DE69415549T2

DE69415549T2 - Mikromaschinen-flüssigkeitsfluss-regulator

Info

Publication number: DE69415549T2
Application number: DE69415549T
Authority: DE
Inventors: Dale Lawrence; Elric Saaski
Original assignee: RES INTERNATIONAL
Current assignee: RES INTERNATIONAL
Priority date: 1993-10-04
Filing date: 1994-10-03
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2014-10-04
Also published as: US5585011A; EP0722541B1; US5702618A; EP0733169A1; US5617632A; US5839467A; US5660728A; WO1995009987A1; DE69431994T2; EP0722540B1; EP1129739A3; EP0722540A1; WO1995009989A1; EP1129739B1; EP1129739A2; EP0733169B1; DE69415549D1; DE69435124D1; DE69415683D1; US5697153A

Description

Die Erfindung betrifft Fluidhandhabungsvorrichtungen. Spezieller, jedoch nicht ausschließlich, betrifft sie zuverlässige, genaue Strömungsregler, die Fluidströmungsraten handhaben können, die so niedrig sind, dass sie in Hunderten von Kubikzentimetern pro Tag gemessen werden können, die den elektrischen Energieverbrauch null aufweisen und die unter Verwendung von Mikrobearbeitungsprozessen in wirtschaftlicher Weise massenhergestellt werden können.
Bei vielen medizinischen Situationen ist es wünschenswert, einem Patienten über eine längere Zeitspanne ein flüssiges Medikament bei relativ niedriger Strömungsrate zuzuführen. Beispiele derartiger Fälle sind die Verwendung von Morphium für die Behandlung bösartiger oder nichtbösartiger Schmerzen; die Verwendung von FUDR zur Krebs-Chemotherapie; und die Verwendung von "Baclofen" für die Behandlung hartnäckiger Verkrampfungsveranlagung.
Diese Art des Verabreichens eines Medikaments ist wünschenswert, da der Pegel des flüssigen Medikaments im Patientenblut auf einem relativ konstanten, medizinisch wirksamen Pegel bleibt. Demgegenüber kann dann, wenn das Medikament periodisch mit größeren Dosierungen verabreicht wird, wie in Tablettenform über den Mund, der Medikamentenpegel im Patientenblut zeitlich ausgeprägt schwanken, von zu wenig auf zuviel, anstatt dass er auf dem gewünschten medizinisch wirksamen Pegel verbleibt.
Das Dokument WO 92/14199 offenbart einen implantierbaren Strömungsregler mit einer Anordnung mit einem einseitig aufgehängten Stab, der entsprechend einem Fluiddruck ausgelenkt wird, um das Volumen des verengenden Strömungsspalts zu variieren.
Eine allgemeine Aufgabe der Erfindung kann es sein, Strömungsregler zu schaffen, die kontinuierlich Fluide über lange Zeitspannen mit relativ niedrigen Strömungsraten, die den niedrigen Wert von ungefähr 0,01 ccm/Tag aufweisen können, handhaben können.
Bei vielen medizinischen Situationen ist es wünschenswert, über extrem kleine Strömungsregler zu verfügen, so dass sie in den Körper eines Patienten implantiert werden können. Demgemäß ist es eine andere allgemeine Aufgabe der Erfindung, Strömungsregler zu schaffen, die so klein sind, dass sie leicht in den Körper eines Patienten implantiert werden können.
Wenn jedoch ein Strömungsregler so klein gemacht wird, geschieht es relativ leicht, dass irgendwelche Öffnungen im Strömungsregler (wie dessen Stutzen, Kanäle, Hohlräume oder Spalte) in unbeabsichtigter Weise verstopfen, wenn ein Verbindungsmaterial dazu verwendet wird, die verschiedenen Teile des Strömungsreglers miteinander zu verbinden. Demgemäß ist es eine andere allgemeine Aufgabe der Erfindung, Strömungsregler zu schaffen, bei denen zumindest einige ihrer Teile anodisch aneinandergebondet sind, um dadurch das Erfordernis zu beseitigen, ein gesondertes Verbindungsmaterial zum Verbinden dieser Teile miteinander zu verwenden.
Wenn die Strömungsregler in den Körper eines Patienten implantiert werden sollen, ist es bevorzugt, dass sie passive Vorrichtungen sind, die keinerlei elektrische Energie verbrauchen.
Bei medizinischen Situationen muss die Zuverlässigkeit der Strömungsregler, die ein flüssiges Medikament handhaben, sehr hoch sein. Im Allgemeinen kann die Zuverlässigkeit dadurch erhöht werden, dass die Strömungsregler so vereinfacht werden, dass sie so wenig Gesamtteile wie möglich aufweisen; so wenig bewegliche Teile wie möglich aufweisen; und Nennbetriebsdrücke aufweisen, die so niedrig wie möglich sind. Demgemäß kann es eine allgemeine Aufgabe der Erfindung sein, Strömungsregler zu schaffen, die ihrer Art nach hochzuverlässig sind, da sie insgesamt nur zwei Teile aufweisen können, von denen nur eines ein bewegliches Teil sein kann. Eine andere allgemeine Aufgabe der Erfindung kann es sein, Strömungsregler zu schaffen, die bei relativ niedrigen Betriebsdrücken arbeiten können.
Bei medizinischen Situationen ist es wünschenswert, über Strömungsregler zu verfügen, die ein ausfallsicheres Design aufweisen, so dass dann, wenn sie Überdrücken über ihren Nenndesigngrenzen unterliegen, sehr widerstandsfähig gegen Ausfälle sind, so dass sie keine übermäßigen Medikamentmengen an den Patienten ausgeben. Demgemäß kann es eine andere allgemeine Aufgabe der Erfindung sein, Strömungsregler zu schaffen, die dann, wen sie einem Überdruck unterliegen, gegen Zerstörung beständig sind, da ihre Biegeelemente oder Membranen zumindest teilweise durch mindestens ein anderes Element der Strömungsregler abgestützt werden; und die die Strömung des Medikaments verringern oder sie ganz unterbrechen können.
Angesichts der im Allgemeinen hohen Kosten medizinischer Versorgung ist es wünschenswert, genaue, zuverlässige Strömungsregler hoher Qualität zu einem Preis zu schaffen, der so wirtschaftlich ist, dass in Betracht gezogen werden kann, die Schalter wegwerfbar auszubilden. Demgemäß kann es eine andere allgemeine Aufgabe der Erfindung sein, diese Ziele dadurch zu erreichen, dass Mikrobearbeitungsprozesse zur Massenherstellung von Strömungsreglern oder Teilen derselben verwendet werden.
Da viele Medikamente und viele Körperflüssigkeiten korrodierend sind, ist es insbesondere dann, wenn ein Strömungsregler für einen langen Zeitraum verwendet wird oder wenn er in einen Menschen oder ein Tier implantiert wird, wichtig, dass der Strömungsregler korrosionsbeständig ist. Demgemäß kann die Erfindung vorzugsweise einen Strömungsregler mit einer Schicht aus einer oder mehreren korrosionsbeständigen Substanzen schaffen, wobei eine derartige korrosionsbeständige Schicht unter Verwendung eines anodischen Bondvorgangs mit dem Strömungsregler verbunden wird und ein derartiger anodischer Bondvorgang für die korrosionsbeständige Schicht automatisch zum Zeitpunkt auszuführen, zu dem bestimmte andere Teile des Strömungsreglers durch einen anodischen Bondvorgang miteinander verbunden werden.
Bei medizinischen Situationen kann es wünschenswert sein, die Strömungsrate des flüssigen Medikaments zu einem Patienten hin trotz irgendwelcher Schwankungen (entweder Zunahmen oder Abnahmen) im Versorgungsdruck des Medikaments auf einer vorbestimmten Rate zu halten. Wenn z. B. die Versorgung des Medikaments einen Vorratsbehälter aufweist, in dem das Medikament durch Gas unter Druck gesetzt wird, expandiert das Gas, wenn der Vorratsbehälter geleert wird, wodurch sich der Druck auf der abnehmenden, im Vorratsbehälter verbleibenden Menge an Medikament verringert. Demgemäß kann es, zusätzlich zu einer oder mehreren der obigen allgemeinen Aufgaben der Erfindung, eine spezielle Aufgabe der Erfindung sein, einen Strömungsregler zu schaffen, der die Strömung eines Medikaments trotz Schwankungen im Druck des Medikaments, das vom Strömungsregler empfangen wird, oder Schwankungen im Druck an der Medikamentenauslassöffnung die Strömung des Medikaments innerhalb vorbestimmter Parameter hält.
Gemäß einer Erscheinungsform ist ein Strömungsregler gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform ist ein Verfahren gemäß Anspruch 25 geschaffen.
Gemäß einer dritten Erscheinungsform ist ein Verfahren gemäß Anspruch 33 geschaffen.
Ein bevorzugtes Merkmal des erfindungsgemäßen Strömungsreglers kann dasjenige sein, dass seine Strömungsrate dadurch selektiv erhöht oder verringert werden kann, dass die Anzahl, Größe, Form und Länge seiner Fluideinlasseinrichtungen selektiv erhöht oder verringert wird.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal des erfindungsgemäßen Strömungsreglers kann es sein, dass seine charakteristische Strömungsrate über der angelegten, steuernden Druckdifferenz dadurch gewählt werden kann, dass die Strömungswiderstände der Fluideinlasseinrichtungen und des Reglerspalts in Bezug aufeinander selektiv eingestellt werden.
Andere bevorzugte Merkmale des erfindungsgemäßen Strömungsreglers können solche sein, dass es ein Radialströmungsregler sein kann, bei dem sich zumindest ein Teil seiner Fluideinlasseinrichtung über zumindest im Wesentlichen um den Umfang seines Reglersitzes erstreckt; bei dem sein Biegeelement über seinem Reglersitz liegt und sich über den Umfang des Reglersitzes hinaus nach außen erstreckt; bei dem mindestens ein Teil seiner Fluidauslasseinrichtung innerhalb seines Reglersitzes liegt; und bei dem das Medikament von seiner Fluideinlasseinrichtung über die obere Fläche seines Reglersitzes vom Reglerumfang zu seiner Fluidauslasseinrichtung radial nach innen strömt.
Weitere bevorzugte Merkmale des erfindungsgemäßen Strömungsreglers können dahin gehen, dass es ein linearer Strömungsregler ist, der einen länglichen Reglersitz und ein längliches Biegeelement aufweist, die sich zwischen der Einlasseinrichtung und der Auslasseinrichtung erstrecken.
Andere bevorzugte Merkmale des erfindungsgemäßen linearen Strömungsreglers können dahin gehen, dass er ein Länge/Breite-Verhältnis (L/B) im Bereich von ungefähr 5 : 1 bis ungefähr 1000 : 1, vorzugsweise ungefähr 20 : 1 aufweisen kann; dass sein Biegeelement an seiner Einlasseinrichtung nicht eingegrenzt ist; und dass sein Reglersitz und sein Biegeelement einem geraden Verlauf, einem ungeraden Verlauf (wie kreisförmig, spiralförmig oder sinusförmig) oder einer Kombination hieraus folgen können.
Zwei weitere bevorzugte Merkmale des erfindungsgemäßen linearen Strömungsreglers können dahin gehen, dass sein Reglersitz einen profilierten Verlauf aufweisen kann, wie den sein Biegeelement einnehmen würde, wenn es vom Substrat nicht gehalten würde und einer bestimmten steuernden Druckdifferenz über den Regler unterworfen wäre; und dass ein derartige profilierte Verlauf dem Reglersitz dadurch verliehen werden kann, dass das Biegeelement mit Druck in das Substrat hinein ausgelenkt wird, während sich das Substrat in einem erweichten Zustand befindet, ein solcher Druck aufrechterhalten wird, während das Substrat aushärtet, und dann dieser Druck weggenommen wird und das Biegeelement in seine ursprüngliche, nicht ausgelenkte Konfiguration zurückkehren kann.
Andere bevorzugte Merkmale des erfindungsgemäßen linearen Strömungsreglers können dahin gehen, dass sein Reglersitz in seinem Substrat einen Kanal aufweisen kann; dass sein Kanal keinen profilierten Verlauf aufweisen muss; und dass sein Kanal dadurch mit Mikrobearbeitung in sein Substrat eingebracht werden kann, dass er in es eingeätzt wird.
Obwohl alle vorstehenden Kommentare betreffend erfindungsgemäße Strömungsregler unter Bezugnahme auf die Handhabung medizinischer Fluide in medizinischem Zusammenhang erfolgten, ist zu beachten, dass die erfindungsgemäßen Strömungsregler auch dazu verwendet werden können, eine beliebige Art eines nicht-medizinischen Fluids, sowohl in medizinischem als auch nicht-medizinischem Zusammenhang, zu handhaben. Außerdem ist zu beachten, dass, obwohl die oben angegebenen Strömungsregler sehr klein sein können und sie Fluide bei sehr niedrigen Strömungsraten und relativ niedrigen Drücken handhaben können, durch Anwenden von Skalierungsregeln die erfindungsgemäßen Strömungsregler im Allgemeinen auf jede gewünschte Größe hochskaliert werden können, um beliebige gewünschte Strömungsraten und Drücke von Fluiden zu handhaben. Ferner ist der Begriff "Fluid" in weitem Sinn verwendet, und er umfasst sowohl Flüssigkeiten als auch Gase.
Weitere Merkmale, Vorteile, Eigenschaften, Strukturen, Verfahren und/oder Prozesse gemäß der durch die Ansprüche definierten Erfindung werden dem Fachmann durch die folgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die nur beispielhaft angegeben werden, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen unmittelbar oder aus der Art heraus offenbart.
Fig. 1 ist eine Draufsicht eines mikrobearbeiteten Radialströmungsreglers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht desselben im Wesentlichen entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Kurvenbild, das bestimmte Eigenschaften der Fluidströmung desselben zeigt;
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einiger der Fluideigenschaften desselben;
Fig. 5 und 6 sind Kurvenbilder, die bestimmte weitere Eigenschaften der Fluidströmung desselben zeigen;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise in einem Schnitt im Wesentlichen entlang der Linie 7-7 in Fig. 8, eines mikrobearbeiteten linearen Strömungsreglers mit einem profilierten Reglersitz;
Fig. 8 ist eine Draufsicht desselben;
Fig. 9-11 sind Draufsichten dreier zusätzlicher Ausführungsbeispiele desselben;
Fig. 12 ist ein Kurvenbild, das bestimmte Fluidströmungseigenschaften desselben zeigt;
Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise in einem Schnitt im Wesentlichen entlang einer Linie 13-13 in Fig. 14, eines mikrobearbeiteten linearen Strömungsreglers gemäß der Erfindung mit einem nichtprofilierten Reglersitz;
Fig. 14 ist eine Draufsicht desselben und
Fig. 15 ist ein Kurvenbild, das bestimmte Fluidströmungseigenschaften desselben zeigt.
Es wird nun auf die Fig. 1-2 Bezug genommen, gemäß denen der erfindungsgemäße mikrobearbeitete Radialströmungsregler 32 dazu verwendet werden kann, die Strömungsrate eines durch ihn laufenden flüssigen Medikaments 12 zu regeln. Der Be griff "Medikament" wird in diesem ganzen Dokument in weitem Sinn verwendet, und es kann sich um ein beliebiges Fluid handeln, unabhängig davon, ob das Fluid seiner Art nach medizinisch ist oder nicht, solange nicht der Zusammenhang etwas anderes anzeigen sollte. In ähnlicher Weise wird auch der Begriff "Fluid" in diesem ganzen Dokument in seinem weiten Sinn verwendet, und dieser Begriff kann sowohl Flüssigkeiten als auch Gase beinhalten, solange nicht der Zusammenhang etwas anderes anzeigt.
Der Radialströmungsregler 32 kann ein Substrat 34 und eine Membran 36 aufweisen. Das Substrat 34 kann vier radial ausgerichtete Einlasskanäle 38, einen ringförmigen Einlassraum 40, einen ringförmigen Reglersitz, einen zylindrischen Auslassraum 52 und eine venturiförmige Auslassöffnung 54 aufweisen. In Fig. 1 ist die Membran 36 der Deutlichkeit halber als transparent dargestellt, so dass verschiedene Merkmale des Substrats 34 leichter erkennbar sind.
Die Membran 36 kann folgendes aufweisen: vier Montageteile 26, die an jeweiligen Teilen der Oberfläche 46 des Substrats 34 angebracht sind; ein kreisförmiges, flexibles Biegeelement 28, das über dem Einlassraum 40 und dem Reglersitz 42 liegt; sowie vier Einlasskanal-Abdeckteile 30, von denen jedes über einem jeweiligen Einlasskanal 38 liegt. Obwohl die Membran 36 so dargestellt ist, dass sie gleichmäßige Dicke aufweist und über eine ebene untere und obere Fläche 50, 62 verfügt, muss die Membran 36 nicht von gleichmäßiger Dicke sein und sie kann eine untere und eine obere Fläche 50, 62 aufweisen, die nicht eben sind. Obwohl die Membran 36 so dargestellt ist, dass sie vier Montageteile 26 aufweist, kann sie weniger oder mehr Montageteile 26 aufweisen.
Zwischen dem Reglersitz 42 und dem Biegeelement 28 ist ein ringförmiger Reglerspalt 48 vorhanden.
Obwohl vier gerade, radial ausgerichtete Einlasskanäle 38 dargestellt sind, von denen jeder rechteckige Querschnittskonfiguration und einen jeweiligen Abdeckteil 30 aufweist, können weniger oder mehr Einlasskanäle 38 vorhanden sein, von denen jeder einen jeweiligen Abdeckteil 30 aufweist; jeder spezielle Einlasskanal 38 kann eine andere geeignete Größe und eine andere Querschnittskonfiguration aufweisen, wie quadratisch oder abgerundet; die Länge jedes speziellen Einlasskanals 38 kann variiert sein; und kein spezieller radialer Einlasskanal 38 muss einem geraden, radial ausgerichteten Verlauf folgen, sondern er kann einem kreisförmigen, spiralförmigen, schlangenlinien- oder einem anderen nicht geraden, nicht radial ausgerichteten Verlauf folgen, wie dies bei den Kanälen 86 der Regler 80 der Fig. 9-11 der Fall ist. Die Verwendung eines oder mehrerer Einlasskanäle 38, die einem kreisförmigen, spiralförmigen, serpentinen oder anderem nicht geraden, nicht radial ausgerichteten Verlauf folgen, kann wünschenswert sein, da dies die Herstellung eines Radialströmungsreglers 32 ermöglichen kann, der kompakter als ein Radialströmungsregler 32 mit geraden, radialen ausgerichteten Einlasskanälen 38 ist.
Obwohl der ringförmige Einlassraum 40 so dargestellt ist, dass er kreisförmige oder zylindrische Konfiguration und gleichmäßige Tiefe aufweist, kann er jede andere geeignete Größe und Konfiguration sowie ungleichmäßige Tiefe aufweisen. Außerdem ist zu beachten, dass zwar die Einlasskanäle 38 und der Einlassraum 40 als gesonderte Elemente dargestellt sind, dass jedoch diese Elemente so miteinander verschmolzen sein können, dass sie keine getrennten Elemente mehr sind. Dies kann auf jede geeignete Art erfolgen, wie durch Vergrößern der Einlasskanäle 38, bis sie den größten Teil, wenn nicht alle, Funktionen des Einlassraums 40 ausüben; durch Vergrößern des Einlassraums 40, bis er die meis ten, wenn nicht alle, Funktionen der Einlasskanäle 38 ausübt; oder durch eine beliebige Kombination der vorstehenden zwei Arten.
Obwohl der ringförmige Reglersitz 42 so dargestellt ist, dass er kreisförmige oder zylindrische Konfiguration, eine flache Oberfläche 44 und gleichmäßige Dicke aufweist, kann er jede andere geeignete Größe und Konfiguration, eine nichtebene Oberfläche 44 sowie ungleichmäßige Dicke aufweisen.
Obwohl der ringförmige Reglerspalt 48 so dargestellt ist, dass er kreisförmige oder zylindrische Konfiguration und gleichmäßige Höhe aufweist, kann er jede andere geeignete Größe und Konfiguration sowie ungleichmäßige Höhe aufweisen. Obwohl der Reglerspalt 48 so dargestellt ist, dass er dadurch gebildet wird, dass der Reglersitz 42 so gewählt wird, dass er eine solche Dicke aufweist, dass seine obere Fläche 44 niedriger als diejenigen Teile der Oberfläche 46 des Substrats 34 liegt, an denen die Montageteile 26 der Membran 36 angebracht sind, kann der Reglerspalt 48 auf jede andere geeignete Art ausgebildet werden. Z. B. können die obere Fläche 44 des Reglersitzes 42 sowie die Oberfläche 46 des Substrats 34 als koplanar ausgewählt sein, und der Reglerspalt kann dadurch ausgebildet sein, dass die Dicke desjenigen Teils des Biegeelements 28, der über dem Reglersitz 42 liegt, um einen Wert verringert ist, der der gewünschten Höhe des Reglerspalts 48 entspricht. Alternativ kann der Reglerspalt 48 durch eine Kombination der zwei vorstehenden Arten ausgebildet sein.
Obwohl ein einzelner Auslassraum 52 und eine einzelne Auslassöffnung 54 dargestellt ist, können mehr als eines jedes dieser Elemente vorhanden sein.
Obwohl ein Auslassraum 52 mit kreisförmiger oder zylindrischer Konfiguration und gleichmäßiger Tiefe dargestellt ist, kann er jede andere geeignete Größe und Konfiguration sowie ungleichmäßige Tiefe aufweisen. Der Auslassraum 52 kann dazu verwendet werden, einen sauberen Außenumfang der Auslassöffnung 54 zu bilden, insbesondere dann, wenn die Auslassöffnung 54 mit einem Laser gebohrt wird. Jedoch kann der Auslassraum 52 weggelassen werden, und die Auslassöffnung 54 kann sich so nach oben erstrecken, dass sie unmittelbar mit dem Reglerspalt 48 in Verbindung steht. Alternativ kann die Auslassöffnung 54 weggelassen werden und der Auslassraum 52 kann sich so nach unten erstrecken, dass er unmittelbar mit der unteren Fläche 56 des Reglers 32 in Verbindung steht.
Obwohl eine Auslassöffnung 54 mit Venturikonfiguration dargestellt ist, kann sie jede andere geeignete Konfiguration aufweisen, wie rund oder zylindrisch.
Obwohl der Einlassraum 40, der Reglersitz 42, der Reglerspalt 48, der Auslassraum 52 und die Auslassöffnung 54 als gleichmäßig in Bezug aufeinander um ein gemeinsames Zentrum herum angeordnet dargestellt sind, können sie auf jede andere geeignete Art in Bezug zueinander angeordnet sein, und sie müssen kein gemeinsames Zentrum aufweisen.
Der Regler 32 kann eine Strömungsrate für medizinische Anwendungen im Bereich von ungefähr 0,01 ccm/Tag bis ungefähr 20 ccm/Tag aufweisen; vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,1 ccm/Tag bis ungefähr 2,0 ccm/Tag. Jedoch ist zu beachten, dass, angesichts der gesamten Offenbarungen in diesem Dokument der Radialströmungsregler 32 hinsichtlich seiner Größe auf- oder abskaliert werden kann, um höhere oder geringere Strömungsraten des Medikaments 12 zu regeln.
Beispielsweise kann der den Radialströmungsregler 32 tragen de Chip ein Quadrat mit Seiten mit einer Länge von ungefähr 4,83 mm sein. Seine Membran 36 kann aus Silicium hergestellt sein und eine Dicke von ungefähr 25 um aufweisen. Sein Substrat 34 kann eine Dicke ungefähr 0,5 mm aufweisen und aus Pyrexglas, hergestellt von Corning Company, Corning, New York, bestehen. Die Einlasskanäle 38 können eine Länge von ungefähr 2,54 mm, eine Breite von ungefähr 107 um und eine Tiefe von ungefähr 5,65 um aufweisen. Der ringförmige Einlassraum 40 kann eine Tiefe von ungefähr 5,65 um, einen AD (Außendurchmesser) von ungefähr 2,29 mm sowie einen ID (Innendurchmesser) von ungefähr 1,52 mm aufweisen (d. h., der ringförmige Raum 40 kann eine radiale Weite von ungefähr 0,77 mm aufweisen). Der ringförmige Reglersitz 42 kann einen Außendurchmesser von 1,52 mm und einen Innendurchmesser von ungefähr 0,5 mm aufweisen (d. h., der ringförmige Reglersitz 42 kann eine radiale Weite von ungefähr 1,02 mm aufweisen). Der ringförmige Reglerspalt 48 kann eine Höhe von ungefähr 2,5 um aufweisen, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) über das Biegeelement 28 null ist; und er kann eine radiale Weite von ungefähr 1,02 mm aufweisen. Der Auslassraum 52 kann eine Breite von 0,5 mm und eine Tiefe von ungefähr 3,15 um aufweisen. Die Auslassöffnung 54 kann einen minimalen Durchmesser von ungefähr 100 um und eine Tiefe von ungefähr 494 um aufweisen. Die Strömungseigenschaften dieses beispielhaften Radialströmungsreglers 32 sind in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht.
Wie es aus der gesamten Offenbarung in diesem Dokument ersichtlich ist, bieten die Tatsachen, dass der Regler 32 wie beim oben dargelegten Beispiel extrem kleine Größe, extrem kleines Gewicht, nur zwei Teile und den elektrischen Energieverbrauch null aufweisen kann, zahlreiche Vorteile gegenüber einem Regler 32, der körperlich viel größer, viel schwerer, viel komplizierter ist oder elektrische Energie verbraucht. Z. B. kann der Regler 32 zur Verwendung als Teil einer miniaturisierten Medikamentenverabreichungsvorrichtung ideal sein, die in einen Menschen oder ein Tier zu implantieren ist, um konstante Ströme des Medikaments 12 mit Strömungsraten vom niedrigen Wert von ungefähr 0,01 ccm/Tag zu verabreichen - dabei handelt es sich um Strömungsraten, die so niedrig sind, dass es einem körperlich größeren Strömungsregler mit anderem Design unmöglich ist, eine zuverlässige und genaue Verabreichung vorzunehmen.
Der Radialströmungsregler 32 kann auf jede geeignete Art an dem für ihn vorgesehenen Ort angebracht werden. Es kann jede geeignete Zuführeinrichtung für Medikamente dazu verwendet werden, die Einlasskanäle 38 des Radialströmungsreglers 32 mit einer Quelle des Medikaments 12 zu verbinden; jede geeignete Verabreichungseinrichtung kann dazu verwendet werden, die Auslassöffnung 54 des Radialströmungsreglers 32 mit einer beliebigen Person, einem Tier oder einem Gegenstand zu verbinden, die bzw. der das Medikament 12 von der Auslassöffnung 54 erhalten soll. In einigen Fällen kann die Medikament-Zuführeinrichtung auch dazu verwendet, das Medikament 12 der oberen Fläche 62 des Biegeelements 28 unter einem Druck zuzuführen, der derselbe sein kann, was jedoch nicht der Fall sein muss, wie der Druck, unter dem das Medikament 12 den Einlasskanälen 38 zugeführt wird.
Z. B. kann der Radialströmungsregler 32 durch irgendeine geeignete Einrichtung innerhalb irgendeiner Art von Vorratseinrichtung für das Medikament 12 angebracht sein, z. B. durch Positionieren der Auslassöffnung 54 des Radialströmungsreglers 32 über dem Auslass der Vorratseinrichtung sowie unter Verwendung einer Kleberfläche-Abdichtung zwischen der unteren Fläche 56 des Radialflussreglers 32 und dem Inneren der Vorratseinrichtung, um den Radialflussregler 32 am Ort zu halten. Im Ergebnis ist, wenn die Vorratseinrichtung mit dem Medikament 12 gefüllt wird, der Radialflussregler 32 in das Medikament 12 so eingetaucht, dass seine Einlasskanäle 38 und die obere Fläche 62 seines Biegeelements 28 in Fluidverbindung mit dem Medikament 12 innerhalb der Vorratseinrichtung stehen, während seine Auslassöffnung 54 in Fluidverbindung mit dem Auslass der Vorratseinrichtung steht. Eine derartige Anbringung des Radialströmungsreglers 32 hat zahlreiche Vorteile.
