BRPI1006205B1

BRPI1006205B1 - câmara de ar de medição com um chip sensor e método para a medição da concentração de pelo menos um componente de um gás

Info

Publication number: BRPI1006205B1
Application number: BRPI1006205-0A
Authority: BR
Inventors: Martijn Schellekens; Josephus Arnoldus Henricus Maria Kahlman; Martinus Bernardus Van Der Mark; Peter Dirksen; Hans Willem Van Kesteren
Original assignee: Koninklijke Philips N.V.
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2021-01-26
Also published as: EP2411799A2; WO2010109363A2; WO2010109363A3; JP5771181B2; US20110314897A1; CN102362178A; US8689606B2; JP2012521251A; EP2411799B1; BRPI1006205B8; CN102362178B; BRPI1006205A2

Abstract

CHIP SENSOR DISPOSTO DENTRO DE UMA CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO PARA A ANÁLISE DE UM GÁS, MÉTODO PARA A MEDIÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE PELO MENOS UM COMPONENTE DE UM GÁS E CHIP DE MEDIÇÃO DE CONSTITUINTES DO AR DISPOSTO DENTRO DE UMA CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO. Um chip sensor (1030) para gás tem células (200) para a emissão e a recepção de ultrassom, e é configurado para uma faixa de frequência suficientemente grande e para a medição da concentração de pelo menos um dos componentes do gás com base em pelo menos duas respostas dentro de uma faixa. A faixa de frequência pode ser alcançada pela variação de tamanho das membranas da célula (230), o que varia as tensões de polarização, e/ou varia a pressão de ar para um conjunto (205) de microfones cMUTs ou MEMS. O chip sensor pode ser aplicado, por exemplo, na capnografia. A câmara de ar de medição (515) é implementada na via respiratória (400), e ela e/ou a via pode ser projetada para reduzir a turbulência no ar expirado (120) suje i to à interrogação de ultrassom. O chip (1030) pode ser implementado como auto-suficiente na monitorização de parâmetros, evitando a necessidade de sensores off-chip.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere à análise com ultrassom de gás de constituintes múltiplos e, mais particularmente, ao uso de um único chip para realizar a análise.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

A análise do ar expirado é uma importante ferramenta de monitoramento em ambientes hospitalares modernos. Através da análise de propriedades mecânicas dos fluidos tais como o fluxo e o volume, informações sobre as funções pulmonares podem ser extraídas. Uma vez que os pulmões são o local onde há a troca de gases entre o sangue e o ar, a diferença entre os principais constituintes do ar, tais como O2, CO2 e H2O, entre o ar inspirado e o ar expirado é indicativa dos gases do sangue arterial. Além disso, a difusão no sangue dos agentes anestésicos pode ser seguida através da análise da respiração. Finalmente, os marcadores de traço, tais como NO, podem se relacionar com patologias dos pulmões ou das vias aéreas.

A medição de CO2 no ar expirado é conhecida como capnografia. O dióxido de carbono é produzido no corpo através do metabolismo aeróbico. Em seguida, ele é transportado pela corrente sanguínea para o coração e, em seguida, para os pulmões antes de ser expirado. Se o paciente está em um respirador, o CO2 continua ao longo de uma via respiratória até o respirador. Em trânsito ou no respirador, o nível de CO2 é medido. O CO2 é removido, e O2 é fornecido no ciclo de volta ao sistema respiratório do paciente. O oxigênio é absorvido pelos pulmões para a corrente sanguínea. 0 sangue é bombeado pelo coração, transportando, assim, o oxigênio pelo corpo. O ciclo continua enquanto as células do corpo produzem o C02 que ê então transportado pela corrente t 5 sanguínea.

As medições de capnografia são particularmente importantes em procedimentos de emergência e cirúrgicos, e na assistência respiratória de longo prazo.

É preciso identificar o posicionamento correto de 10 um tubo endotraqueal ou de uma máscara laríngea. A falha na detecção de um posicionamento defeituoso pode ser muito séria ou fatal.

A ASA (Sociedade Americana de Anestesiologia) recomenda a capnografia para todo paciente que recebe 15 anestesia geral, e, mais geralmente, para o monitoramento e a identificação contínuos do posicionamento correto de tubos ou máscaras, com respeito ao paciente que estabelece uma via respiratória cíclica.

O nível de CO2 no ar expirado é um indicador que 20 ajuda no diagnóstico de hipóxia, ou seja, oxigênio insuficiente no sangue, de modo que as contramedições podem ser rapidamente tomadas antes que o indivíduo médico sofra danos cerebrais irreversíveis. A hipóxia pode ocorrer quando, por exemplo,, um paciente consciente, mas sedado, fica super > 25 sedado e perde a consciência, o que resulta em obstrução respiratória. Em tal situação, obstrução respiratória pode ser detectada precocemente através de capnografia, enquanto que a hipóxia (que é detectável através de oximetria de pulso) ocorre muito mais tarde, quando o tempo restante para 30 remediar a situação é curto.

A capnografia pode, por exemplo, detectar também a insuficiência circulatória, por exemplo, a parada cardíaca. Se o sangue não é distribuído para os pulmões, o nível de CO2 no ar expirado cai. Isto pode ser detectado precocemente através de capnografia, de modo que a reanimação pode ser iniciada. 0 C02 também é o principal contribuinte para o I 5 nível de pH no sangue. 0 corpo regula a taxa de respiração de acordo com o nível de pH.

Outros constituintes principais do ar são o oxigênio, o vapor de água e o nitrogênio. Os níveis de oxigênio, assim como os níveis de dióxido de carbono, têm 10 importância clínica, mas podem ser monitorados de forma adequada no lado de entrada (ou seja, a inspiração) . Em algumas circunstâncias, os níveis de vapor de água também assumem importância clínica, assim como acontece com o paciente asmático. 15 Outros gases encontrados no ar expirado incluem o etanol, ingerido através de uma substância líquida, e os vapores anestésicos, tendo o anestésico sido administrado no preparo da cirurgia, e sendo fornecido de forma contínua em níveis mais baixos durante o procedimento. 2 0 A capnografia pode ser feita em qualquer uma das duas realizações de medição distintas, ou seja, a realização de corrente principal e a realização de corrente lateral. Na realização de corrente principal, o dispositivo sensor de gás é colocado no tubo que vai para as vias aéreas do paciente. * 25 Ele mede o todo o fluxo, e tem uma resposta rápida. É necessário, porém, que um tubo endotraqueal esteja sendo colocado no paciente. A realização de corrente lateral, por outro lado, utiliza um pequeno tubo que extrai, em um ritmo contínuo, o ar das vias aéreas do paciente. Esse ar vai 3 0 então, através de uma linha de amostra, para um módulo de impedimento no qual o sensor é colocado. Devido ao transporte de gás, a realização de corrente lateral tem uma resposta mais lenta do que a realização de corrente principal, ainda pelo posicionamento do tubo à direita na saída do nariz e da boca, no qual a corrente lateral provê uma técnica menos invasiva. No entanto, desde a introdução das linhas de amostra de volume muito baixo, a resolução de tempo mais I 5 baixa associada à corrente lateral não é mais válida.

