパルスとストロークの開始との間の時間は、１００ミリ秒未満である。実施形態によっては、この時間は１０ミリ秒未満である。
【００１８】
出願人らは、飛行管内に存在する層状流動様式において、マーカの良好な検出は、書き込みイベントから２０秒超が経過してから達成可能であることを実証した。従って、実施形態によっては、書き込みパルスとストロークの開始との間の時間は、１秒、又は５秒、又は２０秒以上である。この長い時間の間に、マーカは分子拡散によって流動管の軸に沿って拡散し、結果として、実施形態によっては、読み取り電極は、マーカが状況に応じて複数の読み取り電極と同時に重なるように配列されている。従って、電極の数を減らしながら、マーカ体積をより正確に測定できる可能性がある。これについては後述する。
【００１９】
本明細書に記載の幾つかの実施形態によれば、ストローク時間の間にマーカが移動する距離に基づいてストローク体積が計算される。実施形態によっては、ストローク時間は、センサの外部で与えられる情報によって規定され、例えば、ストロークを制御するポンプ電子回路から通信システムによって規定され、或いは、圧力センサによって規定される。実施形態によっては、差動圧力センサが、飛行管の上流と飛行管の下流との間の圧力差を検出し、圧力差の検出後ただちに書き込みパルスを活性化させる。実施形態によっては、ストローク時間は、少なくとも複数の読み取り電極又は読み取り電極対による流量測定によって規定される。この構成では、ストローク時間の開始は、第１の読み取り電極対において識別される信号に基づいて決定されてよく、これを使用して第１の流量が計算され、ストローク時間の終了は、ストローク流量がいつゼロに近づくかの計算に基づいて規定される。構成によっては、流量がゼロに近づく時刻は、流路を通るマーカの前進速度が流量の初期測定値と比較されて閾値を下回る時刻として定義される。例えば、流量が初期流量の少なくとも１０％未満であるとシステムによって計算されると、システムは、この流量を「ゼロ」に近づいたと定義し、これに従ってストローク時間及びストローク体積を定義する。
【００２０】
幾つかの実施形態によれば、マーカの移動距離は、ストローク時間中にマーカのピークを検知した最も遠くの電極又は電極対までの距離として定義される。実施形態によっては、この距離は、マーカが２つの電極又は電極対の間をどれだけ遠くまで移動したかを計算することによって、更に精度を高められる。マーカの散乱の幾分かは、時間に対して、マーキングされたゾーンから離れる拡散の速度が遅いことに関連付けられる為、読み取り電極対での読み取り信号は、たとえ、マーカのピークがその電極対を既に通り過ぎたか、まだそこに到達していない場合でも、ゼロより大きくなる可能性がある。この読み取り信号の詳細を用いて、マーカの到達の開始を測定することが可能であり、更に、マーカが読み取り電極対を通過する際の、時間に対するマーカの離脱を測定することが可能である。実施形態によっては、本発明のセンサシステムは、このピーク形状情報を測定し、測定された形状に基づいてマーカのピークの位置を計算し、これによって、マーカの最終的な位置の精度を更に高める。構成によっては、マーカは、所与の時間に２つ以上の電極と重なるのに十分なほど広くなり、従って、マーカのピーク位置は、２つ以上の電極でのピーク形状を考慮して計算されてよい。構成によっては、現在のマーカ位置の上流及び下流の両方の読み取り電極の測定によって、無流動状態が検出される。マーカのピークの上流及び／又は下流の読み取り電極での信号の変化を測定することにより、マーカの拡散速度及び流量を別々に計算することが可能である。流量が、設定された閾値を下回ることが確定した場合は、無流動状態が確定される。構成によっては、無流動状態に関する情報が、閉塞流の可能性に関して通知するアラートをユーザに対してトリガしてよい。構成によっては、無流動状態は、少なくとも、第１の電極又は電極セットのそばでマーカが停留している位置の検出、第１の電極セットの下流の第２の電極又は電極セットへのマーカの拡散、第１の電極セットの上流の第３の電極又は電極セットへのマーカの拡散、及び／又は第２又は第３の電極セットのいずれかにおけるマーカの欠落から確定される。
【００２１】
マーカが中心点から離れて膨張するのにかかる時間を測定することにより、流体内のマーカ（例えば、Ｈ＋）の拡散率を計算することが可能になり、これによって、アインシュタイン・ストークスの式を用いて流体の粘度を計算することが可能になる。この測定された粘度値を更に、高速で移動する流体の飛行時間の計算に使用することが可能であり、流路の中心での流量は、マーカが測定される流路の壁面での流量と差がある可能性があり、この差は流体の粘度に依存する。従って、実施形態によっては、流体の流量は、飛行時間と、書き込み電極と読み取り電極との間の流体の既知の体積と、流体の粘度とに基づいて計算される。
【００２２】
幾つかの実施形態によれば、マーカが移動した距離から、流路（即ち、飛行管）の既知の断面寸法と、書き込み電極対から各読み取り電極又は読み取り電極対までの既知の距離とに基づいて、体積が計算される。
【００２３】
幾つかの実施形態によれば、ストローク中に２つ以上の書き込みパルスが印加される。構成によっては、書き込みパルス間の時間は、マーカが流体の流量で第１の読み取り電極から最後の読み取り電極まで移動するのに必要な時間より短い。構成によっては、センサシステムは、流量の測定に基づいて書き込みパルス間の時間を計算する。実施形態によっては、２つ以上の書き込みパルスから１つのマーカそのものが形成される。そのような実施形態では、各個別書き込みパルスによって引き起こされるマーカ同士が有効に重なり合うようにする為に、書き込みパルス同士は時間的に非常に近接している。このように、空間的な広がりがより大きいマーカを発生させることが可能であり、これは、マーカが複数の読み取り電極と一度に重なり合うことを可能にすることに役立ちうる。
【００２４】
幾つかの実施形態によれば、ストロークの時間に流路内に存在するマーカによってストローク体積測定が行われる。一例では、第１のストロークの前に流れの中にマーカが生成され、この第１のストロークの体積は、本明細書に開示のいずれかの方法に従って、ストロークの最後でマーカの第１の位置を測定することによって計算される。第２のストロークが実施され、この第２のストロークの体積は、マーカが第１の位置から新しい第２の位置まで移動した距離を測定することによって測定される。そのような実施形態では、第３のストロークが実施されてよく、その体積は、マーカが第２の位置から第３の位置まで移動した距離を測定することによって計算される。このように、１つのマーカを使用して２つ以上のストロークの体積を測定することが可能である。
【００２５】
幾つかの実施形態によれば、飛行管の上流でマーカが形成される。
【００２６】
幾つかの実施形態によれば、センサを通り抜けた総体積は、流動体積測定、流量測定、及び／又はこれらの組み合わせに基づいて計算される。センサは、先行技術の組成変化飛行時間流量測定を、本開示のストローク体積変位測定と組み合わせることが可能である。構成によっては、飛行管内の電極のうちの少なくとも１つが、飛行時間測定及びストローク体積変位測定を行うように動作可能である。構成によっては、書き込み電極対が、飛行時間センサとストローク体積変位センサとで共通である。一構成では、読み取り電極のセットが、飛行時間流量センサとストローク体積変位センサとで共通である。構成によっては、同じマーカが、飛行時間流量測定及びストローク体積変位測定の両方に利用される。構成によっては、本システムは、どの流量測定情報を使用するかを、流れの性質に基づいて決定する。構成によっては、飛行時間流量測定の精度を高める為に、飛行時間測定及びストローク体積変位測定の組み合わせが使用される。飛行時間は、マーカが書き込み電極から読み取り電極まで移動する時間の間の平均流量を測定するが、その時間の間の流量変化は測定せず、或いは、測定間の流量変化を予測しない。ストローク体積変位測定は、飛行時間流量測定サイクルにわたる流量変化を検出する為、飛行時間測定サイクル間の流量特性の構築を支援しうる。