Z. B. ist dies schnell, einfach, zuverlässig und billig, da keine zusätzliche Medikament-Zuführeinrichtung (wie Zuführleitungen) erforderlich ist, um das Medikament 12 zu den Einlasskanälen 38 und der oberen Fläche 62 des Biegeelements 28 des Radialströmungsreglers 32 zu liefern (da sie bereits in das Medikament 12 eingetaucht sind); und da keine zusätzliche Medikament-Verabreichungseinrichtung (wie Verabreichungsleitungen) erforderlich sind, um das Medikament 12 von der Auslassöffnung 54 des Radialströmungsreglers 32 wegzutransportieren (da der Auslass der Vorratseinrichtung zu diesem Zweck verwendet wird). Derartige zusätzliche Einlass- und Auslassleitungen können unerwünscht sein, da es relativ zeitaufwendig, schwierig und teuer ist, sie mit dem Radialströmungsregler 32 zu verbinden, und zwar wegen dessen extrem geringer Größe seiner Einlasskanäle 38, seines Biegeelements 28 und seiner Auslassöffnung 54. Derartige zusätzliche Einlassleitungen können auch unerwünscht sein, da sie die Tendenz zeigen können, eine Blase festzuhalten, wenn sie mit einem flüssigen Medikament 12 gefüllt werden, wobei diese Blase dann im Radialströmungsregler 32 transportiert werden kann und dazu führen kann, dass er fehlerhaft arbeitet.
In der folgenden Diskussion ist der Deutlichkeit und Einfachheit halber angenommen, dass während des Betriebs des Radialströmungsreglers 32 die obere Fläche 62 des Biegeelements 28 sowie die Einlässe der Einlasskanäle 38 alle einer Druckquelle des Medikaments 12 von der Medikament-Zuführein richtung ausgesetzt sind. Der Deutlichkeit und Einfachheit halber wird auch angenommen, dass die steuernde Druckdifferenz (P) des Medikaments 12 über den Radialströmungsregler 32 die Druckdifferenz zwischen dem Medikament 12 an der oberen Fläche 62 der Membran 36 und dem Medikament 12 an der Auslassöffnung 54 ist, was dieselbe wie die Druckdifferenz zwischen dem Medikament 12 an den Einlässen der Einlasskanäle 38 und der Auslassöffnung 54 ist. Jedoch ist zu beachten, dass diese Druckdifferenzen während des Betriebs des Radialströmungsreglers 32 nicht gleich sein müssen und dass die obere Fläche 62 des Biegeelements 28 nicht notwendigerweise der Druckquelle des Medikaments 12 von der Medikament-Zuführeinrichtung ausgesetzt sein muss.
Wenn die obere Fläche 62 des Biegelements 28 dem Medikament 12 ausgesetzt ist, kann die steuernde Druckdifferenz (P) über das Biegeelement 28 hinweg der dominierende Faktor beim Bestimmen des Auslenkausmaßes des Biegeelements 28 und damit der Größe des Reglerspalts 48 sein. Andererseits kann, wenn die obere Fläche 62 des Biegeelements 28 nicht dem Medikament 12 ausgesetzt ist, die Geschwindigkeit desselben durch den Reglerspalt 48 der dominierende Faktor beim Bestimmen des Ausmaßes der Auslenkung des Biegeelements 28 und damit der Größe des Reglerspalts 48 sein.
Wenn während des Betriebs eine steuernde Druckdifferenz (P) an den Radialströmungsregler 32 angelegt wird, wie durch Unterdrucksetzen der Quelle des Medikaments 12 in Bezug auf die Auslassöffnung 54 des Radialströmungsreglers 32 durch eine beliebige geeignete Einrichtung, durchläuft das Medikament 12 aufeinanderfolgend die Einlasskanäle 38 des Radialströmungsreglers 32, den Einlassraum 40, den Reglerspalt 48, den Auslassraum 52 und die Auslassöffnung 54. Der Einlassraum 40 kann dazu dienen, die Strömung des Medikaments 12 von den Einlasskanälen 38 zum gesamten Umfang des Regler spalts 48 mehr oder weniger gleichmäßig zu verteilen, um einen besser vorhersagbaren Betrieb des Radialströmungsreglers 32 zu erzielen.
Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, in der Reglerkurven 64, 66, 68 und 70 für einen Radialströmungsregler 32 mit einem, zwei, drei bzw. vier radialen Einlasskanälen 38 dargestellt sind. Die Dreiecks-, Rauten-, Kreis- und Quadrat-Datenpunkte auf den Reglerkurven 64, 66, 68 und 70 gelten für die gemessene Strömungsrate (Q) eines tatsächlichen Radialströmungsreglers 32 mit den physikalischen Parametern des oben dargelegten beispielhaften Radialströmungsreglers 32.
Die Reglerkurven 64, 66, 68 und 70 wie auch die Datenpunkte in Fig. 3 sind Kurvenschriebe der Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 durch den Radialströmungsregler 32 in Mikrolitern pro Tag (ul/Tag) als Funktion der steuernden Druckdifferenz (P) am Radialströmungsregler 32 in Millimetern Quecksilbersäule (mmHg).
Wie es aus Fig. 3 erkennbar ist, existiert bei einer steuernden Druckdifferenz (P) vom Wert null keine Strömung des Medikaments 12 durch den Radialströmungsregler 32, und zwar unabhängig davon, wie viele Einlasskanäle 38 vorhanden sind. Wenn dann die steuernde Druckdifferenz (P) von null aus erhöht wird, zeigt der Radialströmungsregler 32 vier Strömungszustandsbereiche, erneut unabhängig von der Anzahl von Einlasskanälen 38, die er aufweist.
D. h., dass dann, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) von null aus erhöht wird, eine entsprechende Zurate der Strömungsrate (Q) besteht, dass jedoch auch eine allmähliche Verringerung der Empfindlichkeit der Strömungsrate (Q) von der steuernden Druckdifferenz (P) existiert. Dies ist z. B. aus der Kurve 66 von ungefähr 0 mmHg bis ungefähr 200 mmHg steuernder Druckdifferenz (P) erkennbar.
Bei mittleren steuernden Druckdifferenzen (P) existiert eine "Regelungszone", in der die Strömungsrate (Q) relativ unempfindlich hinsichtlich Änderungen der steuernden Druckdifferenz (P) ist. Z. B. ist dies in der Kurve 66 von 200 mmHg bis ungefähr 300 mmHg erkennbar.
Dann nimmt, bei steuernden Druckdifferenzen (P) über der "Regelungszone" die Strömungsrate (Q) tatsächlich ab, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) zunimmt. Dies ist z. B. in der Kurve 66 von ungefähr 300 mmHg bis ungefähr 450 mmHg erkennbar.
Schließlich kann, was in Fig. 3 nicht dargestellt ist, die Strömungsrate (Q) bei sehr hohen steuernden Druckdifferenzen (P) allmählich auf nahezu null abnehmen, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) des auf die obere Fläche 46 des Biegeelements 28 einwirkenden Medikaments 12 das Biegeelement 28 gegen den Reglersitz 42 nach unten antreibt.
Es wurde erkannt, dass der Radialströmungsregler 32 aufgrund seiner Struktur eingebaute Ausfallsicherungseigenschaften aufweist, die den Benutzer mit außergewöhnlichem Schutz gegen katastrophale Fehlfunktion des Biegeelements 28 schützt, wenn das Biegeelement steuernden Druckdifferenzen (P) unterworfen wird, die weit über dem für den Regler 32 konzipierten Bereich der steuernden Druckdifferenz (P) liegen.
Diese Ausfallsicherungseigenschaften sind vorhanden, da, wie angegeben, das auf die obere Fläche 46 des Biegeelements 28 wirkende Medikament 12 bei sehr hohen steuernden Druckdifferenzen (P) das Biegeelement 28 gegen die obere Fläche 44 des Reglersitzes 42 herunterbewegen kann. Wenn dies geschieht, wirkt der Reglersitz 42 als Stütze für das Biegeelement 28 und verhindert dessen weitere Auslenkung nach unten, wobei eine weitere Auslenkung andernfalls bewirken könnte, dass das Biegeelement 28 an- oder durchreißt. Im Ergebnis ist eine viel höhere steuernde Druckdifferenz (P) erforderlich, um das Biegeelement 28 durchzureißen, als dies andernfalls der Fall wäre, da die größte nichtabgestützte Spanne des Biegeelements 28 hinsichtlich ihrer Größe vom maximalen Gesamtdurchmesser des Einlassraums 40 auf die viel kleinere radiale Weite des ringförmigen Einlassraums 40 verringert ist. Z. B. wäre für ein Biegeelement 28 mit einer ungefähr 25 gm dicken Siliciummembran eine steuernde Druckdifferenz von mindestens ungefähr 5,171 mmHg (100 psi) erforderlich, um das Biegeelement 28 an- oder durchzureißen. Zum Vergleich gilt, dass, wie es aus Fig. 3 erkennbar ist, die typische steuernde Druckdifferenz (P) des Reglers 32 nur ungefähr 300 mmHg betragen kann. So hat der Regler 32 in diesem Fall einen Sicherheitsfaktor für einen ungefähr 17-fachen Überdruck.
Der in Fig. 3 dargestellte Typ von Ansprechkurven 64, 66, 68, 70 ist für viele Anwendungen sehr wünschenswert. Dies, da der Radialströmungsregler 32 in seiner Nenn-"Regelungszone" trotz eines wesentlichen Schwankungsbereichs der steuernden Druckdifferenz (P) eine relativ konstante Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 liefert. Außerdem nimmt, wenn der steuernde Druckdifferenz (P) in der Nenn-"Regelungszone" überschritten wird, die Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 nicht zu, sondern nimmt tatsächlich ab, wodurch eine mögliche Beschädigung vermieden ist, die andernfalls hervorgerufen werden könnte, wenn es der Strömungsregler 32 zulassen würde, dass mehr als die gewünschte Menge des Medikaments 12 fließt.
Als Beispiel sei angenommen, dass eine Medikamentenverabreichungsvorrichtung mit einer unter Druck stehenden Quelle für das Medikament 12 mit einem Radialströmungsregler 32 versehen ist, um die Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 von dieser Medikamentenverabreichungsvorrichtung zu regeln. Im Ergebnis kann eine derartige Medikamentenverabreichungsvorrichtung für Betrieb über der Nenn-"Regelungszone" des Radialströmungsreglers 32 konzipiert werden, wo die Strömungsrate (Q) gegen Änderungen der steuernden Druckdifferenz (P) relativ unempfindlich ist. Dies kann sehr erwünscht sein, da ein Patient das Medikament 12 trotz aller Änderungen der steuernden Druckdifferenz (P), wie sie durch eine allmähliche Leerung der Medikamentenverabreichungsvorrichtung verursacht sein kann, mit der benötigten Strömungsrate (Q) erhält. Außerdem fällt, wenn die Nenn-"Regelungszone" der steuernden Druckdifferenz (P) wesentlich überschritten würde, wie dann, wenn medizinisches Personal versehentlich die Medikamentenverabreichungsvorrichtung überfüllt, die Strömungsrate (Q) des Medikaments tatsächlich, wodurch die Möglichkeit einer Verletzung oder des Tods des Patienten aufgrund einer Überdosis des Medikaments 12 die andernfalls auftreten könnte, deutlich verringert ist.
Es besteht die Tendenz, dass der Radialströmungsregler 32 die Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 in seiner "Regelungszone" trotz Änderungen der steuernden Druckdifferenz (P) auf die folgende Weise auf einem relativ konstanten Wert hält. Wenn die steuernde Druckdifferenz (P) zunimmt, besteht die Tendenz, dass das Biegeelement 28 in erhöhtem Ausmaß zum Reglersitz 42 nach unten ausgelenkt wird, wodurch die Höhe des Reglerspalts 48 verringert wird. Dadurch besteht wiederum die Tendenz, die Strömungsrate (Q) trotz der erhöhten steuernden Druckdifferenz (P) auf einem relativ konstanten Wert zu halten. Dies, da die Tendenz besteht, dass die verringerte Höhe des Reglerspalts 48 die erhöhte steuernde Druckdifferenz (P) durch Verringern der Strömungsrate (Q) kompensiert, wie sie andernfalls bei dieser erhöhten steu ernden Druckdifferenz (P) auftreten würde.
Andererseits besteht die Tendenz, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) abnimmt, dass das Biegeelement 28 in verringertem Ausmaß nach unten zum Reglersitz 42 hin ausgelenkt wird, wodurch die Höhe des Reglerspalts 48 zunimmt. Dadurch besteht wiederum die Tendenz, die Strömungsrate (Q) trotz der verringerten steuernden Druckdifferenz (P) auf einem relativ konstanten Wert zu halten. Dies, da die Tendenz besteht, dass die vergrößerte Höhe des Reglerspalts 48 die verringerte steuernde Druckdifferenz (P) dadurch kompensiert, dass sie die Strömungsrate (Q) erhöht, die andernfalls bei dieser verringerten steuernden Druckdifferenz (P) auftreten würde.
Schließlich wird bei steuernden Druckdifferenzen (P) über der "Regelungszone" des Reglers 32 die Strömungsrate (Q) allmählich auf nahezu null verringert, wenn das Biegeelement 28 immer näher an den Reglersitz 42 angetrieben wird.
Der Radialströmungsregler 32 hat trügerisch einfaches Aussehen, jedoch wurde festgestellt, dass es nicht möglich ist, für seine Konstruktion einfache, allgemein anwendbare Designregeln zu entwickeln. Dies ist zu einem starken Teil der engen und nichtlinearen, kompensierenden Kopplung zwischen der Strömungsrate (Q) durch den Reglerspalt 48 des Radialströmungsreglers 32 und den Strömungswiderstand des Reglerspalts 48 (Rs) zuzuschreiben, was es wiederum erschwert, Ursache und Wirkung in mathematischem Sinn zu trennen.
Außerdem treten bestimmte andere Probleme beim Entwickeln einfacher, allgemein anwendbarer Designregeln für den Radialströmungsregler 32 auf, da die Strömungsraten (Q) von Medikament 12 durch den Regler 32 so niedrig sein können (mit dem niedrigen Wert von ungefähr 0,01 ccm pro Tag) und da die Abmessungen der Einlasskanäle 38, des Einlassraums 40, des Reglerspalts 48, des Auslassraums 52 und der Auslassöffnung 54 so klein sein können (vom kleinen Wert von ungefähr 0,1 um).
Im Ergebnis derartiger niedriger Strömungsraten (Q) und derartiger kleiner Abmessungen können bestimmte Fluidströmungseffekte (wie die Viskositäts-Scherkräfte des Medikaments 12, die so wirken, dass sie verschiedene Teile des Radialströmungsreglers 32 verformen), die normalerweise beim Vorhersagen der Funktion physikalisch größerer Strömungsregler, die z. B. Strömungsraten von über ungefähr 0,1 ccm pro Minute handhaben, normalerweise vernachlässigbar sind, sehr wichtig werden. Außerdem könne gewisse andere Fluidströmungseffekte (wie die Kontinuitätsbedingung und das Bernoullische Gesetz), wie sie normalerweise für physikalische größere Strömungsregler wichtig sind, die derartige höhere Strömungsraten (Q) handhaben, für einen Regler 32 mit derartigen niedrigen Strömungsraten (Q) und derartigen kleinen Abmessungen vernachlässigbar werden. Außerdem kann es erforderlich sein, bei mittleren Strömungsraten (Q) und Abmessungen eine Kombination aus einschlägigen Fluidströmungseffekten für kleine Maßstäbe und große Maßstäbe zu berücksichtigen.
Wegen all der obigen Probleme wurde erkannt, dass zwei ganz verschiedene Strategien dazu verwendet werden können, die Konzeption eines Radialströmungsreglers 32 zu unterstützen, der irgendwelche speziell gewünschten Strömungsregelungseigenschaften aufweist.
Die erste Strategie ist eine ihrer Art nach empirische. D. h., dass eine Reihe von Strömungsreglern 32 gebaut werden kann und jeweils ein Merkmal variiert wird, so dass die Effekte der Änderung dieses speziellen Merkmals bestimmt werden können.
Z. B. kann der serielle Strömungswiderstand (Rs) des Reglerspalts 48 dadurch unabhängig variiert werden, dass die Anfangshöhe des Reglerspalts 48 konstant gehalten wird (wenn die steuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat), während die Breite des ringförmigen Reglersitzes 42 variiert wird, wie durch Variieren des Innen- und des Außendurchmessers desselben. In ähnlicher Weise kann die Anfangshöhe des Reglerspalts 48 (wenn die steuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat) variiert werden, während die Breite des ringförmigen Reglersitzes 42 konstant gehalten wird, wie durch Konstanthalten des Innen- und des Außendurchmessers desselben.
Durch Aufbauen und Testen einer großen Anzahl von Radialströmungsreglern 32 und anschließendes Auftragen von Datenpunkten für jeden derselben für ihre verschiedenen Strömungsraten (Q) über ihren steuernden Druckdifferenzen (P) und anschließende Kurvenanpassung der aufgetragenen Datenpunkte wurde erkannt, dass es möglich ist, ein empirisches Modell für die Funktion eines Radialströmungsreglers 32 zu schaffen, das die Beziehungen zwischen den Schlüsselmerkmalen des Radialströmungsreglers 32 und dem Betriebsverhalten desselben zeigt. Diese empirischen Beziehungen können dann dazu verwendet werden, ausgehend von bekannten Designfällen eine Interpolation oder Extrapolation vorzunehmen, um das Verhalten eines neuen Radialströmungsreglers 32 vorherzusagen.
Z. B. wurde erkannt, dass der Einstellpunkt (Qset) für die Strömungsrate des Radialströmungsreglers 32 (die mittlere Strömungsrate (Q) des Radialströmungsreglers 32 in dessen "Regelungszone") Potenzbeziehungen hinsichtlich vielen der Designmerkmale des Radialströmungsreglers 32 genügt. D. h., es wurde festgestellt, dass dann, wenn der serielle Strömungswiderstand (Rs) des Reglerspalts 48 sowie die Anfangs höhe desselben (wenn die steuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat, unabhängig variiert werden, der Einstellpunkt (Qset) der Strömungsrate des Radialströmungsreglers 32 über einen beträchtlichen Wertebereich durch eine Gleichung der folgenden Form beschrieben werden kann:
Qset = aGm/Rsn,
wobei (Qset) und (Rs) dergestalt sind, wie oben definiert; wobei (G) die Anfangshöhe des Reglerspalts 48 ist (wenn die ansteuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat); und wobei (a) eine Konstante ist.
Z. B. wurde erkannt, dass (m) in der Größenordnung von ungefähr 2,4 und (n) in der Größenordnung von ungefähr 2/3 liegt, wenn ein Radialströmungsregler 32 mit folgendem vorliegt: Siliciumbiegeelement 28 mit einer Dicke von ungefähr 25 um, mit Kanälen 38 mit einer Breite von ungefähr 107 gm, mit einer Tiefe von ungefähr 5,65 um und einer Länge von ungefähr 2,54 mm vorliegt; einem ringförmigen Einlassraum 40 mit einem Außendurchmesser von ungefähr 2.300 um und einer Tiefe von ungefähr 5,65 um; einem ringförmigen Reglersitz 42 mit einer Breite (gemessen zwischen seinem Innen- und seinem Außendurchmesser) von ungefähr 750-2.000 um; einer anfänglichen Höhe des Reglerspalts 48 (wenn die steuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat) im Bereich von ungefähr 2- 3 um; einem Auslassraum 52 mit einer Tiefe von ungefähr 5,65 um; und einer Auslassöffnung 54 mit einem minimalen Durchmesser von ungefähr 100 um und einer Länge von ungefähr 494 um.
Die zweite Strategie, die dazu verwendet werden kann, eine eine Unterstützung beim Konzipieren eines Radialströmungsreglers 32 zu liefern, der irgendwelche speziell gewünschte Strömungsregelungseigenschaften aufweist, besteht darin, un ter Verwendung numerischer Methoden ein ausgeklügeltes physikalisches Modell zu entwickeln.
Der Ausgangspunkt zum Formulieren des Modells kann dergestalt sein, dass für irgend einen speziellen Radialströmungsregler 32 die Strömung des Medikaments 12 durch denselben allgemein durch die folgende Gleichung beherrscht sein kann:
Q = P / (Rch + Rs(Q))
wobei (Q), (P) und (Rs) so sind, wie es oben definiert ist; wobei (Rch) der kombinierte Strömungswiderstand über die radialen Einlasskanäle 38 ist; wobei (Rch) eine direkte Funktion der Länge (L) und des Benetzungsumfangs (C) jedes der radialen Einlasskanäle 38 ist, wobei (Rch) eine Kehrfunktion der Querschnittsfläche (A) jedes der radialen Einlasskanäle 38 ist; und wobei (Rs) eine nichtlineare Funktion der Strömungsrate (Q) ist.
D. h., dass die Strömungsrate (Q) proportional zur steuernden Druckdifferenz (P) ist und umgekehrt proportional zur Summe aus den zwei Strömungswiderständen (Rch) und (Rs) ist. Ein Schaltbild, das dieses Verhalten veranschaulicht, ist in Fig. 4 dargestellt.
Es wurde herausgefunden, dass eine genaue Vorhersage des nichtlinearen Strömungswiderstands (Rs) am Reglerspalt 48 die Berücksichtigung mindestens der folgenden vier Faktoren erfordern kann.
Erstens kann der nichtlineare Strömungswiderstand (Rs) des Reglerspalts 48 eine Funktion des Druckabfalls über die Einlasskanäle 38 aufgrund des Strömungswiderstands (Rch) derselben sein. Dies, da die steuernde Druckdifferenz (P) am Biegeelement 28 um so größer ist, und das Ausmaß der Auslenkung des Biegeelements 28 um so größer ist, je größer der Druckabfall über die Einlasskanäle 38 ist (und umgekehrt). Dies verringert wiederum allgemein die Höhe des Reglerspalts 48, wodurch allgemein der Strömungswiderstand (Rs) am Reglerspalt 48 erhöht wird (und umgekehrt). Jedoch ist eine derartige Auslenkung des Biegeelements 28 nicht gleichmäßig, da es nicht eben ist sondern statt dessen eine konvexe oder gebogene Form einnimmt. Dies führt dazu, dass der nichtlineare Strömungswiderstand (Rs) des Reglerspalts 48 eine relativ komplizierte Funktion des Strömungswiderstands (Rch) der Einlasskanäle 38 ist.
Zweitens kann der nichtlineare Strömungswiderstand (Rs) des Reglerspalts 48 eine Funktion der Viskositäts-Scherkräfte des Medikaments 12 sein, das auf die untere Fläche 50 des Biegeelements 28 einwirkt, wenn es radial nach innen ausgehend vom Einlassraum 40 zum Auslassraum 52 durch den Reglerspalt 40 strömt. Derartige Viskositäts-Scherkräfte sind ihrerseits eine Funktion derartiger Größen wie der Viskosität und der Geschwindigkeit des Medikaments 12 im Reglerspalt 48. Derartige Viskositäts-Scherkräfte sind radial einwärts auf die untere Fläche 50 des Biegeelements 28 gerichtet, und sie haben die Tendenz, diese untere Fläche 50 des Biegeelements 28 hinsichtlich seiner oberen Fläche 62 zu verdrehen oder zu verziehen. Es besteht die Tendenz, dass ein derartiges Verdrehen oder Verziehen des Biegeelements 28 die Größe und die Form des Reglerspalts 48 verändert, was wiederum den Strömungswiderstand (Re) des Reglerspalts 48 verändert. Dies führt dazu, dass der nichtlineare Strömungswiderstand (Re) des Reglerspalts 48 eine relativ komplizierte Funktion der auf das Biegeelement 28 wirkenden Viskositäts-Scherkräfte des Medikaments 12 ist.
Drittens kann der nichtlineare Strömungswiderstand (Rs) eine Funktion der Geschwindigkeit des durch den Reglerspalt 48 laufenden Medikaments 12 sein. Eine derartige Geschwindigkeit ist ihrerseits eine Funktion derartiger Faktoren wie des Strömungswiderstands (Rch) der Einlasskanäle 38; der steuernden Druckdifferenz (P) über den Regler 32; der Höhe, der Größe und der Form des Reglerspalts 48 sowie des Strömungswiderstands (Rs) des Reglerspalts 48.
Wegen der Kontinuitätsbedingung und dem Bernoullischen Gesetz besteht die Tendenz, dass der Druck des Medikaments 12 innerhalb des Reglerspalts 48 abnimmt, wenn die Geschwindigkeit des Medikaments 12 durch den Reglerspalt 48 zunimmt (und umgekehrt). Dies, da es die Kontinuitätsbedingung erfordert, dass die Geschwindigkeit des Medikaments 12 bei einer Verengung zunehmen muss. Demgemäß muss, da der Reglerspalt 48 eine Verengung (im Vergleich zum Einlassraum 40) bildet, die Geschwindigkeit des Medikaments 12 zunehmen, wenn es durch den Reglerspalt 48 strömt. Dann erfordert es die Gleichung von Bernoulli, dass der Druck des Medikaments 12 im Reglerspalt 48 aufgrund seiner erhöhten Geschwindigkeit bei der Strömung durch den Reglerspalt 48 fällt.
D. h., dass dann, wenn die Geschwindigkeit des Medikaments 12 im Reglerspalt 48 zunimmt, der Druck desselben im Reglerspalt 48 fällt. Dies erhöht das Ausmaß der Auslenkung des Biegeelements 28, was seinerseits allgemein die Höhe des Reglerspalts 48 verringert und den Strömungswiderstand (Rs) erhöht (und umgekehrt).
Viertens kann der nichtlineare Strömungswiderstand (Rs) eine Funktion der Dicke, der Nachgiebigkeit, der Elastizität und der Steifigkeit des Biegeelements 28 sein. Dies, da für beliebige gegebene, auf das Biegeelement 28 wirkende Kräfte, das Ausmaß der Auslenkung desselben sowie die Form (oder das radiale Profil) des ausgelenkten Biegeelements 28 eine Funk tion der Dicke, der Nachgiebigkeit, der Elastizität und der Steifigkeit des Biegeelements 28 sein können.
In der vorstehenden Erörterung ist angenommen, dass die Einlasskanal-Abdeckteile 30 der Membran 36 so gewählt sind, dass sie durch das Medikament 12 während des Betriebs des Radialströmungsreglers 32 nicht wesentlich nach unten in die Einlasskanäle 38 ausgelenkt werden. Demgemäß nahm die vorstehende Erörtertung an, dass im Wesentlichen kein Anteil der Regelung der Strömung des Medikaments 12 durch den Radialströmungsregler 32 durch irgendeine derartige Auslenkung der Einlasskanal-Abdeckteile 30 von 36 erfolgt.
Jedoch muss dies nicht der Fall sein, da, wie dies aus der Gesamtoffenbarung in diesem Dokument ersichtlich ist, die Regelung der Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 durch den Radialströmungsregler 32 zumindest teilweise durch eine derartige Auslenkung der Einlasskanal-Abdeckteile 30 der Membran 36 erfolgen kann.
Aus dem Vorstehenden ist erkennbar, dass die Hauptschwierigkeit beim Entwickeln eines ausgeklügelten physikalischen Modells für den Radialströmungsregler 32, das numerische Methoden verwendet, darin besteht, dass das Ausmaß der Auslenkung oder Verbiegung des Biegeelements 28 sowie die Form des Biegeelements 28, wenn es ausgelenkt wird oder sich verbiegt, eng miteinander gekoppelt sind und hinsichtlich der Wechselwirkung nichtlinear sind. Im Ergebnis müssen iterative Techniken dazu verwendet werden, eine Lösung für die ausgelenkte oder gebogene Form des Biegeelements 28 zu finden, die (a) in jedem Kontaktpunkt zwischen dem Medikament 12 und dem Biegeelement 28 hinsichtlich der auf das Biegeelement 28 wirkenden Kräfte ist; und (b) gleichzeitig für einen konsistenten Radialgradienten der steuernden Druckdifferenz (P) des Medikaments 12 über das Biegeelement 28 sorgt, der den Gesetzen von Fluidströmungen genügt.
Um dies auszuführen, muss als erstes ein Kräftediagramm für ein beliebiges ringförmiges Segment des Biegeelements 28 entwickelt werden. Dieses Modell erzeugt den folgenden maßgeblichen Differentialgleichungssatz vierter Ordnung, der die Beziehung zwischen der örtlichen Krümmung des Biegeelements 28 und deren Dicke, dem Young-Modul und dem Poisson- Verhältnis sowie Funktionen äußerer Kräfte identifiziert, zu denen die Scherkraft zwischen dem Medikament 12 und dem Biegeelement 28, jede steuernde Druckdifferenz (P) über das Biegeelement 28 und die radiale Spannung im Biegeelement 28 gehören. Der maßgebliche Differentialgleichungssatz vierter Ordnung kann auf die folgende Weise bestimmt werden.
Die erste Ableitung der Auslenkung (8) des Biegeelements 28 zum Reglersitz 42 hin ist durch die folgende Differentialgleichung zweiter Ordnung gegeben: Gleichung 1
wobei r die radiale Position hinsichtlich des Zentrums des Biegeelements 28 ist; ΔP(r) die steuernde Druckdifferenz über das Biegeelement 28 an der radialen Position r ist und Dt wie folgt gegeben ist:
Dt = Et³/[12(1 - ²)],
wobei E der Young-Modul ist, t die Dicke des Biegeelements 28 ist und das Poisson-Verhältnis ist.
Die tatsächliche Auslenkung Y(r) des Biegeelements 28 wird durch Integrieren der obigen Gleichung 1 wie folgt erhalten:

Gleichung 2

Y(r) = Y&sub0; + θ(r)dr
wobei Y&sub0; die Auslenkung der Mittellinie des Biegeelements 28 ist. Demgemäß ist der maßgebliche Differentialgleichungssatz von vierter Ordnung.
Als nächstes kann eine Differentialgleichung erster Ordnung für den Druckabfall der steuernden Druckdifferenz (P) am Biegeelement 28 über den ringförmigen Teil des Reglerspalts 48, der unmittelbar unter dem oben angegebenen beliebigen ringförmigen Segment des Biegeelements 28 liegt, hergeleitet werden. Diese Differentialgleichung muss nicht nur die Änderung des Reglerspalts 48 berücksichtigen, wie sie durch das Ausmaß der Auslenkung oder Verbiegung des Biegeelements 28 verursacht wird, sondern auch jede Änderung des Reglerspalts 48, die durch die Einlasskanäle 38 des Substrats 34 um den Einlassraum 40 verursacht wird. Die Differentialgleichung erster Ordnung für die steuernde Druckdifferenz ΔP(r) ist die Folgende: Gleichung 3
wobei ΔP&sub1; die steuernde Druckdifferenz (P) am Außenrand des Einlassraums 40 ist, und zwar unter Bezugnahme auf den konstanten Druck des Medikaments 12 außerhalb des Biegeelements 28; Q die volumetrische Strömungsrate des Medikaments 12 ist; u die Viskosität des Medikaments 12 ist und H(r) die Höhe des Reglerspalts 48 ist, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat.
Kurz gesagt, beschreibt die obige Gleichung 2 das Ausmaß und die Form der Auslenkung oder Verbiegung des Biegeelements 28, während die obige Gleichung 2 eine Maßnahme dafür schafft, die steuernde Druckdifferenz (P) des Medikaments 12 über das Biegeelement 28 an jeder radialen Position hinsichtlich des Biegeelements 28 zu berechnen. Damit die Lösungen der obigen Gleichungen 2 und 3 eine physikalisch korrekte Wiedergabe der Wechselwirkung zwischen der steuernden Druckdifferenz (P) über das Biegeelement 28 und dem Ausmaß sowie der Form der Auslenkung oder Verbiegung desselben bilden, müssen sie über den gesamten Radius des Biegeelements 28 von Punkt zu Punkt gesehen konsistent zueinander sein.
Um dieses Ziel zu erreichen, kann die obige Gleichung 2 in die Form finiter Differenzen umgesetzt werden und es kann eine Schätzung hinsichtlich des radialen Profils der steuernden Druckdifferenz (P) des Medikaments 12 über das Biegeelement 28 erfolgen. Dies ist erforderlich, da eine Lösung der obigen Gleichung 2 für die Biegung oder Auslenkung des Biegeelements 28 eine Kenntnis der steuernden Druckdifferenz (P) des Medikaments 12 über das Biegeelement 28 an jeder radialen Position erfordert.
Dies führt zu einer sogenannten tridiagonalen Anordnung gekoppelter Gleichungen, die für die radiale Steigung des Biegeelements 28 rekursiv an jedem Punkt gelöst werden können. Dann kann dies einmal integriert werden, um die Auslenkung des Biegeelements 28 an jeder radialen Position zu liefern. Wenn dies einmal bekannt ist, kann das radiale Profil der steuernden Druckdifferenz (P) über das Biegeelement 28 neu unter Verwendung dieser neuen Auslenkwerte für das Biegeele ment 28 durch Integration der obigen Gleichung 3 berechnet werden.
Dann kann der obige iterative Prozess nach Bedarf fortgesetzt werden, bis sich die berechnete Position des Biegeelements 28 pro Iteration nicht mehr um einen beliebig eingestellten kleinen Wert ändert, was anzeigt, dass ein konsistenter Lösungssatz vorliegt.
Durch den obigen Gleichungssatz kann jede Anzahl verschiedener Zylinder symmetrischer Fluidströmungsvorrichtungen nachgebildet werden. Durch Ändern des Vorzeichens von Q kann sowohl eine Einwärts- als auch eine Auswärtsströmung des Medikaments 12 durch die Vorrichtungen nachgebildet werden. Durch Einstellen der Funktion H(r) in solcher Weise, dass die Höhe des Spalts zwischen dem Biegeelement der speziellen Fluidströmungsvorrichtung und dem entsprechenden Teil seines Substrats widergespielt ist, kann der obige Gleichungssatz in gleicher Weise dazu von Nutzen sein, andere Strömungsregler (wie die Strömungsregler 80, 110) nachzubilden.
Fig. 5 zeigt das obige mathematische Modell in Anwendung zum Vorhersagen des Ansprechverhaltens eines typischen Designs für den Strömungsregler 32. Die durchgezogene Kurve 72 in Fig. 5 zeigt einen Kurvenschrieb für das obige mathematische Modell für den Radialströmungsregler 32 hinsichtlich der Strömung des Medikaments 12 durch den Regler 32 in ul/Tag als Funktion der steuernden Druckdifferenz (P) über das Biegeelement 28.
Die rautenförmigen Datenpunkte 74, wie sie in Fig. 5 aufgetragen sind, gelten für einen typischen Radialströmungsregler 32 mit einer radialen Anordnung von vier rechteckigen Einlasskanälen 38, von denen jeder eine Breite von ungefähr 70 um, eine Länge von ungefähr 1.270 um und eine Tiefe von ungefähr 5,7 um aufweist; einem Einlassraum mit einem maximalen Durchmesser von ungefähr 2.290 um und einer Tiefe von ungefähr 5,7 um; einen Reglersitz 42 mit einem Innendurchmesser von ungefähr 508 um und einem Außendurchmesser von ungefähr 1.780 um; einem Biegeelement, das aus einer Siliciummembran mit einer Dicke von ungefähr 25 um hergestellt ist; einem Reglerspalt 48 mit einer Höhe von ungefähr 2,5 um (wenn die steuernde Druckdifferenz (P) über das Biegeelement 28 den Wert null hat); einem Auslassraum mit einem Durchmesser von ungefähr 508 um und einer Tiefe von ungefähr 5,7 um; und einer Auslassöffnung mit einem minimalen Durchmesser von ungefähr 100 um und einer Länge von ungefähr 494 um.
Die gestrichelte Kurve 76 ist eine empirische Kurve, die dadurch hergeleitet wird, dass Kurvenanpassungstechniken auf die aufgetragenen Datenpunkte 74 angewandt werden. Wie es aus Fig. 5 erkennbar ist, ist die Übereinstimmung zwischen der theoretischen Kurve 72 und den aufgetragenen Datenpunkten 74 sehr gut.
Die Kurve 78 in Fig. 6 zeigt das obige mathematische Modell in Anwendung zum Vorhersagen der Verringerung des Einstellpunkts (Qset) der Strömungsrate des Medikaments 12, wie sie dadurch hervorgerufen wird, dass die vier Einlasskanäle 38 einzeln abgedichtet werden. Die rautenförmigen Datenpunkte 74, wie sie in Fig. 6 aufgetragen sind, gelten für einen typischen Radialströmungsregler 32 mit den oben dargelegten physikalischen Parametern.
Wie es aus Fig. 6 erkennbar ist, nimmt, wenn ein Einlasskanal 38 abgedichtet ist, der effektive kombinierte Strömungswiderstand (Rch) der restlichen drei Kanäle 38 um ungefähr 33% im Vergleich zum kombinierten Strömungswiderstand (Rch) der ursprünglichen Anordnung von vier Einlasskanälen 38 zu. In ähnlicher Weise erhöht das Verstopfen von zwei und drei der Einlasskanäle 38 den effektiven kombinierten Strömungswiderstand (Rch) der restlichen Einlasskanäle (des restlichen Einlasskanals) 38 um ungefähr 100% bzw. ungefähr 400 %. Wie es aus Fig. 6 erkennbar ist, sagt die mathematische Modellkurve 78 dieses Verhalten des Radialströmungsreglers 32 sehr gut voraus.
Der qualitative Effekt des Verschließens eines oder mehrerer der Einlasskanäle 38 besteht darin, die steuernde Druckdifferenz (P) über das Biegeelement 28 zu erhöhen, wie sie für jede gegebene Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 durch den Radialströmungsregler 32 erforderlich ist. Dies bewirkt, dass das Biegeelement 28 bei einer niedrigeren Strömungsrate (Q) in engere Nähe des Reglersitzes 42 gelangt und demgemäß den Einstellpunkt (Qset) der Strömungsrate des Reglers 32 auf einen Wert für die Strömungsrate (Q) vorbelastet, der niedriger ist als dies andernfalls der Fall wäre.
Es wurde erkannt, dass, wie es in Fig. 3 erkennbar ist, dann, wenn die Anzahl der Einlasskanäle 38 verringert wird, die "Regelungszone" für die Strömungsrate (Q) bei immer tieferen Strömungsraten (Q) für eine beliebige gegebene steuernde Druckdifferenz (P) über den Radialströmungsregler 32 liegt. Es wurde auch erkannt, wie es ebenfalls aus Fig. 3 erkennbar ist, dann, wenn die Anzahl der Einlasskanäle 38 verringert wird, verringerte Empfindlichkeit hinsichtlich der Änderungsrate der Strömungsrate (Q) für jede gegebene Änderung der steuernden Druckdifferenz (P) innerhalb der "Regelungszone" der Strömungsrate (Q) vorliegen kann. Jedoch sind die theoretischen Gründe für dieses Verhalten des Reglers 32 nicht klar, und es ist möglich, dass dieses Verhalten auf einem Fehler in einem unvollkommenen Regler 32 beruhen kann.
All dies Vorstehende ist sehr wichtig, da es erkannt wurde, dass ein einzelner Radialströmungsregler 32 tatsächlich die Eigenschaften von vier verschiedenen Reglern 32 abhängig davon haben kann, ob von seinen Einlasskanälen 38 keiner, einer, zwei oder drei abgedichtet sind. D. h., dass, wie es aus Fig. 3 erkennbar ist, derartige Regler 32 ganz verschiedene Regelungskurven 64, 66, 68, 70 aufweisen; dass sie ganz verschiedene "Regelungszonen" und Einstellpunkte (Qset) der Strömungsrate aufweisen; dass sie ganz verschiedene Strömungsraten (Q) für jede gegebene steuernde Druckdifferenz (P) aufweisen; und dass sie ganz verschiedene Empfindlichkeiten hinsichtlich Änderungen ihrer Strömungsraten (Q) für jede gegebene Änderung der steuernden Druckdifferenz (P) aufweisen.
Dies macht die Erfindung viel vielseitiger, da ein einzelner Radialströmungsregler 32 leicht so modifiziert werden kann, dass er die Arbeit von vier Einzelfunktions-Strömungsreglern übernimmt. Selbstverständlich können, wie oben angegeben, weniger oder mehr als vier Einlasskanäle 38 vorhanden sein, so dass ein einzelner Radialströmungsregler 32 leicht so modifiziert werden kann, dass er die Arbeit von mehr oder weniger Einzelfunktions-Strömungsreglern 32 übernimmt.
Aus den Offenbarungen in diesem Dokument heraus ist es möglich, einen Radialströmungsregler 32 für beliebige speziell gewünschte Strömungsregelungseigenschaften oder steuernde Druckdifferenzen (P) selektiv zu konzipieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass einer oder mehrere der einschlägigen Parameter selektiv eingestellt werden, wie: (a) die Anzahl, die Länge, die Größe und die Querschnittskonfiguration der radialen Einlasskanäle 38; (b) die Anzahl, die Größe, die Querschnittskonfiguration und der Ort der Räume 40, 52 und der Auslassöffnung 54; (c) die Anzahl, die Größe, die Querschnittskonfiguration und die Höhe des Reglersitzes 42; (d) die Anzahl, die Größe, die Querschnittskonfiguration und die Höhe des Reglerspalts 48; sowie (e) die Dicke, die Nachgiebigkeit, die Elastizität und die Steifigkeit der Membran 36.
Z. B. wurde erkannt, dass durch Einstellen des Anteils der steuernden Druckdifferenz (P), der an den radialen Einlasskanälen 38 abfällt, in Beziehung zum Anteil der steuernden Druckdifferenz (P), der über den Reglerspalt 48 abfällt (durch Einstellen des Strömungswiderstands (Rch) der Einlasskanäle 38 sowie des Strömungswiderstands (Rs) des Reglerspalts 48 in Beziehung zueinander) zwei Größen selektiv modifiziert werden können. Erstens kann das Ausmaß der Steuerung der Reglerströmung (Q) über der steuernden Druckdifferenz (P) selektiv variiert werden; und zweitens kann auch das Ausmaß der Reglerströmung (Q) über der steuernden Druckdifferenz (P) selektiv variiert werden.
Das Substrat 34 kann aus jedem geeigneten starken, beständigen Material hergestellt werden, das mit dem Medikament 12 verträglich ist und in den die Einlasskanäle 38, der Einlassraum 40, der Reglersitz 42, der Auslassraum 52 und die Auslassöffnung 54 auf beliebige geeignete Weise hergestellt werden können, wie unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Ätz-, Formungs-, Stands- und Bearbeitungsprozesses. Zu einem derartigen Bearbeitungsprozess kann die Verwendung körperlicher Werkzeuge wie eines Bohrers, die Verwendung elektromagnetischer Energie, wie eines Lasers, und die Verwendung eines Wasserstrahls gehören.
Die Membran 36 kann aus jedem geeigneten starken, beständigen, flexiblen Material hergestellt werden, das mit dem Medikament 12 verträglich ist.
Wenn der Radialströmungsreglers 32 dazu vorgesehen ist, ein Medikament 12 zu regeln, das einem Menschen oder einem Tier zuzuführen ist, sollte jeder Teil des Reglers 32, der dem Medikament 12 ausgesetzt ist, aus ungiftigen Materialien hergestellt und zusammengebaut oder mit solchen verbunden werden. Alternativ kann ein beliebiges giftiges Material, das dazu verwendet wird, den Regler 32 herzustellen und das dem Medikament 12 während der Verwendung des Reglers 32 ausgesetzt ist, mit einem beliebigen geeigneten ungiftigen Überzug versehen sein, der mit dem Medikament 12 verträglich ist.
Geeignete Materialien für das Substrat 34 und die Membran 36 können Metalle (wie Titan), Gläser, Keramiken, Kunststoffe, Polymere (wie Polyimide), Elemente (wie Silicium), verschiedene chemische Verbindungen (wie Saphir und Glimmer) sowie verschiedene Verbundmaterialien sein.
Das Substrat 34 und die Membran 36 können auf jede beliebige leckdichte Weise zusammengebaut werden. Alternativ können das Substrat 34 und die Membran 36 auf beliebige geeignete leckdichte Weise miteinander verbunden werden, wie durch anodisches Verbinden derselben; durch Verschmelzen derselben (wie unter Verwendung von Wärme- oder Ultraschallschweißen); und wie durch die Verwendung geeigneter Verbindungsmaterialien wie Haftkleber, Kleber, Epoxid, Lösungsmittel, Glaslot und Metalllot.
Anodisches Verbinden des Substrats 34 und der Membran 36 miteinander kann aus mindestens vier Gründen bevorzugt sein. Erstens ist anodisches Bonden relativ schnell, einfach und billig. Zweitens sorgt anodisches Bonden für eine stabile leckdichte Verbindung.
Drittens existiert, da anodisches Bonden ein Grenzflächeneffekt ist, kein Materialaufbau an der Verbindungsstelle und dieselbe hat im Wesentlichen die Dicke null, was in wünschenswerter Weise im Wesentlichen keinen Abstand zwischen dem Substrat 34 und der Membran 36 erzeugt. Im Ergebnis stört ein anodischer Bondvorgang die gewünschte Höhe des Reglerspalts 32 nicht.
Viertens kann anodisches Bonden bevorzugt sein, da es den Bedarf an jeglichen gesonderten Verbindungsmaterialien beseitigt, die andernfalls die Größe der Einlasskanäle 38, des Einlassraums 40, des Reglersitzes 42, des Reglerspalts 48, des Auslassraums 52 und der Auslassöffnung verstopfen oder verringern könnten oder die zu Korrosion der Verbindungsstelle zwischen dem Substrat 34 und der Membran 36 des Reglers 32 führen könnten.
Nun erfolgt ein Beispiel dafür, wie der Radialströmungsregler 32 hergestellt werden kann. Der Ausgangspunkt kann ein Wafer von 76,2 mm Durchmesser aus Pyrexglas 7740 von Corning sein, der das Substrat 34 des Reglers 32 bildet.
Der Glaswafer kann auf jede geeignete Weise gereinigt werden, wie durch Eintauchen desselben in ein gepuffertes Fluorwasserstoffsäure(BHF = buffered hydrofluoric acid)-Ätzmittel für zwei Minuten, Spülen desselben mit destilliertem Wasser und Trocknen desselben.
Dann kann eine dünne Chrommetallisierungsschicht durch irgendeine geeignete Einrichtung, wie eine Elektronenstrahl- Aufdampfeinrichtung, auf die obere Fläche des Glaswafers aufgetragen werden. Die Chromschicht kann für eine gut haftende Fläche für die anschließende Auftragung eines photoempfindlichen Resists (Photoresist) auf die obere Fläche des Glaswafers sorgen.
Darauf folgend kann eine dünne Schicht aus irgendeinem geeigneten Photoresist auf die Oberseite der Chromschicht aufgetragen werden, wie der von Shipley Company, Newton, Massa chusetts, hergestellt Photoresist Microposit 1650. Die Photoresistschicht kann auf jede geeignete Weise getrocknet werden, wie durch Tempern derselben bei ungefähr 90ºC für ungefähr 25 Minuten.
Dann kann ein Bild der vier radialen Einlasskanäle 38, des Einlassraums 40 und des Einlassraums 52 auf jede geeignete Weise auf dem Photoresist belichtet werden, wie unter Verwendung einer ersten Maske und einer Maskenausrichtungseinrichtung. Dieses Bild kann unter Verwendung jedes geeigneten Photoresistentwicklers entwickelt werden (d. h. der entwickelte Photoresist kann entfernt werden), wie mittels des von der oben genannten Shipley Company hergestellten Entwicklers 351. Dann kann der Glaswafer in destilliertem Wasser gespült und getrocknet werden.
Als Ergebnis des vorstehenden Ablaufs trägt die Chromschicht nun ein Bild, das vom Photoresist nicht geschützt ist, der vier radialen Einlasskanäle 38, des Einlassraums 40 und des Auslassraums 52. Die ungeschützten Teile der Chromschicht können dann unter Verwendung jeder geeigneten Chromätzlösung entfernt werden, wie mit Cyantek CR-7, hergestellt von Cyantek Company, Fremont, Kalifornien.
Der vorstehende Ablauf führt zu einem Bild der vier radialen Einlasskanäle 38, des Einlassraums 40 und des Auslassraums 52, die auf der oberen Fläche des Glaswafers ausgebildet sind, wobei dieses Bild durch die Schichten aus Photoresist und Chrom, die den Rest der Oberfläche des Glaswafers bedecken, nicht geschützt ist. Dann kann das Bild mit jeder gewünschten Tiefe durch jede geeignete Einrichtung in die Oberfläche des Glaswafers eingeätzt werden, wie durch Eintauchen der Oberfläche des Glaswafers in BHF-Ätzmittel, Spülen des Glaswafers in destilliertem Wasser und Trocknen desselben. Eine geeignete Tiefe kann ungefähr 6,0 um betragen.
Als nächstes kann dann ein Bild des Reglersitzes 42 unter Verwendung einer zweiten Maske auf dem Photoresist auf der Oberfläche des Glaswafers belichtet werden. Dann kann der neubelichtete Photoresist entwickelt werden, und die neubelichteten Teile des Chroms werden entfernt. Dann kann das Bild des Reglersitzes auf jede geeignete Weise mit jeder gewünschten Tiefe in die Oberfläche des Glaswafers eingeätzt werden, um eine Höhendifferenz zwischen der oberen Fläche 44 des Reglersitzes 42 und der Oberfläche des Glaswafers zu bilden. Eine geeignete Höhendifferenz kann ungefähr 2,5 um betragen.
Hier sei darauf hingewiesen, dass die Tiefen der vier radialen Einlasskanäle 38, des Einlassraums 40 und des Auslassraums 52 ebenfalls automatisch um ungefähr 2,5 um vergrößert werden, da sie ebenfalls alle nicht durch die Schichten aus Chrom und Photoresist geschützt sind. Anders gesagt, können die vier radialen Einlasskanäle 38, der Einlassraum 40 und der Auslassraum 52 anfangs absichtlich auf eine Tiefe geätzt werden, die geringer als ihre gewünschte Endtiefe ist, um es zu ermöglichen, dass sie automatisch und gleichzeitig ihre gewünschte Endtiefe erreichen, während der Reglersitz 42 geätzt wird.
Es ist zu beachten, dass der obige Ablauf im Allgemeinen wirtschaftlich und schnell ist, da dann, wenn die vier radialen Einlasskanäle 38, der Einlassraum 40 und der Auslassraum 52 ursprünglich auf ihre gewünschte Endtiefe geätzt würden, die zusätzlichen Schritte des Wiederbeschichtens des gesamten Glaswafers mit Photoresist (zum Schützen der geätzten vier radialen Einlasskanäle 38, des Einlassraums 40 und des Auslassraums 52) sowie das anschließende Tempern des Photoresists vor dem Belichten, Entwickeln und Ätzen des Reglersitzes 42 ausgeführt werden müssten.
Nachdem der Reglersitz 42 geätzt wurde, kann die Auslassöffnung 54 des Reglers 32 durch jede geeignete Einrichtung hergestellt werden, wie durch Bohren derselben mit einem fokussierten Strahl von einem CO&sub2;-Laser von 25 W mit einem körperlichen Bohrer oder einem Wasserstrahlbohrer. Es wurde erkannt, dass dann, wenn ein Laser zum Herstellen der Auslassöffnung 54 verwendet wird, ein Erwärmen des Glaswafers bis in die Nähe des Temperungspunkts desselben die Qualität der Auslassöffnung 54 verbessert und auch unerwünschte Rissbildung im Glaswafer angrenzend an die Auslassöffnung 54 verringert.
