Niedrigst-Differenzdrucksensoren für Beatmungs- und Atemtherapiegeräte Trotzen Staub und Feuchtigkeit - Quality Engineering

Niedrigst-Differenzdrucksensoren für Beatmungs- und Atemtherapiegeräte

Trotzen Staub und Feuchtigkeit

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Ein wichtiges Leistungsmerkmal von Beatmungs- und Atemtherapiegeräten ist das frühzeitige Erkennen der Atemphasen des Patienten. Die eingesetzte Sensorik muss daher kleinste Strömungen um den Nullpunkt des Atemflusses sicher erkennen. Zum Einsatz kommen Differenzdrucksensoren mit Druckbereichen von wenigen Millibar zur Bestimmung des Volumendurchflusses.
Für OEM-Geräteanwendungen in der Medizintechnik werden zunehmend neue Sensortechnologien mit höchster Messempfindlichkeit, Genauigkeit und Langzeitstabilität gefordert, die die Leistungsfähigkeit der Systeme verbessern. Die Sensoren müssen für die besonderen Anforderungen wie Feuchtigkeit, Staub oder Partikel in der Strömung ausgelegt sein und sollten einfach und platzsparend in OEM-Systeme zu integrieren sein.
Eine typische Methode zur Bestimmung des Volumendurchflusses ist die Messung eines in der Strömungsleitung erzeugten Differenzdrucks. Der Strömungskanal wird zum Beispiel durch ein laminares Strömungselement oder eine Blende künstlich verengt, wodurch es zu einem Druckabfall in der Strömung kommt, die ein Maß für den Volumendurchfluss ist. Dieser geringe Druckabfall über dem Strömungselement kann mit Hilfe eines empfindlichen Differenzdrucksensors gemessen werden. Dazu wird der Sensor beispielsweise über Schläuche mit der Hauptströmungsleitung verbunden, wodurch sich ein Abzweig (Bypass) bildet.
First Sensors durchflussbasierte LDE/LBA-Differenzdrucksensoren basieren auf dem bewährten Prinzip der Differenzdruckmessung mittels thermischer Massendurchflussmessung. Im Gegensatz zu herkömmlichen durchflussbasierten Differenzdrucksensoren nutzen diese Sensoren jedoch eine neuartige MEMS-Sensortechnologie, die den Strömungskanal im Sensor-Halbleiterchip integriert.
Durchflussbasierte Drucksensoren werden wegen ihrer hohen Messempfindlichkeit für kleinste Differenzdrücke schon seit längerer Zeit in der Medizintechnik und Industrie eingesetzt. Ihre Einschränkungen stellten aber bisher für die Geräteentwickler zum Teil große Herausforderungen und beträchtlichen Entwicklungsaufwand dar. Speziell Feuchtigkeit, Staub 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.
Die Strömung durch den Sensor wird vom Druckunterschied zwischen seinen Anschlüssen und von seinem Strömungswiderstand bestimmt. Das Sensor-Ausgangssignal ist daher ein Maß für den anliegenden Differenzdruck. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass der Strömungswiderstand des Sensors möglichst groß ist, um die Strömung in der Bypass-Leitung so klein wie möglich 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 starken Toleranzen während der Herstellung und Montage.
Strömungskanäle auf Chipebene
First Sensors LDE/LBA-Differenzdrucksensoren vermeiden diese Probleme, indem sie den Strömungskanal auf Chip-Ebene integrieren. Mit Hilfe der neuen MEMS-Sensortechnologie wird dabei während des Halbleiterprozesses ein miniaturisierter Strömungskanal in den nur circa 4 mm² großen Silizium-Chip geätzt. Dies erlaubt sehr hohe pneumatische Widerstände von bis zu 200 kPa/(ml/s), extrem kleine Fertigungstoleranzen und die kostengünstige Herstellung der Sensorchips in Halbleitermassenfertigung. Wegen der sehr hohen pneumatischen Impedanz fließen nur geringste Mengen Luft durch den Sensor (max. 120–180 µl/min), 1000-fach weniger als bei vergleichbaren durchflussbasierten Differenzdrucksensoren. In Bezug auf die Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und Verschmutzung verhalten sich die LDE/LBA-Sensoren daher annähernd wie membranbasierte piezoresistive Differenzdrucksensoren, bei denen gar keine Luft durch den Sensor strömt.
Bei der Volumenstrommessung nach dem Differenzdruckverfahren wird der Sensor über Schläuche oder andere Zuleitungen in einem Nebenzweig angeschlossen. Durchflussbasierte Sensoren werden in der Medizintechnik und Klimatechnik häufig mit einem vorgeschalteten Filter geschützt. Jedes pneumatische Element zwischen der Hauptströmungsleitung und den Druckanschlüssen des Sensors stellt einen Widerstand dar, der zu einem Druckverlust führt. Der Drucksensor misst dadurch einen Differenzdruck, der niedriger ist als der tatsächliche Druckabfall über dem Strömungselement. Für herkömmliche durchflussbasierte Sensoren wird daher oft eine maximale Schlauchlänge empfohlen, die nicht überschritten werden sollte beziehungsweise eine Korrekturformel angegeben um den Druckabfall im Schlauch zu kompensieren. Da die Bypass-Strömung bei der Verwendung der LDE/LBA-Differenzdrucksensoren praktisch ausschließlich vom sehr hohen Strömungswiderstand der Sensoren bestimmt wird, sind Länge und Durchmesser der Verbindungsschläuche beziehungsweise eingesetzte Filter vernachlässigbar. Die Sensoren lassen sich daher problemlos mit anderen pneumatischen Elementen im Nebenzweig verwenden, ohne ihre hohe Messgenauigkeit zu verlieren. ■
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