【００２７】
構成によっては、流量センサが、平行に並ぶ複数の飛行管を含む。構成によっては、第１の飛行管の寸法は、平行に並ぶ第２の飛行管の寸法と異なる。構成によっては、流体の粘度を計算する為に、測定された、第１の飛行管内のマーカの変位と、平行に並ぶ第２の飛行管内のマーカの変位とが利用される。
【００２８】
構成によっては、流量制御機構の動作を調節する為に体積流量情報が利用される。構成によっては、流量制御機構の動作を調節する為に、測定された流量の時間積分、即ち、所与の時間帯にわたる通過流体体積が利用される。構成によっては、流量制御機構の動作を調節する為に、測定された実際の流量と測定された流量の時間積分との組み合わせが利用される。
【００２９】
構成によっては、流量センサは、処理装置のコマンドに応じて瞬間的に開くように動作可能な常時閉の弁と組み合わせられて、一定体積の流体が通り抜けることを可能にする。構成によっては、弁の作動によって通貨可能な流体の体積は、センサの飛行管の体積より小さく、これによって、１つのマーカの変位が、読み取り電極によって捕捉されることが可能であり、弁の１回の瞬時開放の間に変位する総体積を決定することが可能である。このように、流量を制御する１つ以上の処理装置が、センサ情報を使用して、弁の今後の開放のスケジュールを調節することが可能である。
【００３０】
構成によっては、流量制御機構は、薬剤リザーバと患者への注射場所との間に配置された少なくとも１つの常時閉の逆止弁を含む。重力、エラストマポンプ、機械式又は電子式ポンプを含む、当該技術分野において知られている手段のいずれかによって、逆止弁の上流に連続圧力を形成することが可能であるが、弁開放閾値圧力は、前記連続上流圧力より高く設定される。流体に力がかけられて、前記の弁の上流の閾値圧力より高い瞬時圧力が引き起こされると、一定体積の流体（ストローク体積）が弁を通り抜けることが可能になる。瞬時圧力を引き起こすことは、当該技術分野において知られているいずれかの手段によって可能であり、そのような手段として、（ａ）流体内に圧力波を引き起こすように圧電共振子を動作させること、（ｂ）流体内に圧力波を引き起こすように電磁振動子を動作させること、（ｃ）流体内に圧力波を引き起こすように他のタイプの振動子を動作させること、（ｄ）流体内に圧力波を引き起こすように磁歪トランスデューサを動作させること、（ｅ）流体内に圧力波を引き起こすように電気式又は電磁式の音響トランスデューサを動作させること、（ｆ）当該技術分野において知られている他の手段、又は（ｇ）これらの任意の組み合わせがあり、これらに限定されない。
【００３１】
構成によっては、逆止弁の閾値開放圧力を瞬間的に下げることは、（ａ）逆止弁の周囲の磁界を変化させること、（ｂ）逆止弁の周囲の電界を変化させること、（ｃ）弁の少なくとも一部分の温度を変化させて、その付勢力を緩めること、（ｄ）当該技術分野において知られている他の手段、及び（ｅ）これらの任意の組み合わせのいずれかによって行われる。弁を通り抜けたストローク体積は、ストローク体積変位流量センサによって計算され、この情報を使用して、所望の流量、又は総送達体積、又はこれらの組み合わせを満たすように、次の１つ以上の弁開放サイクルのスケジュールが決定される。
【００３２】
弁は、大まかには、（ａ）円錐封止リップに向かって付勢されるばね装荷ボール（ボール式逆止弁）、（ｂ）ダイヤフラム逆止弁、（ｃ）僧帽弁、（ｄ）透過性又は半透過性のメンブレン、（ｅ）当該技術分野において知られている他の逆止弁、又は（ｆ）これらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つを含むように構築されてよい。透過性又は半透過性のメンブレンは、その先は典型的にはマイクロ流路などの従来の流量制限器を使用して制限が達成される程度まで、流体の流量を有意に制限することに役立ちうる。半透過性の電極を通る流量は、温度に指数関数的に依存し、メンブレン自体を（流体の局所的温度と連動させて）上げ下げすることにより、透過性を大幅に上げ下げすることが可能である。透過性メンブレンを通る流量は、米国特許第４，５１３，０３４号及び関連研究において開示されている可変透過性メンブレンのように、可変であってよい。
【００３３】
実施形態によっては、上述されたものに対して同一線上の反対側の位置に逆止弁が配置され、この逆止弁は、上流圧力により開くことができない。弁構造は、逆止弁やダイヤフラム弁など、当該技術分野において知られている幾つかのもののうちのいずれかであってよい。この弁は、当該技術分野において知られているいずれかの手段によって瞬間的に開くように操作され、そのような手段として、（ａ）電界を変化させること、（ｂ）磁界を変化させること、（ｃ）（例えば、ロッド又はカムを介して）弁に機械的な力を直接かけること、（ｄ）バイメタル素子を操作すること、（ｅ）形状記憶合金を操作すること、（ｆ）当該技術分野において知られている他の手法、及び（ｇ）これらの任意の組み合わせがあり、これらに限定されない。
【００３４】
実施形態によっては、流量制御システムが、第１のセンサ及び第１の流量制御機構を含む第１の飛行管と、平行に並ぶ第２の飛行管であって、第２の流量センサ及び第２の流量制御機構を含む第２の飛行管と、を含む。実施形態によっては、前記の平行に並ぶ第２の飛行管は、第１の飛行管より高い流量を駆動するように構成される。実施形態によっては、センサは、複数の飛行管と、これらの飛行管のうちの少なくとも１つにおいて流れを調整したり、可能にしたり、阻止したりする弁システムと、を含む。
【００３５】
幾つかの実施形態によれば、マーカは、上流位置にあるマーカ発生器によって形成可能であって、マーカ発生器の下流にある少なくとも１つのセンサによって検出可能である熱マーカ、色マーカ、又は他の任意のタイプのマーカであってよい。実施形態によっては、マーカは熱マーカであり、マーカ発生器は、流体を局所的に加熱してこのマーカを発生させるレーザビームを生成し、マーカ検出器は温度センサである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１ａ】乃至
【図１ｂ】先行技術の飛行時間流量センサの構造を示す図である。
【図２ａ】乃至
【図２ｂ】本開示のストローク体積変位センサの好ましい一構成を示す図である。
【図３】ボール式逆止弁を含む第１の流量制御システムと組み合わせられた流量センサを示す図である。
【図４】第２の流量制御システムと組み合わせられた流量センサを示す図である。
【図５ａ】乃至
【図５ｂ】ダイヤフラムを含む流量制御システムと組み合わせられた流量センサを示す図である。
【図６ａ】乃至
【図６ｂ】板ばね式逆止弁を含む流量制御システムと組み合わせられた流量センサを示す図である。
【図７】複数の出口弁を有する流量制御装置を示す図である。
【図８】薬剤送達装置を示す図である。
【図９】書き込み電極に指定された１個の電極対と、読み取り電極に指定された１６個の電極対とを有する流路を示す図である。
【図１０】書き込み電極に指定された１個の単電極と、読み取り電極に指定された１６個の単電極とを有する流路を示す図である。
【図１１】２０μＬ／分の流量でのマーカ形成の１００ミリ秒後の１６電極センサからの読みを示す図である。
【図１２】２０μＬ／分の流量でのマーカ形成の２００ミリ秒後の１６電極センサからの読みを示す図である。