Vorzugsweise kann, wie es aus Fig. 2 erkennbar ist, die Auslassöffnung 54 Venturiform aufweisen, anstatt dass sie Zylinderform hat, um eine bessere Fluidströmung durch sie zu erzielen. Es wurde auch erkannt, dass die Auslassöffnung 54 die bevorzugte Venturiform durch Bohren derselben mit einem Laser auf die oben erörterte Weise erhalten kann. Die gewünschte Venturiform kann während des Laserbohrprozesses automatisch ausgebildet werden und ersichtlich rührt sie von den thermischen Effekten des Laserstrahls her, der mit dem Glaswafer wechselwirkt, wenn die Auslassöffnung 54 mit dem Laserstrahl durch denselben gebohrt wird. Nachdem die Auslassöffnung 54 gebohrt wurde, kann der Glaswafer mit BHF- Ätzmittel leicht geätzt werden, um jegliches verflüchtigtes Glas zu entfernen, das am Glaswafer angrenzend an dessen Auslassöffnung 54 kondensiert sein kann.
Nachdem die Auslassöffnung 54 hergestellt wurde, kann eine Nennschicht aus einer oder mehreren korrosionsbeständigen Substanzen durch jede geeignete Einrichtung auf der Oberfläche des Glaswafers abgeschieden werden, wie durch Sputtern unter Verwendung einer e-Strahl-Verdampfungseinrichtung. Im Ergebnis sind die vier radialen Einlasskanäle 38, der Ein lassraum 40, der Reglersitz 42, der Auslassraum 54 und die Auslassöffnung 54 mit einer Schicht aus der korrosionsbeständigen Substanz (den korrosionsbeständigen Substanzen) beschichtet.
Geeignete korrosionsbeständige Substanzen können Silicium oder Metalle wie Gold, Platin, Chrom, Titan und Zirconium sein, oder es können die Oxide von Silicium oder derartigen Metallen sein. Derartige Oxide können durch thermisches Oxidieren der korrosionsbeständigen Substanz(en) an Luft nach dem Auftragen derselben auf das Substrat 34 hergestellt werden. Jedoch können andere geeignete korrosionsbeständige Substanzen verwendet werden, und zwar abhängig vom speziellen Medikament 12, mit dem der Radialströmungsregler 32 gemäß seiner Konzeption verwendet werden soll. Die Oxide von Metallen wie Titan und Zirkonium sind als gegen wässrige Lösungen über einen großen pH-Bereich stabil bekannt. Die Dicke der Schicht der korrosionsbeständigen Substanz(en) kann von 200 Å - 1.000 Å betragen, jedoch kann die Dicke von der speziell verwendeten korrosionsbeständigen Substanz (- korrosionsbeständigen Substanzen) und dem speziellen Medikament 12 abhängen, mit dem der Radialströmungsregler 32 gemäß seiner Konzeption zu verwenden ist.
Alternativ kann die Schicht aus einer korrosionsbeständigen Substanz (korrosionsbeständigen Substanzen) eine torusförmige Scheibe einer derartigen korrosionsbeständigen Substanz (derartiger korrosionsbeständiger Substanzen), wie Silicium, aufweisen, die durch eine beliebige geeignete Maßnahme mit der oberen Fläche 44 des Reglersitzes 42 verbunden wird (werden), wie unter Verwendung einer der Maßnahmen, die zum Verbinden des Substrats 34 und der Membran 36 miteinander angegeben wurden.
Eine derartige korrosionsbeständige, torusförmige Scheibe kann auf jede geeignete Weise hergestellt werden, wie unter Verwendung eines Maskierungs- und Ätzprozesses, der demjenigen ähnlich ist, der oben hinsichtlich des Substrats 34 beschrieben wurde. Der Ausgangspunkt kann ein sauberer, epitaktisch beschichteter Siliciumwafer sein, auf den eine dünne Chrommetallisierungsschicht sowie eine Photoresistschicht aufgetragen werden. Nachdem der Photoresist trocken ist, kann er mit einem Bild der torusförmigen Scheibe belichtet werden. Der belichtete Photoresist sowie die darunterliegenden Teile der Chromschicht können dann entfernt werden, was zu einem Bild der torusförmigen Scheibe auf der Oberfläche des Siliciumwafers führt, das nicht durch den Photoresist oder die Chromschicht geschützt ist. Die freiliegenden Teile des Siliciumwafers können dann auf jede geeignete Weise, wie unter Verwendung eines isotropen Siliciumätzmittels, auf eine Tiefe über der gewünschten Dicke der gewünschten torusförmigen Scheibe geätzt werden. Wenn z. B. eine torusförmige Scheibe mit einer Dicke von ungefähr 1 um erwünscht ist, können die belichteten Teile des Siliciumwafers bis in eine Tiefe von ungefähr 5 um geätzt werden.
Dann kann der Siliciumwafer gereinigt werden; die geätzten Flächen des Silicium- und des Glaswafers können dann gegeneinander so ausgerichtet werden, dass die torusförmige Scheibe auf dem Siliciumwafer mit dem Reglersitz 42 auf dem Glaswafer ausgerichtet ist; und dann können der Silicium- und der Glaswafer auf jede geeignete Weise miteinander verbunden werden, wie unter Verwendung eines anodischen Bondprozesses wie demjenigen, der unten hinsichtlich des anodischen Verbindens des Silicium- und des Glaswafers beschrieben wird, wodurch das Substrat 34 und die Membran 36 des Reglers 32 gebildet werden. Als nächstes kann der Siliciumwafer mit der torusförmigen Scheibe erneut auf jede geeignete Weise geätzt werden, wie unter Verwendung eines anisotropen Ethylendiamin-Ätzmittels, bis die gewünschte Enddicke der torusförmigen Siliciumscheibe erzielt ist.
Oben ist die Herstellung nur eines Substrats 34 und nur einer torusförmiger Scheibe aus korrosionsbeständigem Material für den Reglersitz 42 des Substrats 34 beschrieben. Jedoch ist zu beachten, dass auf jedem Paar aus einem Glas- und einem Siliciumwafer jeweilige Anordnungen von Substraten 34 und entsprechenden torusförmigen Scheiben aus korrosionsbeständigem Material gleichzeitig auf eine Weise hergestellt werden können, die der oben beschriebenen ähnlich ist. Wenn dies der Fall ist, kann die Anordnung von Substraten 34 auf dem Glaswafer mit der entsprechenden Anordnung torusförmiger Scheiben aus korrosionsbeständigem Material auf dem Siliciumwafer ausgerichtet und dann damit verbunden werden. Nach dem abschließenden Ätzen des Siliciumwafers kann dann die Herstellung jedes Reglers 32 auf diejenige Weise abgeschlossen werden, die unten dargelegt ist.
Wenn eine torusförmige Scheibe oder eine Schicht aus einer korrosionsbeständigen Substanz (aus korrosionsbeständigen Substanzen) mit dem Reglersitz 42 verbunden oder auf diesen aufgetragen wird, kann es erforderlich sein, dass dieser während seines obigen Ätzschritts um ein zusätzliches Ausmaß abzuätzen ist, um die torusförmige Scheibe oder die Schicht aus korrosionsbeständiger Substanz (korrosionsbeständigen Substanzen) auf die obere Fläche 44 des Reglersitzes 42 aufzutragen. Das zusätzliche Ausmaß des Abätzens kann der Dicke der torusförmigen Scheibe oder der Schicht entsprechen, um bei der gewünschten Höhendifferenz zwischen der oberen Fläche 44 des Reglersitzes 42 und der Oberfläche des Glaswafers (der das Substrat 34 bildet) zu enden. Es wurde erkannt, dass die torusförmige Scheibe oder die Schicht aus einer korrosionsbeständigen Substanz (korrosionsbeständigen Substanzen) auf der oberen Fläche 44 des Reglersitzes 42 zusätzlich zur Korrosionsbeständigkeitsfunktion zu einer uner warteten weiteren Funktion dienen kann. D. h., sie kann auch verhindern, dass die Membran 36 des Reglers 32 unbeabsichtigt mit der oberen Fläche 44 des Reglersitzes 42 verbunden wird, wenn die Membran 36 mit dem Glaswafer verbunden wird, wie dann, wenn die Membran 36 auf die unten beschriebene Weise anodisch angebondet wird.
Nachdem der Reglersitz 42 geätzt wurde und nachdem eine gewünschte Schicht oder Scheibe aus einer korrosionsbeständigen Substanz (korrosionsbeständigen Substanzen) auf geätzte Teile des Glaswafers aufgetragen wurde, können der Photoresist und das Chrom, die in den ungeätzten Teilen des Glaswafers verblieben sind, durch jede geeignete Maßnahme entfernt werden, wie unter Verwendung von Standard-Abhebetechniken.
Das Herstellen der Membran 36 und das Anbringen derselben am Glaswafer (der das Substrat 34 bildet) können auf jede geeignete Weise erfolgen.
Eine geeignete Weise besteht darin, mit einem beschichteten Siliciumwafer zu beginnen, der eine mit Bor dotierte epitaktische Siliciumschicht aufweist, die auf seiner Oberfläche abgeschieden wurde. Da die mit Bor dotierte epitaktische Siliciumschicht schließlich die Membran 36 des Reglers 32 bildet, hängt die Schichtdicke von der gewünschten Dicke der Membran 36 ab. Die mit Bor dotierte epitaktische Siliciumschicht, und demgemäß die Membran 36, kann z. B. von 1-50 um dick hergestellt werden. Die Bordotierung kann über 3 · 10¹&sup9; Atome Bor pro Kubikzentimeter betragen, was der epitaktischen Siliciumschicht in Siliciumätzmitteln auf Grundlage von Ethylendiamin eine dramatische Ätzbeständigkeit verschafft.
Der Glas- und der Siliciumwafer können dann gereinigt, getrocknet und anodisch verbunden werden. Das anodische Ver binden kann auf jede geeignete Weise ausgeführt werden, wie durch Positionieren der jeweiligen Oberflächen des Glas- und des Siliciumwafers in Kontakt miteinander in einer Vakuumkammer in einem Ofen, der auf einer Temperatur von ungefähr 500ºC gehalten wird. Dann kann an die zwei Wafer für eine Dauer von ungefähr 15 Minuten eine Gleichspannung von ungefähr 1.000 Volt angelegt werden, wobei der Siliciumwafer positives Potential in Bezug auf die Unterseite des Glaswafers hat. Durch die Wafer fließt während dieser Zeitspanne ein exponentiell abnehmender Strom, und am Ende der Zeitspanne sind die zwei Wafer anodisch miteinander verbunden, d. h., sie sind hermetisch miteinander so verbunden, dass sie eine Silicium/Glas-Sandwichstruktur bilden. Es wurde auch erkannt, dass der anodische Bondprozess gewährleisten kann, dass jede korrosionsbeständige Substanz (alle korrosionsbeständigen Substanzen), die auf die geätzten Flächen des Glaswafers aufgetragen wurden, sicher an diesen anhaften.
Beim Abkühlen, nachdem der anodische Bondprozess abgeschlossen ist, kann der Siliciumwaferteil der anodisch gebondeten Silicium/Glas-Sandwichanordnung heruntergeschliffen werden, jedoch wird der Siliciumwafer vorzugsweise nicht so stark heruntergeschliffen, dass irgendetwas seiner mit Bor dotierten epitaktischen Siliciumschicht entfernt wird. Wenn z. B. die mit Bor dotierte epitaktische Siliciumschicht eine Dicke von ungefähr 1-50 um aufweist, kann der Siliciumwaferteil der gebondeten Silicium/Glas-Wafersandwichanordnung bis auf eine Dicke von ungefähr 125 um abgeschliffen werden. Das restliche undotierte Silicium im Siliciumwafer kann dann auf jede geeignete Weise entfernt werden, wie durch Positionieren der heruntergeschliffenen Silicium/Glas-Sandwichanordnung für 3,5 bis 4,0 Stunden in einem auf 112ºC gehaltenen Ethylendiamin-Ätzmittel. Ein geeignetes Ethylendiamin-Ätzmittel kann PSE-300 sein, hergestellt von Transene Corp., Rowley, Massachusetts. Am Ende dieser Zeitspanne ist die mit Bor dotierte epitaktische Siliciumschicht in Form einer durchgehenden, flachen Membran 36 freigelegt, die anodisch mit dem Glaswafer (dem Substrat 34) verbunden ist, wodurch der fertiggestellte Radialströmungsregler 32 gebildet ist, der dann gereinigt und getrocknet wird.
Der Zweck des obigen Schleifschritts besteht einfach darin, die Menge an Silicium zu verringern, die abgeätzt werden muss. Demgemäß kann gemäß Alternativen der Schleifschritt weggelassen werden, wobei alles unerwünschte Silicium abgeätzt wird; oder es kann ein dünnerer Siliciumwafer verwendet werden, so dass mit weniger unerwünschtem Silicium zu starten ist.
Oben ist die Herstellung nur eines Radialströmungsreglers 32 beschrieben. Jedoch ist zu beachten, dass auf jedem Paar aus einem Glas- und einem Siliciumwafer zahlreiche Regler 32 gleichzeitig auf eine Weise hergestellt werden können, die der oben beschriebenen ähnlich ist. Wenn dies der Fall ist, kann eine Anordnung von Substraten 34 gleichzeitig in den Glaswafer eingeätzt werden, bevor der Silicium- und der Glaswafer ausgerichtet und miteinander verbunden werden. Dann können alle Membranen 36 gleichzeitig durch Schleifen und Ätzen des Siliciumwafers auf seine gewünschte Enddicke hergestellt werden. Dann kann die Silicium/Glas-Sandwichanordnung durch jede geeignete Maßnahme (wie Zerschneiden) in einzelne Chips zerteilt werden, wobei jeder Chip mindestens einen Radialströmungsregler 32 trägt.
Einer der Vorteile der Verwendung des oben im Einzelnen beschriebenen Ätz- und Anodenbondprozesses ist es, dass es ein derartiger Prozess ermöglicht, sehr zuverlässige Radialströmungsregler 32 hoher Qualität mit großer Anzahl zu so niedrigen Kosten massen-herzustellen, dass der Regler 32 als wegwerfbar betrachtet werden kann. Außerdem sei darauf hin gewiesen, dass der Regler 32 hinsichtlich seiner Einfachheit verblüfft, da er aus nur zwei Teilen (dem Substrat 34 und der Membran 36) bestehen kann und da er nur ein einzelnes bewegliches Teil (das Biegeelement 28 der Membran 36) aufweisen kann. Ferner können die Kosten des Reglers 32 auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden, da die Ausgangsmaterialien, aus denen der Regler 32 hergestellt werden kann, wie Glas und Silicium, sehr billig sind.
Es wird nun auf die Fig. 7-8 Bezug genommen, in denen der erfindungsgemäße mikrobearbeitete lineare Strömungsregler 80 veranschaulicht ist. Dieser lineare Strömungsregler 80 kann dazu verwendet werden, die Strömungsrate eines ihn durchlaufenden flüssigen Medikaments 12 zu regeln, und er kann ein Substrat 82 und eine Membran 84 umfassen. Das Substrat 82 kann einen geraden, langgestreckten Kanal 86 mit einem profilierten Reglersitz 90 und einer Auslassöffnung 92 aufweisen. Die Membran 84 kann einen Montageteil 84 aufweisen, der an einem entsprechenden Teil der Oberfläche 96 des Substrats 82 angebracht ist; eine Einlassöffnung 94 sowie ein Biegeelement 98, das über dem Kanal 86 liegt. Ein Reglerspalt 99 liegt zwischen dem Biegeelement 98 und dem Reglersitz 90.
Obwohl nur eine Auslassöffnung 92 im Substrat 82 dargestellt ist, können mehrere Auslassöffnungen 92 vorhanden sein. Obwohl, wie es erkennbar ist, die Auslassöffnung 92 vorzugsweise nahe einem Ende des Kanals 86 liegt, so dass das nach unten ausgelenkte Biegeelement 98 während des Betriebs des Reglers 80 die Auslassöffnung 92 nicht verschließt, kann jede Auslassöffnung 92 an jedem anderen geeigneten Ort im Kanal 86 liegen. Obwohl die Auslassöffnung 92 vorzugsweise Venturiform aufweist, um eine bessere Strömung des Medikaments 12 durch sie zu ermöglichen, kann die Auslassöffnung 92 jede andere geeignete Form aufweisen. Obwohl die Auslassöffnung 92 so dargestellt ist, dass sie im Substrat 82 liegt, kann diese Auslassöffnung 92 ganz oder teilweise in der Membran 84 liegen.
Obwohl der Kanal 86 und der Reglersitz 90, wie sie in den Fig. 7-8 veranschaulicht sind, einem geraden Verlauf folgen, können der Kanal 86 und der Reglersitz 90 einem kreisförmigen (Fig. 9), einem spiralförmigen (Fig. 10), einem Schlangenlinien- (Fig. 11) oder einem anderen ungeraden Verlauf folgen. Die Verwendung eines Reglers 80 mit einem Kanal 86 und einem Reglersitz 90, die einem kreisförmigen, spiralförmigen, Schlangenlinien- oder anderen ungeraden Verlauf folgen, kann erwünscht sein. Dies, da derartige Verläufe bei einer beliebigen vorgegebenen Länge des Kanals 86 und des Reglersitzes 90 die Herstellung eines linearen Reglers 80 ermöglichen, der kompakter als ein linearer Regler 80 mit einem geraden Kanal 86 und einem geraden Reglersitz 90 ist.
Vorzugsweise kann das Profil des Reglersitzes 90 dem Profilverlauf angenähert sein oder ihm entsprechen, den das Biegeelement 98 einnehmen würde, wenn es durch keinerlei Teil des Substrats 82 begrenzt wäre, wenn der lineare Strömungsregler 80 seiner maximal konzipierten steuernden Druckdifferenz (P) für das Medikament 12 zwischen seiner Einlassöffnung 88 und seiner Auslassöffnung 92 unterworfen ist.
Obwohl die Membran 84 so dargestellt ist, dass sie gleichmäßige Dicke und eine ebene obere und untere Fläche 100, 101 aufweist, muss die Membran 84 keine gleichmäßige Dicke aufweisen, und sie kann eine obere und eine untere Fläche 100, 101 aufweisen, die nicht eben sind.
Obwohl die dargestellte Membran 84 über eine rechteckige Einlassöffnung 88 verfügt, kann mehr als eine Einlassöffnung 88 vorhanden sein, und jede Einlassöffnung 88 kann irgendeine andere geeignete Form aufweisen. Obwohl dargestellt ist, dass die Einlassöffnung 88 in der Membran 84 liegt, kann sie ganz oder teilweise im Substrat 82 liegen.
Beispielsweise kann das Substrat 82 des linearen Strömungsreglers 80 aus Pyrexglas 7740 hergestellt werden und eine Dicke von ungefähr 0,5 mm aufweisen. Der Kanal 86 und der Reglersitz 90 können jeweils eine Länge von ungefähr 10 mm und eine maximale Breite von ungefähr 480 um aufweisen. Der Reglerspalt 99 kann eine maximale Höhe von ungefähr 6,65 um aufweisen (wenn die steuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat). Die Auslassöffnung 92 kann einen minimalen Durchmesser von ungefähr 100 um aufweisen, und sie kann eine Länge von ungefähr 496 um aufweisen. Die Membran 84 kann aus Silicium hergestellt werden, und sie kann eine Dicke von ungefähr 4,0 um aufweisen. Die Einlassöffnung 88 kann eine Breite von ungefähr 480 um und eine Länge von ungefähr 500 um aufweisen. Die Strömungseigenschaften dieses beispielhaften linearen Strömungsreglers 80 sind in Fig. 12 dargestellt, die unten erörtert wird.
Es wird nun auf die Fig. 9-11 Bezug genommen, wobei die dort dargestellten linearen Strömungsregler 80 hinsichtlich ihrer Struktur, ihres Betriebs, ihrer Theorie und ihrer Herstellung nach dieselben sind wie der lineare Strömungsregler 80 der Fig. 7-8, oder diesem zumindest ähnlich sind, mit Ausnahme solcher Differenzen, falls irgendwelche vorliegen sollten, die aus einem Studium aller Figuren und Offenbarungen in diesem Dokument ersichtlich sind.
Demgemäß sind die entsprechenden Teile der linearen Strömungsregler 80 der Fig. 9-11 für Deutlichkeit und Einfachheit mit denselben Bezugszahlen versehen wie die entsprechenden Teile des linearen Strömungsreglers 80 der Fig. 7- 8.
Einer dieser Unterschiede ist derjenige, dass die in den Fig. 9 und 11 dargestellten linearen Strömungsregler 80 ein Paar Auslassöffnungen 92 aufweisen, anstelle der einzelnen Auslassöffnung 92 des Reglers 80 der Fig. 7-8. Ein anderer solcher Unterschiede ist es, dass der Kanal 86 und der Reglersitz 90 des in den Fig. 7-8 dargestellten Reglers 80 einem geraden Verlauf folgen, während die Kanäle 86 und die Reglersitze 90 der Regler 80 in den Fig. 9-11 einem kreisförmigen, spiralförmigen, bzw. Schlangenlinienverlauf folgen.
Wie es aus der gesamten Offenbarung in diesem Dokument ersichtlich ist, bietet die Tatsache, dass die linearen Strömungsregler 80 wie beim oben dargelegten Beispiel extrem kleine Größe, geringes Gewicht, nur zwei Teile und den elektrischen Energieverbrauch null aufweisen können, zahlreiche Vorteile gegenüber einem Regler 80, der körperlich viel größer, viel schwerer, viel komplizierter ist oder der elektrische Energie verbraucht. Z. B. können die Regler 80 zur Verwendung als Teil einer miniaturisierten Medikamentenverabreichungsvorrichtung ideal sein, die in einen Menschen oder ein Tier zu implantieren ist, um konstante Flüsse des Medikaments 12 mit Strömungsraten vom niedrigen Wert von ungefähr 0,01 ccm/Tag zu verabreichen -, wobei es sich um Strömungsraten handelt, die so niedrig sind, dass sie für einen körperlich größeren Strömungsregler mit anderem Design hinsichtlich zuverlässiger und genauer Verabreichung unmöglich sind.
Der lineare Strömungsregler 80 kann auf jede geeignete Art an seinem vorgesehenen Gebrauchsort installiert werden. Jede geeignete Medikamentenzuführeinrichtung kann dazu verwendet werden, die Einlassöffnung 88 des Reglers 80 mit einer Quelle des Medikaments 12 zu verbinden; und es kann jede geeignete Medikamentenverabreichungseinrichtung dazu verwendet werden, die Auslassöffnung 92 des Reglers 80 mit irgendeiner Person, einem Tier oder einem Gegenstand zu verbinden, die bzw. der das Medikament 12 von der Auslassöffnung 92 empfangen soll. In einigen Fällen kann die Medikamentenzuführeinrichtung auch dazu verwendet werden, das Medikament 12 der oberen Fläche 100 des Biegeelements 98 bei einem Druck zuzuführen, der derselbe sein kann, aber nicht muss, mit dem das Medikament 12 der Einlassöffnung 88 zugeführt wird.