A primeira análise dos gases com ultrassom remonta à década de 1920, quando tanto os transdutores de ultrassom de quartzo como os de frequências estáveis se tornaram amplamente disponíveis. 10 A tecnologia de detecção geralmente utilizada para a detecção de CO2 (capnografia) é a absorção de Infravermelho Não Dispersivo (NDIR) de 4,3 nanômetros (nm) (por exemplo, o comprimento de onda absorvido pelo CO2) . Ela é tida como a única tecnologia que atende às exigências de tempo e 15 resolução (60-100 ms) e de especificidade. A detecção de substâncias químicas também é possível, e geralmente mais barata, mas traz constantes de tempo classicamente mais longas, o que impede que as exigências de tempo e resolução sej am cumpridas. 20 Uma dificuldade com o ultrassom reside na capacidade de um sólido para transferir seu movimento a um meio gasoso. Esta transferência é geralmente muito ineficiente em termos de energia, por causa de uma diferença de impedância entre o transdutor de ultrassom e o meio * 25 gasoso.

Os transdutores piezoelétricos são normalmente utilizados para transmitir e receber ultrassom, mas encaram esta ineficácia se o meio é gasoso.

O transdutor de ultrassom microcontrolado 30 capacitivo (cMUT) provê uma melhor correspondência de impedância com o meio fluido.

Os pesquisadores da Universidade Bilkent realizaram estudos com cMUTs em meios fluidos para aplicações de carregamento de ar. "Stagger tuned cMUT array for wideband airborne application," Selim Oleum et al., 2006 IEEE Ultrasonics Symposium, pg. 2377. Eles descobriram que, uma vez que a frequência central de um elemento cMUT depende de I 5 seu tamanho radial, uma largura de banda de 60% no ar é possível quando cMUTs de diferentes tamanhos são conectados * em paralelo. A utilização de mais elementos transdutores com raios de células diferentes ainda aumenta a largura de banda, mas o estudo não indica em quanto.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

No caso de um gás molecular, a energia de translação associada a uma onda de ultrassom também pode ser transferida para os níveis de energia rotacionais e vibracionais das moléculas. Como existe uma constante de 15 tempo envolvida, isto resulta, através de um processo de relaxamento, em uma absorção e uma velocidade sonora dependente da frequência. Como a realização rotacional e vibracional depende da molécula, e os mecanismos de transferência dependem das espécies envolvidas nas colisões, 20 a medição das propriedades espectrais não-clássicas do som faz com que seja possível distinguir os diferentes gases. Em particular, o CO2 tem uma assinatura interessante em termos de velocidade do som e absorção, em pressão e temperatura normal. 4 25 Os transdutores de ultrassom de ar normalmente só operam em frequências fixas. Se alguém, portanto, quer estudar o desempenho espectral de um gás em diferentes frequências, deve implementar vários transdutores de ultrassom, ou deve modular isotermicamente a pressão interna 30 do gás (a partir de um ponto de vista teórico, a pressão isotérmica e as dependências de frequência são idênticas). A solução de transdutores múltiplos é difícil de ser implementada, uma vez que resulta em um sistema caro e volumoso quando utiliza os transdutores padrão. O método de mudança da isopressão é geralmente viável apenas em laboratório.

O uso de um dispositivo cMUT de frequências I 5 múltiplas para a análise de gás faz com que seja possível realizar um estudo espectral com um dispositivo único, barato e pequeno.

Embora, como observado pelos presentes inventores, tenha sido proposta a análise das concentrações de gás com 10 ultrassom, a utilização de uma única frequência acarreta um enorme problema: em uma frequência única só é possível medir um Tempo de Voo (TOF) e um coeficiente de absorção. Isso corrige no máximo 2 graus de liberdade no gás. 0 ar compreende 4 componentes principais: N2, O2, H20 e CO2 que, em 15 combinação com a pressão, a temperatura, e o fluxo, leva o número de parâmetros a 7.

Os mais modernos analisadores de gás de frequência única compreendem sensores extra - sensores distribuídos - para compensar o fluxo, a umidade, e a temperatura, que os 20 tornam caros, complexos, sensíveis a falhas e de manutenção intensiva.

Além disso, enquanto uma medição de ultrassom é necessariamente uma medição de volume, sensores de temperatura e umidade muitas vezes implicam uma medição de 25 superfície. Isso as torna inadequadas para a aplicação de capnografia.

Como os presentes inventores observaram, os transdutores de ultrassom on-chip de tamanho pequeno não podem ser usados para as medições de capnografia por causa 30 das grandes dimensões necessárias da câmara de ultrassom para evitar turbulências e, consequentemente, do grande comprimento de propagação.

As duas principais razões são que os transdutores de tamanho pequeno (1) não são capazes de gerar energia suficiente para superar o amortecimento em vias grandes, e são (2) menos capazes de gerar uma onda sonora paralela, de modo a que os reflexos tenham dificuldade de se concentrar em 5 um sensor.

Apesar dos benefícios do uso de dispositivos de US (ultrassom) para capnografia, por exemplo, uma solução mais econômica que sensores ópticos, traz um novo problema: ou seja, o fluxo de gás turbulento afeta fortemente a propagação 10 das ondas sonoras. No mais moderno sistema de capnografia das vias aéreas de base óptica ou eletro-química, o fluxo nos tubos de % de polegada (1,905 centímetros) de diâmetro é turbulento, mas isso não é problema para a medição em si.

Ao adaptar esse sistema de vias aéreas a um sensor 15 de capnografia com base em ultrassom, o sinal se torna instável, e é necessária uma média extensiva. Este, por sua vez, retardará o tempo de resposta do dispositivo, a partir de onde um ponto de vista de diagnóstico é necessário para se obter uma resposta relativamente rápida. 20 A turbulência perturbará o caminho, bem como a velocidade efetiva do som através do gás sob exame. Assim, o ruído será introduzido à medição da velocidade do som e à absorção de som ao longo do caminho pré-definido, em especial se o tempo de medição for curto e a média suficiente não 25 puder ocorrer.

Normalmente, em um tubo ou canal longo uniforme, prevê-se que a turbulência pode ocorrer quando o número de Reynolds é superior a 2400. O número de Reynolds é uma medida em mecânica dos fluidos da relação entre as forças inerciais 30 e as forças viscosas.

O número de Reynolds Re é aqui definido como segue:

• u = velocidade típica do fluxo [m/s] • D = diâmetro típico do tubo [m] • Po = viscosidade do ar = 1.846 *10“* [kg/ms] . • Po - densidade do ar =1.2 [kg/ m3] . ' 5 • q = viscosidade cinemática do ar = l,511x!0's [m2/s].

Todos os parâmetros são dependentes de temperatura e umidade. A fim de estar no regime laminar, portanto, sem turbulências, o número de Reynolds deve ser inferior a 2400. 10 (No caso de dutos retangulares, o número de

Reynolds é definido na forma conhecida pelos técnicos no assunto.)