【図１３】２０μＬ／分の流量でのマーカ形成の１００ミリ秒後の１６電極センサからの読みを示す図である。
【図１４】５μＬ／分の流量でのマーカ形成の１２００ミリ秒後の１６電極センサからの読みを示す図である。
【図１５】従来の方法で製造されたマイクロセンサの上面図、側面図、及び正面図である。
【図１６】入力ポート及び出力ポートの軸が流路の軸と同じである、回転されたセンサ形状を示す図である。
【図１７】流路が基板の厚さを貫通して延びる垂直センサ形状を示す図である。
【図１８】半導体組み立てプロセスを使用して本発明の流路を製造する方法の一例を示す図である。
【図１９】ポリマー組み立てプロセスを使用して本発明の流路を製造する方法の一例を示す図である。
【図２０】平行に並ぶ複数の流路を含む流量センサを示す図である。
【図２１】ウエハボンディングプロセスを用いて本発明の流路を製造する方法の一例を示す図である。
【図２２】別のウエハボンディングプロセスを用いて本発明の流路を製造する方法の一例を示す図である。
【図２３】製造プロセス中に電極層がパターニングされる、センサの製造方法の一例を示す図である。
【図２４】流路形状及び電極配置が一様でないセンサの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１ａ及び図１ｂは、米国特許出願第７，２２５，６８３号及び同第６，６７５，６６０号で開示された発明による飛行時間流量センサの構成を示す。図１ａは、流路基板を回転させて電極基板から離した分解図を示しており、図１ｂは、センサの上面組立図を示している。センサは流路基板を含み、流路基板は、入口ボア及び出口ボアと、それらを連通させる凹状流路とを含む。センサは更に電極基板を含み、電極基板は、その表面に配置された電極パターンを含む。電極基板と流路基板は密封接合されて、入口と出口との間に閉鎖飛行管（飛行流路）を形成しており、飛行管の壁の１つに電極が露出している。電極は、電極基板のエッジにつながっており、流路基板は、わずかに凹んでコネクタタブを形成している。電極は、読み取り電極又は読み取り電極対と、書き込み電極対とを形成する。書き込み電極は、流体内に局所的組成変化マーカを電気的に形成する為に使用される。マーカは、流れとともに下流方向に進み、読み取り電極によって検出され、流量は、明確に定義された書き込み電極位置と読み取り電極位置との間のマーカの「飛行時間」と飛行管の断面サイズから分析される。この流量測定の原理は、連続的な流量においては非常に正確であることが示されている。しかしながら、断続的な流れ、又は脈動流、又はストローク状の流れにおいては、このセンサによって重要な情報が欠落する可能性があり、例えば、（ａ）飛行時間測定間隔中の流量が、測定間隔同士の間の流量と大幅に異なる場合や、（ｂ）流れの間隔ごとに流路内を移動する流動体積が流路の体積より小さい為に、マーカが読み取り電極に到達しない場合には、欠落する可能性がある。
【００３８】
図２ａ及び図２ｂは、本発明のストローク体積変位流量センサ１０の一構成を示す。図２ａは、センサ１０の分解図を示す。ここでは、電極基板１１１を流路基板１０１から外して回転させている。流路基板は、入口ボア１０２につながる入口ポート１０５と、出口ポート１０６につながる出口ボア１０３と、流路面１０７上に配置されて、入口ボア１０２と出口ボア１０３との間をつなぐ凹状流路１０４と、を含む。ポート１０５及び１０６は、管と接合されるように構成されている。一構成では、流路基板は、ポリカーボネートから射出成形されており、ポート１０５、１０６は、接着ボンディングによりＰＶＣ管に接合される。別の構成では、ポートは、オスルアー又はメスルアー、バーブコネクタなどを含む、当該技術分野において知られている別の構成を有してよい。電極基板１１１の電極面１１２には、電極１３０が配置されている。電極面１１２は流路面１０７と流体密封接合されて閉鎖飛行管を形成しており、電極１３０は、一方の端部が飛行管内に達しており、もう一方の端部が処理装置及び電気回路に対する露出コネクタを提供している。このセンサ１０の構造は、飛行時間流量測定を実施することが可能であり、これは、少なくとも第１の電極セット（例えば、電極１３３及び１３４）を書き込み電極として動作させ、少なくとも１つの第２の電極又は電極セット（例えば、電極１４１及び電極１４７、又は電極１４１、１４２及び電極１４７、１４８）を読み取り電極として動作させることによって可能である。センサは更に、マーカの広がりを検出することによって、マーカの拡散を検知することが可能である。一シナリオでは、飛行管１０４内の流体がよどみ、第１の時点で、マーカが、第１の読み取り電極又は読み取り電極セットによって、例えば、電極１３９又は電極対１３９、１４０によってではなく電極１４０又は電極対１４０、１４１によって検知される。第２の時点で、マーカが、電極１３９又は電極対１３９、１４０、並びに電極１４１又は電極対１４１、１４２によって検知され、これによって、マーカの拡散の分析、並びに、飛行管１０４内でのマーカの微小変位の検出が可能になる。任意の電極又は電極セット１３０が、読み取り電極として使用可能であり、処理装置が任意の時点でのマーカの正確な位置及び変位を特定することを可能にすることができる。流量は、マーカの変位と飛行管の断面から分析される。任意の時点で２つ以上のマーカを追跡することが可能であり、流体が移動しているときには、飛行管１０４に少なくとも１つのマーカが存在することが好ましい。脈動流の場合、流量ストロークの流体体積は、第１の休止位置から第２の休止位置にかけてのマーカの変位、又はその時間帯の間の２つ以上のマーカの変位から分析可能である。
【００３９】
より大まかには、図２ａ及び図２ｂは、流体の体積流量を測定するセンサ１０を示しており、センサ１０は、ボディ（１０１及び１１１の少なくとも一方）及び制御回路を含み、ボディは、入口１０５及び出口１０６と、それらの間にある少なくとも１つの飛行管１０４とを含み、飛行管１０４は、前記飛行管１０４に沿って配置された少なくとも１つのマーカ検出器１３０を含み、マーカ検出器１３０は、流体内の少なくとも１つのマーカの位置を検出するように構成されており、制御回路は、飛行管に沿っての流体の体積変位を、前記マーカの既知の第１の位置と、前記少なくとも１つの検出器１３０で検出された、マーカの少なくとも第２の位置と、から算出する。一構成では、センサは更に、マーカ発生器（電極対１３０）を含み、マーカの前記既知の第１の位置は、マーカ発生器１３０の位置によって決まる。一構成では、センサ１０は、マーカの前記既知の第１の位置を検出する第２のマーカ検出器１３０を含む。一構成では、センサ１０は、前記飛行管に沿ってのマーカの複数の位置を検出する複数のマーカ検出器を含む。一構成では、センサ１０は、飛行時間流量測定を実施する為に更に利用される少なくとも１つのマーカ検出器１３０を含む。一構成では、前記マーカの拡散又は消散について調べるために、少なくとも１つのマーカ検出器が利用される。一構成では、センサ１０は、前記流体の局所的組成変化である。センサ１０の一構成では、組成変化は、マーカ発生器１３０によって引き起こされる。センサ１０の一構成では、マーカ発生器１３０は、前記流体の電気分解を行うように構成された電極を含む。一構成では、前記マーカ検出器は、少なくとも１つの電極である。センサ１０の一構成では、電極１３０は、流体の導電率、ｐＨ、及びキャパシタンスのうちの少なくとも１つの変化を検知するように構成される。
【００４０】