Z. B. kann der Regler 80 innerhalb irgendeines Typs von Vorratseinrichtung für das Medikament 12 mittels irgendeiner geeigneten Einrichtung installiert werden, wie durch Positionieren der Auslassöffnung 92 des Reglers 80 über dem Auslass der Vorratseinrichtung sowie unter Verwendung einer Kleberfläche-Abdichtung zwischen der Unterseite 104 des Reglers 80 und der Innenseite der Vorratseinrichtung, um den Regler 80 am Ort zu halten. Im Ergebnis ist, wenn die Vorratseinrichtung mit dem Medikament 12 gefüllt wird, der Regler 80 so in das Medikament 12 eingetaucht, dass seine Einlassöffnung 88 und die obere Fläche 100 seines Biegeelements 98 in Fluidverbindung mit dem Medikament 12 innerhalb der Vorratseinrichtung stehen, während seine Auslassöffnung 92 in Fluidverbindung mit dem Auslass der Vorratseinrichtung steht. Eine derartige Installation des Reglers 80 hat zahlreiche Vorteile.
Z. B. ist sie schnell, einfach, zuverlässig und billig, da keine zusätzliche Medikamentenzuführeinrichtung (wie Zuführleitungen) erforderlich ist, um das Medikament 12 der Einlassöffnung 88 des Reglers 80 sowie der oberen Fläche 100 des Biegeelements 98 zuzuführen (da sie bereits in das Medikament 12 eingetaucht sind); und da keine zusätzliche Medikamentenverabreichungseinrichtung (wie Verabreichungsleitungen) erforderlich sind, um das Medikament 12 von der Auslassöffnung 92 des Reglers 80 wegzutransportieren (da der Auslass der Vorratseinrichtung zu diesem Zweck verwendet wird). Derartige zusätzliche Einlass- und Auslassleitungen können unerwünscht sein, da es relativ zeitaufwendig, schwierig und teuer ist, sie aufgrund der extrem kleinen Größe der Einlassöffnung 88 des Reglers 80, seines Biegeelements 98 und seiner Auslassöffnung 92 gegenüber diesem Regler 80 auszurichten und sie mit ihm zu verbinden. Derartige zusätzliche Einlassleitungen können auch unerwünscht sein, da sie die Tendenz zeigen können, eine Blase festzuhalten, wenn sie mit einem flüssigen Medikament 12 gefüllt werden, wobei die Blase dann in den Regler 80 transportiert werden kann und dessen Fehlfunktion verursachen kann.
In der folgenden Diskussion ist der Deutlichkeit und Einfachheit halber angenommen, dass die obere Fläche 100 des Biegeelements 98 sowie die Einlassöffnung 88 während des Betriebs des Reglers 80 beide einer unter Druck stehenden Quelle des Medikaments 12 von der Medikamentenzuführeinrichtung ausgesetzt sind. Der Deutlichkeit und Klarheit halber ist auch angenommen, dass die steuernde Druckdifferenz (P) des Medikaments 12 über den Regler 80 die Druckdifferenz zwischen dem Medikament 12 an der oberen Fläche 100 des Biegeelements 98 und dem Medikament 12 an der Auslassöffnung 92 ist, was dieselbe wie die Druckdifferenz zwischen dem Medikament 12 am Einlass der Einlassöffnung 88 und der Auslassöffnung 92 ist. Jedoch ist ersichtlich, dass diese Druckdifferenzen während des Betriebs des Reglers 80 nicht gleich sein müssen und die obere Fläche 100 des Biegeelements 98 nicht notwendigerweise der unter Druck stehenden Quelle des Medikaments 12 von der Medikamentenversorgungseinrichtung ausgesetzt sein muss.
Wenn während des Betriebs eine steuernde Druckdifferenz (P) an den Regler 80 gelegt wird, wie durch Unterdrucksetzen der Quelle des Medikaments 12 in Bezug auf die Ausgangsöffnung 92 des Reglers 80 durch irgendeine geeignete Einrichtung, durchläuft das Medikament 12 aufeinanderfolgend die Einlassöffnung 88 des Reglers 80, den Reglerspalt 99 und die Auslassöffnung 92.
Es wird nun auf Fig. 12 Bezug genommen, in der die Reglerkurve 106 für den Regler 80 dargestellt ist. Die Reglerkurve 106 ist ein Kurvenschrieb für die Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 durch einen Regler 80 mit den körperlichen Parametern des oben dargelegten beispielhaften Reglers 80. In Fig. 12 ist die Strömungsrate (Q) in Mikrolitern pro Tag (ul/Tag) als Funktion der steuernden Druckdifferenz (P) am Regler 80 in mmHg (Millimeter Quecksilbersäule) aufgetragen.
Wie es aus Fig. 12 erkennbar ist, existiert bei einer steuernden Druckdifferenz (P) keine Strömung von Medikament 12 durch den Regler 80. Wenn die steuernde Druckdifferenz (P) ausgehend von null erhöht wird, zeigt der Regler 80 vier Strömungsbetriebsbereiche.
D. h., dass, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) ausgehend von null erhöht wird, eine entsprechende Erhöhung der Strömungsrate (Q) existiert, aber auch eine allmähliche Verringerung der Empfindlichkeit der Strömungsrate (Q) auf die steuernde Druckdifferenz (P) besteht. Z. B. ist dies aus der Kurve 106 bei steuernden Druckdifferenzen (P) von ungefähr 0,0 mmHg bis ungefähr 160 mmHg erkennbar.
Bei mittleren steuernden Druckdifferenzen (P) existiert eine "Regelungszone", in der die Strömungsrate (Q) relativ unempfindlich gegen Änderungen der steuernden Druckdifferenz (P) ist. Z. B. ist dies aus der Kurve 106 bei steuernden Druckdifferenzen (P) von ungefähr 160 mmHg bis ungefähr 250 mmHg erkennbar.
Dann kann, Was jedoch in Fig. 12 nicht dargestellt ist, bei steuernden Druckdifferenzen (P) über der "Regelungszone" die Strömungsrate (Q) tatsächlich fallen, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) zunimmt. Schließlich kann, bei sehr hohen steuernden Druckdifferenzen (P) die Strömungsrate (Q) allmählich auf nahezu null fallen, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) des auf die obere Fläche 100 des Biegeelements 28 wirkenden Medikaments 12 das Biegeelement 28 nach unten gegen den Reglersitz 90 antreibt.
Es wurde erkannt, dass der Regler 80 aufgrund seinem Aufbau eingebaute Ausfallsicherungseigenschaften aufweist, die den Benutzer mit außerordentlichem Schutz gegen katastrophalen Ausfall des Biegeelements 98 schützen können, wenn das Biegeelement 98 steuernden Druckdifferenzen (P) unterworfen wird, die weit über dem für den Regler 80 konzipierten Bereich steuernder Druckdifferenzen (P) liegen.
Diese Ausfallsicherungseigenschaften existieren, da, wie oben angegeben, das auf die obere Fläche 100 des Biegeelements 98 wirkende Medikament 12 bei sehr hohen steuernden Druckdifferenzen (P) das Biegeelement 98 gegen den Reglersitz 90 nach unten antreiben kann. Wenn dies geschieht, wirkt der Reglersitz 90 als Stütze für das Biegeelement 98 und verhindert dessen weitere Auslenkung nach unten, wobei eine solche weitere Auslenkung andernfalls bewirken könnte, dass das Biegeelement 98 ein- oder durchreißt. Im Ergebnis ist eine viel höhere steuernde Druckdifferenz (P) erforderlich, um das Biegeelement 98 durchzureißen, als dies andernfalls der Fall wäre.
Der Typ von Ansprechkurve 106, wie in Fig. 12 dargestellt, ist für viele Anwendungen hoch erwünscht. Dies, da der Regler 80 in seiner Nenn-"Regelungszone" trotz eines wesentlichen Änderungsbereichs der steuernden Druckdifferenz (P) ei ne relativ konstante Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 verabreicht. Außerdem nimmt, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) in der Nenn-"Regelungszone" überschritten wird, die Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 nicht zu, sondern kann tatsächlich fallen; wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung vermieden ist, wie sie andernfalls hervorgerufen werden könnte, wenn es der Strömungsregler 32 zulassen würde, dass mehr als die gewünschte Menge an Medikament 12 strömt.
Als Beispiel sei angenommen, dass eine Medikamentenverabreichungsvorrichtung mit einer unter Druck stehenden Quelle für das Medikament 12 mit einem linearen Strömungsregler 80 versehen ist, um die Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 von dieser Medikamentenzuführungsvorrichtung zu regeln. Im Ergebnis kann eine derartige Medikamentenzuführvorrichtung für Betrieb in der obigen Nenn-"Regelungszone" des Reglers 80 konzipiert sein, wo die Strömungsrate (Q) relativ unempfindlich gegen Änderungen der steuernden Druckdifferenz (P) ist. Dies kann hoch erwünscht sein, da der Patient das Medikament 12 mit der erforderlichen Strömungsrate (Q) erhält, und zwar trotz irgendwelcher Schwankungen der steuernden Druckdifferenz (P), wie sie durch das allmähliche Leeren der Medikamentenverabreichungsvorrichtung hervorgerufen sein können. Außerdem fällt, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) gemäß der Nenn-"Regelungszone" wesentlich überschritten würde, wie dann, wenn medizinisches Personal versehentlich die Medikamentenverabreichungsvorrichtung überfüllen würde, die Strömungsrate (Q) des Medikaments tatsächlich, wodurch die Möglichkeit einer Verletzung oder des Tods eines Patienten aufgrund einer Überdosis des Medikaments 12, deutlich verringert ist, was andernfalls auftreten könnte.
Es besteht die Tendenz, dass der Regler 80 die Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 in seiner oben genannten "Regelungszone" trotz Änderungen der steuernden Druckdifferenz (P) auf die folgende Weise auf einem relativ konstanten Wert hält. Wenn die steuernde Druckdifferenz (P) zunimmt, besteht die Tendenz, dass das Biegeelement 98 in erhöhtem Ausmaß zum Reglersitz 90 ausgelenkt wird, wodurch die Höhe des Reglerspalts 99 verringert wird. Dadurch besteht wiederum die Tendenz, die Strömungsrate (Q) trotz der erhöhten steuernden Druckdifferenz (P) auf einem relativ konstanten Wert zu halten. Dies, da die verringerte Höhe des Reglerspalts 99 die Tendenz zeigt, die erhöhte steuernde Druckdifferenz (P) dadurch zu kompensieren, dass er die Strömungsrate (Q) verringert, wie sie andernfalls bei der erhöhten steuernden Druckdifferenz (P) auftreten würde.
Andererseits besteht die Tendenz, dass dann, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) fällt, das Biegeelement 98 in verringertem Ausmaß zum Reglersitz 90 hin ausgelenkt wird, wodurch die Höhe des Reglerspalts 99 erhöht wird. Dadurch besteht wiederum die Tendenz, die Strömungsrate (Q) trotz der verringerten steuernden Druckdifferenz (P) auf einem relativ konstanten Wert zu halten. Dies, da durch die vergrößerte Höhe des Reglerspalts 99 die Tendenz besteht, die verringerte steuernde Druckdifferenz (P) durch eine Erhöhung der Strömungsrate (Q) zu kompensieren, wie sie andernfalls bei dieser verringerten steuernden Druckdifferenz (P) auftreten würde.
Schließlich wird bei steuernden Druckdifferenzen (P) über der "Regelungszone" des Reglers 80 die Strömungsrate (Q) allmählich auf null verringert, wenn das Biegeelement 98 immer dichter an den Reglersitz 90 herunter angetrieben wird.
Es wurde erkannt, dass zwei ganz verschiedene Strategien dazu verwendet werden können, die Konzeption eines Reglers 80 zu unterstützen, der irgendwelche speziellen gewünschten Strömungsregelungseigenschaften aufweist.
Die erste Strategie ist eine solche, die empirischer Art ist. D. h., dass eine Reihe von Reglern 80 aufgebaut werden kann und jeweils ein Merkmal variiert wird, so dass die Effekte einer Änderung dieses speziellen Merkmals bestimmt werden können.
Z. B. kann der serielle Strömungswiderstand (RS) des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 dadurch unabhängig variiert werden, dass die Anfangshöhe des Reglerspalts 99 konstant gehalten wird (wenn die steuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat), während die Länge des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 variiert wird. In ähnlicher Weise kann die Anfangshöhe des Reglerspalts 99 (wenn die steuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat) durch Variieren der Tiefe und der Form des Kanals 86 variiert werden, während die Länge des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 konstant gehalten wird.
Durch Aufbauen und Testen einer großen Anzahl von Reglern 80 und anschließendes Auftragen von Datenpunkten für jeden derselben für ihre verschiedenen Strömungsraten (Q) über ihren steuernden Druckdifferenzen (P) mit anschließender Kurvenanpassung der aufgetragenen Datenpunkte kann es möglich sein, ein empirisches Modell für die Funktion des Reglers 80 zu erzeugen, das die Beziehungen zwischen Schlüsselmerkmalen des Reglers 80 und dessen Betriebsverhalten zeigt. Diese empirischen Beziehungen können dann dazu verwendet werden, eine Interpolation oder Extrapolation ausgehend von bekannten Designfällen vorzunehmen, um das Verhalten eines neuen Reglers 80 vorherzusagen.
Die zweite Strategie, die dazu verwendet werden kann, eine Unterstützung bei der Konzeption eines Reglers 80 zu liefern, der irgendwelche speziell gewünschten Strömungsrege lungseigenschaften aufweist, besteht darin, ein mathematisches Modell unter Verwendung numerischer Methoden zu entwickeln.
Der Ausgangspunkt zur Formulierung des Modells besteht darin, dass für irgendeinen speziellen Regler 80 die Strömung des Medikaments 12 durch denselben allgemein durch die folgende Gleichung beherrscht wird:
Q = P/RS(L, A, C, Q),
wobei (Q), (P) und (RS) so sind, wie es oben definiert ist; (RS) eine unmittelbare Funktion der Länge (L) und des benetzten Umfangs (C) des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 ist; (RS) eine Kehrfunktion der Querschnittsfläche (A) des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 ist; und (RS) eine nichtlineare Funktion der Strömungsrate (Q) ist.
D. h., dass die Strömungsrate (Q) proportional zur steuernden Druckdifferenz (P) und umgekehrt proportional zum Strömungswiderstand (RS) des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 ist.
Es wurde herausgefunden, dass eine genaue Vorhersage des nichtlinearen Strömungswiderstands (RS) des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 die Berücksichtigung mindestens der folgenden vier Faktoren erfordern kann.
Erstens kann der nichtlineare Strömungswiderstand (RS) des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 eine Funktion des Druckabfalls über die Länge des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 aufgrund des Strömungswiderstands (RS) derselben sein. Dies, da die steuernde Druckdifferenz (P) am Biegeelement 98 um so größer ist, und das Ausmaß der Auslenkung des Biegeelements 98 zum Reglersitz 90 um so größer ist, je größer der Druckabfall über die Länge des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 ist (und umgekehrt). Dies verringert wiederum allgemein die Höhe des Reglerspalts 99, wodurch allgemein der Strömungswiderstand (RS) des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 erhöht wird (und umgekehrt). Jedoch ist eine derartige Auslenkung des Biegeelements 98 nicht gleichmäßig, da das ausgelenkte Biegeelement 98 nicht flach ist sondern statt dessen eine konvexe oder gekrümmte Form einnimmt. Dies führt dazu, dass der nichtlineare Strömungswiderstand (RS) des Kanals 86 und des Reglerspalts 98 eine relativ komplizierte Funktion des Druckabfalls über die Länge des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 ist.
Zweitens kann der nichtlineare Strömungswiderstand (RS) des Reglerspalts 99 eine Funktion der Viskositäts-Scherkräfte des auf die untere Fläche 101 des Biegelements 98 wirkenden Medikaments 12 sein, wenn dieses von der Einlassöffnung 88 durch die Länge des Reglerspalts 99 zur Auslassöffnung 92 strömt. Derartige Viskositäts-Scherkräfte sind ihrerseits eine Funktion derartiger Größen, wie der Viskosität und der Geschwindigkeit des Medikaments 12 im Reglerspalt 99. Derartige Viskositäts-Scherkräfte sind entlang der unteren Fläche 101 des Biegeelements 98 gerichtet und haben die Tendenz, diese untere Fläche 101 des Biegeelements 98 hinsichtlich der Oberfläche 100 desselben zu verdrehen oder zu verziehen. Ein derartiges Verdrehen oder Verziehen des Biegeelements 98 hat die Tendenz, die Größe und die Form des Reglerspalts 99 zu variieren, was wiederum den Strömungswiderstand (RS) des Reglerspalts 99 variiert. Dies führt dazu, dass der nichtlineare Strömungswiderstand (RS) des Reglerspalts 99 eine relativ komplizierte Funktion der Viskositäts-Scherkräfte des auf das Biegeelement 98 wirkenden Medikaments 12 ist.
Drittens kann der nichtlineare Strömungswiderstand (RS) eine Funktion der Geschwindigkeit des durch den Reglerspalt 99 laufenden Medikaments 12 sein. Eine derartige Geschwindig keit ist wiederum eine Funktion derartiger Faktoren wie der steuernden Druckdifferenz (P) am Regler 80; der Höhe, der Größe, der Form und der Länge des Reglerspalts 99; des Strömungswiderstands (RS) des Kanals 86 und des Reglerspalts 99; sowie der Größe, der Form, der Länge und des Orts der Einlass- und der Auslassöffnung 88, 92.
Wegen der Kontinuitätsbedingung und der Gleichung von Bernoulli besteht die Tendenz, dass der Druck des Medikaments 12 innerhalb des Reglerspalts 99 fällt, wenn die Geschwindigkeit desselben durch den Reglerspalt 99 zunimmt (und umgekehrt). Dies, da es die Kontinuitätsgleichung erfordert, dass die Geschwindigkeit des Medikaments 12 bei einer Verengung zunimmt. Demgemäß muss, da der Reglerspalt 99 eine Verengung bildet (im Vergleich mit der Einlassöffnung 94), die Geschwindigkeit des Medikaments 12 zunehmen, wenn es durch den Reglerspalt 99 strömt. Dann erfordert die Gleichung von Bernoulli, dass der Druck des Medikaments 12 im Reglerspalt 99 aufgrund seiner erhöhten Geschwindigkeit fällt, wenn es durch den Reglerspalt 99 strömt.
D. h., dass dann, wenn die Geschwindigkeit des Medikaments 12 im Reglerspalt 99 zunimmt, der Druck desselben im Reglerspalt 99 fällt. Dies erhöht das Ausmaß der Auslenkung des Biegeelements 98, was wiederum allgemein die Höhe des Reglerspalts 99 verringert und den Strömungswiderstand (RS) des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 erhöht (und umgekehrt).
Viertens kann der nichtlineare Strömungswiderstand (RS) eine Funktion der Dicke, der Nachgiebigkeit, der Elastizität und der Steifigkeit des Biegeelements 98 sein. Dies, da für jegliche vorgegebene, auf das Biegeelement 98 wirkende Kräfte das Ausmaß der Auslenkung des Biegeelements 98 sowie die Form (oder das radiale Profil) des ausgelenkten Biegeelements 98 eine Funktion der Dicke, der Nachgiebigkeit, der Elastizität und der Steifigkeit des Biegeelements 98 sein können.
Aus dem Vorstehenden ist erkennbar, dass die Hauptschwierigkeit beim Entwickeln eines mathematischen Modells für den Regler 80, das numerische Methoden verwendet, darin besteht, dass das Ausmaß der Auslenkung oder Verbiegung des Biegeelements 98 und die Form desselben, wenn es ausgelenkt wird oder sich verbiegt, eng miteinander gekoppelt sind, wobei die Wechselwirkung möglicherweise nichtlinear ist.
Jedoch sei zum Entwickeln eines mathematischen Modells für den Regler 80 nun angenommen, dass der Reglersitz 90 ein xyz-Koordinatensystem aufweist, bei dem die z-Achse entlang der Längsmittellinie des Reglersitzes 90 liegt, die x-Achse quer zur z-Achse verläuft und sich links und rechts von dieser erstreckt und auf der z-Achse den Wert null hat, und die y-Achse quer zur x- und z-Achse verläuft, die Höhe über dem Reglersitz 90 misst und auf der z-Achse den Wert null hat.
In einem derartigen Koordinatensystem besteht das grundsätzlichste Strömungselement aus einer örtlichen Fluidscheibe mit der Breite (dx), die den Spalt vom Reglersitz 90 bis zum Biegeelement 98 überspannt. Wenn die Durchbiegung oder Auslenkung des Biegeelements 98 sehr gering ist, kann angenommen werden, dass diese örtliche Fluidscheibe entlang ihren Seiten vernachlässigbaren Scherkräften unterliegt, und von Viskosenhemmkräften an ihrer Ober- und Unterseite dominiert wird. Dies ist eine Strömungsannäherung für die örtliche Fluidscheibe. Unter dieser Annahme kann aufgefunden werden, dass der Beitrag der örtlichen Fluidscheibe zur Strömung (dQ) wie folgt gegeben ist: Gleichung 4
wobei u die Viskosität des Medikaments 12 ist und Ym(X) die Höhe der örtlichen Fluidscheibe ist.
Die Verbiegung oder Auslenkung des Biegeelements 98 zum Reglersitz 90 hin kann durch die Steifigkeit des Biegeelements 98 bestimmt sein. Für eine Druckdifferenz (Ps - p(z)) am Biegeelement 98 ist das Ausmaß (Y) der Verbiegung oder Auslenkung des Biegeelements 98 wie folgt gegeben:

Gleichung 5

Y = Y&sub0;(1 + X&sup4; - 2X²)
mit

Gleichung 5A

Y&sub0; = [(ps - p)w&sup4;]/2Et³
wobei (E) der Young-Modulist; (t) die Dicke des Biegeelements 98 ist; (w) die halbe Breite des Reglersitzes 90 ist und (X) = x/w ist. Dabei ist angenommen, dass der Reglersitz 90 über feste Ränder verfügt und dass ein geführter Zustand im Zentrum des Reglersitzes 90 oder am ersten Kontaktpunkt des Biegeelements 98 mit dem Reglersitz 90 existiert. Ein geführter Zustand bedeutet, dass an diesem Punkt dY/X = 0 gilt.
Wenn nun eine Lösung für die Gesamtströmung durch den Querschnitt der örtlichen Fluidscheibe durch Integrieren der obigen Gleichung 4 und durch Einsetzen der obigen Gleichung 5 zum Angeben der Höhe der örtlichen Fluidscheibe aufgefunden wird, ergibt sich das Folgende: Gleichung 6
P = [(ps - p)w&sup4;]/2Et³ h,
wobei (h) der Höhe des Reglerspalts 99 entspricht.
Der dimensionslose Druck (P) ist eine Variable, die dann null ist, wenn kein Differenzdruck vorliegt, und die den Wert 1,0 hat, wenn die Verbiegung oder Auslenkung des Biegeelements 98 der Höhe des Reglerspalts 99 entspricht, während eine steuernde Druckdifferenz (P) vom Wert null am Biegeelement 98 anliegt. Der Integrationswert ist 0,2781, wenn P = 1 gilt. Andernfalls wird ein einfaches Polynom von P erhalten. Es ist deutlich, dass die Gesamtströmung (Q) des Medikaments 12 über die ganze Länge des Reglerspalts 99 konstant ist. Dies bedeutet, dass für P < 1 Variable in der obigen Gleichung 6 so getrennt werden können, dass die linke Seite (z), (Q · dz) ist und die rechte Seite eine Polynomialfunktion von P ist. Diese kann dann integriert werden, um eine Beziehung zwischen dem Produkt aus der Strömungsrate und der Kanallänge, Q · Z&sub0;, und dem Druck an einer vorgegebenen axialen Position zu erhalten: Gleichung 7
wobei (Z&sub0;) die Länge des Reglersitzes 90 ist. Dies liefert eine Beziehung zwischen dem Druck und der Gesamtströmung hoch zum Punkt, an dem P = 1 gilt. Jedoch steht an diesem Punkt, da angenommen ist, dass der Reglersitz 90 eine vollkommene Kopie des verbogenen oder ausgelenkten Biegeelements 98 ist, wobei ein Druck vorliegt, der dafür sorgt, dass das Biegeelement 98 das Zentrum des Reglersitzes 90 berührt, das Biegeelement 98 auch von einer Seite zur anderen in Kontakt mit dem gesamten Reglersitz 90. Demgemäß hat das Produkt Q · Z&sub0; aus der Strömungsrate und der Kanallänge den Wert:
Das obige Modell kann nun dazu verwendet werden, die Funktion des linearen Strömungsreglers 80 vorherzusagen.
Es wird erneut auf die Fig. 7 und 8 Bezug genommen, gemäß denen der Rand 94 der Einlassöffnung des Biegeelements 98 über dem Kanal 86 liegen kann, wie es dort erkennbar ist, so dass es an keinem Teil des Substrats 82 befestigt oder dadurch eingeschränkt ist. Im Ergebnis kann das gesamte Biegeelement 98, das benachbart zur Einlassöffnung 88 liegt (einschließlich des Rands 94 der Einlassöffnung) sich auf Änderungen der Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 durch den Kanal 86 hin vollständig verbiegen, im Vergleich zu dem Fall, dass der Rand 94 des Biegeelements 98 an der Einlassöffnung an irgendeinem Teil des Substrats 82 befestigt oder dadurch begrenzt wäre. Dies kann aus mindestens zwei Gründen wünschenswert sein.
Als erstes kann dies zu einer gleichmäßigeren, besser vorhersagbaren Regelung der Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 durch das Biegeelement 98 gegenüber den konzipierten Strömungs- und Regelungsparametern des Reglers 80 führen.
Zweitens kann es auch einen kompakteren Regler 80 ermöglichen, da derjenige Teil des Biegeelements 98, der angrenzend an die Einlassöffnung 88 liegt, nicht durch irgendeinen Teil des Substrats 82 ganz oder teilweise funktionsunwirksam gemacht ist.
Alternativ kann das Substrat 82 so hergestellt werden, dass ein Teil des Rands 94 des Biegeelements 98 an der Einlassöffnung, oder der ganze, durch irgendeinen Teil des Substrats 82 befestigt oder begrenzt ist. Um eine Kompensation bei einer derartigen Struktur zu schaffen, können der Kanal 86 und das Biegeelement 98 verlängert werden, um für die gewünschte Gesamtlänge des Biegeelements 98 zu sorgen, die effektiv ohne Begrenzung durch irgendeinen Teil des Substrats 82 ist.
Der Kanal 86 und das Biegeelement 98 können beide ein großes Verhältnis der Länge zur Breite (L/B) aufweisen, wobei "groß" in diesem Zusammenhang so definiert ist, dass L/B im Bereich von ungefähr 5 : 1 bis 1.000 : 1 liegt. Vorzugsweise kann L/B ungefähr den Wert 20 : 1 haben. Ein großer Wert L/B kann wünschenswert sein, da er es ermöglichen kann, dass der lineare Strömungsregler 80 ein robusteres Biegeelement 98 aufweist, da die Regelungsfunktion der Membran 84 über eine größere Länge als bei einem Regler 80 mit einem Strömungskanal 86 und einem Biegeelement 98 mit einem kleinen L/B-Verhältnis, wie 1 : 1, verteilt ist.
Ein robusteres Biegeelement 98 kann wünschenswert sein, da es beständiger ist, weniger wahrscheinlich aufgrund unerwünschter Betriebsüberdrücke reißt, einfacher herstellbar sein kann und während des Zusammenbaus des Strömungsreglers 80 einfacher handhabbar sein kann als ein weniger robustes Biegeelement 84.
Ein Kanal 86 und ein Biegeelement 98 mit einem großen L/B- Verhältnis erlauben auch die Verwendung eines Kanals 86 und eines Reglerspalts 99 mit großer Querschnittsfläche für irgendwelche speziell erwünschten Strömungs- und Regelungsparameter, im Vergleich zu einem Kanal 86 und einem Biegeelement 98 mit kleinem L/B-Verhältnis. Dies, da dann, wenn der Kanal 86 länger wird, sein Fluidwiderstand (RS) größer wird. So muss für irgendeinen speziell gewünschten Betriebsdruck zum Erzielen einer speziell gewünschten Strömungsrate (Q) die Querschnittsfläche des Kanals 86 und des Reglerspalts 99 größer gemacht werden, wenn der Kanal 86 und das Biegeelement 98 länger werden, um den andernfalls erhöhten Fluidwiderstand (RS) des langgestreckten Kanals 86 und des Reglerspalts 99 zu kompensieren.
Ein derartiger langgestreckter Kanal 86 und ein Reglerspalt 99 mit größerer Querschnittsfläche für einen speziell gewünschten Betriebsdruck und eine speziell gewünschte Strömungsrate können wünschenswert sein, da es weniger wahrscheinlich ist, dass ihre größere Querschnittsfläche durch Verunreinigungen im Medikament 12 oder durch Korrosion des Kanals 86, des Reglersitzes 90 und des Biegeelements 98 ausfällt.
Aus den Offenbarungen in diesem Dokument ist es möglich, selektiv einen linearen Strömungsregler 80 für irgendwelche speziell gewünschten Strömungsregelungseigenschaften oder steuernde Druckdifferenzen (P) zu konzipieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass einer oder mehrere der einschlägigen Parameter selektiv eingestellt werden, wie: (a) Anzahl, Größe, Form, Länge und Ort der Einlassöffnung 88 und der Auslassöffnung 92; (b) Anzahl, Größe, Querschnittskonfiguration und Länge des Kanals 8 G und des Reglerspalts 99; und (c) Länge, Dicke, Nachgiebigkeit, Elastizität und Steifigkeit des Biegeelements 98.
Das Substrat 82 kann aus einem beliebigen stabilen, beständigen Material bestehen, das mit dem Medikament 12 verträglich ist und in dem der Kanal 86 und die Auslassöffnung 54 auf jede geeignete Weise hergestellt werden können, wie unter Verwendung jedes geeigneten Ätz-, Formungs-, Stands- und Bearbeitungsprozesses. Ein derartiger Bearbeitungsprozess kann die Verwendung körperlicher Werkzeuge wie eines Bohrers, die Verwendung elektromagnetischer Energie, wie eines Lasers, und die Verwendung eines Wasserstrahls umfassen.
Die Membran 84 kann aus jedem geeigneten stabilen, beständigen, flexiblen Material hergestellt werden, das mit dem Medikament 12 verträglich ist. Die Membran 84 kann auch elastisch sein.
Wenn der Regler 80 dazu vorgesehen ist, ein Medikament 12 zu regeln, das einem Menschen oder einem Tier zuzuführen ist, sollte jeder Teil des Reglers 80, der dem Medikament 12 ausgesetzt ist, aus ungiftigen Materialien bestehen und aus solchen zusammengebaut oder mit solchen verbünden sein. Alternativ kann jedes beliebige giftige Material, das dazu verwendet wird, den Regler 80 herzustellen, und das dem Medikament 12 während des Gebrauchs des Reglers ausgesetzt ist, mit irgendeinem geeigneten ungiftigen Überzug versehen sein, der mit dem Medikament 12 verträglich ist.
Geeignete Materialien für das Substrat 82 und die Membran 84 können Metalle (wie Titan), Gläser, Keramiken, Kunststoffe, Polymere (wie Polyimide), Elemente (wie Silicium), verschiedene chemische Verbindungen (wie Saphir und Glimmer) sowie verschiedene Verbundmaterialien sein.
Das Substrat 82 und die Membran 84 können auf jede geeignete leckdichte Weise zusammengebaut werden. Alternativ können das Substrat 83 und die Membran 84 auf jede beliebige leckdichte Weise miteinander verbunden werden wie durch anodisches Verbinden miteinander; wie durch Verschmelzen derselben miteinander (wie unter Verwendung von Wärme- oder Ultraschallschweißen); und wie unter Verwendung beliebiger geeigneter Verbindungsmaterialien wie Haftkleber, Kleber, Epoxid, Glaslot und Metalllot.
Anodisches Verbinden des Substrats 82 mit der Membran 84 kann aus mindestens vier Gründen zu bevorzugen sein. Erstens ist anodisches Bonden relativ schnell, einfach und billig. Zweitens sorgt anodisches Bonden für eine stabile, leckdichte Verbindung. Drittens existiert kein Materialaufbau an der Verbindungsstelle, da eine anodische Verbindung ein Grenzflächeneffekt ist, und die Verbindung hat im Wesentlichen die Dicke null, was in wünschenswerter Weise im Wesentlichen keinen Abstand zwischen dem Substrat 82 und der Membran 84 erzeugt. Im Ergebnis stört eine anodische Verbindung die gewünschte Höhe oder die Form des Reglerspalts 99 nicht.
Viertens kann eine anodische Verbindung zu bevorzugen sein, da sie das Erfordernis jeglicher gesonderter Verbindungsmaterialien beseitigt, die andernfalls die Größe der Einlassöffnung 88, des Kanals 86, des Reglerspalts 99 und der Auslassöffnung 92 verstopfen oder verringern können oder die zu Korrosion der Verbindungsstelle zwischen dem Substrat 82 und der Membran 84 führen können.
Nun wird ein Beispiel dafür beschrieben, wie der lineare Strömungsregler 80 hergestellt werden kann.
Den Ausgangspunkt kann ein Wafer von 76,2 mm Durchmesser aus Pyrexglas 7740 von Corning bilden, der das Substrat 82 des Reglers 80 bildet.
Der Kanal 86 und sein Reglersitz 90 können dann auf jede geeignete Weise im Substrat 82 hergestellt werden. Eine geeignete Weise kann darin bestehen, als erstes einen im Wesentlichen rechteckigen Kanal in das Substrat 82 zu ätzen, der eine Länge und eine Tiefe aufweist, die ungefähr der Länge bzw. Tiefe des gewünschten Kanals 86 und des Reglersitzes 90 entspricht. Der rechteckige Kanal kann auf jede geeignete Weise in das Substrat 82 geätzt werden, wie unter Verwendung eines Prozesses, der derselbe ist wie derjenige, der dazu verwendet wurde, die Einlasskanäle 38 des Radialströmungsreglers 32 in dessen Substrat 84 einzuätzen, oder der Prozess kann diesem zumindest ähnlich sein.
Nachdem der rechteckige Kanal geätzt wurde, kann die Auslassöffnung 92 des Reglers hergestellt werden. Die Struktur, der Betrieb, die Theorie und die Herstellung der Auslassöffnung 92 des linearen Strömungsreglers 80 stimmen mit denjenigen der Auslassöffnung 54 des Radialströmungsreglers 32 überein, oder sind mit ihnen zumindest ähnlich, mit Ausnahme solcher Unterschiede, falls welche vorliegen, die durch ein Studium aller Figuren und Offenbarungen in diesem Dokument ersichtlich sind.
Nachdem die Auslassöffnung 92 hergestellt wurde, kann auf der Oberfläche des Glaswafers auf jede beliebige Weise eine Nennschicht aus einer oder mehreren korrosionsbeständigen Substanzen abgeschieden werden. Im Ergebnis sind der Kanal 86, der Reglersitz 90 und die Auslassöffnung 92 mit einer Schicht aus der korrosionsbeständigen Substanz (den korrosionsbeständigen Substanzen) beschichtet. Die Struktur, der Betrieb, die Theorie und die Herstellung einer derartigen Schicht aus einer oder mehreren korrosionsbeständigen Substanzen für den linearen Strömungsregler 80 sind dieselben wie die bei der aus einer oder mehreren korrosionsbeständigen Substanzen bestehenden Schicht des Radialströmungsreglers 32, oder sie sind diesen zumindest ähnlich, mit Ausnahme solcher Unterschiede, falls welche vorhanden sind, die durch ein Studium aller Figuren und Offenbarungen in diesem Dokument ersichtlich sind.
Nachdem der Kanal 86 und der Reglersitz 90 geätzt wurden, und nachdem jede gewünschte Schicht aus mindestens einer korrosionsbeständigen Substanz auf geätzte Teile des Glaswafers aufgetragen wurde, können der Photoresist und das Chrom, die in den ungeätzten Teilen des Glaswafers verblieben sind, durch jede geeignete Maßnahme entfernt werden, wie unter Verwendung von Standard-Abhebetechniken.
Zu diesem Zeitpunkt kann eine bestimmte Bearbeitung bei der Herstellung der Membran 84 erfolgen, bevor der gewünschte Kanal 86 und der Reglersitz 90 fertiggestellt werden. Die Herstellung der Membran 84 und das Verbinden derselben mit dem Glaswafer (der das Substrat 82 ist) können auf jede geeignete Weise erfolgen. Die Struktur, der Betrieb, die Theorie und die Herstellung der Membran 84 des linearen Strömungsreglers 80 sowie das Verbinden der Membran 84 mit ihrem Substrat 82 zum Herstellen einer Silicium/Glas-Sandwichanordnung stimmen mit denen bei der Herstellung der Membran 36 des Radialströmungsreglers 32 und dem Verbinden der Membran 36 mit ihrem Substrat 34 zum Erzeugen einer Silicium/Glas- Sandwichanordnung überein, oder sind zumindest ähnlich, mit Ausnahme solcher Unterschiede, die aus einem Studium aller Figuren und Offenbarungen in diesem Dokument ersichtlich sind.
Einige dieser Unterschiede werden nun betrachtet. Es sei in Erinnerung gerufen, dass der Ausgangspunkt für die Membran 84 des Reglers 80 ein beschichteter Siliciumwafer mit einer mit Bor dotierten, epitaktischen Siliciumschicht sein kann, die auf einer seiner Oberflächen abgeschieden wurde. Da die mit Bor dotierte Schicht schließlich die Membran 84 des Reglers 80 bildet, hängt die Dicke der mit Bor dotierten Schicht von der gewünschten Dicke der Membran 84 ab. Die mit Bor dotierte Schicht hat dramatische Ätzbeständigkeit gegen auf Ethylendiamin beruhende Siliciumätzmittel, jedoch wird sie leicht durch isotrope Ätzmittel geätzt. Isotrope Ätzmittel ätzen auch die undotierte Schicht des Siliciumwafers leicht.
Demgemäß besteht der erste Schritt bei der Herstellung der Membran 84 des Reglers 80 darin, den Siliciumwafer zu reinigen, eine dünne Chrommetallisierungsschicht auf beide Waferflächen aufzutragen und dann eine dünne Schicht aus irgendeinem geeigneten Photoresist auf die Oberseite der Chromschicht aufzutragen und zu trocknen.
Dann kann der Photoresist auf der mit Bor dotierten Schicht des Siliciumwafers mit einem Bild der Einlassöffnung 88 belichtet und dann entwickelt werden, woraufhin der Siliciumwafer gereinigt und getrocknet werden kann.
Als Ergebnis des vorstehenden Ablaufs trägt die Chromschicht auf der mit Bor dotierten Schicht nun ein vom Photoresist nicht geschütztes Bild der Einlassöffnung 88. Der ungeschützte Teil der Chromschicht kann dann abgeätzt werden, was dazu führt, dass ein Bild der Einlassöffnung 88 auf der mit Bor dotierten Schicht ausgebildet ist, das durch die Schichten aus dem Photoresist und dem Chrom, die den Rest des Siliciumwafers bedecken, nicht geschützt ist. Dann kann das Bild der Einlassöffnung 88 mit einer Tiefe, die zumindest geringfügig größer als die Dicke der mit Bor dotierten Schicht ist, auf irgendeine geeignete Weise, wie unter Verwendung eines isotropen Ätzmittels, eingeätzt werden. Die Schichten aus Photoresist und Chrom können dann vom Siliciumwafer entfernt werden, der dann gereinigt und getrocknet werden kann.
Der Silicium- und der Glaswafer können dann so ausgerichtet werden, dass das Ätzbild der Einlassöffnung 88 in der mit Bor dotierten Schicht korrekt mit dem Ätzbild des Kanals 86 im Glaswafer ausgerichtet ist. Die Ätzflächen des Silicium- und des Glaswafers können dann anodisch miteinander verbunden werden, woraufhin die undotierte Schicht des Siliciumwafers geätzt und geschliffen werden kann, um die gewünschte Membran 84 mit der gewünschten Einlassöffnung 88 zu erzeugen. Die gewünschte Einlassöffnung 88 wird während des Ätzens und Schleifens der undotierten Schicht des Siliciumwafers automatisch ausgebildet, da das isotrope Ätzmittel zuvor jedes Bild der Einlassöffnung 88 in der mit Bor dotierten Schicht des Siliciumwafers vollständig weggeätzt hat, so dass dann, wenn die undotierte Schicht des Siliciumwafers geätzt und weggeschliffen wird, die Einlassöffnung 88 automatisch ausgebildet wird.
Dem Kanal 86 am Reglersitz 90 kann auf jede geeignete Weise ein gewünschtes Profil verliehen werden. Eine geeignete Weise kann darin bestehen, ein mit Druck arbeitendes Formungsverfahren zu verwenden, bei dem als erstes das Substrat 82 in einer Formungsvorrichtung angeordnet wird, die die Unterseite 104 des Substrats 82 und dessen Querseiten begrenzt. Es kann ein flacher Stempel mit einem Ausschnitt bereitgestellt werden, dessen Länge und Breite denjenigen des gewünschten Kanals 86 entspricht; die Membran 84 kann dicht zwischen dem Stempel und dem Substrat 82 eingebettet werden; und zuletzt kann das Substrat 82 auf eine erhöhte Prozesstemperatur erwärmt werden, bei der es erweicht. Z. B. kann die erhöhte Prozesstemperatur für ein Substrat aus Pyrexglas ungefähr 600ºC betragen.