Além disso, em interfaces, constrições, expansões, dobras ou deformações, podem ser introduzidas alterações de 15 impedância e, consequentemente, turbulência. Além disso, as variações de fluxo rápido (devido à respiração) pronunciam muito a degradação de sinal, por causa do aparecimento de turbulências descontroladas.

Para colocar o problema em perspectiva: em um 20 sistema padrão de capnografia de corrente principal com base em NDIR (sensor de infravermelho não dispersivo) da Respironics™, o pico de fluxo de fmax — 3 ltr/sn no volume de _ . , , , u = —z-r = 38 m/s medição U = lcm gera uma velocidade do ar πD3 , o que se compara com um furacão de categoria 1. Como resultado, uD Re = — = 25000 25 o número de Reynolds V e o fluxo sao altamente turbulentos. A relevância médica de tal pico de fluxo de furacão categoria 1 é óbvia: os sensores de capnografia devem medir o fluxo da forma da onda, incluindo os picos. O diâmetro mínimo da tubulação ®nunü para manter o 30 fluxo laminar pode ser encontrado por remanejamento da Lfmin — =— = LU.3 cm formula do numero de Reynolds: rjitKe em urn pico de fluxo f ~ 3 Itr/sg t

Como resultado, pelo menos a câmara de detecção deve ser muito grande e com fome de poder, o que bloqueia o 5 uso de dispositivos de ultrassom on-chip de tamanho pequeno. Além disso, isso torna a aplicação de dispositivos sensores de tamanho pequeno impossível.

Além disso, embora o estudo da Universidade de Bilkent acima mencionado proponha cMUTs para aplicações de 10 carregamento de ar, garantindo uma largura de banda de até 60% ou mais, os presentes inventores observaram que a faixa de frequência de 60% da largura de banda é pequena demais para a capnografia. Os presentes inventores ainda observaram que é muito difícil construir um transdutor de ultrassom com 15 largura de banda suficiente para cobrir uma faixa de frequência adequada para a capnografia, por exemplo, de 0,2 a 5 MHz, o que é suficiente ou, de preferência de 0,05 a 10 MHz.

Em um aspecto da presente invenção, um sistema 20 analisador gases múltiplos com um único chip evita os inconvenientes acima descritos. A presente invenção é direcionada a enfrentar as limitações das práticas correntes na análise de um gás de componentes múltiplos como, por exemplo, na capnografia. 25 Para melhor atender a uma ou mais destas preocupações, e de acordo com uma realização da presente invenção, um chip sensor de gás que compreende uma pluralidade de componentes é configurado com células para a emissão e a recepção de ultrassom, e é configurado para uma 30 faixa de frequência suficientemente grande, e para medir a concentração de pelo menos um dos componentes do gás plural, com base em pelo menos duas respostas dentro da faixa.

Em uma variação, as células possuem membranas para as ditas emissões e recepções, cada membrana com um tamanho, e os tamanhos de membrana diferindo de modo a permitir a medição da concentração. 5 Em uma variação alternativa ou suplementar, a constante de mola da membrana, que depende de fatores como a tensão de membrana, o campo elétrico, e a pressão do ar, podem ser variadas entre os transdutores, de forma a alterar suas frequências. A constante de mola k, de acordo com a lei 10 de Hooke, obedece à fórmula F = -kx, como é conhecido pelos técnicos no assunto.

Em outra variação alternativa ou suplementar, as células têm tensões de polarização que diferem de modo a perceber variações, entre as células, das respectivas 15 frequências, para permitir a medição da concentração.

Em um aspecto particular, o chip sensor é configurado para o gás cuja concentração deve ser medida, ajustando-se sequencialmente uma célula de uma faixa suficientemente ampla, variando a tensão de polarização para 20 a célula para, assim, recuperar as diferenças de pelo menos duas respostas.

Em implementações da presente invenção, uma medição da câmara de ar contém o chip sensor, que é configurado para ajustar a pressão do gás na câmara, e a câmara está . 25 configurada dimensionalmente para variar seletivamente, célula por célula, a pressão do gás em relação à célula para, assim, alterar as frequências das ditas células, para alcançar a medição da concentração de pelo menos um componente do gás. 30 A faixa de frequência, de acordo com uma versão da invenção, se estende de 50 kHz a 10 MHz.

Em uma realização, uma ou mais das células são configuradas como um dispositivo capacitivo que pode ser, por exemplo, microfones cMUTs (transdutores de ultrassom micro usinados capacitivos) ou MEMS (sistemas micro eletro- mecânicos).

Em outro aspecto, o chip sensor é configurado para 5 a medição da concentração de todos os componentes do gás.

A invenção pode ser percebida como um sensor de capnografia para a medição do nível de dióxido de carbono no ar expirado.

Como uma variação particular dele, o fluxo de ar é 10 o ar exalado, sendo o chip sensor configurado para determinar o tempo de vôo do ultrassom, e de tal forma que a medição da concentração de pelo menos um componente é realizada sem a necessidade de um sensor off-chip.

Em outro aspecto, um chip sensor é projetado para 15 emitir ultrassom no ar que flui através das membranas, sendo as células dispostas em uma direção do fluxo.

Em outro aspecto, um chip sensor para uma via respiratória tem transdutores de ultrassom configurados para interrogar, de modo a receber pelo menos duas respostas entre 20 50 kHz e 10 MHz, e é configurado para combinar as respostas, de modo a medir a concentração de pelo menos um componente do ar na via respiratória.

Em uma realização do exposto, o primeiro dos transdutores emite um pulso que é posteriormente detectado 25 pelo segundo dos transdutores. 0 segundo transdutor, da mesma forma, emite um pulso que é posteriormente detectado pelo primeiro transdutor, sendo o fluxo de ar mensurável com base na comparação dos pulsos detectados.

Alternativamente, os transdutores são dispostos em 3 0 uma direção de fluxo de ar através do chip sensor para receber dados de retorno de uma onda de ultrassom divergente, sendo o chip sensor configurado para comparar os resultados dos transdutores em relação ao tempo de vôo e/ou à amplitude, para medir o fluxo de ar.

Como alternativa, pelo menos um transdutor de ultrassom da dita pluralidade é um dispositivo capacitivo com um par de placas separadas por um intervalo, sendo o chip sensor configurado para medir as capacitâncias das placas e, assim, determinar a pressão de ar e, portanto, o fluxo de ar.

Em outro aspecto da invenção, uma câmara de ar de medição é disposta, com respeito ao fluxo de ar, em comunicação com uma via respiratória. A câmara de ar tem um chip sensor que inclui transdutores de ultrassom para medir as respostas entre 50 kHz e 10 MHz. A câmara de ar também tem um perfil de impedância acústica de modo que o número de Reynolds em qualquer posição da câmara seja inferior a 2400, e para os fluxos respiratórios, entre -3 e +3 litros por segundo.