本開示は、センサ１０を利用して、少なくとも１つのマーカを含む流体の体積流量を検知する方法を示しており、センサ１０は、ボディ（１０１及び１１１の少なくとも一方）を含み、ボディは、入口１０５及び出口１０６と、それらの間にある少なくとも１つの飛行管１０４とを含み、飛行管１０４は、前記飛行管に沿って配置された少なくとも１つのマーカ検出器１３０を含み、マーカ検出器１３０は、流体内の少なくとも１つのマーカの位置を検出するように構成されており、本方法は、ａ）マーカ発生器１３０の位置、少なくとも１つのマーカ検出器１３０によるマーカの検出、及びマーカ検出器によってマーカが検出される前の流量のうちの少なくとも１つから、マーカの第１の位置を特定するステップと、（ｂ）少なくとも１つのマーカ検出器１３０により、マーカの第２の位置を特定するステップと、（ｃ）少なくとも、前記第１の位置から第２の位置にかけてのマーカの変位、並びに飛行管の形状から、体積流量を計算するステップと、を含む。一構成では、前記マーカは、その組成が周囲の流体に対して変化する。一構成では、マーカ発生器１３０は、流体の電気分解を行う。一構成では、マーカ検出器は、流体の導電率、キャパシタンス、及びｐＨのうちの少なくとも１つの変化を検知することによってマーカを検出する。
【００４１】
次に図３を参照すると、流量制御システム３０が示されている。流量制御システム３０は流路基板３１を含み、流路基板３１は、入口ボア３２と流体連通する入口ポート３５と、出口ポート３６と連通する出口ボア３４と、入口ボア３２と出口ボア３４とを相互接続する凹状流路３３と、を含む。電極基板１１１が流路基板３１と流体密封接合されて飛行管３３を形成しており、電極基板の電極（図示せず）は飛行管内に達している。この構成は、処理装置によって、ストローク体積変位流量センサ、飛行時間流量センサ、及び拡散センサのうちの少なくとも１つとして動作する。出口ボア３４と出口ポート３６との間にボール式逆止弁３７が配置されており、これによって、流体が飛行管３３内を、矢印で示されるように、一方向に動くことが可能になる。ボール式逆止弁３７はボール３８を含み、ボール３８は、ばね３９による付勢力で出口ボア３４の円錐面を封止する。弁が開いて流体が出口ポート３６に向かって動くことが可能になる為には、飛行管３３における圧力が閾値になることが必要である。
【００４２】
一構成によれば、飛行管３３における圧力は、飛行管３３の上流にある圧力源によって閾値圧力より低く維持されており、前記圧力の発生は、管を介して入口ポート３５と流体連通している、当該技術分野において知られている手段、例えば、重力式輸液バッグからの流体柱、エラストマポンプなどの膨張式リザーバ、他の種類のポンプ、又はこれらの組み合わせなどのうちのいずれかによって可能である。弁を開く為には、圧力波または圧力パルス（パルスという用語と波という用語は本文脈では代わる代わる使用される）が飛行管３３内で重畳されて、瞬時圧力が閾値圧力を超え、弁が再度閉じられるまで、流体のストロークが弁３７の下流に進むことが可能になる。発明の概要において開示された方法のいずれかに従って、飛行管内にマーカが配置され、流量が測定される。下流に動いた流体体積の測定情報は、処理装置が、所望の送達特性を満たす為の今後の圧力パルススケジュールを決定する為に利用する。圧力パルスは、当該技術分野において知られている幾つかの手段によって発生可能であり、例えば、飛行管内に配置されるか、飛行管の上流に配置されるか、流量制御システム３０のボディと接触して配置される振動子によって発生可能であり、この振動子は、圧電素子、マグネトロスティクト、電磁発振器、（モータ又はばねで駆動される）回転カム、アクチュエータ、及びこれらの組み合わせを含む、当該技術分野において知られている振動子のうちの少なくとも１つであってよい。一構成では、流量制御システム３０は振動装置と連動し（これは、例えば、システム３０を前記振動装置にクランプ又はドッキングすることにより行われる）、圧力パルスは、システム３０を振動させることにより、達成される。別の構成では、ポート３５は上流の管と連通しており、前記管は振動装置と連動しており（これは、例えば、管を前記振動装置内にクランプすることによって行われる）、振動装置は管を振動させることにより圧力パルスを発生させて弁３７を開かせる。別の構成では、弁の開度は、振動装置の発振周波数が変化することによって変化する。
【００４３】
更に別の実施形態では、弁３７は、ばね３９の力を弱めて弁に対する付勢力を緩めることによって開く。一構成では、ばね３９の力は、ばね３９を加熱することによって弱まる。一構成では、ばね３９は、形状記憶合金から作られ、電荷によって変形する。一構成では、ばね３９は、バイメタルから作られ、その温度を変化させることによって変形する。
【００４４】
更に別の実施形態では、弁３７は、磁界又は電界を変化させてボール３８を操ることによって開く。
【００４５】
当業者であれば明らかであるように、ボール式逆止弁構成は、飛行管３３の上流に配置されてよく、例えば、入力ポート３５に配置されてよい。流量制御装置３０は、複数の弁を含んでよく、例えば、弁３７と、入口ポート３６に配置された同様の弁と、を含んでよい。他の弁、例えば、ダイヤフラム弁、僧帽弁なども同様に、上述の用途に使用されてよい。
【００４６】
より大まかには、図３に示されたセンサ３０は、少なくとも１つの飛行管の中の前記流体流量を調整する流量制御装置３７を少なくとも１つ含み、この流量制御装置３７は、弁、流量調整器、圧力調整器、及びポンプのうちの少なくとも１つで構成される。流量制御装置３７は、ストロークの完了後に少なくとも１つのマーカ検出器によってマーカ位置が検出可能であるように、流体の体積流量ストロークを生成するように構成される。一構成では、流量制御装置３７は、流れを止めたり、開放したりするように構成され、マーカ発生器は、流れが開放される前に、流体内にマーカを発生させる。
【００４７】
図４は別の流量制御システムを示しており、このシステムは、図３と同様の流量センサ構成を含む。入口ボア４２と入口ポート４５との間に逆止弁が配置されている。弁４９はアクチュエータ４６を含み、アクチュエータ４６は、ばね４７によって入口ボア４２の円錐封止面に向かって付勢される球面封止ヘッドを含む。アクチュエータ４６は更に、ばね４７を貫通して入口ポート４５に向かって下方に延びる円筒体を含む。アクチュエータの少なくとも一部分が、強磁性体材料から作られる。入口ポート４５の周りに電磁石４８が配置されており、電磁石４８は、活性化されると、アクチュエータ４６を封止面から引っ張って離し、これによって、流体が流量制御システム４０内を動くことが可能になる。一構成によれば、入口ポート４５における圧力は、上流にある圧力源によって維持されており、前記圧力の発生は、管を介して入口ポート３５と流体連通している、当該技術分野において知られている手段、例えば、重力式輸液バッグからの流体柱、エラストマポンプなどの膨張式リザーバ、他の種類のポンプ、又はこれらの組み合わせなどのうちのいずれかによって可能である。発明の概要において開示された方法のいずれかに従って、飛行管４３内にマーカが配置され、流量が測定される。下流に動いた流体体積の測定情報は、処理装置が、所望の送達特性を満たす為の今後の弁開放スケジュールを決定する為に利用する。
【００４８】
図５ａ及び図５ｂは、別の流量制御装置５０を示す。流量制御装置５０は、概ね図３の流量制御装置３０と同様であり、異なるのは、電極基板５９及び流路基板５１が、出口ボア５４と直面する関係にあるダイヤフラムアセンブリ５６、５７を収容するように構成される点である。ダイヤフラム５６は、電極基板５９と流路基板５１との間に、漏れが生じないように密に接合される。ダイヤフラム５６は、ダイヤフラムアクチュエータ５７に操られて、飛行管５３内に圧力パルスを発生させ、圧力パルスが弁５５の閾値圧力を超えることにより、流体ストロークが矢印の方向に前進することが可能になる。一構成では、飛行管５３の上流に第２の逆止弁が配置され、この逆止弁は、矢印方向の流れを可能にするように動作可能である。ダイヤフラムは、当該技術分野において知られている幾つかの手段によってアクチュエートされてよい。一構成では、ダイヤフラムアクチュエータは、磁石又は強磁性体材料を含み、磁界の変化によって操られる。一構成では、アクチュエータ５７は電気振動子である。一構成では、ダイヤフラムアクチュエータ５７は、ロッドやカムなどの別のアクチュエータによって機械的に動かされる。一構成では、ダイヤフラムアクチュエータは、（例えば、流量制御装置に与えられた振動に対する応答として）流量制御装置が加速されたときにダイヤフラムを動かせるように十分な質量を有する物体に過ぎない。
