JP7253551B2 - 呼吸空気の呼気ｃｏ２濃度を決定するためのガスセンサ - Google Patents
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Description
本出願は、センサ配列、センサ装置、およびセンサ配列の製造方法に関し、特に、呼吸用空気の呼気ＣＯ
2
濃度を決定するためのセンサ配列、センサ装置、およびセンサ配列の製造方法に関するものである。
センサ配列やセンサ装置は、例えば医療診断において、呼吸用空気の分析を行うために使用することができる。患者の呼気中のＣＯ
2
濃度は、例えば、麻酔薬の重要な測定パラメータである。
従来のＣＯ
2
センサ、いわゆるカプノメータは、主にＣＯ
2
分子の吸収を測定する赤外分光法を用いる。非分散型赤外線センサ（ＮＤＩＲ）と呼ばれるこのセンサは、呼吸ガス中のＣＯ
2
濃度を、吸収測定、より正確には波長４．３μｍの赤外線吸収により測定する。このようなセンサは非消耗型であり、メインストリームでの測定が可能である。しかし、このようなセンサの動作モードには、それぞれ精密な構造が必要であり、高価な光学部品が使われる。また、使用されている部品は、分泌物や呼吸器系の湿度による汚染に非常に敏感であり、使用されているフォトダイオードは経年劣化過程の影響を受ける。
さらに、いわゆる金属酸化物センサ（ＭＯＸ）が使われているが、これは薄い層の化学反応を利用しており、低濃度でも高い感度を有する。これらのセンサは安価であるが、動作中にセンサが消耗し、長期的な安定性がないという欠点がある。また、ガスの種類に対する選択性が低く、ＣＯ
2
には適さない。また、動作温度が８００℃までであるため、メインストリームでの使用にはリスクを伴う。
いわゆる電気化学式電位差センサ（ＮＡＳＩＣＯＮ）は、小型で高精度なセンサである。しかしながら、電極材料が消耗されるため、これらのセンサは寿命が短く、比較的高価であるという欠点がある。
さらに、マイクロエレクトロメカニカルワイヤセンサ、いわゆる「ＭＥＭＳ」ワイヤセンサは、わずかな設置スペースしか必要としない。物理的な測定原理のため、非消耗的であり、製造コストも低い。また、定常的なメインストリーム中で測定が可能であるという利点もある。しかしながら、このようなセンサでは実際のガス分析ができず、むしろガス成分を知る必要があるというデメリットがある。また、温度分解能には限界があり、０．２ｖｏｌ%のＣＯ
2
になる。
患者のもとで直接測定を行う、いわゆるポイントオブケア測定を行うために、呼吸ガス分析用のさまざまなポータブル機器が存在する。例えば、Weinman Diagnostics社が提供している、赤外線センサを用いた評価用のＣＯ
2
測定用ポータブルカプノグラフがある。患者との接続は鼻カニューレを介して行われ、呼気は長いチューブを介して側流に導かれ、ＣＯ
2
濃度を測定する装置に送られる。
さらに、患者の呼吸のためのさまざまなシステムが存在し、それらは臨床または在宅医療分野での使用に応じて区別される。これらのシステムは、圧力、呼吸流量、および呼吸ガス分析を決定するための測定手段を含むことができるが、そのためには、主に患者から離れた場所で測定する複数の装置を組み合わせなければならない。このことから、患者の近くで呼吸流量とＣＯ
2
濃度を安価に測定することは、これまで実現されていないことがわかる。
したがって、本発明の目的は、一方で簡単な方法で患者の近くで使用することができ、他方でガス分析において高い測定分解能を満たすそれぞれのセンサを用いて、検査対象のガスを測定する概念を提供することである。
第１の実施形態によれば、センサ配列は、大気圧センサと熱式ガスセンサとを備え、熱式ガスセンサは、熱式ガスセンサのガス透過性測定構造体が、例えば、大気圧センサのガス入口開口部のすぐ前、または大気圧センサの感圧面の前に配置されるように、大気圧センサ上または大気圧センサの横に配置されている。圧力センサの感圧面は、例えば、メンブレンであることができ、ガス透過性測定構造体は、ガス入口開口部または感圧面のすぐ前に配置されることができる。
本実施形態は、ガスセンサと圧力センサの間の空間的な距離を最小にすることが有利であるという知見に基づいており、これは、ガスセンサの測定値が圧力に依存しうるため、系統的な測定誤差を最小限に抑えることができるという利点がある。
第２の実施形態では、熱式ガスセンサは、例えばガス透過性測定構造体またはその一部として、例えばワイヤまたはシリコンワイヤなどの少なくとも３つの導電性構造体を備えており、導電性構造体はギャップによって間隔を空けて配置されている。これらの導体構造体のうち、第１の導電性構造体、例えばワイヤは、加熱信号が供給されるように構成されており、第２および第３の導体構造体、例えばワイヤは、第１の導体構造体に対して非対称に、例えば、第１のワイヤと第２のワイヤとの間の距離が、第１のワイヤと第３のワイヤとの間の距離と異なるように、例えば、第１のワイヤの異なる側面または第１のワイヤの横の異なる側面に配置されることによって配置されている。第２および第３の導体構造体は、温度センサとして動作するように構成されており、例えば、第１および第２のワイヤ間のガスまたはガス混合物を介した熱伝導と、第１および第３のワイヤ間の熱伝導との差を決定することができ、熱伝導の差に基づいて、例えば、ガス混合物の割合の濃度を推測することができるようになっている。
本実施形態は、非対称に配置された３つの導体構造を持つガスセンサを使用することが、熱伝導を非常に信頼性の高い方法で測定できるという点で有利であるという知見に基づいている。
第３の実施形態では、導電性構造体、例えば、ワイヤまたはヒーター（加熱器）／検出器は、例えば、ガスが導体構造体、例えば、ワイヤ間のギャップを通って、大気圧センサの入口開口部または大気圧センサの感圧面に到達することができるように、片持ち梁になっている。
本実施形態は、支持構造物がないため、圧力センサの動作モードにできるだけ影響を与えないことから、導体構造体を片持ちにすることが有利であるという知見に基づいている。
第４の実施形態では、導電性構造体は、結晶シリコンワイヤであり、または、さらなる実施形態では、導電性構造体は、半導体温度検出器またはサーモスタックと同様に、膜材料上の多結晶ヒーターである。この実施形態は、良好な電気伝導性および熱伝導性、ならびに高い抵抗温度係数を有する導電性構造体の材料として、結晶シリコンワイヤなどの特定の材料を選択することが有利であるという知見に基づくものであり、比較すると、フィリグリー直径および短い導電路長を有する白金ワイヤと比較して、ガス測定を可能な限り高速に、すなわちあまり遅れずに実行できるように、評価電流、ひいては熱自己発熱を低く抑える電気評価回路に有利な基本抵抗を有する。
第５の実施形態では、熱ガスセンサは、少なくとも２つの導電性構造体を含み、導電性構造体は、少なくとも１つのギャップによって離間している。ここで、第１の導電性構造体は、加熱信号を提供されるように構成されており、第２の導電性構造体は、温度センサとして動作するように構成されている。
第６の実施形態では、センサ配列は、第１の時間間隔で第１の導体構造に加熱信号を提供し、第２の導体構造を温度センサとして使用し、さらに、第２の時間間隔で第２の導体構造に加熱信号を提供し、第１の導体構造を温度センサとして使用するように構成されている。
第７の実施形態では、熱式ガスセンサは、ガス透過性測定構造体またはその一部として、例えば、少なくとも３つの導電性リッジを含み、リッジはギャップによって離間している。そして、第１のリッジのメタライゼーションまたはドーピングには加熱信号が提供され、第２および第３のリッジが第１のリッジに対して非対称に、例えば第１のリッジの異なる側面または第１のリッジ横の異なる側面に配置されており、第２および第３のリッジのメタライゼーションまたはドーピングが温度センサとして動作するように構成されている。
本実施形態は、導体構造としてリッジを使用することが有利であるという知見に基づいている。リッジは機械的耐性が高く、従って、圧力センサの堅牢性と最小センサ干渉との間の良好なトレードオフを提供する。
第８の実施形態では、導電性構造体またはワイヤまたはリッジが分析対象のガスに囲まれており、第１の導電性構造体または第１のワイヤまたは第１のリッジ部が、分析対象のガス、例えば混合ガスを介して、第２の導電性構造体、第２のワイヤまたは第２のリッジ、および第３の導電性構造体または第３のワイヤまたはリッジへの熱伝導を可能にするように構成されており、第２および第３の導電性構造体、ワイヤまたはリッジが、例えば評価手段によって、熱伝導のセンサとして機能するように構成されている。
本実施形態は、熱伝導を利用してガス測定を行うことが、混合ガス中のガスの割合を確実に非腐食性で高速に測定できるという理由で有利であるという知見に基づいている。
本実施形態は、周期的な加熱信号を使用することで、分析対象となるガスの測定を高速かつ良好な時間分解能で行うことができるという知見に基づいており、例えば、混合ガス中のＣＯ
2
濃度を時分割で、かつ高精度で測定することが可能となる。
第１０の実施形態では、熱式ガスセンサは、シリコンのような基板等のキャリア材料を含んでいる。キャリア材は、例えば、気圧センサ上に配置される層材であってもよい。この実施形態では、熱式ガスセンサは、圧力センサから遠ざかる方向を向いた表面から、例えばキャリア材料である大気圧センサに面するガスセンサの表面まで延びる中央領域に、例えば穴などの連続したリセスを有し、ガス透過性測定構造体は、例えばリセスの領域に、または圧力センサから見てリセスの上部境界に配置され、例えば片持ち式のヒーターまたは加熱ワイヤと、片持ち式の検出器または検出ワイヤ／検出素子とから構成されている。
本実施形態は、熱式ガスセンサを圧力センサの動作領域に近接して配置することが有利であるという知見に基づいており、熱式ガスセンサは、圧力センサによって圧力およびガス温度が測定されるのと同じ場所で実質的にガス測定を行い、それによって、測定値または測定値の検討における系統的な誤差を排除することができるようになっている。
