Strömung auf Chip-Ebene

Sensoren sind entscheidende Komponenten für die Qualität und Zuverlässigkeit medizintechnischer Produkte und Lösungen. In zahlreichen medizinischen Geräten wie Beatmungsgeräten, Anästhesiegeräten, Spirometern und Sauerstoffkonzentratoren müssen Luft- und Gasströmungen überwacht und kontrolliert werden. Zusätzlich müssen die Sensoren strenge Vorgaben in Bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeit und Verschmutzung erfüllen.

In Beatmungsgeräten detektieren hochempfindliche Niedrigstdrucksensoren das plötzliche Einsetzen auch schwächster spontaner Eigenatmung und helfen damit, die Atemarbeit des Patienten so gering wie möglich zu halten. Gleichzeitig messen die Geräte mit sehr hoher Genauigkeit über den gesamten Strömungsbereich, um Atemmuster zuverlässig zu erkennen.

Eine typische Methode zur Bestimmung des Atemflusses ist die Messung des Druckabfalls über einem Strömungselement. Durchströmt Atemluft oder Gas eine künstliche Verengung in der Strömungsleitung, wie beispielsweise eine Blende oder ein laminares Strömungselement, entsteht über dem Element ein minimaler Druckabfall, der ein Maß für den Volumenstrom ist. Diese kleinen Differenzdrücke können mit hochgenauen Sensoren präzise erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Der Differenzdrucksensor misst dabei in einem Nebenzweig (Bypass) zur Hauptströmungsleitung.

Um den Atemvorgang des Patienten nicht unnötig zu belasten ist es wichtig, den Widerstand des Strömungselements so gering wie möglich zu halten. Bei Atemflüssen von etwa 0,1 l/s bei spontaner Atmung sind die über dem Strömungselement erzeugten Differenzdrücke daher sehr niedrig, im Bereich von unter 100 Pa (1 mbar). Zur präzisen Messung dieser sehr niedrigen Drücke kommen in der Medizintechnik schon seit längerer Zeit durchflussbasierte Differenzdrucksensoren zum Einsatz. Ihre Einschränkungen stellten aber bisher für die Geräteentwickler zum Teil große Herausforderungen und beträchtlichen Entwicklungsaufwand dar. Speziell Feuchtigkeit oder Partikel in der Strömung können sich im Inneren des Sensors oder in den Zuleitungen absetzen und die Messgenauigkeit nachhaltig verschlechtern. Im schlimmsten Fall kann dies zu einem Totalausfall des Sensors führen.

Der Volumenstrom durch den Sensor wird vom Druckunterschied zwischen seinen Anschlüssen und von seinem Strömungswiderstand bestimmt. Es sollte darauf geachtet werden, dass der Strömungswiderstand des Sensors möglichst groß ist, um die Strömung in der Bypass-Leitung klein zu halten und den Druckabfall über dem Strömungselement in der Hauptleitung nicht zu beeinflussen. Bei herkömmlichen durchflussbasierten Drucksensoren ist dies jedoch oft nicht der Fall, da die Größe des Strömungskanals durch das Spritzgussgehäuse des Sensors definiert wird. Die auf diese Weise hergestellten Strömungskanäle sind meist relativ groß und unterliegen zusätzlich Fertigungstoleranzen. Unter Umständen kann die Kalibration durchflussbasierter Drucksensoren von anderen pneumatischen Komponenten wie Verbindungsschläuchen und Filtern gestört werden.

Die durchflussbasierten LDE- und LME-Differenzdrucksensoren der First Sensor AG basieren auf einer neuen MEMS-Technologie zur thermischen Massendurchflussmessung von Gas durch einen sehr kleinen, im Sensor-Chip integrierten Strömungskanal. Diese innovative Sensortechnologie ermöglicht die hochempfindliche Messung niedrigster Drücke ab 25 Pa (0,25 mbar) Messbereichsendwert mit höchster Auflösung und Offsetstabilität. Aufgrund des minimalen Gasflusses durch den Sensor ist die LDE/LME-Serie sehr unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Partikeln und erreicht besonders lange Lebensdauern.

Durch die Integration des Strömungskanals auf Chip-Ebene besitzen die durchflussbasierten Differenzdrucksensoren von First Sensor sehr hohe pneumatische Widerstände von bis zu >100 kPa/(ml/s). Die Sensoren brauchen daher nur geringste Mengen Bypass-Strömung für die Druckmessung (maximal 120 bis 180 µl/min), in manchen Anwendungen bis zu 1000-fach weniger als herkömmliche durchflussbasierte Drucksensoren. Die LDE/LME-Niedrigstdrucksensoren verhalten sich annähernd wie membranbasierte piezoresistive Differenzdrucksensoren in Bezug auf die Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und Verschmutzung. Die Kalibration der Sensoren wird nicht von langen Verbindungsschläuchen oder Filtern beeinträchtigt, da der Gesamtströmungswiderstand in der Bypass-Leitung fast ausschließlich vom sehr kleinen Strömungskanal im Chip der Sensoren bestimmt wird.

Die LDE/LME-Sensorplattform bietet SMT- und DIP-Gehäuseversionen mit Druckanschlüssen für Schlauchverbindungen oder zur Manifold-Montage. Die digitalen Sensoren verfügen über eine SPI-Bus-Schnittstelle und zusätzlich einen analogen Ausgang. Weiterhin entwickelt und fertigt First Sensor kundenspezifische Multi-Sensor-Module als einfache Plug&Play-Lösung für Beatmungsgeräte. Die Module integrieren mehrere Sensoren und Aktoren zu vollständig kalibrierten und getesteten Systemen mit Signalaufbereitung und definierten Schnittstellen. Als strategischer Partner für Medizingerätehersteller im Bereich Atmung und Beatmung erfüllen alle Beratungs-, Entwicklungs-, Fertigungs- und Serviceprozesse die Anforderungen für Medizinprodukte nach EN ISO 13485.

Dr. Adriano Pittarelli First Sensor, Puchheim

Weitere Informationen Zum Anbieter der durchflussbasierten LDE- und LME-Differenzdrucksensoren: www.first-sensor.com