Der durch den Stempel freiliegende Teil der Membran 84 (d. h. das Biegeelement 98) kann dann einem Druck ausgesetzt werden, der ungefähr der maximal konzipierten steuernden Druckdifferenz (P) des Reglers 80 entspricht, um dadurch das Biegeelement 98 in das erweichte Substrat 82 hineinzudrücken und den profilierten Reglersitz 90 des Kanals 86 auszubilden. Z. B. kann der Druck für ein Substrat aus Pyrexglas, das auf ungefähr 600ºC erwärmt ist, ungefähr 100 Pfund pro Quadratzoll (psi) betragen. Der oben angegebene rechteckige Kanal, der in das Substrat 82 eingeätzt wurde, kann die Ausbildung des in gewünschter Weise profilierten Reglersitzes 90 unterstützen, da alles, wofür das ausgelenkte Biegeelement 80 sorgen muss, darin besteht, die Seiten und den Boden des rechteckigen Kanals in das gewünschte Profil zu formen. Die Formungsvorrichtung für das Substrat 82 kann Reliefloch enthalten, das das Hindurchtreten jeglichen überschüssigen Materials des Substrats 82 ermöglicht, das durch die ausgelenkte Membran 84 verdrängt wird. Alternativ kann der oben angegebene rechteckige Kanal weggelassen werden und das Biegeelement 98 kann mit Druck in das erweichte Substrat 82 hineingedrückt werden, um den profilierten Reglersitz 90 herzustellen.
Dann kann der gewünschte Druck am Biegeelement 98 beibehalten werden, während das Substrat 82 abkühlt und erhärtet, um dadurch den Kanal 86 des Substrats 82 mit dem gewünschten Profil in seinem Reglersitz 90 auszubilden. Dann kann der Druck aufgehoben werden, wodurch das elastische Biegeelement 98 in seine nichtausgelenkte Konfiguration zurückkehren kann. Der Stempel, die Formungsvorrichtung und jedes in unerwünschter Weise verdrängte Material des Substrats 82 können dann entfernt werden.
Obwohl oben die Verwendung eines durch Wärme erweichten Sub strats 82 beschrieben ist, kann der profilierte Reglersitz 90 auf jede andere geeignete Art durch Druck im Substrat 82 ausgebildet werden. Z. B. kann das Substrat 82 so gewählt werden, dass es aus einem Material, wie Epoxid, einem Keramikmaterial oder einem durch Lösungsmittel erweichten Material, besteht, das bei Raumtemperatur weich ist und dann durch eine chemische Reaktion, durch Anwendung von Wärme bzw. durch Verdampfen des Lösungsmittels gehärtet wird, nachdem das Biegeelement 98 in es hinein ausgelenkt wurde.
Eine andere Art zum Herstellen des profilierten Reglersitzes 90 kann darin bestehen, das gewünschte Profil durch Mikrobearbeitung unter Verwendung eines Laserstrahls in das Substrat 82 einzubringen. Ein derartiger Laserstrahl kann durch jede geeignete Einrichtung so reguliert werden, dass er einen Intensitätsgradienten ähnlich demjenigen des gewünschten Profils des Reglersitzes 90 des Kanals 86 aufweist, wie durch Hindurchstrahlen des Laserstrahls durch eine oder mehrere geeignete Linsen und/oder Gradientenfilter.
Eine andere Art der Verwendung eines Laserstrahls zum Einbringen des gewünschten Profils in das Substrat 82 durch Mikrobearbeitung kann darin bestehen, den Laserstrahl durch eine Maske zu strahlen, um mindestens einem Teil desselben eine Querschnittskonfiguration zu verleihen, die ähnlich dem gewünschten Profil des Reglersitzes 90 ist.
Oben ist die Herstellung nur eines einzelnen linearen Strömungsreglers 80 beschrieben. Jedoch ist es ersichtlich, dass auf jedem Paar aus einem Glas- und einem Siliciumwafer zahlreiche Regler 80 gleichzeitig auf eine Art, die der oben beschriebenen ähnlich ist, hergestellt werden können. Wenn dies der Fall ist, kann eine Anordnung von Substraten 82 gleichzeitig in den Glaswafer eingeätzt werden, bevor der Silicium- und der Glaswafer ausgerichtet und miteinander verbunden werden. Dann können alle Membranen 36 und ihre Einlassöffnungen 88 gleichzeitig hergestellt werden. Dann kann die Silicium/Glas-Sandwichanordnung durch jede geeignete Maßnahme (wie Zerschneiden) in einzelne Chips zerteilt werden, wobei jeder Chip mindestens einen linearen Strömungsregler 80 trägt.
Einer der Vorteile des Verwendens eines Ätz-, anodischen Verbindungs- und Druckformungsprozesses, wie oben im Einzelnen beschrieben, besteht darin, dass es ein derartiger Prozess ermöglicht, sehr zuverlässige lineare Strömungsregler 80 hoher Qualität in großen Zahlen mit so niedrigen Kosten, dass der Regler 80 als wegwerfbar angesehen werden kann, massen-herzustellen. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass der Regler 80 hinsichtlich seiner Einfachheit verblüfft, da er nur aus zwei Teilen (dem Substrat 82 und der Membran 84) bestehen kann und da er nur ein einzelnes bewegliches Teil (das Biegeelement 98 der Membran 84) aufweisen kann. Ferner können die Kosten des Reglers 80 auf sehr niedrigem Niveau gehalten werden, da die Ausgangsmaterialien, aus denen er hergestellt wird, sehr billig sein können, wie Glas und Silicium.
Der in den Fig. 13-14 dargestellte lineare Strömungsregler 110 ist hinsichtlich seiner Struktur derselbe wie die linearen Strömungsregler 80 der Fig. 7-11, oder diesen zumindest ähnlich, mit Ausnahme solcher Differenzen, falls irgendwelche vorliegen sollten, die aus einem Studium aller Figuren und Offenbarungen in diesem Dokument ersichtlich sind. Demgemäß sind die jeweiligen Teile des linearen Strömungsreglers 110 der Fig. 13-14 der Deutlichkeit und Einfachheit halber mit denselben Bezugszahlen versehen wie die entsprechenden Teile der linearen Strömungsregler 80 der Fig. 7-11.
Wie es aus den Fig. 13-14 erkennbar ist, verfügt der lineare Strömungsregler 110 über ein Paar Auslassöffnungen 92 und einen Kanal 86 mit einem Paar Seiten 112, die rechtwinklig zum nichtprofilierten Reglersitz 90 verlaufen.
So wie hier verwendet, bedeutet der Begriff "nichtprofiliert", dass der Reglersitz 90 dem profilierten Verlauf nicht angenähert oder nachgebildet ist, den das Biegeelement 98 einnehmen würde, wenn es durch keinerlei Teil des Substrats 82 eingegrenzt wäre, wenn der lineare Strömungsregler 110 seiner maximal konzipierten steuernden Druckdifferenz (P) des Medikaments 12 zwischen der Einlassöffnung 88 und der Auslassöffnung 92 des Reglers 110 unterliegt.
Es ist zu beachten, dass die Fig. 13-14 nur ein Beispiel eines nichtprofilierten Reglersitzes 90 veranschaulichen, nämlich einen ebenen, nichtprofilierten Reglersitz 90. Natürlich könnte der nichtprofilierte Reglersitz 90 eine beliebige unter einer Anzahl anderer Konfigurationen, Gestalten und Formen haben.
Beispielsweise kann das Substrat 82 des linearen Strömungsreglers 110 aus Pyrexglas 7740 hergestellt werden und eine Dicke von ungefähr 0,5 mm aufweisen. Der Kanal 86 und der Reglersitz 90 können eine Länge von ungefähr 1,0 cm aufweisen, und sie können eine maximale Breite von ungefähr 508 um aufweisen. Der Reglerspalt 99 kann eine maximale Höhe von ungefähr 4,2 um aufweisen (wenn die steuernde Druckdifferenz (P) den Wert null hat). Jede Auslassöffnung 92 kann einen minimalen Durchmesser von ungefähr 100 um und eine Länge von ungefähr 496 um aufweisen. Die Membran 84 kann aus Silicium hergestellt werden, und sie kann eine Dicke von ungefähr 9,0 um aufweisen. Die Einlassöffnung 88 kann eine Breite von ungefähr 508 um und eine Länge von ungefähr 500 um aufweisen. Die Strömungseigenschaften dieses beispielhaften linearen Strömungsreglers 110 sind in Fig. 15 veranschaulicht, die unten erörtert wird.
Der in den Fig. 13-14 veranschaulichte lineare Strömungsregler 110 ist hinsichtlich seines Betriebs und seiner Theorie dieselbe wie die linearen Strömungsregler 80 der Fig. 7 -11, oder diesen zumindest ähnlich mit Ausnahme solcher Differenzen, falls irgendwelche vorliegen sollten, die aus einem Studium aller Figuren und Offenbarungen in diesem Dokument ersichtlich sind.
Während des Betriebs durchläuft das Medikament 12, wenn eine steuernde Druckdifferenz (P) an den Regler 110 gelegt wird, wie durch Unterdrucksetzen der Quelle des Medikaments 12 in Bezug auf die Auslassöffnung 92 des Reglers 110 durch irgendeine geeignete Einrichtung, aufeinanderfolgend die Einlassöffnung 88 des Reglers 110, dessen Reglerspalt 99 sowie dessen Auslassöffnung 92.
Es wird nun auf Fig. 15 Bezug genommen, in der die Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 durch den Regler 110 in Mikroliter pro Tag (ul/Tag) als Funktion der steuernden Druckdifferenz (P) am Regler 110 in mmHg aufgetragen ist. Die Reglerkurve 110 ist ein Kurvenschrieb eines theoretischen, mathematischen Modells der Strömungsrate (Q) des Medikaments 12 für einen Regler 110 mit den körperlichen Parametern des beispielhaften Reglers 110, wie oben dargelegt. Unten wird das theoretische, mathematische Modell erörtert. Die sieben quadratischen Datenpunkte 116 in Fig. 15 gelten für die gemessenen Strömungsraten (Q) eines tatsächlichen Strömungsreglers 110 mit den körperlichen Parametern des beispielhaften Reglers 110, wie oben dargelegt. Wie erkennbar, gelingt es dem theoretischen Modell recht gut, die Funktion des Strömungsreglers 110 vorherzusagen.
Fig. 15 zeigt, dass bei einer steuernden Druckdifferenz (P) vom Wert null keine Strömung des Medikaments 12 durch den Regler 110 existiert. Wenn die steuernde Druckdifferenz (P) dann ausgehend von null erhöht wird, zeigt der Regler 110 zwei Hauptströmungsbetriebsbereiche.
D. h., dass dann, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) ausgehend von null erhöht wird, eine entsprechende Zunahme der Strömungsrate (Q) existiert, dass aber auch eine allmähliche Verringerung der Empfindlichkeit der Strömungsrate (Q) auf die steuernde Druckdifferenz (P) existiert. Z. B. ist dies aus der Kurve 114 bei steuernden Druckdifferenzen (P) von ungefähr 0,0 mmHg bis ungefähr 120 mmHg erkennbar.
Dann existiert, bei höheren Druckdifferenzen (P), eine "Regelungszone", in der die Strömungsrate (Q) eine relativ lineare Funktion von Änderungen der steuernden Druckdifferenz (P) ist, und die Empfindlichkeit des Reglers 110 in Bezug auf Änderungen der steuernden Druckdifferenz (P) ist auf ungefähr 45º verringert, im Vergleich zu einer Vorrichtung, die keinerlei Strömungsregelungseigenschaften zeigt.
Dieses Verhalten des Strömungsreglers 110 während des Betriebs beruht auf der Tatsache, dass dann, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) am Regler 110 erhöht wird, das Biegeelement 98 die Tendenz zeigt, in erhöhtem Ausmaß zum Reglersitz 90 hin ausgelenkt zu werden, wodurch sich die Höhe des Reglerspalts 99 verringert. Dies widerum führt zur Tendenz, dass die Strömungsrate (Q) trotz der erhöhten steuernden Druckdifferenz (P) auf einem relativ konstanten Wert gehalten wird. Dies, da die verringerte Höhe des Reglerspalts 99 zur Tendenz führt, dass die erhöhte steuernde Druckdifferenz (P) dadurch kompensiert wird, dass die Strömungsrate (Q) verringert wird, wie sie andernfalls bei dieser erhöhten steuernden Druckdifferenz (P) auftreten würde.
Andererseits besteht die Tendenz, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) fällt, dass das Biegeelement 98 in verringertem Ausmaß zum Reglersitz 90 hin ausgelenkt wird, wodurch die Höhe des Reglerspalts 99 zunimmt. Dadurch besteht wiederum die Tendenz, dass die Strömungsrate (Q) trotz der verringerten steuernden Druckdifferenz (P) auf einem relativ konstanten Wert gehalten wird. Dies, da die vergrößerte Höhe des Reglerspalts 99 die Tendenz zeigt, die verringerte steuernde Druckdifferenz (P) dadurch zu kompensieren, dass die Strömungsrate (Q) erhöht wird, wie sie andernfalls bei dieser verringerten Druckdifferenz (P) auftreten würde.
Jedoch kann, wie es aus Fig. 13 erkennbar ist, selbst dann, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) bis zum Punkt erhöht wurde, an dem das Biegeelement 98 so stark ausgelenkt wird, dass es Kontakt mit dem Reglersitz 90 beginnt, das Medikament 12 immer noch durch die zwei Seitenkanäle 118 strömen, die zwischen dem ausgelenkten Biegeelement 98, den Seitenteilen 120 des Reglersitzes 90 und den Seitenwänden 112 des Kanals 98 ausgebildet sind.
Schließlich wird, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) noch weiter erhöht wird, das Biegeelement 98 in erhöhtem Ausmaß flach gegen den Reglersitz 90 gedrückt, wodurch die Größe der Seitenkanäle 118 allmählich verringert wird (und umgekehrt).
Um den Entwurf des Reglers 110 für irgendeine speziell gewünschte Reglerkurve 114 zu unterstützen, kann es erforderlich sein, entweder eine empirische Strategie oder ein mathematisches Modell zu verwenden.
Der Ausgangspunkt für das mathematische Modell ist dasjenige, das oben hinsichtlich der Regler 80 dargelegt wurde. Es wird in Erinnerung gerufen, dass die obige Gleichung 7 eine Beziehung zwischen der steuernden Druckdifferenz (P) und der Gesamtströmungsrate (Q) des Medikaments 12 bis zum Punkt P = 1 lieferte, d. h. dem dimensionslosen Druck, bei dem das Biegeelement 98 erstmals in Kontakt mit dem Reglersitz 90 tritt.
Jedoch breitet sich das Biegeelement 98 über diesem Druck in Querrichtung über den Reglersitz 90 aus, und der Punkt des ersten Kontakts zwischen dem Biegeelement 98 und dem Reglersitz 90 weitet sich aus und läuft entlang der z-Achse zur Einlassöffnung 88.
In dieser Betriebsart kann der dimensionslose Druck (P) immer noch nicht den Wert 1,0 überschreiten, da die Tiefe des Kanals 86 festliegt. Statt dessen sind, wie angegeben, zwei parallele Seitenkanäle 118 ausgebildet, von denen jeder eine Größe aufweist, die eine Funktion der steuernden Druckdifferenz (P) ist. D. h., dass dann, wenn die steuernde Druckdifferenz (P) zunimmt, die Größe der Seitenkanäle 118 abnimmt (und umgekehrt).
Für einen Kanal 86 mit einer Länge Z&sub0; ist der Punkt des ersten Kontakts zwischen dem Biegeelement 98 und dem Reglersitz 90 irgendein Bruchteil dieser Länge, d. h. n · Z&sub0;. Da für jede örtliche Fluidscheibe in den zwei Seitenkanälen 118 die Bedingung P = 1 gilt, gilt für die effektive Breite jedes der Seitenkanäle 118:
we = w/p0,25,
mit P > 1.
Aus der obigen Gleichung 6 kann für die Randbedingung P = 1 die folgende Differentialgleichung für den Druckabfall er halten werden:
wobei (Q&sub0;) die Strömung ist, wenn sich der Kontakt zwischen dem Biegeelement 98 und dem Reglersitz 90 bei z = Z&sub0; befindet, d. h., wenn in der obigen Gleichung 7 die Bedingung P = 1 gilt. Bei Trennung der Variablen und einiger algebraischer Manipulation ergibt sich eine überraschend einfache Beziehung für die Strömung über dem Druck im Modus, in dem Kontakt zwischen dem Biegeelement 98 und dem Reglersitz 90 existiert:
Q = Q&sub0;[1 + 0,4271 (P1,25 - 1)],
mit P > 1.
Nun kann das obige Modell dazu verwendet werden, die Funktion des linearen Strömungsreglers 110 vorherzusagen.
Aus den Offenbarungen in diesem Dokument heraus ist es möglich, selektiv einen linearen Strömungsregler 110 für irgendwelche speziell gewünschten Strömungsregelungseigenschaften oder steuernde Druckdifferenzen (P) zu konzipieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass selektiv einer oder mehrere der einschlägigen Parameter eingestellt werden, wie: (a) die Anzahl, die Größe, die Form, die Länge und der Ort der Einlassöffnung 88 und er Auslassöffnung 92; (b) die Anzahl, die Größe, die Querschnittskonfiguration und die Länge des Kanals 86 und des Reglerspalts 99; (c) die Länge und die Form des Reglersitzes 90; (d) die Länge und die Form der Seitenkanäle 118; und (e) die Länge, die Dicke, die Nachgiebigkeit, die Elastizität und die Steifigkeit des Biegeelements 98.
Die Herstellung des linearen Strömungsreglers 110 der Fig. 13-14 kann dieselbe sein wie die der linearen Strömungsregler 80 der Fig. 7-11, oder sie kann dazu zumindest ähnlich sein, mit Ausnahme solcher Differenzen, falls irgendwelche vorliegen sollten, die aus einem Studium aller Figuren und Offenbarungen in diesem Dokument ersichtlich sind.
Da der Regler 110 einen nichtprofilierten Reglersitz 90 aufweist, können die Schritte betreffend die Druckformung des profilierten Reglersitzes 90 des Reglers 80 weggelassen werden. Statt dessen wird der rechteckige Kanal so in das Substrats 82 eingeätzt, dass er eine Länge, Breite und Tiefe aufweist, die den Werten des gewünschten Kanals 86 entsprechen. Anders gesagt, wird der geätzte rechteckige Kanal der gewünschte Kanal 86, und der Boden des geätzten rechteckigen Kanals bildet den nichtprofilierten Reglersitz 90, ohne dass weitere Bearbeitung dazu erforderlich ist, um den gewünschten Kanal 86 und den nichtprofilierten Reglersitz 90 auszubilden.
Eine andere Art zum Herstellen des Kanals 86 und des nichtprofilierten Reglersitzes 90 kann darin bestehen, einen Laserstrahl oder einen Wasserstrahl zu verwenden.
Es ist zu beachten, dass die vorstehenden Formen der Erfindung ausschließlich als nichtbeschränkendes Beispiel beschrieben und/oder veranschaulicht wurden.
Angesichts der gesamten hier vorliegenden Offenbarung sind diese und weitere Modifizierungen, Anpassungen und Variationen der Erfindung für den Fachmann innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche erkennbar.