第１１の実施形態では、熱式ガスセンサは、大気圧センサ上に配置されるフレームを備え、フレームは、ガス透過性測定構造体を担持するように構成され、ワイヤまたは片持ちのシリコンワイヤなどの活性領域、片持ちの発熱体などの片持ちのブリッジ構造体、および／または片持ちの温度センサ素子が、例えば、自由内部領域に及ぶようになっている。フレームに囲まれたガスセンサの連続したリセスまたは穴であって、圧力センサのガス入口開口部または圧力センサのメンブレンなどの感圧面が大気圧センサの自由内側領域に接しており、例えば、圧力測定膜と測定構造の活性領域との間の距離が、活性領域の１つの長さの３倍よりも小さいか、５倍よりも小さいか、または自由内側領域の最大寸法、例えば、対角線または直径よりも小さいようになっている。
本実施形態は、ガスセンサのガス測定を行うためのフレームを、フレームによって可能となる圧力測定にできるだけ近接して使用し、同時にフレームがガスセンサを機械的に支持することが有利であるという知見に基づいている。同時に、フレームは、ガス濃度変化後の完全な補償までに必要な拡散時間が最小になるように、ガス測定空間（空洞）を外部に密閉することができる。その上、例えば圧力測定膜による圧力測定が、ガス測定構造の活性領域からの距離が、活性領域の長さの５倍または３倍よりも小さいか、または自由内部領域の最大寸法よりも小さいところで行われることが有利であり、これにより、それぞれの測定が実質的に同じ場所で行われることが保証され、系統的な測定誤差の排除に寄与する。
第１２の実施形態では、熱式ガスセンサ、例えば、キャリア材料またはフレームは、接着剤によって大気圧センサに接続されており、接着剤は、大気圧センサのガス入口開口部または感圧面と接触していない。この特徴は、熱式ガスセンサを圧力センサに接着することが有利であるという知見に基づく。これは、圧力センサの機械的な追加荷重を最小限に抑えることができるため、特に接着剤が圧力センサの入口開口部または感圧面に接触していないことが保証されている場合には、圧力センサがその機能にできるだけ影響を受けないためである。
第１３の実施形態では、センサ配列は、ＦＲ４、フレックス、セラミックなどのプリント基板材料からなり、その上の圧力センサと熱センサは、プリント基板材料、または、例えば、プリント基板の一方の面に配置され、圧力センサと熱センサ、または、例えば、プリント基板から遠ざかる方向に向いたプリント基板材料の他方の面には、電気的接触のためのプラグまたははんだ付け接点が配置されている。または、同じ上の圧力センサと熱センサが、プリント回路基板材または例えばプリント回路基板のリセスに配置され、圧力センサと熱センサまたは例えばプリント回路基板から遠ざかる方向に向いたプリント回路基板材の他方の面に、電気的接触のためのプラグまたははんだ付け接点が配置され、プリント回路基板材の一方の面に、電気的接触のためのプラグが配置されており、例えば、プリント回路基板材のリセスの境界が、センサ配列のガス空間を制限している。
本実施形態は、センサ配列をプリント回路基板材料上に配置することが、センサ配列の取り扱いを容易にするという点で有利であるという知見に基づいている。特に、プラグやハンダ付けのコンタクトを配置することで、接触を容易にすることができる。
第１４の実施形態では、気圧センサは、例えば、気圧高度計とすることができる微小電気機械（ＭＥＭＳ）圧力センサである。
本実施形態は、圧力センサをマイクロエレクトロメカニカル装置として実装することが、可能な限りコンパクトな構造を可能にするという点で有利であるという知見に基づいている。さらに、このようなＭＥＭＳ圧力センサは重量が少ないことが有利であり、これは、患者の近くでの測定では、患者の負担を最小限にするために、できるだけ重量の少ないセンサ配列を使用することが有利であるためである。
第１５の実施形態では、センサ配列は、センサ信号、例えばガスセンサを使用して得られたセンサワイヤまたはセンサリッジからの信号の位相および振幅に基づいて、また、圧力センサによって提供される圧力情報および場合によっては温度情報に依存して、ガス濃度、例えばＣＯ
2
濃度などの混合ガスのガス割合を決定するように構成された評価手段を含む。評価手段は、例えば、プリント回路基板自体に組み込まれていなくてもよく、同じものから分離することができるが、それぞれの小型化の後に、同じものを例えばプリント回路基板の背面に組み込むことができる。
本実施形態は、センサ信号の位相と振幅に基づいてガス濃度を決定することが有利であるという知見に基づいている。これは、例えば、周期的なセンサ信号の１周期後にすでにガス濃度を非常に高速に決定することができ、また、センサ信号の複数の周期を考慮した場合には、ガス濃度を繰り返し測定することができ、それによって一連の測定値が得られ、統計的により適切な測定値を得るために平均化を行うことができるからである。
第１６の実施形態では、センサ配列は、センサ配列が存在する同じ内部に容積を提供するハウジングによって囲まれており、ハウジングは、分析されるべきガスが拡散プロセスによってハウジングの外側から容積内のセンサ配列に到達することができるハウジング開口部、例えば単一のハウジング開口部を備え、それによって、例えば、大気圧センサまたはその感圧面のハウジング開口部、測定構造およびガス入口開口部がすぐに隣接して配置されている。
この実施形態は、拡散プロセスは、ガスが分子の動きに加えて流れの方向と速度を含む流動プロセスとは対照的に、安定したガスを表すため、分析されるべきガスが拡散プロセスによって到達できる環境に対してガス密閉ハウジングによってセンサ配列を囲むことが有利であるという知識に基づいている。流れている媒体では、流れによる輸送プロセス、特にガス濃度の測定に影響を与える流れによる熱輸送プロセスが発生するため、流れている媒体での測定は、拡散している媒体での測定よりも誤りが多くなる。
第１７の実施形態では、ハウジングの開口部は、センサ配列を機械的に保護する役割を果たすグリッドで構成されており、例えば、オプションでメンブレンのサポートグリッドとしても機能する。
本実施形態は、ハウジングの開口部内または前にグリッドを配置することで、センサ配列の機能に影響を与える呼気中の微細な粒子、例えば液滴がセンサ配列に到達するのを防ぐことができるという考察に基づいている。さらに、このようなグリッドはメンブレンを支持することができ、そのようなメンブレンはハウジングの開口部の前にも配置され、グリッドだけではセンサ配列から遠ざけることができない粒子を阻止することができるという利点がある。メンブレンを使用することで、例えば、細菌および／またはウイルスをセンサ配列ら遠ざけ、無菌状態を維持することができる。
第１８の実施形態では、ハウジングの開口部は、例えば湿度、ウイルスまたは細菌による汚染からセンサ配列を保護し、分析されるべきガスの拡散を可能にする膜で構成されている。
本実施形態は、膜を使用することが、センサ配列を汚染から保護するために有利であるという知見に基づいている。すなわち、センサ配列を無菌状態に保つことができる。これは、臨床環境において、センサ配列を洗浄または滅菌することなく繰り返し使用するために不可欠である。
第１９の実施形態では、ハウジングは開口部を備えており、これは例えば、センサ配列の使用準備状態において、ガスがハウジングの内部に到達できるハウジングの唯一のものとすることができる。例えば、これは、ガスセンサが存在するハウジング内に定常的な流れを持つ領域を提供し、ハウジングを通る流れが起こらず、ガスのみがガス透過性測定構造体を通過し、例えばワイヤが配置されているレベルを通過し、大気圧センサのバッグ測定チャンバであることができる圧力チャンバに移動し、例えば同チャンバ内に拡散し、または圧力センサの圧力測定チャンバから移動し、例えば拡散するようになっている。
本実施形態は、熱式ガスセンサを含む定常流領域を設けることが有利であるという知見に基づいている。なぜなら、センサを含むハウジングを通る流れは、一方ではガスセンサが熱輸送プロセスによってその機能に影響を受け、また、圧力センサが誤った圧力、通常は小さすぎる圧力を測定することになるため、センサ配列の測定精度に悪影響を及ぼす可能性があるからである。
本発明の第２０の実施形態によれば、センサ装置は、例えば中空円筒、例えばフローチューブとすることができる流路を含み、流路は、壁に設けられた開口部を含み、実施形態１から１７のいずれかに記載のセンサ配列を含み、センサ配列は、流路の内部とセンサ配列との間の例えば拡散によるガス交換を可能にするために、開口部を介して流路の内部に空間的に接続されている。
本実施形態は、流路とセンサ配列を組み合わせ、センサ配列が流路の壁に設けられた開口部を介して流路の内部に接続され、流路内のガスの測定を行うことが有利であるという知見に基づいている。なぜなら、一方では、測定は定常流のあるメインストリームでは行われず、センサ配列は、その空間的配置により、流路に容易に取り付けることができる再利用可能なモジュールとしての役割を果たすからである。通常、流路は安価な使い捨て商品であるが、センサ配列は何度も使用することになる。流路の外側にセンサを配置することで、構造的に簡単に分離することができる。さらに、センサを横方向に配置することで、センサが流路の主な流路に直接浸ることなく、流れる吸気や呼気に触れるだけで済む。この構造により、センサまたはセンサ配列を通る流れはなく、センサ配列への測定対象ガスの無流量拡散プロセスが行われ、それにより、上述の系統的な測定の不正確さが除かれる。
第２１の実施形態では、開口部は、例えば、細菌やウイルスをろ過するメンブレンで覆われており、例えば、メンブレンは、センサ配列を囲むハウジングの開口部に配置された、例えば、多孔質または微細メッシュであるグリッド構造によって支持されている。