Em uma realização correspondente, a câmara de ar está configurada para medir o fluxo de corrente principal, e dimensionada com um diâmetro mínimo de 10,5 centímetros.

Em uma variação do acima exposto, a câmara de ar é dimensionada com um diâmetro mínimo de 10,5 centímetros, exceto que as extremidades longitudinais da dita câmara de ar afunilam-se em até 1,9 centímetros de diâmetro.

Como alternativa, a câmara de ar é configurada com uma passagem inferior para dividir o fluxo de ar e para refletir o ultrassom emitido pelo chip sensor, sendo o chip sensor disposto abaixo da passagem inferior.

Como uma variação disso, a passagem inferior pode ser configurada como uma cobertura on-chip.

Em uma versão particular da realização correspondente acima, a câmara de ar desvia uma parte do fluxo de ar da via respiratória para voltar à circulação na via respiratória. Além disso, a câmara de ar está configurada para cortar caminho de algumas das partes desviadas para um caminho no qual o chip sensor esteja localizado.

Ainda em outro aspecto, um chip de medição do ar- constituinte inclui um conjunto de transdutores com membranas flexíveis para a emissão e a recepção de ultrassom, tendo 5 cada membrana um tamanho. 0 chip é configurado para medir o fluxo de ar utilizando os transdutores em uma direção de fluxo de ar. O chip ainda é projetado para medir a temperatura por medição capacitiva com base em placa de transdutor e/ou por termopilhas on-chip ou elementos 10 resistivos. O chip é ainda configurado com tensões de polarização dos transdutores e/ou tamanhos de membrana diferentes, de modo a alcançar uma faixa de frequência de ultrassom suficiente e para, sem necessidade de sensores off- chip, medir as concentrações de nitrogênio, oxigênio, água e 15 dióxido de carbono no ar.

De acordo com estes e outros aspectos da presente invenção, a utilização de um transdutor de ultrassom todo de silício e on-chip permite que os problemas de largura de banda, consumo de energia, custo e peso sejam superados. Além 20 disso, a tecnologia cMUT é compatível com CMOS (semicondutor óxido metálico complementar), de modo que possa ser integrada ao sistema eletrônico para a geração de sinais e redução de dados. Por exemplo, é fácil integrar um sensor de pressão. Além disso, é adquirida flexibilidade na qual o chip de baixo 25 custo pode ser considerado como descartável.

Os detalhes do novo sensor de gases múltiplos com base em ultrassom estão estabelecidos mais adiante, com a ajuda dos desenhos a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A FIG. 1 é um diagrama conceituai e gráfico que faz um tipo de comparação entre as abordagens óptica e de ultrassom para a capnografia, de acordo com a presente invenção; A FIG. 2 é, ilustrativamente, um diagrama conceituai de um cMUT, um diagrama esquemático de um cMUT, e um conjunto de cMUT, todos de acordo com a presente invenção; A FIG. 3 é um exemplo de uma comparação gráfica 5 entre a frequência de ultrassom cMUT para o raio de membrana e a pressão do ar na capnografia, para a capacitância das placas de um sensor de capnografia cMUT, de acordo com a presente invenção; A FIG. 4 é um diagrama conceituai exemplar de 10 medição de fluxo por assimetria a montante e a jusante, de acordo com a presente invenção; A FIG. 5 é um diagrama conceituai que ilustra um exemplo de medição de fluxo por deslocamento de ondas sonoras, de acordo com a presente invenção; 15 A FIG. 6 é um diagrama conceituai que ilustra uma versão específica de restrição na seção transversal da câmara de ar para variar a pressão de ar, de acordo com a presente invenção; A FIG. 7 é um diagrama conceituai exemplar de um 20 algoritmo inteligente implementado on-chip para o parâmetro de medição on-chip, de acordo com a presente invenção; A FIG. 8 é um diagrama esquemático que retrata concepções particulares de uma câmara de ultrassom de grande diâmetro, de acordo com a presente invenção; 2 5 A FIG. 9 é um diagrama esquemático de um contorno de porta ideal, de acordo com a presente invenção; A FIG. 10 é um diagrama estrutural e funcional de uma passagem inferior na câmara de medição que mostra uma vista em corte transversal e lateral; 3 0 A FIG. 11 é outra versão da vista lateral da FIG. 10 que mostra o tubo com a extremidade se afunilando e a diminuição do diâmetro ao longo dele; A FIG. 12 é um diagrama conceituai que ilustra vistas laterais de coberturas on-chip configuradas em linha reta e para reflexões múltiplas; A FIG. 13 é um diagrama esquemático que exibe e exemplifica uma vista lateral do tubo de derivação para 5 reduzir a turbulência nos arredores do chip sensor; e A FIG. 14 é um diagrama conceituai que mostra uma * câmara de ar de medição colocada dentro de uma via respiratória, de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES

A FIG. 1 representa uma comparação conceituai e gráfica entre as abordagens óptica e de ultrassom para a capnografia, de acordo com a presente invenção.

O dióxido de carbono 110 absorve a luz IV (infravermelha) de um comprimento de onda específico, 4,3 nm. 15 Devido à quantidade de luz absorvida ser proporcional à concentração das moléculas de absorção, a concentração de CO2 é determinável por comparação entre a absorbância medida e a absorbância de um padrão conhecido. A concentração é expressa como uma pressão parcial (deCO2) em mmHg.

No contexto do ultrassom, um gás, em particular o CO2, tem um espectro de absorção característico. Observe que o CO2 no ar exibe um máximo de absorção entre 20 kHz e 2 MHz. Ao registrar o espectro de absorção, ou seja, ao registrar o coeficiente de absorção de ultrassom em relação à frequência , 25 de ultrassom, e ao medir a velocidade do som, os componentes de uma mistura de gás simples e suas concentrações podem ser determinados. Assim, é possível determinar a percentagem de CO2 no ar. Observe que a determinação do percentual de CO2 implica a determinação do percentual de outros constituintes 3 0 do ar, particularmente o percentual de H2O. Os graus de liberdade são determinados pela própria mistura de gás, com parâmetros adicionais, como pressão e temperatura. Assim, em uma mistura de N2 e CO2, por exemplo, em umidade, temperatura e pressão constantes, a concentração dos dois componentes pode ser determinada por apenas duas respostas de ultrassom, de acordo com a presente invenção, embora normalmente, mais de duas respostas possam ser combinadas, de acordo com a 5 presente invenção.

Como mostrado na FIG. 1, o ar exalado 12 0 (que contém CO2) flui 130 por um transdutor de ultrassom 140 e, em seguida, por um sensor óptico de CO2. (Esta é uma representação conceituai - um novo transdutor de ultrassom, 10 de acordo com a presente invenção, superaria a necessidade de um sensor óptico).

O gráfico demonstra que, uma vez que a concentração 15 0 de CO2 no ar aumenta (da esquerda para a direita na abscissa), a energia do sinal de RF (radiofrequência) 15 recebido é menor em magnitude. A diminuição se deve a maior atenuação, uma vez que um maior número de moléculas de CO2 está absorvendo o ultrassom. Uma vez que o gráfico plotado acompanha de perto uma função conhecida, o transdutor de ultrassom 140 pode substituir de forma confiável o sensor 20 óptico, com as vantagens acima mencionadas, por exemplo, menor custo.

