Aus zwei mach eins

Differenzdrucksensoren auf MEMS-Basis

30. April 2020, 12:00 Uhr   |  Hauke Dierksheide

Differenzdrucksensoren auf MEMS-Basis
© AdobeStock/Rea

In Beatmungsgeräten kommen sowohl Massendurchfluss-Sensoren als auch Differenzdrucksensoren zum Einsatz.

Neuer Ansatz für Beatmungsgeräte: Zwei Sensorelemente für unterschiedliche Druckbereiche in einem Gehäuse

Wie gut ein Beatmungsgerät funktioniert, hängt maßgeblich von den eingesetzten Sensoren ab. Sie erfassen nicht nur das Atemmuster, sondern regulieren auch den Gasstrom.  Dafür kommen Massendurchfluss- und Differenzdrucksensoren in Frage. 

Ein wichtiges Qualitätskriterium von Beatmungsgeräten ist die Steuerung (Triggerung). Sie muss das Einatmen eines Patienten mithilfe eines Flowtriggers über den gesamten Strömungsbereich hinweg exakt erkennen, von kleinsten Strömungen um den Nullpunkt bis hin zu einem Durchfluss von mehreren 100 l/min. Diese Aufgabe übernehmen Sensoren für die Druck- oder Durchflussmessung. 

Um den Volumendurchfluss zu ermitteln, kommen mehrere Arten von Sensoren in Betracht:

  • thermische Massendurchfluss-Sensoren 
  • durchflussbasierte Differenzdrucksensoren
  • piezoresistive Differenzdrucksensoren
  • durchflussbasierte Differenzdrucksensoren auf MEMS-Basis
     

Fotos

Ein neuer Trend bei durchflussbasierten Differenzdrucksensoren für die Medizintechnik sind Versionen mit zwei Sensorelementen für hohe Dynamik im Druckbereich bis 5.000 Pa. Im Bild zu sehen ist ein Sensor aus der LHD-Serie.
Prinzip der thermischen Massendurchflussmessung : Dabei wird der Gasstrom mit einem Heizelement geringfügig erwärmt, das zwischen temperaturempfindlichen Widerständen platziert ist.
Struktur eines piezoresistiven Differenzdrucksensors: Er ist für Messbereichsendwerte zwischen 1 mbar und 10 bar ausgelegt.

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Thermische Massendurchfluss-Sensoren

Bei thermischen Massendurchfluss-Sensoren wird der Gasstrom mit einem Heizelement geringfügig erwärmt, das zwischen temperaturempfindlichen Widerständen platziert ist. Verschiebt die Strömung das Temperaturprofil des Mediums, erfassen die Widerstände die Temperaturdifferenz und wandeln sie in ein Spannungssignal um. 

Für den Einsatz in Beatmungsgeräte sind kurze Ansprechzeiten von unter 2 ms sowie eine hohe Auflösung wichtig. Außerdem sollten die Sensoren einen großen Dynamikbereich aufweisen und für Messungen im Bereich bis zu 300 l/min ausgelegt sein. Bei der Auswahl sollten die Hersteller zudem darauf achten, ob der Anbieter kundenspezifische Versionen zur Verfügung stellen kann. Dies gilt beispielsweise für die Kalibrierung und Programmierung der Sensoren. 

Eine Alternative sind Sensoren, die den Volumendurchfluss indirekt anhand des Druckabfalls über einem Strömungselement ermitteln. Dazu zählen durchflussbasierte Differenzdrucksensoren sowie piezoresistive Differenzdrucksensoren.

Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren

Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren arbeiten nach dem Prinzip der thermischen Massendurchflussmessung von Luft durch einen kleinen Strömungskanal. Zu beachten ist, dass bei herkömmlichen durchflussbasierten Differenzdrucksensoren der Strömungskanal und damit der Gasfluss durch das Kunststoffgehäuse des Sensors bestimmt werden. Ein Strömungskanal auf der Chip-Ebene (MEMS-Sensoren) ermöglicht es dagegen, variable und kompakte Gehäuse zu designen. Hinzu kommt, dass sich Sensoren auf MEMS-Basis mit kostengünstigen Halbleiter-Technologien produzieren lassen.

Im Strömungskanal ist ein Heizelement zwischen zwei temperaturempfindlichen Widerständen angeordnet (einer stromaufwärts, einer stromabwärts). Tritt zwischen den Anschlüssen ein Druckunterschied (Differenzdruck) auf, strömt Gas durch den Sensor und das Temperaturprofil verschiebt sich in Richtung des stromabwärts gelegenen Widerstands. Die Folge ist ein Temperaturunterschied zwischen den Widerständen, der wiederum ein Signal generiert.