本実施形態は、流路内のセンサ配列の外側にいる細菌やウイルスがセンサ配列に侵入できないように、例えばメンブレンで開口部を覆うことが有利であるという知見に基づいており、センサを洗浄または滅菌することなく繰り返し使用できるように、センサは無菌または無菌のままである。メンブレンは、分析すべきガスの拡散を可能にするのに十分な薄さでなければならないので、メンブレンは十分に薄くなければならず、それによって同じものが機械的に壊れやすくなり、したがって、メンブレンの破れを防止するために、グリッド構造によってメンブレンを支持することが有利である。
第２２の実施形態では、例えば流路を通って流れるセンサ装置内の分析対象ガスが、メンブレンを介してセンサ配列に拡散する。この実施形態は、流れの影響による測定値の誤りを防ぐために、分析すべきガスをセンサ配列に拡散させることが有利であるという知見に基づいている。
第２３の実施形態では、センサ装置のメンブレンと、メンブレンに対向するガスセンサの表面との間の距離は、分析対象ガスの中心流方向に垂直な流路の最大寸法の半分よりも小さい。中心の流れ方向は、例えば、開口部の位置や、丸い流路の場合は直径方向、流路の断面が長方形の場合は対角線方向で調べられる。
この実施形態は、ガスセンサをメンブレンにできるだけ近づけて配置することが有利であるという知見に基づいており、メンブレンとセンサ間の距離は、流路の直径が小さいほど小さくなり、すなわち、距離は流路の直径に比例して大きくなる。メンブレンとガスセンサ間の距離が可能な限り小さい場合、ガスセンサは可能な限り正確でタイムリーな測定を行うことができ、その結果、可能な限り正確で誤りのない測定を行うことができる。
第２４の実施形態では、開口部によって流路の方向に制限されているセンサ配列を取り囲む容積、例えばメンブレンによって、例えば流路から見てメンブレンの後ろに横たわるセンサ配列の領域は、１０００、５００または２５０ｍｍ
3
未満である。
本実施形態は、可能な限り短い時間で測定対象のガスを体積内にほぼ完全に拡散させるのを可能にするためには、センサ配列を囲む体積を可能な限り小さく制限することが有利であるという知見に基づいている。測定原理は周期的な信号の位相測定に基づくことができ、センサの形状に起因する測定値の時間曲線への悪影響を最小限に抑えるためには、信号の周期が装置固有の拡散時間よりも大きくなければならないため、可能な限り速く拡散することが好ましい。同時に、フレームは、ガス濃度の変化後の完全な補償までに必要な拡散時間を最小化するように、ガス測定空間（空洞）を外部に密閉することができる。
第２５の実施形態では、センサ装置は、ガスセンサの領域内のガス濃度が流路内のガス濃度から最大で０．５ｖｏｌ％乖離する補償までの時間が１０ｍｓ未満となるように構成されている。これは、例えば、センサ配列を含むメンブレンの後ろのチャンバ内の膜とガス量を適切に選択することで得られる。
本実施形態は、可能な限り短時間でガス濃度の測定を実行できるようにするには、ガス濃度補償の時間帯をできるだけ短くすることが有利であるという知見に基づいている。ガス濃度の測定は、周期的な時間信号の測定に基づいて行うことができ、時間信号の周期がガス濃度の補償に必要な時間のオーダーである場合には、そのような測定をエラーなく行うことができないので、時間はできるだけ短い方が有利である。
第２６の実施形態では，センサ配列を含むチャンバは，定常的な流れのある領域を表している。これは、例えば、開口部の適切な配置、および／または、センサ配列を含むチャンバの形状、および／または、流路とチャンバの間に配置されたメンブレンまたはフィルタ構造の選択によって得ることができる。チャンバは、例えば、開口部と、任意にメンブレンによって、流路に結合することができる。流れが安定している領域は、例えば、ガス透過性の測定構造が流れのある領域に存在しないような、安定した領域またはほとんど流れのない領域とすることができる。
本実施形態は、流れの影響がセンサ配列の測定精度に悪影響を及ぼす可能性があるため、流れが安定した領域にセンサ配列を配置することが有利であるという知識に基づいている。なぜなら、流れは一方で温度ガスセンサの動作モードに影響を与え、また圧力測定を誤らせる可能性があるからである。
第２７の実施形態では、センサ装置は、流路内の流速および／またはガスの質量流量および／または体積流量を測定することができる流量センサで構成されており、例えば、流路内に突出するセンサフィンガーとして構成することができる。
本実施形態は、センサ装置にフローセンサを設けることが有利であるという知見に基づいている。フローセンサは、流速などの測定条件下でガスセンサが有意義であるかどうかを判断するための測定パラメータを検出することができるからである。そのため、例えば流速が非常に大きい場合には、センサ装置内で流れの自由度が保証されず、測定値が誤る可能性がある。この場合、流量センサが特定の制限値を超える流速を決定したときに、誤っている可能性のある測定値を破棄することができる。
第２８の実施形態では、センサ装置は、環境圧力を測定する第２の気圧センサを備える。センサ装置は、例えば、第１の気圧センサと第２の気圧センサの圧力値の差に依存して、その呼吸圧力を決定するように構成される。
本実施形態は、センサ配列によって行われるガス割合の測定が有効な測定結果を提供しているかどうかを判断できるようにするためには、大気圧センサおよび第２の大気圧センサの圧力値を用いて呼気圧力を測定することが有利であるという知見に基づいている。呼気圧力が特定の範囲外にある場合、ガス測定は正確ではない可能性がある。
第２９の実施形態では、センサ装置は、流路内の流速に関する情報および／または流路内の流れ方向に関する情報に基づいて校正の時期を検出し、例えば、それに応答して校正、例えば熱ガスセンサの再校正を行うために、十分な新鮮な空気または麻酔ガスで濃縮された新鮮な空気が吸い込まれた、または適用されたことが検出されたときに、校正の時期を検出する。
本実施形態は、必要に応じてセンサ装置を校正または再校正することが有利であり、そのような校正を行うかどうかを決定するためには、流路内の流速または流れの方向に関する情報が良い基準となるという知見に基づいている。
第３０の実施形態では、センサ装置は、特定のガスの割合の濃度が高すぎる、例えば閾値よりも高いことを検出したことに応じて、校正の際に警告を発する。
本実施形態は、校正時に高すぎるガス比率が判定された場合に警告を発することが有利であるという知見に基づいており、校正が正確に行われていない可能性があることを検出し、特定の状況下で、例えば特定の混合ガスでセンサ装置を洗浄した後に、校正を再度行うことができる。
第３１の実施形態によれば、センサ配列を製造する方法が提供され、この方法は、大気圧センサおよび熱ガスセンサを提供するとともに、熱ガスセンサのガス透過性測定構造が、例えば大気圧センサのガス入口開口部の真正面または大気圧センサの感圧面、例えばメンブレンの真正面に配置されるように、例えば大気圧センサ上または大気圧センサの傍らに接着することによって、熱ガスセンサを固定することを含む。
第３２の実施形態によれば、センサ装置を動作させる方法が提供され、この方法は、例えば、十分な新鮮な空気または麻酔ガスで濃縮された新鮮な空気が吸い込まれたことが検出されたときに、流路内の流れ信号および／または流れ方向に関する情報に基づいて、校正のための時間を検出することと、校正のための時間の検出に応答して、例えば熱ガスセンサの校正、例えば再校正を実行することとを含む。
図１は、一実施形態によるセンサ配列の概略図である。
上述したように、特定の用途では、ガスまたは混合ガスのＣＯ
2
含有量を測定することが必要である。図１は、ガスの特性を測定するのに適したセンサ配列の可能な実施形態を示している。このセンサ配列は、気圧センサ１０と熱ガスセンサ２０を含む。熱ガスセンサは、気圧センサ１０の上または横に配置され、例えば穴とすることができ、ガス透過性測定構造２２を備え、測定構造は、同じものが圧力センサの感圧面またはガス入口開口部の前にあるように配置されている。圧力センサがガスセンサに近接しているという事実により、圧力の測定とガスの測定の両方が基本的に同じ場所で行われることが保証される。これは、熱式ガスセンサの領域でどのような圧力とどのような温度が優勢であるかによって、熱式ガスセンサ２０の測定値が異なる可能性があるため、有利である。例えば、熱ガスセンサ２０の測定値の圧力および温度依存性が知られていれば、それに応じて同じものを適応または解釈することができる可能性がある。これは、熱式ガスセンサ２０の測定値の重要性を高めることに寄与する。
このような配置１００は、ガスまたはガス混合物の濃度を決定するのに役立つ小型センサシステムを表しており、例えば、患者の近くで呼気中の呼気ガス中のＣＯ
2
濃度を決定することができ、いわゆるチップスケールパッケージとして実装することができる。このようなチップスケールパッケージは、一般に、電子チップほどの大きさのハウジングであり、この場合、ガスセンサだけでなく、圧力センサも含む。このセンサ配列１００は、ガス密閉測定チャンバをさらに含むことができ、例えば、患者の呼吸ガスが導かれる流路に、例えば、そのような流路の横方向のボアを介して導くことができる。
センサ配列１００は、図１では正方形の構成で示されているが、同じものが長方形、円形、あるいは多角形の態様で構成され得ることは明らかである。同じことが、図１に正方形の態様で示されている透過性測定構造体２２にも当てはまる。また、この測定構造も、長方形、多角形、円形、あるいはまた楕円形にすることができ、あるいは不規則に形成することもできることは明らかである。
図２は、図１の文脈で既に説明したようなセンサ配列のさらなる実施形態を示している。センサ配列２００は、気圧センサ１０と、熱ガスセンサ２０とを含んでいる。この実施形態では、熱ガスセンサは、３つの導電性構造体３０、３２、３４を含む。導電性構造体は、透過性測定構造体２２の領域に及んでいる。導電性構造体３０、３２、３４のガス透過性測定構造体２２にまたがる部分は、ワイヤまたはリッジとして構成できる。一実施形態では、中央ワイヤ３０は、加熱信号が提供されるように構成され、中央ワイヤの両側に配置されたワイヤ３２、３４は、中央ワイヤ３０に対して異なる距離に配置され、温度センサとして機能する。前記ワイヤは、例えば、結晶シリコンワイヤとすることができる。