Claims

1. Strömungsregler (32), der dazu dient, eine Strömung von einer Strömungsmittelquelle (12) innerhalb eines vorgegebenen Strömungsbereichs zu halten, und umfaßt: ein Substrat (34) und eine Membran (36); wobei das Substrat (34) einen Reglersitz (42) und eine obere Montagefläche (46) für die Membran (36) enthält; wobei die obere Montagefläche (46) mindestens im wesentlichen den Reglersitz (42) umgibt und von diesem generell seitlich auswärts verläuft; wobei die Membran (36) einen Montageteil (26) mit einer an der oberen Montagefläche (46) des Substrats montierte untere Montagefläche und ein über den Reglersitz (42) verlaufendes Biegeelement (28) aufweist; wobei der Membran-Montageteil (26) das Biegeelement (28) abstützt; wobei eine Überschneidung zwischen dem Membran-Montageteil (26) und dem Biegeelement (28) das letztere im wesentlichen umgibt; wobei der Membran-Montageteil von dem Biegeelement (28) im wesentlichen seitlich nach außen über die obere Montagefläche (46) des Substrats verläuft; wobei das Biegeelement (28) eine obere Fläche (62) und eine untere Fläche (50) aufweist; wobei der Regler (32) ferner einen zwischen der unteren Fläche (50) des Biegelements und einer oberen Fläche (44) des Reglersitzes (42) einen Reglerspalt(48) aufweist; eine Strömungsmittel-Einlaßanordnung (38, 40), die Strömungsmittel von der Strömungsmittelquelle (12) in den Regler (32) einströmen und in die Reglerkappe (48) eintreten läßt; und eine Strömungsmittel-Auslaßanordnung (52, 54), die Strömungsmittel aus der Reglerkappe (48) und dem Regler (32) ausströmen läßt; wobei im Reglerbetrieb zwischen der Strömungsmittel-Einlaßanordnung (38, 40) und der Strömungsmittel-Auslaßanordnung (52, 54) eine treibende Druckdifferenz besteht; wobei bei einem Anstieg dieser treibenden Druckdifferenz ein über dem Reglersitz (42) befindlicher flexibler Regelteil des Biegeelements (28) in zunehmenden Maße in Richtung des Reglersitzes (42) ausgelenkt wird und der flexible Reglerteil des Biegeelements eine in zunehmenden Maße in Richtung des Reglersitzes gekrümmte konvexe Form annimmt, so daß sich die Größe des Reglerspalts (48) verringert und die Strömung trotz Zunahme der treibenden Druckdifferenz die Strömung innerhalb des vorgegebenen Strömungsbereichs zu halten sucht; und wobei bei einer Abnahme der treibenden Druckdifferenz der flexible Reglerteil des Biegeelements (28) in abnehmendem Maße in Richtung des Reglersitzes (42) ausgelenkt wird und der flexible Reglerteil des Biegeelements (28) eine in abnehmendem Maße in Richtung des Reglersitzes (42) gekrümmte konvexe Form annimmt, so daß er die Größe des Reglerspalts (28) erhöht und die Strömung trotz Abnahme der treibenden Druckdifferenz innerhalb des vorgegebenen Strömungsbereichs zu halten sucht.

2. Strömungsregler nach Anspruch 1, wobei im Betrieb des Reglers (32) die obere Fläche (62) des Biegeelements dem Strömungsmittel aus der Strömungsmittelquelle (12) ausgesetzt ist; und wobei im Reglerbetrieb die treibende Druckdifferenz auch auf die obere Fläche (62) des Biegeelements und die Strömungsmittel-Auslaßanordnung (52, 54) einwirkt.

3. Strömungsregler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regler (32) einen vorgegebenen Arbeitsbereich für die treibende Druckdifferenz hat, innerhalb dessen der Regler eine maximale Strömung im Bereich von etwa 0,01 bis 20,00 cm³/Tag hat.

4. Strömungsregler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regler einen vorgegebenen Arbeitsbereich für die treibende Druckdifferenz aufweist, innerhalb dessen der Regler eine maximale Strömung im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 2 cm³/Tag hat.

5. Strömungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reglersitz (42) durch Mikrobearbeitung in das Substrat (32) eingeätzt ist, so daß eine mikrobearbeitete obere Fläche (44) des Reglersitzes entsteht, die unter der Höhe der oberen Montagefläche (46) des Substrats liegt; wobei die Strömungsmittel-Einlaßanordnung (38, 40) mindestens einen durch Mikrobearbeitung in das Substrat (34) eingeätzten Einlaßkanal (38) aufweist; und wobei die Strömungsmittel- Einlaßanordnung (38, 40) ferner mindestens einen entsprechenden Deckelteil (30) der Membran (36) aufweist, der über den mikrobearbeiteten Einlaßkanal (38) verläuft und diesen bedeckt.

6. Strömungsregler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regler (32) einen vorgegebenen Arbeitsbereich für die treibende Druckdifferenz hat; und wobei der Regler (32) dann, wenn er einer treibenden Druckdifferenz ausgesetzt ist, die den vorgegebenen Arbeitsbereich überschreitet, die Strömung auf einen Wert unter dem vorgegebenen Strömungsbereich reduziert.

7. Strömungsregler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regler (32) einen vorgegebenen Arbeitsbereich für die treibende Druckdifferenz hat; und wobei dann, wenn der Regler (32) einer treibenden Druckdifferenz über diesem vorgegebenen Arbeitsbereich ausgesetzt ist, mindestens einen Teil des Biegeelements (28) gegen mindestens einen Teil des Reglersitzes (42) ausgelenkt wird; und wobei dieser Teil des Reglersitzes (42) den besagten Teil des Biegeelements (28) unterstützt und dadurch mit verhindert, daß das Biegelement (28) durch die den vorgegebenen Arbeitsbereich überschreitende treibende Druckdifferenz zerstört wird.

8. Strömungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Montagefläche des Membran-Montageteils (26) an der oberen Montagefläche (46) des Substrats anodisch angebondet ist.

9. Strömungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Regler (32) mindestens einen freiliegenden Teil aufweist, der im Betrieb des Reglers (32) dem Strömungsmittel ausgesetzt ist; wobei der Regler ferner eine korrosionsbeständige Schicht auf mindestens einem Teil des freiliegenden Teils aufweist; und wobei die korrosionsbeständige Schicht an dem freiliegenden Teil anodisch angebondet ist.

10. Strömungsregler nach Anspruch 9, wobei die korrosionsbeständige Schicht ein Oxid aus einem Übergangsmetall enthält, das aus der im wesentlichen aus Titan und Zirkon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

11. Strömungsregler nach Anspruch 9 oder 10, wobei die korrosionsbeständige Schicht auf mindestens einem Teil der oberen Fläche des Reglersitzes angeordnet ist; und wobei die korrosionsbeständige Schicht auf der oberen Fläche des Reglersitzes eine doppelte Funktion hat, nämlich dazu beizutragen, daß Korrosion an der oberen Fläche des Reglersitzes verhindert wird, sowie dazu beizutragen, daß verhindert wird, daß die untere Fläche (50) des Biegeelements an die obere Fläche des Reglersitzes anodisch anbondet.

12. Strömungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Fläche (44) des Reglersitzes einen Rand aufweist; wobei die Strömungsmittel-Einlaßanordnung (38, 40) mindestens einen Einlaßraum (40) in dem Substrat (34) aufweist, um das Strömungsmittel mindestens im wesentlichen über den Rand der oberen Fläche (44) des Reglersitzes zu verteilen; wobei die obere Fläche (44) des Reglersitzes über dem Boden des Einlaßraums (40) liegt; wobei die Strömungsmittel-Auslaßanordnung (52, 54) mindestens teilweise innerhalb des Reglersitzes (42) angeordnet ist; wobei die Strömungsmittel-Auslaßanordnung (52, 54) mit der oberen Fläche des Reglersitzes in Strömungsverbindung steht; und wobei im Betrieb des Reglers (42) das Strömungsmittel vom Rand des Reglersitzes über dessen obere Fläche nach innen zu der Strömungsmittel-Auslaßanordnung (52, 54) strömt.

13. Strömungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reglersitz (42) mindestens generell ringförmig ist; und wobei im Betrieb des Reglers das Strömungsmittel vom Rand des Reglersitzes mindestens generell radial einwärts über die obere Fläche des Reglersitzes zu der Strömungsmittel- Auslaßanordnung (52, 54) strömt.

14. Strömungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Fläche des Reglersitzes mindestens im wesentlichen eben ist.

15. Strömungsregler nach Anspruch 12, wobei die Strömungsmittel-Einlaßanordnung mindestens einen Einlaßkanal (38) in dem Substrat (34) aufweist, der in Strömungsverbindung mit dem Einlaßraum (40) steht; wobei die Strömungsmittel-Einlaßanordnung (38, 40) ferner mindestens einen entsprechenden Deckelteil (40) der Membran (36) aufweist, der über den Einlaßkanal (38) verläuft und diesen bedeckt; und wobei der vorgegebene Strömungsbereich mindestens teilweise dadurch ausgewählt werden kann, daß der Betrag an treibender Druckdifferenz, der in dem mindestens einen Einlaßkanal (38) abfällt, gewählt wird.

16. Strömungsregler nach Anspruch 12, wobei die Strömungsmittel-Einlaßanordnung ferner mindestens zwei Einlaßkanäle (38) in dem Substrat (34) aufweist wobei mindestens einer der Einlaßkanäle (38) in Strömungsverbindung mit dem Einlaßraum (40) steht; wobei die Strömungsmittel- Einlaßanordnung (38, 40) ferner mindestens zwei entsprechende Deckelteile (30) der Membran (36) aufweist, die über die mindestens zwei Einlaßkanäle (38) verlaufen und diese bedecken; wobei mindestens einer der Einlaßkanäle abgedichtet ist, um Strömung des Strömungsmittels durch diesen hindurch zu verhindern; und wobei der vorgegebene Strömungsbereich mindestens teilweise dadurch gewählt werden kann, daß die Anzahl an Einlaßkanälen, die abgedichtet sind, gewählt wird.

17. Strömungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsmittel-Einlaßanordnung einen Einlaßkanal (38) in dem Substrat (34) aufweist wobei mindestens ein Teil des Einlaßkanals einem Verlauf folgt; und wobei dieser Verlauf kreis-, spiral- oder sinusförmig ist, so daß ein kompakterer Regler erzielt wird.

18. Strömungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsmittel-Auslaßanordnung eine Auslaßöffnung (54) aufweist, die durch Laserbohrung erzeugt ist, so daß sie automatisch eine venturiartige Gestalt erhält, um die Strömung durch die Auslaßöffnung (54) zu verbessern.

19. Strömungsregler (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 sowie nach Anspruch 18, soweit dieser nicht auf einen der Ansprüche 12 bis 17 rückbezogen ist, wobei der Reglersitz (90), das Biegeelement (98) und der Reglerspalt (99) jeweils länglich sind und jeweils von der Strömungsmittel- Einlaßanordnung (88) zu der Strömungsmittel-Auslaßanordnung (92) verlaufen; wobei der Reglersitz (90) eine Länge aufweist und eine Breite, die wesentlich geringer ist als seine Länge; wobei das Biegeelement (98) eine Länge aufweist und eine Breite, die wesentlich geringer ist als seine Länge; und wobei der Reglerspalt (99) eine Länge aufweist und eine Breite, die wesentlich geringer ist als seine Länge.

20. Strömungsregler (80) nach Anspruch 19, wobei mindestens ein Teil des Reglersitzes (90), des Biegeelements (98) und des Reglerspalts (99) von der Strömungsmittel-Einlaßanordnung (88) zu der Strömungsmittel-Auslaßanordnung (92) einem Verlauf folgen, der kreis-, spiral- oder sinusförmig ist, um einen kompakteren Regler (80) zu ergeben.

21. Strömungsregler (80) nach Ansprüchen 19 und 20, wobei der Reglersitz (90) und der Reglerspalt (99) jeweils ein Verhältnis von Länge zu Breite haben, das im Bereich von etwa 5 : 1 bis 1000 : 1 ausgewählt ist.

22. Strömungsregler (80) nach Anspruch 21, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite etwa 20 : 1 beträgt.

23. Strömungsregler (80) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei das Biegeelement (98) einen der Strömungsmittel- Einlaßanordnung benachbarten Einlaßteil aufweist; und wobei mindestens ein Teil des Einlaßteils des Biegeelements von dem Substrat (82) gegen Auslenkung in Richtung des Reglersitzes (80) nicht zurückgehalten wird, wenn der Regler innerhalb des vorgegebenen Strömungsbereichs arbeitet.

24. Strömungsregler (80) nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei der Reglersitz (90) eine Kontur aufweist, die mindestens generell derjenigen angenähert ist, die das Biegeelement (98) annehmen würde, wenn es von dem Substrat (82) nicht abgestützt und einer vorgegebenen treibenden Druckdifferenz ausgesetzt wäre.

25. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsreglers (32), der dazu dient, eine Strömung von einer Strömungsmittelquelle (12) innerhalb eines vorgegebenen Strömungsbereichs zu halten, mit folgenden Schritten:

(A) für den Regler (32) werden eine Strömungsmittel- Einlaßanordnung (38, 40) und eine Strömungsmittel- Auslaßanordnung (52, 54) vorgesehen;

(B) es wird ein Substrat (34) gewählt, das einen Reglersitz (42) und eine obere Montagefläche (46) aufweist;

(C) die obere Montagefläche (46) wird so gewählt, daß sie den Reglersitz (42) mindestens im wesentlichen umgibt und von ihm im wesentlichen seitwärts nach außen verläuft;

(D) es wird eine Membran (36) gewählt, die einen Montageteil (26) mit einer unteren Montagefläche und ein Biegeelement (28) aufweist;

(E) der Membran-Montageteil (26) wird so gewählt, daß er das Biegeelement (28) abstützt, von diesem im wesentlichen seitwärts nach außen verläuft und mit dem Biegeelement (28) eine Überschneidung bildet, die das letztere mindestens im wesentlichen umgibt;

(F) das Biegeelement (28) wird so gewählt, daß es einen flexiblen Reglerteil aufweist, der eine konvexe Gestalt annimmt, die sich bei zunehmendem Einlaßdruck auf die Strömungsmittel-Einlaßanordnung in zunehmendem Maße in Richtung des Reglersitzes (42) krümmt und bei abnehmendem Einlaßdruck auf die Strömungsmittel-Einlaßanordnung in abnehmendem Maße in Richtung des Reglersitzes (42) krümmt;

(G) mindestens ein Teil der Strömungsmittel- Einlaßanordnung (38, 40) des Reglersitzes (42) und der Strömungsmittel-Auslaßanordnung (52, 54) werden einer Mikrobearbeitung dadurch unterzogen, daß mindestens ein Teil der Strömungsmittel-Einlaßanordnung (38, 40) des Reglersitzes (42) und der Strömungsmittel-Auslaßanordnung (52, 54) in das Substrat (34) eingeätzt wird;

(H) die untere Montagefläche des Membran-Montageteils (26) wird über der oberen Montagefläche (46) des Substrats angeordnet

(I) der flexible Reglerteil des Biegeelements (28) wird über dem Reglersitz (42) unter Bildung eines Reglerspalts (48) zwischen diesen Bauteilen angeordnet, wobei die Strömungsmittel-Einlaßanordnung (38, 40) dazu dient, das Strömungsmittel aus der Quelle (12) in den Regler (32) und den Reglerspalt (48) eintreten zu lassen; und wobei die Strömungsmittel-Auslaßanordnung (52, 54) dazu dient, das Strömungsmittel aus dem Reglerspalt (48) und dem Regler (32) austreten zu lassen; und

(J) die untere Montagefläche des Membran-Montageteils (26) wird an der oberen Montagefläche (46) des Substrats (34) befestigt.

26. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsreglers nach Anspruch 25, wobei im Schritt (J) die untere Montagefläche des Membran-Montageteils (26) an die obere Montagefläche (46) des Substrats (34) anodisch angebondet wird.

27. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsreglers nach Anspruch 25 oder 26, mit den weiteren Schritten:

(K) auf mindestens einen Teil des Reglers (32) wird mindestens eine Schicht aus mindestens einem korrosionsbeständigen Material aufgetragen; und

(L) anschließend wird die Schicht aus mindestens einem korrosionsbeständigen Material an dem Regler anodisch angebondet.

28. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsreglers nach Anspruch 27, wobei die Schritte (J) und (L) gleichzeitig erfolgen.

29. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsreglers nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei der Schritt (G) folgende Schritte umfaßt:

(M) ein geätzter Teil der Strömungsmittel- Einlaßanordnung (38, 40) wird in das Substrat (34) um ein erstes Maß eingeätzt, das geringer ist als die gewünschte endgültige Tiefe des geätzte Teils der Strömungsmittel- Einlaßanordnung (38, 40); und

(N) anschließend wird der geätzte Teil der Strömungsmittel-Einlaßanordnung sowie ein Reglersitz-Teil des Substrats (34) gleichzeitig um ein zusätzliches zweites Maß geätzt, das gleich ist der Höhe des Reglerspalts (48), so daß der geätzte Teil der Strömungsmittel-Einlaßanordnung und des Reglersitzes (42) gleichzeitig endbearbeitet werden.

30. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsreglers nach einem der Ansprüche 25 bis 29 mit dem weiteren Schritt:

(O) mindestens ein Teil der Strömungsmittel- Auslaßanordnung (52, 54) wird automatisch auf eine venturiartige Konfiguration unter Verwendung eines Laserbohrers gebracht, mit dem mindestens ein Teil der Strömungsmittel- Auslaßanordnung (52, 54) in das Substrat (34) eingebohrt wird.

31. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsreglers nach Anspruch 30 mit folgendem weiteren Schritt:

(P) vor Durchführung des Schrittes (O) wird der besagte Teil der Strömungsmittel-Auslaßanordnung auf etwa die Glühtemperatur des Substrats (34) erwärmt, um mit zu verhindern, daß das Substrat (34) während des Schrittes (O) Risse bildet.

32. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsreglers nach einem der Ansprüche 25 bis 31, wobei die Membran (36) durch folgende Schritte erzeugt wird:

(Q) es wird ein Wafer aus einem Material hergestellt, daß eine durch ein Ätzmittel ätzbare Stützschicht und eine durch das Ätzmittel nicht ätzbare Membranschicht aufweist, wobei die Membranschicht eine Dicke hat, die etwa gleich der gewünschten endgültigen Dicke der Membran (36) ist, und eine untere Montagefläche des Membran-Montageteils (26) umfaßt;

(R) während des Schritts (J) wird die untere Montagefläche des Membran-Montageteils (26) der Membranschicht an der oberen Montagefläche (46) der Membran (36) befestigt; und

(S) mindestens ein Teil der Stützschicht wird mit dem Ätzmittel weggeätzt.

33. Verfahren zum Herstellen eines mit einer Kontur versehenen Reglersitzes (90) in einem Substrat (82) eines Strömungsreglers (80), der das Substrat (82), eine Membran (84), einen Reglerspalt (99), eine Strömungsmittel- Einlaßanordnung (88) zum Einleiten eines Strömungsmittels von einer Strömungsmittelquelle (12) in den Regler (80) und den Reglerspalt (99); und eine Strömungsmittel-Auslaßanordnung (92) zum Ableiten des Strömungsmittels aus dem Reglerspalt (99) und dem Regler (80) aufweist; wobei der Regler (80) dazu dient, eine Strömung aus der Strömungsmittelquelle (12) innerhalb eines vorgegebenen Strömungsbereichs zu halten; wobei das Substrat (82) den mit der Kontur versehenen Reglersitz (90), eine obere Montagefläche (96), eine untere Montagefläche (104) sowie mindestens eine Seite aufweist; wobei die Membran (84) einen Montageteil (97) mit einer unteren Montagefläche (101) sowie ein Biegeelement (98) aufweist; wobei das Verfahren folgende Schritte enthält:

(A) die Membran (84) wird aus einem flexiblen elastischen Material gewählt;

(B) das Substrat (82) wird so gewählt, daß es ein Material aufweist, das unter einem ersten Satz von Bedingungen weich und unter einem zweiten Satz von Bedingungen hart ist;

(C) die untere Montagefläche 101) des Membran- Montageteils (97) wird über der oberen Montagefläche (96) des Substrats angeordnet;

(D) die untere Montagefläche (101) des Membran- Montageteils (97) wird an der oberen Montagefläche (96) des Substrats befestigt;

(E) mindestens ein Teil der unteren Fläche (104) des Substrats und mindestens die besagte eine Seite des Substrats (82) werden festgehalten;

(F) das Biegeelement (98) wird dadurch in das Substrat (82) hinein ausgelenkt, daß es einem vorgegebenen Druck ausgesetzt wird, während das Substrat (82) unter der ersten Gruppe von Bedingungen steht, um in dem weichen Substrat (82) den mit Kontur versehenen Reglersitz (90) auszubilden;

(G) der vorgegebene Druck auf das Biegeelement (98) wird aufrechterhalten, bis sich das Substrat (82) unter dem zweiten Satz von Bedingungen befindet, um den mit Kontur versehenen Reglersitz (90) in dem harten Substrat (82) zu erhalten;

(H) der besagte Teil der Bodenfläche (104) des Substrats und die besagte mindestens eine Seite des Substrats (82) werden freigegeben, während sich das Substrat (82) unter dem zweiten Satz von Bedingungen befindet, um das harte Substrat (82) freizugeben; und

(I) die Auslenkung des Biegeelements (98) in das Substrat (82) hinein wird beendet, während sich das Substrat (82) unter dem zweiten Satz von Bedingungen befindet, um das Biegeelement (98) gegenüber dem mit Kontur versehenen Reglersitz (90) freizugeben und den Reglerspalt (99) zwischen dem Biegeelement (98) und dem mit Kontur versehenen Reglersitz (90) auszubilden.

34. Verfahren zum Herstellen eines mit Kontur versehenen Reglersitzes nach Anspruch 33, wobei vor der Durchführung des Schrittes (F) folgende weitere Schritte ausgeführt werden:

(J) in das Substrat (82) wird durch Mikrobearbeitung ein Reglerkanal (86) eingeformt; und

(K) über dem Reglerkanal (86) wird mindestens ein Teil des Biegeelements (98) angeordnet, so daß sich dieser Teil des Biegeelements (98) bei Durchführung des Schrittes (F) in den Reglerkanal (86) hinein auslenken kann.