Para a análise da composição do gás, a seletividade é realizada através do uso de várias frequências ultrassom, por exemplo, na faixa de 20 kHz a 5 MHz, de modo a registrar . 25 um espectro de ultrassom que é característico para a mistura de gases.

A FIG. 2 representa, a título de exemplo ilustrativo e não limitante, um diagrama conceituai de um cMUT, um diagrama esquemático de um cMUT 2 00, e um conjunto 3 0 2 05 de cMUT 200, todos de acordo com a presente invenção.

O cMUT pode ser fabricado com uma temperatura baixa, processo compatível com CMOS, de modo que pode ser integrado ao circuito de geração de sinal e redução de dados. 0 cMUT 200 inclui, por exemplo, um eletrodo inferior 210 embutido entre um substrato 215 e uma camada de isolamento de nitreto de silício 220. Um eletrodo superior 225 é embutido dentro de uma membrana de nitreto de silício 5 23 0. Apoiada por uma porção pós anular 231, uma membrana flexível ou uma superfície de interface de ultrassom 230 (com • um raio 232, 233, 234) e uma camada de isolamento 220 formam uma cavidade 235 entre elas. A cavidade 235 pode ser vedada a vácuo ou conter um gás. Os raios 232-234 são mostrados como 10 variando em tamanho, o que varia as respectivas frequências centrais das três cMUTs 200. Alternativamente, ou adicionalmente, uma tensão de polarização 240 pode ser aplicada entre os eletrodos 210, 225 para desviar a membrana 230, e pode ser variada entre os cMUTs 200 no conjunto de 15 cMUT 205, variando assim as respectivas frequências centrais. ‘ Em outras aplicações além da capnografia, na qual o tempo de resposta não é crítico, um único transdutor pode ser sintonizado em sequência ao longo de uma faixa suficientemente ampla, variando a tensão de polarização para 20 o transdutor para, assim, prover as frequências necessárias para analisar a concentração de constituintes de um determinado gás.

O conjunto de cMUT 205 pode ser implementado em um ASIC (circuito integrado de aplicação específica), ou um SoC « 25 (sistema on-chip) , que inclui um DSP (Processador de Sinal Digital) de bordo e, além do conjunto de transdutores 205, outros sensores como, por exemplo, as termopilhas e o radar. O chip sensor resultante pode ser flexível, e pode ser colado em laminado flexível, sendo o silício, em seguida, triturado.

A FIG. 3 exemplifica, de acordo com a presente invenção, uma comparação entre a frequência de ultrassom 310 do cMUT 200 e o tamanho de membrana e, em particular, o raio 320. Além disso, é mostrada na FIG. 3 uma comparação exemplar entre a pressão do ar 330 na capnografia e a capacitância 340 das placas 220, 230 de um sensor de capnografia de cMUT 200, de acordo com a presente invenção. No caso mais simples (baixa tensão de condução AC, baixa tensão DC), o modo de menor frequência de vibração é:

no qual

a rigidez flexural.

Devido às não-linearidades, a frequência de ressonância se desloca em função das tensões aplicadas, o que pode ser beneficamente utilizado para ajustar o transdutor (um fator 4 é demonstrado).

A frequência do cMUT é controlada pelos seguintes parâmetros: a) parâmetros de projeto: R = raio da membrana 332, como mostrado na FIG. 3 b) parâmetros de material: h = espessura; E = módulo de Young; V = Distribuição de Poisson

Em uma pastilha, a espessura das camadas dielétricas e das constantes do material é fixa.

O raio 332 do cMUT 200 é usado para controlar a frequência 310. Assim, é possível variar a frequência de 310 dentro de um único cubo e fabricar um cMUT 200 de banda larga que cobre toda a faixa de frequência alvo.

A FIG. 3 mostra ainda um gráfico de resposta simulada de pressão de ar 330 na capnografia para a capacitância 340 das placas 220, 230 de um sensor de capnografia do cMUT 200. A maior pressão de ar 33 0 (aqui mostrada em unidades de bars) pressiona as placas 220, 230 mais para perto, aumentando assim a capacitância 340 (aqui mostrada em unidades de pF (picofarads)).

Outro dispositivo capacitivo que pode ser usado para enviar e receber o ultrassom é um microfone MEMS. Este dispositivo é normalmente usado para áudio (para o qual se deseja uma resposta plana), e foi destinado para as 5 frequências de áudio abaixo de 15 kHz. O cessionário do presente pedido de patente descobriu que o microfone MEMS pode ser operado no "modo ressonante" em fator Q baixo, de cerca de um, para, assim, alcançar uma largura de banda grande, em torno de, por exemplo, 100 kHz, e que as 10 frequências ainda mais altas podem ser alcançadas com a alteração dos parâmetros de membrana (como seu diâmetro, espessura e estresse) para permitir a medição do gás.

A FIG. 4 é um retrato exemplar de medição de fluxo . por assimetria a montante e a jusante, de acordo com a 15 presente invenção. O fluxo 130 poderia estar ocorrendo em uma via aérea ou via respiratória que inclui a tubulação, a máscara, ou outros apetrechos que levam a e vêm de um respirador ao qual um indivíduo médico está conectado.

Através da combinação de uma pluralidade de 20 transdutores de ultrassom 200 em um único cubo (chip, laminado flexível) o novo sistema analisador de gases múltiplos pode determinar a concentração 150 de uma matriz de gás em uma ampla faixa de regimes de temperatura, pressão e fluxo. Todos os parâmetros macroscópicos, ou um grande 25 subconjunto desses parâmetros, são medidos através de um único chip que compreende somente dispositivos de ultrassom.

A medição do fluxo de ar tem base no fato de que a velocidade e/ou a absorção do ultrassom é diferente para medições a montante e a jusante. Este efeito, já conhecido 30 nos medidores de fluxo de gás, é causado por uma alteração assimétrica eficaz de comprimento do ultrassom em ambas as direções do fluxo 430. 0 método requer dois ou mais transdutores de ultrassom 410, 420 colocados no fluxo 430. Um transdutor 410 emite um pulso 44 0 que é detectado pelo segundo transdutor 420. Enquanto isso, ou consecutivamente, um segundo pulso 450 é emitido a partir do segundo transdutor 420, e detectado pelo primeiro, 410. As amplitudes do tempo de vôo ou do sinal podem ser comparadas.

A FIG. 5 ilustra um exemplo de medição de fluxo por deslocamento de ondas sonoras, de acordo com a presente invenção. 0 fluxo é medido através da determinação do deslocamento da onda sonora, devido à velocidade do ar horizontal causada pelo fluxo.