この例では、図２に示す熱式ガスセンサは、分析対象のガスに囲まれた３つの片持ち梁のあるフィリグリー結晶シリコンワイヤを含む。ワイヤは、これを支持するフレーム間に架け渡すことができる。中央のワイヤは、加熱信号を提供することができ、それは、周期的な加熱信号とすることができる。加熱ワイヤに対して左右非対称に配置された２本のワイヤは、温度センサとして動作する。この温度センサは、加熱ワイヤからセンサワイヤへの熱伝導を測定する。熱伝導は、通常は知られていない、加熱ワイヤから分析対象のガスへの熱伝導と、このガスからセンサワイヤへの熱伝導を介して行われる。一般的には同一であるが、加熱ワイヤに対して異なる距離に配置された２本のセンサワイヤを用いて温度応答を測定することで、測定配置における未知の熱伝導を排除することができる。２つのセンサワイヤにおける２つのセンサ信号の位相と振幅を測定することにより、ガスまたは混合ガスの成分を推測することができ、位相と振幅は基本的にガスを介した熱伝導に依存する。
上述のように、センサシステムは、チップスケールパッケージとして構成することができ、この場合、図３に示すように、プリント回路基板４０と、気圧高度計のような例えば２４ビットの分解能を有するマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）圧力センサとすることができる気圧センサ１０と、同じくマイクロエレクトロメカニカル部材とすることができるその上に接着された熱センサ２０とを含む。
センサシステム２００に接触するために、丸形プリント回路基板は、ボンディングワイヤによってセンサ配列２００の導電性構造体との接続を可能にする接続装置４２を備える。さらに、プリント回路基板は、例えば、センサシステムの動作中に使用されるコンデンサ、ダイオード、またはアクティブ電子部材４４などの電気部材を含むことができる。小型化された評価回路全体をモジュール上に配置することができる。
図４に示すように、プリント回路基板４０の背面には、電気的接触のためのプラグを配置することができる。このプラグは、例えば、ファインピッチプラグ、スプリングコンタクトシステム、または固定されたはんだ接続とすることができ、センサシステムの標準化された容易な接触を可能にする。センサシステム全体は、例えば、図６に示すように、ハウジングによって囲まれることができる。図６は、プリント基板とプラグを背面に配置し、ハウジングで囲ったセンサ配列を示す。
図５は、図４に示したセンサスタック全体を、側面図、上面図、プラグ側から見て図示したものである。寸法の単位はミリメートルで、このセンサシステムが非常に小さな構造であることがわかる。このように、プリント基板の直径は８ｍｍ、圧力センサの端の寸法は約２．６ｍｍである。これにより、例えば外形寸法が約１ｃｍ
3
という非常に小さな構造になる。センサがハウジングに囲まれている場合、ガス測定スペースは例えば約２５０ｍｍ
3
となる。ここでは、センサの配置により、圧力、温度、およびガス濃度（例えばＣＯ
2
濃度）の測定が行われる。圧力と温度の測定は、例えば、ガスセンサまたはいわゆるＣＯ
2
モジュールで行われる。これにより、例えばＣＯ
2
濃度の測定では、非常に正確なドリフト補正が可能になる。
図７は、使い捨て呼吸管（フローチューブ）として構成された流路７００を有するセンサ配列の一実施形態を示す。図示された装置は、例えば、気体の濃度を決定するのに役立ち、ここでは、患者の近くにいる患者の呼気中のＣＯ
2
濃度を決定する。流路７００は、壁に設けられた開口部を有しており、ＣＯ
2
モジュールとして構成されたセンサ配列１００が測定チャンバ内に配置されている。センサ配列は、流路７００の内部とセンサ配列との間でガス交換ができるように、開口部を介して流路７００の内部と空間的に接続されている。流路７００への開口部にはグリッド構造７０２が配置されており、これを介してガス交換が行われる。患者の吸気段階（吸気７０４）では、新鮮な空気または校正用ガスが、測定チャンバ内のＣＯ
2
モジュールに沿って通過する。患者の呼気段階では、呼気がセンサ配列に沿って通過し、患者の呼気中のＣＯ
2
濃度を測定することができる。
センサは横方向に配置されているため、流れのメインチャネルに直接入ることはなく、流れる吸気または吐気に接しているだけである。この構造により、センサまたはセンサ配列を通る流れはなく、センサ配列への測定対象ガスの無流量拡散プロセスが行われ、それにより体系的な測定の不正確さが除かれる。
測定室への開口部はメンブレンで覆われているため、流路７００内のセンサ配列の外側にいる可能性のある細菌やウイルスがセンサ配列に侵入することはなく、センサは無菌状態を維持し、繰り返し使用することができる。
さらに、図７のセンサ装置は、流路７００内の流速および／またはガス質量流量７０８および／または体積流量を求めることができるフローセンサ７０６を備えている。流路７００内に突出するセンサフィンガーとして構成されたこのフローセンサ７０６によって、流速などの測定条件でガスセンサが有意であるかどうかの判断を可能にする測定パラメータを検出することができる。したがって、例えば非常に大きな流速の場合には、センサ配列内の流れの自由度が保証されない可能性があり、それによって、測定値が誤る可能性がある。
以下では、本発明のさらなる実施の形態および態様を示す。なお、各実施形態は別々に使用することができる点に注意すべきである。さらに、個々の実施形態の異なる特徴、機能性、および詳細は、これに反対するやむを得ない技術的理由がない限り、他の実施形態でも使用することができる。
１つの実施形態は、ガス濃度を測定するための小型化されたセンサシステムに関するものであり、例えば、患者の近くでの呼気中の呼気ガス中のＣＯ
2
濃度を測定するためのものであり、ガス密閉の測定チャンバと横方向のボアを介してメインストリームチャネルに接続されるチップスケールパッケージとして構成されている。
図４のチップスケールパッケージは、例えば丸型のプリント基板と、その上に接着された気圧ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカル）圧力センサ（例えば２４ビットの分解能を持つ、気圧高度計）と、例えば熱センサ（ＭＥＭＳまたはマイクロエレクトロメカニカル、Hahn-Schickard社）を含む。背面には、ファインピッチプラグ、スプリングコンタクトシステム、または電気的接触のための固定されたはんだ接続部が配置されている。センサスタックは、例えば、格子状の構造と、フローチューブへの開口部に漏れ防止用のＯリング天井を受け入れるリセスを有するＲＰ（ラピッドプロトタイピング）ハウジングによって囲まれている。
このような配置の利点は、例えば以下の通りである。例えば、１ｃｍ
3
（外寸）の非常に小さな構造で、例えば約２５０ｍｍ
3
のガス測定スペースを持ち、圧力、温度、ＣＯ
2
濃度の測定機能を備えていること。圧力と温度の測定は、例えば、ＣＯ
2
モジュール（例えば、ガスセンサ）で行われ、正確なドリフト補正（例えば、ＣＯ
2
濃度の測定）が可能である。気道圧の測定は、例えば、２つの気圧センサ（モジュール内および装置内）を区別して行うことができる。
さらに、次のような利点がある。
- 非常に小さいガス測定チャンバ
- ウイルスフィルタを介した拡散による非常に速いガス交換
- 分析に必要な呼吸用ガスの量が少なく、デッドスペースが小さい
- 気管チューブ内のマウスピースで直接ＣＯ 2 濃度を瞬時に測定することができる
- 患者の代謝状態を迅速に診断できる
- 気管チューブで直接測定
- バクテリア／ウイルスフィルタによる測定
- 時間的な遅れがない：ＣＯ 2 濃度の呼気溶解濃度測定
- エネルギー要求が低い非消耗型物理的測定原理
- 吸気段階の終わりに新鮮な空気濃度を自動的に校正
- 機械的にも流体的にも信頼性が高く、フローチューブを再利用可能な装置に固定するためのスナップインノーズにより、装置の交換が簡単かつ迅速に行える。
- 非常に小さいガス測定チャンバ
- ウイルスフィルタを介した拡散による非常に速いガス交換
- 分析に必要な呼吸用ガスの量が少なく、デッドスペースが小さい
- 気管チューブ内のマウスピースで直接ＣＯ 2 濃度を瞬時に測定することができる
- 患者の代謝状態を迅速に診断できる
- 気管チューブで直接測定
- バクテリア／ウイルスフィルタによる測定
- 時間的な遅れがない：ＣＯ 2 濃度の呼気溶解濃度測定
- エネルギー要求が低い非消耗型物理的測定原理
- 吸気段階の終わりに新鮮な空気濃度を自動的に校正
- 機械的にも流体的にも信頼性が高く、フローチューブを再利用可能な装置に固定するためのスナップインノーズにより、装置の交換が簡単かつ迅速に行える。
以下では、本発明によるさらなる実施形態を示して説明する。
図７は、吸気時のガスの流れを示す。センサモジュールを含む小室を、新鮮な空気や、校正用ガスとして使用できる特定のガス（例えば、麻酔用のガス）で洗浄する。ここでは、ウイルスフィルタを介してガス交換が行われる。
図８は、呼気中のガスの流れを示す。ここでは、患者の呼気中のＣＯ
2
濃度を評価することができる。バクテリアフィルタを介したＣＯ
2
分子の拡散には、例として、１μｍのメッシュサイズで濃度が５ｖｏｌ％に飛躍した場合、センサで７．２ｍｓの拡散時間が必要となる。
そのような実施形態の特徴は、例えば、以下の通りである。
- ウイルスフィルタ付きの使い捨てのフローチューブ
- 拡散による測定ガスのデカップリング
-Ｏ-リングおよび／またはエリアシールおよび／または２Ｋプラスチックシールによる漏れのない接続。
- スナップインノーズによる装置の固定