【００４９】
図６ａ及び図６ｂは別の流量制御装置６０を示しており、流量制御装置６０は、これまでの図のいずれかと同様の流量センサを含み、更に、板ばね６７を含む逆止弁を含み、板ばね６７は、出口ボア６４と直面する関係にある遠位封止部分６８と、流路基板６１に固定された近位端６９と、を含み、これによって、図６ａの閉位置構成において示されるように、遠位端６８は出口ボア６４を封止するように付勢されている。流量制御装置６０は更に、板ばね６７の遠位端６８と直面する関係にある、コア６６を有する電磁石６５を含む。板ばねの少なくとも一部分が強磁性体材料を含み、電磁石６５が活性化されたときに強磁性体材料が引っ張られて封止位置から離され、これによって、弁が開き、流体が出口ボア６４に向かって矢印方向に動くことが可能になる。別の構成では、永久磁石によって磁界が与えられる。別の構成では、板ばねはバイメタルを含む。別の構成では、ばねは形状記憶合金を含む。
【００５０】
図７は、流量制御装置７００を示しており、これは、飛行管７３０と出口ポート７４０との間に平行に配列された複数の弁７７１、７７２、及び７７３を含む。流量制御システム７００は流路基板７１０を含み、流路基板７１０は、入口ボア７２０と流体連通する入口ポート７５０と、出口ボア７６１、７６２、及び７６３と連通する出口ポート７４０と、入口ボア７２０と出口ボア７６１、７６２、及び７６３とを相互接続する凹状流路７３０と、を含む。電極基板１１１が流路基板７１０と流体密封接合されて飛行管７３０を形成しており、電極基板の電極（図示せず）は飛行管７３０内に達している。この構成は、これまでの図面の文脈で示されたように、処理装置によって、ストローク体積変位流量センサ、飛行時間流量センサ、及び拡散センサのうちの少なくとも１つとして動作する。出口ボア７６１、７６２、及び７６３と出口ポート７４０との間にボール式逆止弁７７１、７７２、及び７７３が配置されており、これによって、流体が飛行管７３０内を、矢印で示されるように、一方向に動くことが可能になる。ボール式逆止弁７７１、７７２、７７３はボール７８１、７８２、及び７８３を含み、ボール７８１、７８２、及び７８３は、ばね７９１、７９２、及び７９３による付勢力で出口ボア７６１、７６２、及び７６３の円錐面を封止する。弁７７１、７７２、７７３が開いて流体が出口ポート７４０に向かって動くことが可能になる為には、飛行管７３０における圧力が閾値になることが必要である。
【００５１】
この実施形態の一態様では、これらの弁７７１、７７２、７７３は、本質的に相互に等価である。この実施形態の別の態様では、これらの弁は、サイズ、向き、スチフネス、共振周波数等が異なる。例えば、一態様では、ばね７９１、７９２、及び７９３は、スチフネスが異なり、且つ、共振周波数が異なる。一態様では、これらの弁は個別にアクチュエートされてよく、これは、例えば、個々のばね、例えば、ばね７９１に電流を印加することによってばね７９１を加熱して、そのばねのスチフネスだけを緩和し、近接するばね７９２及び７９３には同様の作用を全く与えないことによって行われる。
【００５２】
一態様では、弁７７１、７７２、７７３と流体連通する圧力上昇装置が配置されてよく、圧力上昇装置は、流路を介して、飛行管７３０の長さ方向に、弁に圧力波を加える。別の態様では、圧力上昇装置が、流量制御装置７００の上方、又は、圧力波が流体に到達することを可能にする任意の場所に適用される。
【００５３】
一態様では、これらの弁は、相前後してアクチュエートされる。一態様では、各弁の相対的なアクチュエーションは、圧力上昇装置の励振に応じて変化する。一態様では、圧力上昇装置は、振動要素又は音響要素であり、励振周波数は変化する。一態様では、ある単一弁の共振周波数と適合する、振動要素のアクチュエーション周波数を選択することにより、その単一弁が、これに近接する弁より大きなアクチュエーションの対象として選択される。一態様では、複数の振動要素がシステム内のそれぞれ異なる位置で使用され、異なるアクチュエーション力を一連の弁に印加し、これによって、異なる複数のアクチュエータが使用された場合に、各弁が受ける力の、それ以外の弁が受ける力に対する比がそれぞれ異なる。一形態では、本システムは、少なくとも１つの圧力反射構造７９９を含み、これは、アクチュエータ要素によって少なくとも１つの弁に印加される圧力を合焦させるか反射する機能を有する。
【００５４】
図８は、自己完結型薬剤送達装置８０及び制御端末８９を含む薬剤送達システムを示す。薬剤送達装置８０は、逆止弁を含む入口ポート８５と、逆止弁を含む出口ポート８４と、を含むボディと、入口ポート８５と出口ポート８４との間を相互接続する少なくとも１つの飛行管を含む、少なくとも１つの流量センサ８３と、皮下注入針の形式で前記出口ポート８４と連通する投与装置８７と、フレキシブルであって折りたたみ式であるブリスタ（又はパウチ、小袋…）の形式で前記入口ポート８５と連通するリザーバ８６と、を含む。薬剤送達装置８０は更に、既述のように、発振装置の形式のポンプ８２を含む。処理装置８１が薬剤送達装置８０の動作を指揮する。処理装置８１がポンプ８２を活性化すると、出口ポートにある逆止弁を開放させて流体を投与装置８７に送達させる圧力が引き起こされる。入口ポート８５にある入口弁は、流体が流量センサ８３の飛行管内に流れ込んで、送達された体積の補償を行うことを可能にし、リザーバ８６は、体積が枯渇するにつれてつぶれる。処理装置８１は、流量センサ８３の電極を動作させ、少なくとも１つのマーカを飛行管内に実装する。処理装置８１は、既述の流量検知プロセスのいずれかによってマーカを追跡して、流量を読み取る。処理装置８１は、流量情報、及び／又は一定期間にわたる、送達された流量の体積の積分値に基づいて、ポンプ動作のスケジュール及びレジームを更新する。処理装置は、流量がポンプ動作と適合しない場合には、その問題を検出して警報を出す。送達装置８０は更に、少なくとも１つの温度センサ及び少なくとも１つの圧力センサをはじめとする追加センサを含んでよい。処理装置８１は、流体の他の状態、例えば、温度、圧力、逆流、ｐＨ、導電率、粘度などを更に分析してよく、この情報を伝達すること、警報又は通知、及び確認を作動させること、並びに、ポンプ動作に関して何らかの閾値に達したか、何らかの不確実性が存在する場合には独立したアクションを実施することのうちの少なくとも１つを行うようにプログラムされてよい。処理装置８１は、制御端末８９と通信して、（ａ）処理装置８１をプログラムすること、（ｂ）処理装置からポンプへの独立プログラム及び出力を無効にすること、（ｃ）データを処理装置８１から制御端末８９に伝達すること、（ｄ）通知、適正な動作の確認、又は警報を送信すること、（ｅ）送達装置の機能性の診断結果を伝達すること、（ｆ）制御端末８９の診断結果を伝達すること、（ｇ）他のセンサからの情報を処理装置８１から制御端末８９に伝達すること、（ｈ）送達装置８０及び制御端末８９の識別情報を伝達すること、並びに（ｉ）範囲内及び／又は範囲外の情報を伝達することのうちの少なくとも１つを行う。一構成では、処理装置は事前プログラムされている。一構成では、処理装置８１は、半処理済みの情報を少なくとも１つのセンサから制御端末に伝達し、制御端末は、この情報を処理するか、この情報を、他の場所で処理されるように転送してよい。他の構成では、ポンプ機構８２は、他のポンプ機構と置き換えられてよく、例えば、容積移送式装置、ターボマシン、及び蠕動ポンプのうちの少なくとも１つと置き換えられてよい。別の構成では、リザーバ８６は加圧されている。別の構成では、リザーバは剛体であり、枯渇した流体体積は排気装置又は相変化のうちの少なくとも一方からのガスで補償される。一構成では、リザーバは、ピストン及びシリンダの構成を含む。これまでの図面の文脈で示されたように、他の構成では、弁は、当該技術分野において知られている他の弁タイプ及び構造で置き換えられてよい。他の構成では、投与装置は、皮内用の針又はカテーテル、皮下用の針又はカテーテル、皮内用の針又はカテーテル、静脈注射用の針又はカテーテル、経皮投与パッチ、チューブ、パイプ、ホース、ウィーク、及びコネクタ、これらへの取付具又はインタフェースのうちの少なくとも１つであってよい。