Um transdutor cMUT 505 gera uma onda sonora divergente 510. A 100 ml/s (mililitros por segundo), o gás flui em uma câmara de fluxo de 1 x 1 cm 515, o ponto central da onda sonora refletida é deslocado a uma distância

(microns). Ao comparar a resposta de v nom amplitude com um conjunto 205 de transdutores múltiplos (diâmetro típico 150 ~ 700 μm) em diferentes posições, o deslocamento pode ser medido e usado para calcular o fluxo. Observe que o fluxo não afeta o tempo de vôo do ponto central da onda sonora, uma vez que o comprimento do caminho e a efetiva velocidade de som escalam de acordo com

Em cada um dos transdutores, tanto o tempo de vôo como a amplitude são mudados, em resposta às variações de fluxo.

A FIG. 6 mostra uma versão específica de restrição na seção transversal da câmara de ar para variar a pressão de ar, de acordo com a presente invenção.

Esta realização tem base no reconhecimento de que o espectro de absorção do ultrassom muda com a pressão 330. Os dispositivos CMUT 200 são otimizados para uma única frequência 310, a fim de manter a sua eficiência máxima. 0 ajuste é eficaz em uma faixa de +/-10%, portanto, a medição de mais de duas décadas exige cMUTs múltiplos, o que é uma séria desvantagem em termos de (1) número limitado de frequências discretas 310 (que podem não ser relacionadas de 5 forma harmônica), (2) alcance diferente no chip e (3) unidade de hardware diferente, etc.

A fim de usar os mesmos dispositivos de cMUT 200 e fazer medições em diferentes frequências 310, a pressão 330 é variada ao longo do tubo de gás 515 por sua seção transversal 10 A (diâmetro, altura).

A pressão do gás 330 é governada pela equação: Px A, na quai vgas θ a velocidade do gás. As medições de bombeamento extra (vácuo) podem ser adicionadas para compensar a resistência do fluxo na restrição.

A FIG. 7 é um diagrama conceituai exemplar de um algoritmo inteligente implementado on-chip para o parâmetro de medição on-chip, de acordo com a presente invenção.

O algoritmo inteligente 700 on-chip monitora os 20 elementos on-chip cuja existência depende da implementação. Um dos transdutores de cMUT 200 pode ser seletivamente formado com uma cavidade vedada a vácuo 710 ou uma cavidade cheia de gás 720. 0 chip também pode incluir termopilhas (ou elementos de medição de temperatura resistivos) 730 e/ou um 25 elemento de radar 740.

Na realização ou em parte da realização da cavidade vedada a vácuo 710, a pressão 330 pode ser medida por uma medição capacitiva da posição média das placas 220, 230 em um transdutor de cMUT 200. Uma vez nos sensores de pressão de ar 3 0 padrão, as placas 220, 23 0 do transdutor de cMUT 200 são separadas por vácuo 235. A placa superior 230 é dobrada através da diferença de pressão entre o vácuo 235 e a pressão externa 33 0, o que afeta a capacitância 34 0 das placas 220, 230. A medição desta capacitância 340 será, consequentemente, indicativa da pressão externa 330.

Ao medir a diferença de pressão em dois locais, 5 este método também pode ser usado para medir o fluxo 130.

A temperatura é um parâmetro que garante a medição, pois afeta a velocidade do som global.

Para a realização ou parte da realização da cavidade cheia de gás 720, a temperatura pode ser medida por 10 uma medição capacitiva da posição média das placas 220, 230 em um transdutor de cMUT 200, no qual o volume entre as placas é cheio de gás. A placa superior é dobrada para cima quando a temperatura sobe e o gás tenta se expandir, o que afeta a capacitância 340 das placas 220, 230. A medição desta 15 capacitância 340 será, consequentemente, indicativa da temperatura.

Como alternativa, as termopilhas on-chip (ou elementos resistivos) 730 podem dar uma indicação adequada da temperatura do gás.

O restante dos parâmetros determináveis pelo algoritmo inteligente 700 pode ser medido através da absorção e do tempo de vôo do ultrassom, e de sua dependência de frequência. Os transdutores separados, bem como os transdutores sozinhos, como o radar 740, podem ser usados 25 para transmitir e receber sinais. A quantidade de água pode ser recuperada a partir da mudança de frequência de absorção máxima de CO2. A relação de N2 para O2 é recuperada na absorção em frequências mais altas.

A FIG. 8 apresenta concepções particulares de uma 30 câmara de ultrassom de diâmetro grande 515, de acordo com a presente invenção.

Na capnografia, por exemplo, para ser compatível com transdutores de ultrassom on-chip de tamanho pequeno, o que pode ser implementada é uma câmara de medição de ultrassom virtual pequena 515, que é alimentada com uma pequena porção do fluxo principal das vias aéreas 130, a fim de realizar uma medição de ultrassom livre de turbulência.

O termo "sistema de vias aéreas" deve ser interpretado ' de forma ampla, no contexto de aplicações de corrente principal ou de corrente lateral. Ele compreende tubos, máscaras e outros meios, para guiar o ar de respiração de um ser vivo. 0 termo "via respiratória", como usado aqui, também é definido como compreendendo tubos, máscaras e outros meios para guiar a respiração.

O uso de um projeto de tubo com números de Reynolds baixos, pelo menos no volume de medição, garante um fluxo estável e, portanto, um sinal estável dentro do tubo. Um recurso útil em um tubo é as aberturas arredondadas, tais como as descritas em J.A.M. van de Nieuwendijk. e J.E.M. Vael, "Bass-Reflex Port Measurements," Nat.Lab. Technical Note TN 065/97 e em "Alles wat ademt - R.de Nijs," EMI 1984.

Observe que, uma vez que a ocorrência de turbulência é um processo fortemente não-linear, a mesma característica geométrica em um tubo dará origem a diferentes graus de turbulência, dependendo da direção do fluxo no tubo. 0 fluxo na capnografia pode ocorrer em duas direções (ar inspirado e expirado) e, portanto, devem ser tomadas medidas de tal forma que sejam adequadas para ambas as direções de fluxo.

As características são constrições, dobras, ondulações, divisões, etc. A impedância igualada pode ser feita por tocos ou coisa parecida, mas ela é dependente de frequência/fluxo. As medições não ressonantes, tais como as superfícies que variam suavemente, são outra opção.

Quaisquer medições que reduzem a turbulência inicial devido aos fenômenos respiratórios do indivíduo, (ou seja, paciente humano ou animal) , tais como o ronco, são contempladas. Por exemplo, um amortecedor ou um retorno ativo pode ser usado.

Mais um indicador de turbulência (por exemplo, com 5 base na propagação do som) pode ser usado para ajustar o fluxo de gás detalhado 130 sobre a seção transversal do tubo de alguma forma controlada por um dispositivo como uma válvula.

Ao medir totalmente o fluxo de corrente principal 10 130, o diâmetro mínimo da tubulação deve ser aumentado, como mostrado na parte superior da FIG. 8, de 1,9 cm para pelo menos 10,5 centímetros, a fim de manter o fluxo laminar. Como resultado, as dimensões de um transdutor de ultrassom 200 devem ser dimensionadas adequadamente para o regime de 3 mm. 15 A restrição de diâmetro de tubulação mínima deve ser obedecida pelo menos na câmara de ultrassom 515.