-ＣＯ 2 モジュールは、再利用可能な装置内にある。
- ウイルスフィルタ付きの使い捨てのフローチューブ
- 拡散による測定ガスのデカップリング
-Ｏ-リングおよび／またはエリアシールおよび／または２Ｋプラスチックシールによる漏れのない接続。
- スナップインノーズによる装置の固定
-ＣＯ 2 モジュールは、再利用可能な装置内にある。
以下の実施形態では、例えば、熱式ガスセンサの構造とそれぞれのセンサ原理を示す。
図９および図１０の熱式ガスセンサは、分析対象のガスに囲まれたフレームの間に、例えば３本のフィリグリー型結晶シリコンワイヤを片持ちで配置したもの（またはそれを含むもの）で構成されている。図１０は、混合ガスを区別するためのシリコンマイクロワイヤを備えたセンサチップを示す。中央のワイヤには、例えば周期的な加熱信号が与えられ、ヒーターの左右に非対称に配置された２本のシリコンワイヤは、温度センサとして動作する。熱伝導は、ヒーターから分析対象のガスへ、ガスからセンサワイヤへの未知の熱伝導を介して行われる。ヒーターからの距離が異なる２つの同じセンサで温度応答を測定することで、測定配置における未知の熱伝導を排除することができる。２つのセンサ信号の位相と振幅は、基本的にガスの熱伝導に依存する。
図１１は、熱センサの基本原理を模式的に示したものである。ヒーターとセンサワイヤの特別な分離は、分析対象の混合ガスによる熱結合と、ヒーターに対して異なる距離にあるセンサワイヤを使用した測定ではっきりとわかる。
ヒーターとセンサは別々に媒体中に配置され、分析対象のガスに囲まれている。ヒーターから温度センサへの熱の流れは、ガス自体を介してのみ行われる。熱輸送は、ヒーターから分析対象のガスへの未知の熱伝導と、ガスからセンサワイヤへの未知の熱伝達も介して行われる。２つの距離を測定する場合、熱伝導はほとんど同じである。両方のセンサ信号の違いは、基本的に媒体自体を介した熱伝導に依存する。
電気的なアナロジー。熱の流れを特定して推定するために、電気的なアナロジーを確立した。熱損失を最適化することは、高すぎる加熱電力を供給することなくセンサの感度を向上させるために不可欠な要素である。
図１２は、センサでの熱輸送の様子を示す模式図である。ヒーター（温度ＴＨ）からセンサ（温度ＴＳ）への熱輸送は、基本的に測定対象のガスを介して行われる。
正弦波状の加熱電力の場合、センサ信号の正弦波状の曲線が得られるが、これはセンサワイヤを取り巻くガスの熱特性に大きく依存する。ヒーターからの距離が異なる２つの同一のセンサでヒーターの温度を測定することで、すでに上述したように、測定配置における未知の熱伝導を排除することができる。
図１３に示すように、発信した正弦波と受信した正弦波を比較して評価する。ヒーターとセンサ間の位相差を利用して信号を校正することで、例えば、空気中のＣＯ
2
濃度を０．２ｖｏｌ%に分解することができる。気体は圧力や温度によって圧縮され、密度が変化するため、それぞれのドリフトを補正する必要がある。
センサから提供される他の測定パラメータ、熱伝導率、温度伝導率を評価し、ガスの密度が既知の場合には比熱容量も求めることができる。これにより、未知の混合ガスを分析することも可能である。
さらに、図１３には、ＣＯ
2
とＮ
2
を正弦波の加熱電力で励起したときの信号を比較して示す。同じ加熱パワーでも、受信したセンサ信号は、振幅、オフセット、位相位置が異なる。
片持ち梁構造と密閉薄膜構造の構造上の違いにより、ヒーターと検出素子の間の寄生熱をほとんど除去することができ、信号品質が大幅に向上する。また、ヒーターの熱質量が小さいため、熱の供給と排出を迅速に行うことができ、最大３００ヘルツの周波数でヒーターを変調させることが可能である。
本発明のさらなる態様は、再使用可能な装置と、例えば、使い捨て物品とすることができる呼吸チャネルとへの分離に関するものである。図１４は、再使用可能な装置と使い捨て物品としての呼吸チャネルとの間のそのような分離を示す。左の画像では、呼吸流路は、使い捨ての物品として緑／左斜線で示されている。これは、標準的なコーン接続を持つ呼吸流路で構成され、任意でＭＥＭＳフローセンサとフィルタを含む。
青／右斜線で図示された部分は、呼吸チャネルにクリップで留められる測定装置であり、患者の呼吸ガスに接触しないため、例えば、複数回再利用することができる。図１４の右側の説明図の水色／十字斜線のブロックは、約２５０ｍｍ
3
の大きさのセンサハウジング内の空洞としてのガス測定空間を模式的に示している。ＣＯ
2
センサ、例えば熱式ガスセンサは、この空洞の中にあり、グリッドによって外部からの接触に対して保護されている。
オプションのウイルス／バクテリアフィルタは、ＣＯ
2
センサが患者の呼吸ガスによって汚染されるのを防ぐ。ここでは、フィルタは、呼吸チャネルの構成要素としての使い捨て物品である。ＣＯ
2
センサのガス測定チャンバの漏れのないポートは、Ｏリング、エリアシール、または成形された２Ｋプラスチックシールによって得られ、これらは再利用可能な装置の一部または呼吸チャネルの一部とすることができる。
本発明のさらなる態様は、濃度補償までの拡散時間の推定に関するものである。ＣＯ
2
センサは、再使用可能な部分に属しているため、患者の呼吸ガスによる汚染から可能な限り保護されるべきである。そのため、ウイルス／バクテリアフィルタは、呼吸チャネル内の汚染された領域を、ＣＯ
2
センサを備えた非汚染の再利用可能な測定装置から分離する。フィルタは、例えば、患者の呼吸ガスによって汚染されるため、呼吸チャネル（使い捨て物品）の一部である。
図１５は、本発明のＣＯ
2
センサの一実施形態を模式的に示したものである。これは以下を備える。
- 再利用可能なクリップ付きハウジング
- 使い捨て流路
- フローセンサ（使い捨てチャネルに属する
- 呼吸
- ＣＯ 2 センサ
- センサチャンバ
- バクテリアフィルタ
- ディスポーザブル
- 再利用可能
- 再利用可能なクリップ付きハウジング
- 使い捨て流路
- フローセンサ（使い捨てチャネルに属する
- 呼吸
- ＣＯ 2 センサ
- センサチャンバ
- バクテリアフィルタ
- ディスポーザブル
- 再利用可能
フィルタは、センサハウジングのガス測定室へのＣＯ
2
分子の拡散速度を低下させるため、センサの応答時間が長くなる。そのため、フィルタの直径や孔の大きさに応じて、呼吸経路やセンサのガス測定室内の濃度を補償するまでの拡散時間を見積もる必要がある。
図１６は、温度３００Ｋ、大気圧、呼吸湿度を考慮せず、簡略化した静的境界条件で計算したものを示す。
フィック（Fick）の法則に従って拡散に影響を与えるパラメータは以下の通りである。
- 呼気
- 外気
- チャネル
- センサチャンバ
- フィルタ
- 多孔質
- センサ
- フィルタによるガスの拡散
- 呼気
- 外気
- チャネル
- センサチャンバ
- フィルタ
- 多孔質
- センサ
- フィルタによるガスの拡散
ここで、Ｄはガス１からガス２への拡散係数（一定と仮定）、Ｃ１とＣ２は２つのガス中の物質の濃度、δは幾何学的な関係である。
計算にあたっては、以下のパラメータを決定している。呼気中のＣＯ
2
濃度Ｃ１＝１．６２ｍｏｌ・ｍ
-3
、新鮮な空気中のＣＯ
2
濃度ｃ２＝１．６２・１０
-3
ｍｏｌ・ｍ
-3
、拡散係数Ｄ＝１４・１０
-6
・ｍ
2
・ｓ
-1
（３００Ｋ、大気圧における空気中のＣＯ
2
の拡散係数）、フィルタ膜の厚さδ＝１０μｍでの空隙率０．５、有効膜面積Ｓ＝１．０３・１０
-4
ｍ
2
であり，センサ室（ガス測定空間）の容積は，試作１号機ではＶ１＝５．１４８２３・１０
-7
ｍ
3
，現在のセンサ構造ではＶ２＝１．３７８・１０
-7
ｍ
3
と仮定している。これにより、拡散の流れはＪ=２．２５ｍｏｌ・ｍ
-2
・ｓ
-1
となり、２．２５ｍｏｌ ＣＯ
2
の物質量が１秒間に１ｍ
2
のフィルタ面積を通過することになる。実際のフィルタ面積に換算すると、数μｍｏｌ／ｓの流量となり、７．２ｍｓ後にガス測定室を呼気ガスの濃度Ｃ１にするのに十分な流量となる（試作機１号機）。
Ｖ２のガス測定室がＶ１よりも３０の１小さい場合、濃度補償までの遅延時間はわずか約０．２ｍｓとなる。図１７の時間拡散曲線を見ると、サイズが小さいガス測定室が選択されるほど、センサでの濃度補償が早く行われることがわかる。
流量がセンサ信号に与える影響。ＣＯ
2
センサの信号は、熱流信号に比べて低感度であるため、容易に妨害される。したがって、ガス濃度を正確に測定するためには、ＣＯ
2
センサの信号に対する流れの寄生的な影響を防止する必要がある。
一実施形態では、フィルタ、流入グリッドの形状、および小型ガス測定チャンバにより、熱センサが外部の流れに邪魔されずに動作できる安定したエリアが提供される。
本発明の実施形態の応用分野としては、例えば、患者の呼吸に関する医療技術（カプノメトリ）や、ガスの燃料価値を決定する天然ガス分析などが挙げられる。カプノメトリには、以下のような様々なＣＯ
2
センサが使用されている。ＣＯ
2
分子の吸収は、主に赤外分光法によって測定される。
図１８は、金属酸化物センサ（ＭＯＸ）の一実施形態を示す。
その利点は以下の通りである。
- 原理が簡単（薄層の化学反応）
- 低濃度での感度
- コストパフォーマンスが高い
その利点は以下の通りである。
- 原理が簡単（薄層の化学反応）
- 低濃度での感度
- コストパフォーマンスが高い
そのデメリットは
- センサが消耗する
- 長時間の安定性がない
- ガス種の選択性が低い
- ＣＯ 2 には適さない
- 動作温度が８００℃までで、それに伴いメインストリームでの使用にはリスクがある
- センサが消耗する
- 長時間の安定性がない
- ガス種の選択性が低い
- ＣＯ 2 には適さない
- 動作温度が８００℃までで、それに伴いメインストリームでの使用にはリスクがある
図１９は、電気化学式電位差センサ（ＮＡＳＩＣＯＮ）の一実施形態を示す。
その利点は
- 高精度
- 小さい寸法
- 高精度
- 小さい寸法
そのデメリットは