【００５５】
図９は、流路の一例９０を示しており、流路９０は、１個の書き込み電極対９１と１６個の読み取り電極対９２とを含む。図１０は、流路の一例１００を示しており、流路１９０は、１個の書き込み電極と１６個の読み取り電極とを含み、ある読み取り電極が、書き込みパルス中に一時的に接地電極として使用されてよく、別の読み取り電極又は書き込み電極が、センサの読み取り動作中に一時的に接地電極として使用されてよい。
【００５６】
図１１は、そのような流路を通って移動するパルスについてのシミュレーションのセンサデータを示しており、流路の寸法は長さ５ｍｍ、幅６ｍｍ、及び深さ１５μｍであり、流量が２０μＬ／分の場合、読み取りセンサ同士は３１２．５μｍの間隔で均等に配置されている。読み取られたトレース１１１の振幅は、第１のセンサから来る信号を表しており、ここでは、第１のピークが、書き込み電極に最も近い読み取り電極対から発生し、更なる第２のピークが、書き込み電極に２番目に近い読み取り電極対から発生することが予想され、その後も同様である。図１１から明らかなこととして、１００ミリ秒では、マーカの中心は第１の電極対を通過しているが、まだ第２の電極対に達していない。
【００５７】
このセンサ信号は、その位置が識別されることを可能にしており、ここでは、その位置の、書き込み電極からの距離が３１２μｍ超ではあるものの、６２５μｍ未満であることがわかる。
【００５８】
同様に、図１２では、本願発明者らは、異なる２つの電極において時間に対して検知された信号を表す２つのトレース１２１及び１２２を記録した。２００ミリ秒においては、マーカの中心の、書き込み電極からの距離が６２５μｍ超であるものの、９３２μｍ未満である。２００ミリ秒の移動時間の間では、更なる下流の電極のいずれにおいても、まだ信号は検知されていない。
【００５９】
図１３に示されるように、ピークは下流方向に移動しており、その存在は、ピーク１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、及び１３６として検知されており、これらは、最初の６個の電極において検知された読み取り信号に対応する。これらの測定結果に基づいて、マーカの中心は、書き込み電極から下流に１．８７５ｍｍのところで、６番目の読み取り電極の位置とほぼ正確に並んでいることが推論される。
【００６０】
従って、どのセンサが信号を検知したかというシンプルな分析を行うことにより、パルスの潜在体積の小さな範囲を識別することが可能になる。パルス体積は、ピーク形状を分析することにより、更に精度を高めることが可能である。例えば、図１２では、２００ミリ秒において、明らかに、マーカは、第２のセンサを完全に通り過ぎているが、まだ第３のセンサをトリガしていない。センサシステムの計算モデルに基づくと、そのような結果に対して、マーカは、書き込み電極から７９０μｍのところで、ほぼちょうど２つのセンサの間に位置するはずであると予想される。同様に、図１３では、５００ミリ秒において、ピーク形状が分析され、マーカは、本質的にそのピークが、この時点では１．８７５ｍｍのところにあることがわかる。
【００６１】
読み取り信号を更に分析して、信号がマーカからマーカへと進む際の流量を時間の関数として特定することが可能である。従って、この方法を使用すると、流量の微小な変化が容易に検出される。
【００６２】
読み取り信号を更に分析して、流体の粘度を特定することが可能である。これを図解する為に、図１４は、同じ流路についての、流量が５μＬ／分である、１２００ミリ秒の時間にわたるシミュレーション結果を示す。この流れ時間の間に、マーカは、異なる４つの読み取りセンサと接触して、４つの信号１４１、１４２、１４３、及び１４４が読み取られた。この図から明らかであるように、このように低い流量では、マーカの幅（拡散範囲）がマーカの移動範囲と同等になるように広がり始め、２つの隣接センサ群が、所与の時点におけるマーカの存在を明確に特定しうる（例えば、１１００ミリ秒において、第３の読み取り電極からのデータに対応する信号１４３、及び第４の読み取り電極からのデータに対応する信号１４４の両方が信号の存在を示している）。マーカの拡散速度はシステムの粘度に反比例する。これは、マーカの幅が、低粘度のシステムでは広がり、高粘度のシステムでは狭まるものである為である。マーカの具体的な範囲は、所与の時点でのピーク形状を分析することによって推定可能である。これは、例えば、ある時点でのピーク形状を、フィックの拡散法則で予測されるピーク形状と比較することによって達成可能であり、拡散範囲は時間と流体の拡散率とに依存し、拡散率は、均質流体の場合には粘度の逆数に比例する。従って、このシステムは、粘度も同様に有利に測定する。
【００６３】
この粘度測定は、各読み取り電極における粘度を分析することによって更に精度を高めることが可能であり、これによって、１つの流体に対して短時間に複数回の粘度測定を行うことが可能であり、これらの測定結果を平均することにより測定の精度を高めることが可能である。又、このシステムを使用して、流体の粘度をより長時間にわたって監視することにより、流体の粘度の、例えば、温度に対する変化を検出することが可能である。従って、このシステムは更に、間接的な温度測定の方法として機能することも可能である。
【００６４】
粘度測定は更に、流量の測定に対する入力として適用されることも可能であり、これは、流量が非常に大きい場合にマーカの飛行時間が粘度に弱く依存する為である。従って、粘度測定値は、飛行時間を流量に変換する式の一部分として使用されることが可能である。
【００６５】
複数の電極においてピーク振幅及びピーク形状を測定することは、気泡を識別することにも有用となりうる。例えば、流れの中に気泡が閉じ込められている場合、気泡は、読み取り電極を一時的にブロックして、この電極における信号の振幅を低下させる可能性がある。従って、１つの電極又は少数の電極において読み取られる信号の予期しない変化を、気泡検出の手段として用いることが可能である。このシステムは冗長度が高い為、１つの電極又は幾つかの電極が気泡の存在によって一時的に動作不能になっても、残りのセンサによって収集されるデータから、流量及び体積についての有効な情報が引き続き取得可能である。実施形態によっては、所与の時間帯における測定値がその時間帯の前の測定値と統計的に異なるかどうかを識別する為に、電極から得られるデータに統計試験が適用され、この識別結果は、気泡が存在するかどうかをシステムに通知する為に使用される。
【００６６】