Das Sensorelement kann in der Hauptströmung oder in einem Bypasskanal angeordnet werden. In der Anwendung wird die Atemluft durch eine Verengung mit einem geringen Strömungswiderstand gelenkt. Das lässt sich mit einer Blende oder einem laminaren Strömungselement erreichen. Über dem Element entsteht ein Druckabfall, der als Maßstab für die Stärke des Atemstroms dient und in einem Bypass gemessen werden kann.

Piezoresistiv versus durchflussbasiert

Bei piezoresistiven Differenzdrucksensoren wird der Druck mit einer dünnen Silizium-Membran ermittelt, in die Widerstände integriert sind. Liegt ein Gasdruck an, verformt sich die Membran und erzeugt bei den Widerständen den piezoresistiven Effekt: Der Widerstand und damit die elektrische Spannung ändern sich. Diese Änderung wird in Mess-Signale umgesetzt. Zu den Vorzügen von piezoresistiven Differenzdrucksensoren zählen die große Empfindlichkeit von wenigen Millibar, die hohe Gesamtgenauigkeit und der hohe Messbereichsendwert von 1 mbar (100 Pa) bis 10 bar. Hinzu kommen die geringen Hysterese-Effekte. 

Dagegen punkten durchflussbasierte Differenzdrucksensoren mit Messbereichsendwerten ab 25 Pa und einer hohen Nullpunkt- und Langzeitstabilität. Auch dann, wenn längere Verbindungsschläuche und Filter eingesetzt werden, bleibt die Messgenauigkeit erhalten. Denn bei Sensoren mit einem hohen pneumatischen Widerstand ist die Strömung durch den Sensor und die Verbindungsschläuche niedrig.

Im Vergleich zu herkömmlichen durchflussbasierten Sensoren fällt somit auch die Menge der feuchten Atemluft, die kondensieren kann, geringer aus. Das verhindert, dass die Messung durch Tröpfchenbildung in den Schläuchen und dem Sensor beeinträchtigt wird.

Das Beste aus zwei Welten

Damit der Atemvorgang des Patienten nicht beeinträchtig wird, muss der Strömungswiderstand bei einem Beatmungssystem mit durchflussbasierten Differenzdrucksensoren möglichst gering sein. Daher fallen auch die Differenzdrücke niedrig aus. Bei einem Atemfluss von etwa 0,1 l/s bei spontaner Atmung und 7 l/s bei forcierter Ausatmung liegen die Differenzdruckwerte zwischen unter 100 Pascal und einigen 1.000 Pascal (100 Pascal = 1 mbar).  Erforderlich sind somit Sensoren, die Drücke ab 25 Pascal messen. Hinzu kommt, dass die Sensoren auch niedrige Atemströme mit einer hohen Auflösung im unteren Druckbereich erfassen müssen. Gleichzeitig sollten Messungen im Dynamikbereich von >10.000 möglich sein. 

Wichtig ist zudem ein hoher pneumatischer Widerstand von bis zu 200.000 Pa (ml/s). Dadurch ergibt sich ein geringer Gasfluss durch den Sensor von nur 120 bis 180 μl/min. Diese Werte erreichen durchflussbasierte Sensoren mit einem im Siliziumchip integrierten Strömungskanal. Deshalb verhalten sich diese Sensoren bei der Volumendurchfluss-Messung ähnlich wie membranbasierte Differenzdrucksensoren, verlieren jedoch nicht den Vorteil der hohen Empfindlichkeit nahe des Nullpunkts. 

Mittlerweile sind durchflussbasierte Differenzdrucksensoren auf MEMS-Basis verfügbar, die zwei Sensorelemente für unterschiedliche Druckbereiche in einem Gehäuse vereinen. Der Hauptvorteil dieser Komponenten ist die hohe Dynamik bei einem Druckbereich von 0 bis 5.000 Pa. Das eine Sensorelement löst Druckschwankungen unter 50 Pa auf, das zweite erweitert den Messbereich auf bis zu 5.000 Pa. Damit muss der Anwender nicht mehr entscheiden, ob er im unteren oder oberen Bereich einer Anwendung hoch präzise messen möchte.

Autor: Hauke Dierksheide ist Product Manager bei First Sensor

Links

Sensoren für Beatmungsgeräte von First Sensor: 

  • Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren: LDE- und LME-Serie
  • Piezoresistive Differenzdrucksensoren: HCLA- und HDI-Serie
  • Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren auf MEMS-Basis: LHD-Serie 

Mehr Informationen zu den einzelnen Sensoren finden Sie auf der Seite des Herstellers

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