- 電極材料が消耗される
- 寿命が短い割に比較的高価
- 電極材料が消耗される
- 寿命が短い割に比較的高価
図２０は、非分散型赤外線センサ（ＮＤＩＲ）の一実施形態を示す。
その利点は
- 波長４．３μｍの赤外線吸収、吸収による呼吸ガス中のＣＯ 2 濃度の測定
- 非消耗型
- メインストリームでの測定が可能
- 波長４．３μｍの赤外線吸収、吸収による呼吸ガス中のＣＯ 2 濃度の測定
- 非消耗型
- メインストリームでの測定が可能
欠点は以下の通り。
- 動作モードがそれぞれ精密な構造を必要とし、高価な光学部品を必要とする
- 部品が分泌物や呼気中の湿気による汚染に非常に敏感である
- フォトダイオードの経年変化
- 動作モードがそれぞれ精密な構造を必要とし、高価な光学部品を必要とする
- 部品が分泌物や呼気中の湿気による汚染に非常に敏感である
- フォトダイオードの経年変化
図２１は、ＭＥＭＳワイヤセンサ（Hahn-Schickard社）の一実施形態を示す。
その利点は
- 小型な構造
- 物理的な測定原理 - 非消耗型
- 費用対効果が高い
- 安定したメインストリームでの測定が可能
- 小型な構造
- 物理的な測定原理 - 非消耗型
- 費用対効果が高い
- 安定したメインストリームでの測定が可能
そのデメリットは
- 開発前の状態であること - まだ製品化されていないこと
- 熱ガスの特性である熱伝導率と温度伝導率の測定：実際のガス分析はできず、ガス成分を知らなければならない
- 熱分解能に限界がある（０．２ｖｏｌ％のＣＯ 2 。
- 開発前の状態であること - まだ製品化されていないこと
- 熱ガスの特性である熱伝導率と温度伝導率の測定：実際のガス分析はできず、ガス成分を知らなければならない
- 熱分解能に限界がある（０．２ｖｏｌ％のＣＯ 2 。
カプノメトリについては、呼吸ガス分析用のさまざまなポータブル機器が存在する。例えば、Weinman Diagnostics社の製品には、赤外線センサを内蔵したＣＯ
2
測定・評価用のポータブルカプノグラフがある。患者との接続は、鼻カニューレによって確立され、呼気はＣＯ
2
濃度を測定するための長いチューブを介して側流中の装置に導かれる。
このタイプの装置としては、Bluepoint Medical社のＣａｐｎｏＴｒｕｅ ＡＭＰがあり、Phasein社のＩＲＭＡ Ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ Ａｎａｌｙｚｅｒと併用してメインストリーム方式で動作する。
オプションで両方のセンサ（ＣＯ
2
と流量）を１つのセンサシステムに組み込むことで、設置スペースとシステム重量を大幅に削減することができる（挿管された患者にとっては重要な基準となる）。マスクやチューブを装着した患者のすぐ近くで、呼吸経路にできるだけ近い場所で測定することで、チューブや動きや他の外乱源の影響を受けずに、極めて正確な測定が可能になる。さらに、熱測定原理により、より正確な流量測定と迅速なガス分析が期待できる。
以下では、本明細書に記載されたさらなる態様または実施形態または特徴と別々にまたは組み合わせて使用することができる、本発明のさらなる実施形態および態様について説明する。
一実施形態（態様１）は、ガスの濃度を測定するための小型ハウジング（パッケージ）に関するもので、例えば、呼気中の呼気ガス中のＣＯ
2
の割合を測定するためのものであり、拡散によるガス交換のための開口部を有するガス密閉の測定チャンバとして構成され、外部に漏れないようにシールされている。
以下の構成からなるスタックとして構成されている。
- 配線キャリア
- 大気圧ＭＥＭＳ圧力センサ
大気圧ＭＥＭＳ圧力センサは、デジタルインターフェースと（オプションで）高いＡ／Ｄ分解能（できれば２４ビット）を備えた大気圧高度計であることが好ましい（ただし、必ずしもそうでなくてもよい）
- サーマルＭＥＭＳガスセンサ
（任意で）ヒーターと少なくとも２つの検出器が、ガス測定空間に片持ちで設置されており非常に限られた空間にある測定場所で、熱ガス応答、気圧、ガス温度が直ちに測定され、かつ
(任意で）ヒーターと検出器が機械的に分離されているため、ヒーターから検出器への熱伝導は主に測定ガスを介して行われ
（任意で）検出器は、ヒーターから横方向に、定義された異なる距離で配置され
（任意で）熱センサのヒーターに周期的な加熱電力（好ましくは１２０Ｈｚ以上）が供給され
(任意で）検出器において、加熱信号に対するガス濃度依存の振幅および位相シフトが決定される
（任意で）検出器の信号が、互いに、またヒーター信号に関して絶対的かつ差分的に比較され
ガス種に依存するガス濃度（好ましくはＣＯ 2 ）への校正のために、（任意に）差と和の形成の合成が使用され
圧力および温度に依存するドリフト補正のために、ガス測定空間内の気圧センサで決定された絶対圧力および温度の値が、好ましくは多項式を用いて計算され
温度分解能および絶対精度は、熱式ガスセンサの検出器の温度校正およびその測定信号の使用によって大幅に向上させることができ
-（任意で）センサハウジングが、機械的保護としての流入グリッドを備えており
-（任意で）ガスの濃度を測定するための小型センサパッケージ（センサハウジング）が、フローチューブの横方向のボアのすぐ後ろに配置されており
- （任意で）測定ガスが、バクテリアフィルタまたはウイルスフィルタを介した拡散によって流路の外に結合され
-（任意で）小型化された構造により、ガス測定空間の容積が好ましくは２５０ｍｍ 3 以下であるため、通常の呼吸では１０ｍｓ以内に濃度補正が行われ
-（任意で）小型化されたセンサパッケージ（センサハウジング）が、弾性Ｏリング、フラットシール、またはハウジングで成形された２Ｋプラスチックを介してフローチューブへのリークに対して機械的にシールされており
-（任意で）フィルタ、流入グリッドの形状、および小型ガス測定チャンバが、熱センサが外界からの流れに邪魔されずに動作できる定常領域を提供し
- バクテリアまたはウイルスフィルタを搭載したフローチューブが、（オプションで）使い捨てとして構成されており
-（任意で）マイクロプロセッサベースの信号評価を含むガス濃度測定用の小型センサパッケージ（センサハウジング）が、数グラムの重さで、小さな構造サイズを有し、ＭＥＭＳ部材の使用により、低消費電力、好ましくは５０ｍＷ未満であり、正確かつ時間的に歪みのない測定を可能にするために、患者のマスク、マウスピースまたは気管チューブに直接組み込むことができること。
以下の構成からなるスタックとして構成されている。
- 配線キャリア
- 大気圧ＭＥＭＳ圧力センサ
大気圧ＭＥＭＳ圧力センサは、デジタルインターフェースと（オプションで）高いＡ／Ｄ分解能（できれば２４ビット）を備えた大気圧高度計であることが好ましい（ただし、必ずしもそうでなくてもよい）
- サーマルＭＥＭＳガスセンサ
（任意で）ヒーターと少なくとも２つの検出器が、ガス測定空間に片持ちで設置されており非常に限られた空間にある測定場所で、熱ガス応答、気圧、ガス温度が直ちに測定され、かつ
(任意で）ヒーターと検出器が機械的に分離されているため、ヒーターから検出器への熱伝導は主に測定ガスを介して行われ
（任意で）検出器は、ヒーターから横方向に、定義された異なる距離で配置され
（任意で）熱センサのヒーターに周期的な加熱電力（好ましくは１２０Ｈｚ以上）が供給され
(任意で）検出器において、加熱信号に対するガス濃度依存の振幅および位相シフトが決定される
（任意で）検出器の信号が、互いに、またヒーター信号に関して絶対的かつ差分的に比較され
ガス種に依存するガス濃度（好ましくはＣＯ 2 ）への校正のために、（任意に）差と和の形成の合成が使用され
圧力および温度に依存するドリフト補正のために、ガス測定空間内の気圧センサで決定された絶対圧力および温度の値が、好ましくは多項式を用いて計算され
温度分解能および絶対精度は、熱式ガスセンサの検出器の温度校正およびその測定信号の使用によって大幅に向上させることができ
-（任意で）センサハウジングが、機械的保護としての流入グリッドを備えており
-（任意で）ガスの濃度を測定するための小型センサパッケージ（センサハウジング）が、フローチューブの横方向のボアのすぐ後ろに配置されており
- （任意で）測定ガスが、バクテリアフィルタまたはウイルスフィルタを介した拡散によって流路の外に結合され
-（任意で）小型化された構造により、ガス測定空間の容積が好ましくは２５０ｍｍ 3 以下であるため、通常の呼吸では１０ｍｓ以内に濃度補正が行われ
-（任意で）小型化されたセンサパッケージ（センサハウジング）が、弾性Ｏリング、フラットシール、またはハウジングで成形された２Ｋプラスチックを介してフローチューブへのリークに対して機械的にシールされており
-（任意で）フィルタ、流入グリッドの形状、および小型ガス測定チャンバが、熱センサが外界からの流れに邪魔されずに動作できる定常領域を提供し
- バクテリアまたはウイルスフィルタを搭載したフローチューブが、（オプションで）使い捨てとして構成されており
-（任意で）マイクロプロセッサベースの信号評価を含むガス濃度測定用の小型センサパッケージ（センサハウジング）が、数グラムの重さで、小さな構造サイズを有し、ＭＥＭＳ部材の使用により、低消費電力、好ましくは５０ｍＷ未満であり、正確かつ時間的に歪みのない測定を可能にするために、患者のマスク、マウスピースまたは気管チューブに直接組み込むことができること。
さらなる実施形態は、測定装置の流路の外側にあり、部屋の気圧を検出する第２の気圧高度計と組み合わせた、態様１に記載の装置に関するものである。
- ここで、測定装置は、例えば、小型化されたセンサパッケージ内の気圧ＭＥＭＳ圧力センサによって決定された流路の絶対圧力と、部屋の気圧との差を計算し、したがって、呼吸圧力を計算することになる。
- ここで、測定装置は、例えば、小型化されたセンサパッケージ内の気圧ＭＥＭＳ圧力センサによって決定された流路の絶対圧力と、部屋の気圧との差を計算し、したがって、呼吸圧力を計算することになる。