センサを構築できる形式は幾つかある。一構成では、センサは、第１の基板及び第２の基板によって形成され、第１の基板は、入口ポートと、出口ポートと、第１の基板の表面に型押しされた、入口ポートと出口ポートとの間の流路と、を含み、第２の基板は、その表面に複数の電極を含み、第１及び第２の基板は接合されて閉鎖導管を形成し、電極は、一方の基板の表面に露出している。第２の基板上の電極は、処理装置と連通する接点タブにつながっている。基板は、様々な材料から造られてよく、例えば、ガラス、シリコーン、プラスチック、他の、当該技術分野において知られている材料、又はこれらの組み合わせから造られてよい。
【００６７】
別の構成では、センサは、複数の電極層及び絶縁層からなる基板を垂直方向に貫通する穴をあけることによって構築される。これは、現行技術で製造される電極と異なり、流路が基板に、水平方向に刻まれる。このストローク体積センサ構造においては、一般的な組成飛行時間流量検知だけでなく、こうした垂直方向のアプローチも有用となる可能性がある。
【００６８】
現行技術で製造された流量センサの一例を図１５に示す。このセンサは、明確さの為に、２組の電極（２つの書き込み電極と２つの読み取り電極）だけを示すように単純化されているが、当業者であればただちに理解されるように、このセンサは、最小の変更で複数の電極構成に拡張可能である。この図では、センサ１５０は、流路１５１、入力ポート１５２、出力ポート１５３、一連の書き込み電極１５４、及び一連の読み取り電極１５５で構成されている。この流路の入力ポート及び出力ポートは、両方とも、流路の最上部に穴として配置され、これによって、流れは、下流に向かって流路に入り、その体積を通って、流路から上方に戻る。読み取り電極１５５は、流路１５１の、長さが約１〜５ｍｍの幅いっぱいにわたっており、それぞれが概ね流路の軸方向に約１〜１００μｍ延びている。
【００６９】
ウエハ上に占める面積が、図１５の上面図ａ）に表されており、ウエハ上のこれらのダイのレイアウトが、図１５の図ｄ）に示されている。図に示されるように、このシステムの最小寸法は流路の深さの１０〜１００μｍであり、これに対して、流路の幅及び長さは格段に長く、入力ポート及び出力ポートの為のスペースが流路の長さ方向に確保されている。ウエハ当たりのダイの数を最大化する観点からすれば、ダイを回転させることが好ましく、その為には、上部に面する流路の断面がより小さいことが好ましいであろう。
【００７０】
２つの代替構成を、図１６及び図１７に示す。図１６では、流路の平面構成が維持されているが、流路の幅と深さが逆になっていて、流路は、深さが１〜５ｍｍであるが、幅は１０〜１００μｍしかない。この構成の利点は、上面の断面全体が徹底的に小さくなって、ウエハ当たりのダイの数を増やすことが可能になることである。流路の入力１６２及び出力１６３は、両方とも構造の最上部にあり、図ｄ）のウエハレイアウトにパターニングされている。
【００７１】
しかしながら、この構成は、２つの理由により製造及び使用が困難である。第１の理由として、流量の深さが大きすぎる為、時限ＨＦエッチングにおいて深さを厳密に管理することができない。第２の理由として、組成飛行時間流量センサ及び他の多くの装置の動作の為には、電極が流路の最も狭い寸法にわたることにより、信号／ノイズの拡散損失が確実に最小化されることが好ましい。この提案された形状において、この目標を満たす為には、電極は垂直方向に、基板面に対して垂直に配置されなければならない。スパッタ堆積プロセスを用いて、水平方向に配置された電極を製造することはなんでもないことだが、垂直構造に沿って電極をパターニング及び堆積することは不可能であり、従って、この構造は、従来の製造手法では実現不可能である。
【００７２】
図１７のシステムでは、寸法が回転されて、流体がチップの最上部においてポート１７２から入り、チップの最下部においてポート１７３から出るようになっている。この設計は、オリジナルの形状からの大幅な逸脱を表しており、それは、流体がもはや、流路の面に対して垂直に出入りすることなく、代わりに、流路軸に沿ってまっすぐ流れる為である。これらのダイの、ウエハ上のレイアウトが図ｄ）に示されており、この図から理解されるように、ウエハ上で入力ポート及び出力ポートが別々にパターニングされることは必須ではなく、この構成は、それら３つの最も密度の高いパッキングを表す。
【００７３】
この構成における電極は、ウエハの面内に配置され、電極は容易に組み立てられる。しかしながら、本システムは、シリコンウエハを貫通するビアが必要な、ＨＦエッチングの従来のマイクロ流体プロセスには適していない。
【００７４】
図１７における、設計の重要な一態様として、入力ポート１７２及び出力ポート１７３は、互いに一直線に並んでおり、且つ、流路１７１と一直線に並んでいる。その結果、完全に入力ポート及び出力ポートの専用となるスペースが構造内に存在せず、結果として、ウエハ当たりのダイの数が増える。従って、図１７は、流量センサなどの流体装置を形成する上で理想的な形状を表す。
【００７５】
この構造は、幾つかの理由により、これまで設計として提案されていなかった。第１の理由として、流路長が非常に短く、そのような最小限の経路長に従来のマイクロ流体センサを嵌め込むのが困難である。第２の理由として、この方法は、マイクロ流体デバイスを作る既存技術と適合しない。従って、この形状の流量センサを提供する動機も能力もなかった。
【００７６】
第３の理由として、電極自体が流路内で垂直方向に再度配置され、このことが当初は、この構造を使用することに対する大きな障壁であると考えられた。しかしながら、本願発明者らは、電極の範囲を画定する為に電極の長さではなく厚さを用いることが可能であることを見いだした。これについて、以下で説明する。
【００７７】
スルービア（ＴＶ）技術は、スルーシリコンビア（ＴＳＶ）及びスルーガラスビア（ＴＧＶ）を含み、ウエハ当たりの使用可能なデバイスの総数を増やすべく、デバイス同士の垂直方向の相互接続を行う為に、半導体産業において一般的に使用されている。本発明では、本願発明者らは、マイクロ流体流量センサなどのマイクロ流体センサデバイスで使用する垂直流路又は垂直電極を組み立てる為にＴＶを用いることを提案している。
【００７８】
図１７の形状を組み立てる方法の一例を、図１８に示す。この例では、流路層として、絶縁性のシリコン又はガラスのウエハ１８１が使用されており、その上に、導電性シリコンからなる第１の層１８２と、絶縁性二酸化シリコンからなる第２の層１８３と、導電性シリコンからなる第３の層１８４とがコーティングされる（ただし、この例では、明確さの為に、電気的接点のパターニング及びルーティングは省略されている）。一実施形態では、これらの層のうちの少なくとも１つが、１〜１００μｍの範囲にある。一実施形態では、これらの層のうちの少なくとも１つが、約５μｍである。この例では、コーティングはウエハの両面に対して行われるが、片面に対して行われた後、後の工程で、同一の片面ウエハにボンディングされてもよい。
【００７９】
堆積工程の後、システムは、ＤＲＩＥ、Ｂｏｓｃｈプロセス、ウェットケミカルエッチング、又はレーザエッチングなどのスルービアプロセスを用いてパターニングされる。一例では、ビアのパターニングはＤＲＩＥによって行われ、まず、ＳＡＰ  １００（Ｓｉｌｅｃ  Ｃｏｒｐ）などのエッチングマスクを貼り付け、次に、ＳＡＰ  １００の上にフォトレジストを塗布し、レジストをパターニングし、露出したＳＡＰ  １００を、選択的ドライエッチング技術を用いて除去し、次にレジストを除去することによって行われる。次に、ウエハをＤＲＩＥプラズマプロセスにさらして、ＳＡＰ  １００がエッチングされていた場所を貫通するビアを穴あけし、最終工程においてＳＡＰ  １００を剥がしてウエハを洗浄する。別の例では、ウェットエッチング工程を実施する前に、ウエハをウェットエッチングから保護することが可能な単一のフォトレジストをウエハにスピンコーティングし、パターニングを行い、ＳＡＰ  １００のような第２のマスキング層は不要である。別の例では、レーザプロセスが用いられ、パターニング／マスキングは不要である。