Na variação seguinte, mostrada na FIG. 8, a câmara de medição de 11 centímetros é uma adaptação progressiva à tubulação das vias aéreas de 1,9 cm padrão.

A FIG. 9 representa uma realização de um contorno de porta ideal, de acordo com a presente invenção.

No estudo de Nieuwendijk et al. mencionado acima, conclui-se que o contorno de porta ideal é um contorno que lentamente se afasta em direção às extremidades da porta com 25 um ângulo máximo de 6 graus (medido do contorno da porta ao eixo da porta), e que é arredondado, com raios de filete relativamente pequenos em ambas as extremidades da porta. Esta geometria da porta reduz a produção de ruídos secundários (ruídos de sopro, turbulência) em 8 dB. A porta é 30 arredondada em ambas as extremidades e, lentamente, se afasta em ambas as extremidades.

A FIG. 9 é retirada da referência de Nieuwendijk et al. para ilustrar uma forma básica. No presente contexto, a escala tomada deve ser menor (por exemplo: diâmetro de 1 cm, comprimento total de 3 cm, raio de 0,5 cm).

A FIG. 10 representa uma passagem inferior 1010 na câmara de medição 515, que mostra um vista em corte transversal e lateral;

A fim de reduzir ainda mais o tamanho do transdutor para o regime de mm, uma pequena fração do fluxo principal é alimentada em uma câmara de ultrassom de tamanho pequeno através da divisão passiva 1020. A idéia é mostrada na FIG. 10 .

Uma pequena "passagem inferior" 1010 aproximadamente 1 cm distante acima do chip de ultrassom 1030 na parede do tubo de 12 centímetros de diâmetro se divide em uma fração fi do fluxo principal. Em uma estimativa grosseira (que negligencia o perfil de fluxo parabólico), a relação entre os fluxos é dada pelas fórmulas:

Na prática, uma fração do fluxo principal é "dobrada" através do chip de ultrassom 1030. Devido ao baixo fluxo através do chip 1030, um atraso substancial filtrará lentamente a resposta do sensor. De modo a superar este problema, dois grupos de transdutores 200 foram utilizados para (dependendo da direção do fluxo) medir onde o ar entra pela primeira vez na passagem inferior 1010. Os grupos podem ser localizados no mesmo chip 1030.

A FIG. 11 é outra versão da vista lateral da FIG. 10 que mostra o tubo 515 com a extremidade se afunilando e a diminuição do diâmetro ao longo dele.

O diâmetro do tubo pode ser uma adaptação progressiva do tubo padrão de % de polegada para 11 centímetros na câmara de medição, a fim de perceber o fluxo laminar puro, como mencionado acima em conexão com a realização da FIG. 8.

A função da cobertura 1110 é tripla: (a) de reflexão para o sinal de ultrassom; (b) de divisão para o fluxo 130; e (c) de amortecimento de turbulências de alta 5 frequência, de modo que o fluxo principal não precise ser perfeitamente laminar. Como resultado, o diâmetro do tubo de medição pode ser reduzido para, por exemplo, cerca de 5 cm.

A FIG. 12 ilustra vistas laterais das coberturas on-chip 1210, 1220, configuradas em linha reta e para 10 reflexões múltiplas.

Em outro desenvolvimento, o tamanho do chip pode ser reduzido ainda mais através da implementação de "coberturas" on-chip 1210 em tecnologia MEMS (sistemas micro eletro-mecânicos) , ou outra estrutura 1D/2D cerca de 100 um 15 acima de um ou mais transdutores 200.

As coberturas podem ter um contorno aerodinâmico para evitar turbulências.

Devido ao pequeno comprimento do caminho, o sinal de CO2 observado pode ser pequeno, o que pode ser superado 20 através da implementação de reflexões múltiplas, por exemplo, através de coberturas adjacentes 1220, como mostrado na vista lateral inferior da FIG. 12. Isso é mais fácil quando os transdutores 200 se tornam menores (D/λ=l) por causa da frente de onda mais divergente que geram.

A FIG. 13 apresenta um exemplo de tubo de derivação para reduzir a turbulência nos arredores do chip sensor 1330.

Em outra realização, uma pequena parte do fluxo principal 130 é dividida por "atalhos", uma parte do tubo principal por um tubo curto e estreito 134 0 no qual o chip 30 sensor de ultrassom 1330 é disposto.

A relação entre os fluxos é influenciada por resistências dos dois tubos 1340, 1350, que é dada pelas fórmulas:

O projeto é de modo que o atraso (tempo de viagem do ar) em ambos os tubos 134 0, 13 5 0 é igual (152 ms a 3 ltr/s), a fim de evitar tempos de chegada desiguais que - 5 causem filtragem lenta da resposta.

A dobra acentuada é evitada, de modo a reduzir o risco de turbulências, especialmente na entrada e na saída do tubo de ultrassom.

Para se livrar do atraso devido ao baixo fluxo na 10 tubulação de ultrassom 1340, e devido ao volume morto no tubo de derivação 1350 (que filtra lentamente a resposta do sensor), os transdutores 200 são localizados em ambos os lados do chip 1330, como descrito na realização da FIG 10.

A FIG. 14 é um diagrama conceituai que mostra uma 15 câmara de ar de medição 515 colocada dentro de uma via respiratória 400, de acordo com a presente invenção.

Na FIG. 14, ar expirado 120 de um paciente entra na ponta de um tubo ET (endotraqueal) 1405. O ar expirado 120 viaja ao longo da via respiratória 400 (que inclui porções 20 dentro do paciente e porções fora do paciente). O primeiro encontrado é um absorvedor de CO2 1410 para a absorção do CO2 da corrente de ar de entrada. 0 02 é bombeado para a corrente de ar por um respirador artificial 1415, que é conectado para levá-lo de volta ao longo da via respiratória 4 00 para o ' 25 paciente. Um ciclo semelhante ocorre dentro do paciente. O sangue nos pulmões absorve o 02 recém fornecido e libera o CO2 de volta para a via respiratória 400. O ar carregado de CO2, em seguida, viaja até o tubo ET 1405, e de volta para o absorvedor de CO2 1410.

Uma vista expandida de uma porção do tubo ET 14 05 mostra uma linha de cMUTs 200, parte de um conjunto de cMUT 205 em um chip sensor 1030. Uma onda de ultrassom e seu eco são mostrados, como na FIG. 5, por exemplo.

Este sistema de respiração artificial pode fornecer automaticamente, além de oxigênio, os pequenos suplementos de 5 anestésico que um paciente recebe durante a cirurgia.

Embora a capnografia para um paciente em um respirador artificial tenha sido o foco aqui, o novo chip analisador de gases múltiplos tem outras aplicações na assistência médica. Por exemplo, para a respiração de um paciente hospitalizado sem assistência, o sistema de monitoramento do paciente pode incluir o sensor de gás proposto. Outra aplicação é dentro de um sistema de reanimação cardiopulmonar portátil (CPR).