さらなる実施形態（態様３）は、メインストリーム法で呼吸値を測定するためのフローチューブ内のＭＥＭＳフローセンサと組み合わせた、態様１または態様２に記載の装置に関するものである。
- ここで、例えば、小型センサパッケージ内の気圧ＭＥＭＳ圧力センサによって決定された呼吸用空気の絶対圧力およびガス温度の値を利用して、ＭＥＭＳ流量センサによって測定された質量流量から、ＡＴＰ条件（周囲の温度および圧力）における現在の体積流量に変換される。
- ここで、例えば、小型センサパッケージ内の気圧ＭＥＭＳ圧力センサによって決定された呼吸用空気の絶対圧力およびガス温度の値を利用して、ＭＥＭＳ流量センサによって測定された質量流量から、ＡＴＰ条件（周囲の温度および圧力）における現在の体積流量に変換される。
さらなる実施形態（態様４）は、呼吸器の新鮮な空気または麻酔ガス濃度に対するＣＯ
2
センサの動的校正という、呼吸管内の流量センサの流量信号に関連したゼロ点調整によって補足された、態様１から３の１つに記載の装置に関するものである。
サーマルセンサは、環境に影響を与える絶対圧力と温度に対する信号の依存度が高くなる。つまり、これらのパラメータが測定されないと、ＣＯ
2
／その他のガスについて誤った濃度値が想定されてしまう。そのため、絶対圧センサを同じ測定場所（スタック）に直接設置することで、気圧のほかに温度も同時に測定できる。
使用中に、メンブレン（ウイルスフィルタ）であるにもかかわらず、小さな汚染物がセンサの検知ワイヤに長期間にわたって定着し、信号がドリフトする可能性がある。また、電子機器は環境に依存した（主に温度に依存した）ドリフトを示す。
そのため、既知のガスが存在するときにセンサをゼロ点に調整することが有効である。多くの場合、新鮮な空気、つまり部屋の空気がこのために使用される。これは、新しい患者のもとでセンサのスイッチを入れたり、設定したりするときや、センサを交換した後に有利な手順となる。初期化の際には、センサを梱包から取り出し、電気的に接続し、新鮮な空気にさらす。既知の空気条件（標準）で、センサは自分自身を校正する。この手順は、熱線風速計（呼吸ガス測定）とカプノメータ（ＮＤＩＲ ＣＯ
2
測定）の両方で一般的である。
つまり、呼吸中の動的な事後補正も可能である（本発明の実施形態ではオプション機能でもある）。接続されたフローチューブが吸気段階の終了を検出した場合（患者に新鮮な空気または麻酔ガスで濃縮された新鮮な空気が供給された場合）、センサの現在の測定値は、この既知のガス状態のゼロ点と解釈され、センサが再調整される可能性がある。(呼吸器から出る麻酔ガス濃度は、例えば、呼吸器に知られており、スパイロメータ装置に伝えられる。
逆のシナリオも考えられる。患者用チューブシステムのエラーにより、呼気中のＣＯ
2
が正しく排出されず、ＣＯ
2
濃度（新鮮な空気中の濃度も）が急激に上昇する。この場合、動的な再校正はできないが、吸気中（新鮮な空気の測定）のＣＯ
2
濃度が高すぎるため、アラームを作動させる必要がある。
このシステムでは、流量とガス濃度の測定位置が幾何学的に近接しているため、流量信号とＣＯ
2
信号が同期して流れる。これにより、誤差や再調整を１つの呼吸の中で直接修正することができる。
現在でも一般的なサイドストリーム方式のカプノメトリでは、ガスはメインストリームから積極的に吸引され、約１．５ｍの細いチューブで呼吸器内のカプノメータに到達する。このため、フロー信号とＣＯ
2
信号の間には時間的なオフセットが生じ、これはソフトウェア側やコンピュータ側で補正される。呼気流チューブを直接照射（光学窓）しているカプノメータのみが、流量信号と時間的に同期して計測している。
本発明のさらなる態様によれば、閉じたチャンバへのデカップリングと、フィルタを通したガスの拡散が行われる。
本発明のさらなる態様によれば、実施形態は、特に有利な低チャンバガス容積を有する。そのため、拡散を介して呼吸サイクルに同期した濃度依存の動的信号をセンサで示すことが可能となる。
１つの態様によれば、メンブレンとチャンバ（またはセンサやセンサ配列全般）について、以下の仕様の１つ以上を考慮する必要がある。
センサ測定チャンバの前にあるメンブレンは、ガスチャンバを不動ゾーンに分割する：ほとんど流れのないゾーンは、熱ガス濃度測定の重要な前提条件である。
いくつかの実施形態では、チャンバの容積が非常に小さいことと拡散時定数が小さいことが、動的濃度測定のみを可能にするという点が重要である。最後に、測定チャンバ内のガス交換は受動的なプロセスであり、粒子の平均自由行程長に依存する（上記の拡散時間の理論的考察を参照）。
メンブレンは（任意で）、例えばMillipore社から追加購入した疎水性のウイルス／バクテリア膜である。オプションのフィルタは、例えば、測定チャンバへの液体の侵入を防ぐことができる。
フィルタ膜の直径は、送気管の直径を超えてはいけない。そうしないと、フィルタシールは、送気管の輪郭／エッジを超えて実装する必要があり、もはや平面領域ではなくなってしまう。そうすると、チャンバが呼気チューブにガス密閉（リークフリー）で接続されなければならないため、チューブと装置の間の接触圧力を高めなければならなくなる。例えば、呼気管の外径の６０％程度が良い。
フィルタは使用中に汚染されるため、（オプションで）使い捨ての呼気管の一部となる。したがって、新しい呼気管で定義された拡散定数が得られる。再使用可能な装置に配置されたガスセンサは、フィルタが測定空間に無秩序に曲げられて結果が損なわれないように、機械的な保護としてグリッドを有する（過圧／咳でフィルタ膜を機械的に支え、無秩序な破れを防止する）。また、センサグリッド自体にもフィルタ膜を設けることができ、装置の湿式滅菌の際に、測定空間への消毒液の侵入を防ぐことができる。(この追加のメンブレンは、ガス交換や寸法測定の際に考慮する必要がある）。
シールは、センサの周りのハウジングの側面に設けられるか（現在はＯリングシールを使用）、使い捨てチューブに成形されたシールリップ／フィルタとの接着、またはその両方によって行われる。
呼気チューブと装置の機械的（プラグ）接続は、チューブと測定チャンバ間に漏れがないようにする必要がある。
メンブレンは、再利用可能な装置の細菌／ウイルス汚染を呼吸ガスから分離する役割を（任意で）果たすが、同時に液体（析出する湿度、痰）の侵入からセンサを保護する。
メンブレンは一般的にバクテリア／ウイルスフィルタとして機能する
実施形態では、測定体積が比較的小さい
センサも全体として比較的小さい。
センサ測定チャンバの前にあるメンブレンは、ガスチャンバを不動ゾーンに分割する：ほとんど流れのないゾーンは、熱ガス濃度測定の重要な前提条件である。
いくつかの実施形態では、チャンバの容積が非常に小さいことと拡散時定数が小さいことが、動的濃度測定のみを可能にするという点が重要である。最後に、測定チャンバ内のガス交換は受動的なプロセスであり、粒子の平均自由行程長に依存する（上記の拡散時間の理論的考察を参照）。
メンブレンは（任意で）、例えばMillipore社から追加購入した疎水性のウイルス／バクテリア膜である。オプションのフィルタは、例えば、測定チャンバへの液体の侵入を防ぐことができる。
フィルタ膜の直径は、送気管の直径を超えてはいけない。そうしないと、フィルタシールは、送気管の輪郭／エッジを超えて実装する必要があり、もはや平面領域ではなくなってしまう。そうすると、チャンバが呼気チューブにガス密閉（リークフリー）で接続されなければならないため、チューブと装置の間の接触圧力を高めなければならなくなる。例えば、呼気管の外径の６０％程度が良い。
フィルタは使用中に汚染されるため、（オプションで）使い捨ての呼気管の一部となる。したがって、新しい呼気管で定義された拡散定数が得られる。再使用可能な装置に配置されたガスセンサは、フィルタが測定空間に無秩序に曲げられて結果が損なわれないように、機械的な保護としてグリッドを有する（過圧／咳でフィルタ膜を機械的に支え、無秩序な破れを防止する）。また、センサグリッド自体にもフィルタ膜を設けることができ、装置の湿式滅菌の際に、測定空間への消毒液の侵入を防ぐことができる。(この追加のメンブレンは、ガス交換や寸法測定の際に考慮する必要がある）。
シールは、センサの周りのハウジングの側面に設けられるか（現在はＯリングシールを使用）、使い捨てチューブに成形されたシールリップ／フィルタとの接着、またはその両方によって行われる。
呼気チューブと装置の機械的（プラグ）接続は、チューブと測定チャンバ間に漏れがないようにする必要がある。
メンブレンは、再利用可能な装置の細菌／ウイルス汚染を呼吸ガスから分離する役割を（任意で）果たすが、同時に液体（析出する湿度、痰）の侵入からセンサを保護する。
メンブレンは一般的にバクテリア／ウイルスフィルタとして機能する
実施形態では、測定体積が比較的小さい
センサも全体として比較的小さい。
１つの態様によれば、ＣＯ
2
濃度の平均値だけでなく、呼吸ガス分析に必要な動的変化も測定することができる。
１つの態様によれば、圧力センサは、例えば、図２２に示すように、メーカーであるSTMicroelectronics社のＬＰＳ２５Ｈタイプのセンサである。ここでは、上面図において、圧力ポートＲ１と、ポート１のマークＰｉｎ１が示されている。しかしながら、センサの配置を構成するのに適した幾何学的な寸法を持ち、測定周波数、測定分解能、精度が要求された範囲内にある任意の気圧センサを使用することができる。
図２３および図２４は、以下のような更なる実施形態およびオプションの特徴を示している。
再利用可能な装置と、単回使用の使い捨て製品としての呼吸チャネル（例えば、チューブと使い捨て製品としてのフローセンサ）との分離。
流量、圧力、温度、ＣＯ 2 の測定
呼吸動態と湿度への対応
ＢｌｕｅｔｏｏｔｈまたはＵＳＢストリームによる通信
再利用可能な装置と、単回使用の使い捨て製品としての呼吸チャネル（例えば、チューブと使い捨て製品としてのフローセンサ）との分離。
