Sowohl in medizinischen Geräten als auch in klimatechnischen Systemen werden Differenzdrucksensoren mit Druckbereichen von wenigen mbar zur Bestimmung des Volumendurchflusses eingesetzt. 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. Ein wichtiges Leistungsmerkmal hochwertiger Beatmungs- und Atemtherapiegeräte ist beispielsweise die frühzeitige Erkennung der Atemphasen des Patienten. Die eingesetzte Sensorik muss daher sehr kleine Strömungen um den Nullpunkt des Atemflusses sicher erkennen. In der Klimatechnik sind Sensoren ein zentrales Element für den energieeffizienten und wirtschaftlichen Betrieb der Anlagen.
Auf einen Blick
Die Messung von Druckunterschieden im Bereich weniger mbar ist eine Anforderung in der Medizintechnik und Klimatechnik zur Bestimmung des Volumendurchflusses. Gegenüber bisheriger Methoden zur Differenzdruckmessung hat First Sensor die durchflussbasierten LDE/LBA-Differenzdrucksensoren entwickelt, deren Strömungskanal im Sensor-Halbleiterchip integriert ist. Dies erlaubt sehr hohe pneumatische Widerstände, sehr kleine Fertigungstoleranzen und die kostengünstige Herstellung der Sensorchips in Halbleitermassenfertigung. Die neuen Sensoren gewährleisten eine hohe Messgenauigkeit und lange Lebensdauer auch in staubbeladenen Anwendungen und Einsatzbereichen mit hoher Luftfeuchtigkeit.
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 mithilfe eines empfindlichen Differenzdrucksensors gemessen werden. Dazu wird der Sensor beispielsweise über Schläuche mit der Hauptströmungsleitung verbunden, wodurch sich ein Abzweig, ein sogenannter Bypass, bildet.
Durchflussbasierte Druckmessung
Die durchflussbasierten LDE/LBA-Differenzdrucksensoren von First Sensor basieren auf dem bewährten Prinzip der Differenzdruckmessung mittels thermischer Massendurchflussmessung. Im Gegensatz zu herkömmlichen durchflussbasierten Differenzdrucksensoren nutzen die LBA/LDE-Sensoren jedoch eine völlig 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 in der 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 um 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.
Strömungskanal auf Chip-Ebene
Die LDE/LBA-Differenzdrucksensoren vermeiden diese Probleme, indem sie den Strömungskanal auf Chip-Ebene integrieren. Mithilfe einer neuartigen MEMS-Sensortechnologie wird dabei während des Halbleiterprozesses ein miniaturisierter Strömungskanal in den nur zirka 4 mm2 großen Silizium-Chip geätzt. Dies erlaubt sehr hohe pneumatische Widerstände von bis zu 200 kPa/(ml/s), äußerst kleine Fertigungstoleranzen und die kostengünstige Herstellung der Sensorchips in Halbleitermassenfertigung.
Wegen der sehr hohen pneumatischen Impedanz fließen nur geringste Mengen Luft durch den Sensor (maximal 120 bis 180 µl/min), also um den Faktor 1000 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.
Kein Einfluss durch Filter und Schläuche
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 ausschließlich vom sehr hohen Strömungswiderstand der Sensoren bestimmt wird, sind Länge und Durchmesser der Verbindungsschläuche beziehungsweise eingesetzte Filter vernachlässigbar. Die LDE/LBA-Sensoren lassen sich daher problemlos mit anderen pneumatischen Elementen im Nebenzweig verwenden, ohne ihre hohe Messgenauigkeit zu verlieren.
Unempfindlich gegenüber Staub und Feuchtigkeit
Werden durchflussbasierte Sensoren in der Klimatechnik eingesetzt, können Staubpartikel ins Innere des Sensors gelangen und sich an den Wänden des Strömungskanals ablagern. In vielen medizintechnischen Geräten wie Beatmungsgeräten, Spirometern, Schlafdiagnosegeräten und Sauerstoffkonzentratoren besteht die Gefahr, dass die feuchte Atemluft des Patienten innerhalb des Geräts kondensiert und sich in den Verbindungsschläuchen zum Sensor oder im Sensor selbst niederschlägt. Dies kann zu einem Messfehler oder im schlimmsten Fall zu einer kompletten Verstopfung des Sensors führen.
Aufgrund des sehr hohen pneumatischen Widerstands der LDE/LBA-Drucksensoren ist die Strömung durch den Sensor und seine Verbindungsschläuche sehr niedrig. Hieraus ergibt sich, dass die Gesamtmenge staubbeladener oder feuchter Luft gegenüber herkömmlichen durchflussbasierten Sensoren auf ein absolutes Minimum reduziert ist. Die LDE/LBA-Differenzdrucksensoren von First Sensor gewährleisten somit eine hohe Messgenauigkeit und lange Lebensdauer auch in staubbeladenen Anwendungen und Einsatzbereichen mit hoher Luftfeuchtigkeit.
Dr. Adriano Pittarelli
(pet)