【００８０】
各事例では、流路軸に沿う電極の範囲は、リソグラフィによってではなく、導電層１８２及び１８４の厚さによって画定される。所望の１〜１００μｍの範囲は、１〜１００μｍの厚さの材料を堆積できる堆積プロセスに非常によく適合する。従って、驚いたことに、本願発明者らは、各層の厚さを用いて、各電極の範囲と、それらの相互の離隔距離、及び他の電極対からの離隔距離を画定し、これによって、厳密に定義された形状パラメータを有する流量センサを作成することが可能であることを見いだした。ただし、流路断面寸法、及びボンディングパッドのルーティング及びレイアウトだけは、リソグラフィを使用して定義する必要がある。
【００８１】
図１９は、ポリマープロセスを用いて組み立てられる同様の流量センサ１９０を示す。このプロセスでは、プラスチックのシート１９１に、ニッケルなどの金属１９２（例えば、５〜１０μｍ）がコーティングされて、金属化シート１９３が形成される。この金属化シートのサンプルに薄いポリマー１９４（例えば、５〜１０μｍ）がコーティングされて、コーティング済みシート１９５が形成され、これが１９３の別のサンプルとペアにされて、電極構造１９６が形成される。これは、図面では、互い違いの構成で示されていて、これは、他の電極層に接触することなく各電極層に個別にアクセスできることを表しており、この構成の具体的な形状は、電極への個別アクセスが可能である限り、様々であってよい。この電極構造が、より厚い（例えば、０．５〜１ｍｍの厚さの）プラスチックシート１９７の上下に積層されて、超構造１９８が形成される。この構造に、レーザマイクロマシニングなどのプロセスによって穴があけられて、流路１９９が形成される。
【００８２】
流路内の露出電極の上に、白金、イリジウム、白金イリジウム合金、又は酸化イリジウムなどの不活性電極材料を電極堆積により堆積させてよい。一例では、これは、塩化白金電解質溶液を流路に流し込み、対電極（図示せず）に対して減少する電圧を電極の両端に印加して、流路内の露出ニッケル側壁に白金をめっきすることによって達成される。
【００８３】
製造に用いられたのが半導体プロセスであってもプラスチックプロセスであっても、この構造の流量センサは、平行に並ぶ複数の流路を単一ダイに設けることが独自に可能である。組成飛行時間流量センサの信号対ノイズ比は、最小流路の寸法が大きいほど低い為、単一の大きな流路を設けるより、複数の細い流路を平行に設けるほうが有利である。この構造の一例を図２０に示す。ここでは、流量センサ２００が、単一の１５０μｍ幅の流路ではなく、１００μｍ幅のギャップ２０２で隔てられた３本の５０μｍ幅の流路２０１で構成されている（ただし、図面の縮尺は正確ではない）。動作時には、流れは３つの流路のそれぞれを同じ速度で下方に進み、流量は単一の１５０μｍ幅の流路と等価であるが、信号対ノイズ比は何倍も良好である。この例では、垂直流路構造によって可能になるパッキングは、サイズ効率が非常に良く、同じ作用を達成する為に、従来の方法で製造されたデバイスの個別ダイをスタックすることによって可能になるであろうサイズ効率より格段に良い。
【００８４】
これらのアイディアに基づくと、これらの要素を用いて、より複雑な構造を構築することが可能であるのは明らかである。例えば、図２１では、シリコン又はガラスのウエハ２１１の片面に電極層２１２及び２１４がパターニングされ、既に詳述されたプロセスを用いて、ビアがパターニングされ、流路側壁上に金属が堆積されて、ウエハ２１５が形成される。その後、２つのウエハ２１５が位置合わせされ、従来式のシリコンウエハボンダでボンディングされて、流量センサ２１０が作成され、これは、単一ウエハ上に構築されるセンサより大きな厚さを有しうる。更に、このプロセスの一環として、これらのウエハを薄くすることにより、ウエハスタックの全体厚さを０．１ｍｍから１．５ｍｍの範囲にすることが可能である。
【００８５】
更に、ビアがパターニングされ、電極がパターニングされていない追加ウエハを、介在層として使用してよい。例えば、図２２では、ウエハ２２５が介在ウエハ２２１にボンディングされてセンサ２２０が形成され、総流路長を、１ウエハ又は２ウエハのセンサの場合より長くすることが可能である。シリコン又はガラスのウエハではなく、ポリマーからでも、同様の構造を構築することが可能である。
【００８６】
本システムは、堆積プロセスの次に導電層及び絶縁層のパターニングが行われるように、更に調節されてよい。図１８では、導電層は、流路壁を完全に取り囲んでおり、その全ての面と接触している。これに対し、図２３では、導電層は、堆積後にパターニングされる為、流路断面の長軸とのみ接触する。一例では、ウエハ２３１は、その表面全体にわたって導電層２３２がブランケット層として堆積され、その後、この導電層にフォトレジスト２３３が塗布され、これに対してパターニング及び現像が行われて、パターニング済みウエハ２３４が得られる。フォトレジスト２３３は、フォトレジストマスクが後続のエッチング処理には十分でない用途において、エッチングストップ層とフォトレジストマスクとを交互に組み合わせることが可能である。
【００８７】
パターニング済みウエハ２３４がエッチング処理にかけられて、パターニング済み領域内の導電層が除去され、レジストが除去されて、パターニング済みウエハ２３５が得られる。この時点で、次の層の堆積などの追加処理が行われてよく、次の層自体は、この例のようなプロセスを用いてパターニングされてよい。最終工程では、ウエハにフォトレジスト、又はフォトレジストとエッチングストップ層との組み合わせが塗布されてウエハ２３６が得られ、これからパターニング済みウエハ２３７が得られ、これがエッチングされて流路２３８が作成され、センサ２３０が得られる。
【００８８】
流路の形状は、図１８〜２３に示された２軸対称な例に限らず、パターニングに適した任意の形状が得られるように、生産的に調節されてもよい。図２４は、非２軸対称なセンサ流路２４０の一例の上面図であり、１つの流路が２つのサブチャンバ２４１及び２４２に概念的に分割されてよい。サブチャンバ２４１は、流体が最小限の流量制限又は圧力低下でシステムを素早く通り向けることを有利に可能にするが、そのような大きな開口は、流量測定の信号対ノイズ比の劣化をもたらす。これは、マーカの大部分が、読み取り電極ではアクセスできない流れの中心部に向かって拡散する可能性がある為である。これに対し、サブチャンバ２４２は、より高い信号対ノイズ比をもたらすが、流れを大きく制限するものとして動作する。２つのサブチャンバを組み合わせて１つのチャンバにすることにより、各サブチャンバの利点を有効に利用することが可能になり、それによって、小さいほうのサブチャンバでは高い信号対ノイズ比でマーカが検出され、大きい方のサブチャンバは流体が自由に通り抜け、実際の流量は、２つのチャンバの体積比及び流体粘度に依存する、２つのチャンバの間の圧力低下微分に基づいて計算される。
【００８９】
この例では、本願発明者らは又、図２３に示された方法を用いて、測定が行われる小さいほうのサブチャンバとのみ接触するパターニング済み電極２４３を示した。２つのサブチャンバ内の流れ速度が異なる為、この方法は、信号が小さい方のチャンバでのみ取得されることを有効に可能にしうる。
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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