Além disso, a implementação em outros campos além da assistência médica é contemplada, como aqueles nos quais os constituintes do gás devem ser identificados e quantificados: qualidade do ar na construção e automotivo, análise de gases de escape, e controle avançado de ar, o que inclui o controle ambiental e de efeito estufa.

Observe que as realizações acima mencionadas ilustram, em vez de limitar a invenção, e que os técnicos no assunto serão capazes de projetar muitas realizações alternativas sem se afastar do escopo das reivindicações em anexo. Por exemplo, embora os transdutores de cMUTs e de 25 microfone MEMS tenham sido discutidos, o chip sensor também pode apresentar transdutores de ultrassom microcontrolados de base piezo (PMUTs). Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência colocados entre parênteses não devem ser interpretados como limitadores da reivindicação. 0 uso do 30 verbo "compreender" e suas conjugações não exclui a presença de elementos ou etapas além das declaradas em uma reivindicação. 0 artigo "um" ou "uma" precedendo um elemento não exclui a presença de uma pluralidade de tais elementos. A 29/29 invenção pode ser implementada por meio de hardware que compreende vários elementos distintos, e por meio de um circuito integrado adequadamente programado com um meio que pode ser lido por computador. O simples fato de certas 5 medidas serem recitadas em reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação dessas medidas não possa ser vantajosamente usada.

Claims

1. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO (515) COM UM CHIP SENSOR (1030) disposto dentro da câmara de ar de medição (515) adaptada para analisar um gás que flui da dita câmara de ar, o dito gás compreendendo uma pluralidade de componentes, o dito chip sensor (1030) caracterizado por compreender uma pluralidade de células (200) adaptada para emitir e receber ultrassom, em que a pluralidade de células é operável por uma faixa de frequência suficientemente grande e adaptada para medir a concentração de pelo menos um da pluralidade de componentes de gás com base em pelo menos duas respostas de ultrassom dentro da dita faixa de frequência, cuja faixa de frequência inclui frequências entre 50 kHz e 10 MHz; e a dita câmara de ar de medição (515) compreendendo uma restrição dimensional na seção transversal da câmara de ar para variar a pressão de gás na câmara de ar de medição, em que a restrição dimensional varia a pressão de gás seletivamente célula por célula em relação a uma célula, pelo qual a dita pluralidade de células emite e recebe em frequências variadas, respectivamente, devido à dita pressão de gás variável nas ditas células, para alcançar a dita medição da dita concentração.

2. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela faixa de frequência suficientemente grande variar entre a pluralidade de células das respectivas frequências (310).

3. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pela pluralidade de células ter membranas (230) para as ditas emissão e recepção, cada membrana com um tamanho, em que os tamanhos de membrana e/ou as respectivas constantes de mola das ditas membranas diferem entre a pluralidade de células de modo a perceber a variação das respectivas frequências.

4. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pela pluralidade de células ter tensões de polarização (240), em que as ditas tensões de polarização diferem entre a pluralidade de células, de modo a perceber a variação das respectivas frequências.

5. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por, para o dito gás, cuja concentração deve ser medida, uma célula da dita pluralidade de células ser sequencialmente ajustada ao longo de uma faixa suficientemente ampla, pela variação da tensão de polarização (240) para a dita célula, para assim recuperar tensões diferentes de pelo menos duas ditas respostas de ultrassom.

6. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela dita faixa de frequência se estender de 50 kHz a 10 MHz.

7. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por uma célula da dita pluralidade das células compreender um dispositivo capacitivo.

8. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo dito dispositivo capacitivo compreender um cMUT (transdutor de ultrassom micro usinado capacitivo) (200).

9. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo dito dispositivo capacitivo compreender um microfone MEMS (sistemas micro eletro-mecânicos).

10. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, em que a dita medição da concentração é caracterizada por compreender a medição da concentração de todos da pluralidade de componentes.

11. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo dito chip sensor compreender ainda um sensor de capnografia para a medição de um nível de dióxido de carbono (110) no ar expirado (120).

12. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela pluralidade de células emitir ultrassom no ar que flui (130) através das membranas das ditas células, em que a dita pluralidade de células é disposta em uma direção de fluxo de ar.

13. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo dito ar que flui compreender o ar expirado, e em que o dito chip sensor é ainda disposto para determinar o tempo de voo do ultrassom, de modo que a dita medição da dita concentração (150) é realizada sem a necessidade de um sensor off-chip.

14. CÂMARA DE AR DE MEDIÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela pluralidade de células (200) compreender um conjunto (205) de transdutores capacitivos com membranas flexíveis (230) adaptadas para emitir e receber ultrassom, cada membrana tendo um tamanho, em que a câmara de ar de medição (515) compreende ainda um dispositivo de algoritmo on-chip adaptado para medir o fluxo de ar usando uma pluralidade de ditos transdutores (200) na direção do fluxo de ar, o dito dispositivo de algoritmo on-chip adaptado ainda para medir a temperatura em pelo menos uma de uma medição capacitiva nas placas transdutoras (220, 230), um elemento resistivo e uma termopilha on-chip (740), em que as tensões de polarização dos ditos transdutores e/ou o tamanho da membrana diferem entre os ditos transdutores, de modo a alcançar uma faixa de frequência de ultrassom suficiente e sem a necessidade de um sensor off-chip, medir as concentrações de nitrogênio, oxigênio, água e dióxido de carbono no ar, e em que a câmara de ar de medição compreende uma restrição dimensional na seção transversal da câmara de ar adaptada para variar uma pressão de gás na câmara de ar de medição, em que a restrição dimensional varia a pressão do gás seletivamente, célula a célula, em relação a uma célula, para variar as respectivas frequências da pluralidade de células, para alcançar a dita medição das ditas concentrações.

15. MÉTODO PARA A MEDIÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE PELO MENOS UM COMPONENTE DE UM GÁS (120) que flui em uma câmara de ar de medição, o dito gás sendo compreendendo uma pluralidade de componentes, o método caracterizado por compreender: prover uma pluralidade de células de transdutores de ultrassom (200) com membranas para a emissão e a recepção de ultrassom (230) e usar a pluralidade de células de transdutores de ultrassom para receber pelo menos duas respostas de ultrassom dentro de uma faixa de frequência suficientemente grande, cuja faixa de frequência inclui frequências entre 50 kHz e 10 MHz; restringir dimensionalmente a câmara de ar de medição na seção transversal da câmara de ar para variar a pressão de gás na câmara de ar de medição, em que a restrição dimensional varia a pressão de gás seletivamente, célula por célula, em relação a uma célula, pelo qual a dita pluralidade de células emite e recebe em frequências variadas, respectivamente, devido à dita pressão de gás variável nas ditas células, para alcançar a dita medição da dita concentração; e a medição da concentração de pelo menos um da pluralidade de componentes com base em pelo menos duas ditas respostas de ultrassom.