流量、圧力、温度、ＣＯ 2 の測定
呼吸動態と湿度への対応
ＢｌｕｅｔｏｏｔｈまたはＵＳＢストリームによる通信
図２５および図２６は、本発明のシステムアーキテクチャに関するさらなる実施形態を示している（詳細は任意）。
図２７および図２８は、モジュール構造のさらなる例示的な装置に関するさらなる実施形態を示している。
図２９は、患者の近くで呼吸用空気のＣＯ
2
濃度と体積流量を測定するためのマルチセンサプラットフォームの使い捨てチューブを例示的に示している。
図３０は、図３１に示した再利用可能な装置を、患者の近くで呼吸用空気のＣＯ
2
濃度と体積流量を測定するためのマルチセンサプラットフォームの使い捨てチューブに結合した実施形態を示している。
Claims (29)
- センサ配列（１００）であって、
気圧センサ（１０）と、
熱ガスセンサ（２０）と、
を備え、
前記熱ガスセンサ（２０）は、前記熱ガスセンサ（２０）のガス滲透性測定構造体（２２）が、前記気圧センサ（１０）のガス流入開口の前、または前記気圧センサ（１０）の圧力感知面の前に配列されるように、前記気圧センサ（１０）の上、または前記気圧センサ（１０）の側に配列され、
前記熱ガスセンサ（２０）は、前記気圧センサ（１０）の上に配置されたフレームを備え、
前記フレームは、前記ガス滲透性測定構造体（２２）の動作領域が、前記フレームによって囲まれた前記熱ガスセンサ（２０）の連続したリセスまたは穴である自由内部領域に及ぶように、前記ガス滲透性測定構造体（２２）を担持し、
前記気圧センサ（１０）の前記ガス流入開口または前記気圧センサ（１０）の前記圧力感知面は、前記気圧センサ（１０）の連続したリセスまたは穴である自由内部領域に接していることを特徴とする、センサ配列（１００）。 - 前記熱ガスセンサ（２０）は、前記気圧センサ（１０）と互いに近接あるいは互いに直接接するように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ配列。
- 前記熱ガスセンサ（２０）は少なくとも３つの導電性構造体（３０、３２、３４）を含み、前記導電性構造体（３０、３２、３４）は、ギャップによって離間され、第１の導電性構造体は加熱信号を備えるように構成され、第２の導電性構造体及び第３の導電性構造体は前記第１の導電性構造体から異なる距離で配列され、前記第２の導電性構造体及び前記第３の導電性構造体は温度センサとして動作するように構成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のセンサ配列。
- 前記導電性構造体（３０、３２、３４）は、結晶シリコンワイヤである、または、前記導電性構造体（３０、３２、３４）は、膜材料上の多結晶ヒーターであると同時に半導体温度検出器またはサーモスタックであることを特徴とする、請求項３に記載のセンサ配列。
- 前記熱ガスセンサ（２０）は、少なくとも２つの導電性構造体（３０、３２）を含み、前記導電性構造体（３０、３２）は、少なくとも１つのギャップによって離間され、第１の導電性構造体は、加熱信号を備えるように構成され、第２の導電性構造体は、温度センサとして動作するように構成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のセンサ配列。
- 前記センサ配列は、前記第１の導電性構造体に第１の時間間隔内の加熱信号を提供し、前記第２の導電性構造体を温度センサとして用いるように構成され、
前記センサ配列は、前記第２の導電性構造体に第２の時間間隔内の加熱信号を提供し、前記第１の導電性構造体を温度センサとして用いるように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載のセンサ配列。 - 前記導電性構造体（３０、３２、３４）は、分析されるガスに囲まれるように構成され、前記第１の導電性構造体は、前記分析されるガスから前記第２の導電性構造体及び第３の導電性構造体への熱伝達を可能にするように構成され、前記第２及び第３の導電性構造体（３２、３４）は前記熱伝達のためのセンサとしての役割を果たすように構成されていることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載のセンサ配列。
- 前記導電性構造体（３０、３２）は、分析されるガスに囲まれるように構成され、前記第１の導電性構造体は、前記分析されるガスから前記第２の導電性構造体への熱伝達を可能にするように構成され、前記第２の導電性構造体（３２）は前記熱伝達のためのセンサとしての役割を果たすように構成されていることを特徴とする、請求項５または請求項６に記載のセンサ配列。
- 前記熱ガスセンサ（２０）は、キャリア材料を備え、
前記熱ガスセンサ（２０）は、前記気圧センサ（１０）の外方を向く前記熱ガスセンサ（２０）の表面から前記気圧センサ（１０）に対向する前記熱ガスセンサ（２０）の表面まで伸長する中央領域内に連続した凹部を備え、
前記ガス滲透性測定構造体（２２）は前記凹部の領域の中に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項８のうちのいずれか１つに記載のセンサ配列。 - 前記熱ガスセンサ（２０）は粘着性物質によって、前記粘着性物質が前記気圧センサ（１０）の前記ガス流入開口、または前記気圧センサ（１０）の前記圧力感知面と接触しないように、前記気圧センサ（１０）に接続されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項９のうちのいずれか１つに記載のセンサ配列。
- 前記センサ配列はプリント基板材料を備え、
前記気圧センサ（１０）及び前記気圧センサ上の前記熱ガスセンサ（２０）は前記プリント基板材料の一方の側に配置され、電気的接触のためのプラグまたは、はんだ接触部が、前記プリント基板材料の前記気圧センサ及び前記熱ガスセンサ（２０）の外方を向くもう一方の側に配置される、または、
前記気圧センサ（１０）及び前記気圧センサ上の前記熱ガスセンサ（２０）は前記プリント基板材料の凹部に配置され、電気的接触のためのプラグが前記プリント基板材料の側面に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項１０のうちのいずれか１つに記載のセンサ配列。 - 前記センサ配列は、評価手段を含み、前記評価手段は、前記熱ガスセンサを使用することによって得られるセンサ信号の位相及び振幅に基づいて、且つ前記気圧センサ（１０）が提供する圧力情報及び場合によれば温度情報に依存して、ガス濃度を決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項１１のうちのいずれか１つに記載のセンサ配列。
- 前記センサ配列は、前記センサ配列が存在している内部の容積を提供するハウジングに囲まれており、
分析されるガスが拡散過程によって通過して前記ハウジングの外側から前記容積内の前記センサ配列に達することができるハウジング開口を備える前記ハウジングが設けられ、
前記ハウジングの前記開口は、前記センサ配列を汚染から保護するように構成された薄膜を備え、前記薄膜は分析されるガスが拡散することを可能にするように構成されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項１１のうちのいずれか１つに記載のセンサ配列。 - 前記センサ配列は、前記センサ配列が存在している内部の容積を提供するハウジングに囲まれており、
前記ハウジングは、分析されるガスが拡散過程によって通過して前記ハウジングの外側から前記容積内の前記センサ配列に達することができる前記ハウジングの開口を備え、
前記ハウジングの前記開口は、前記センサ配列を汚染から保護するように構成された薄膜を備え、前記薄膜は分析されるガスが拡散することを可能にするように構成されていることを特徴とする、請求項１２に記載のセンサ配列。 - 流路（７００）であって、前記流路（７００）は壁に開口を含む、流路（７００）と、
請求項１ないし請求項１４のうちのいずれか１つに記載のセンサ配列であって、前記センサ配列（１００）は、前記センサ配列が前記開口を介して前記流路（７００）の内部と空間的に接続されていて、前記流路（７００）の前記内部と前記センサ配列の間でのガス交換が可能になるように配置される、センサ配列と、
を含むことを特徴とする、センサ装置。 - 流路（７００）であって、前記流路（７００）は壁に開口を含む、流路（７００）と、
請求項１２に記載のセンサ配列であって、前記センサ配列（１００）は、前記センサ配列が前記開口を介して前記流路（７００）の内部と空間的に接続されていて、前記流路（７００）の前記内部と前記センサ配列の間でのガス交換が可能になるように配置される、センサ配列と、
を含むことを特徴とする、センサ装置。 - 流路（７００）であって、前記流路（７００）は壁に開口を含む、流路（７００）と、
請求項１３に記載のセンサ配列であって、前記センサ配列（１００）は、前記センサ配列が前記開口を介して前記流路（７００）の内部と空間的に接続されていて、前記流路（７００）の前記内部と前記センサ配列の間でのガス交換が可能になるように配置される、センサ配列と、
を含むことを特徴とする、センサ装置。 - 流路（７００）であって、前記流路（７００）は壁に開口を含む、流路（７００）と、
請求項１４に記載のセンサ配列であって、前記センサ配列（１００）は、前記センサ配列が前記開口を介して前記流路（７００）の内部と空間的に接続されていて、前記流路（７００）の前記内部と前記センサ配列の間でのガス交換が可能になるように配置される、センサ配列と、
を含むことを特徴とする、センサ装置。 - 前記センサ装置は、前記フレームがセンサ配列を囲むハウジングの前記開口のガス測定空間を外側に向けて封印するように構成され、前記流路（７００）内のガス濃度から最大でも０．５ｖｏｌ％しか逸脱しない、前記熱ガスセンサの前記動作領域内の前記ガス濃度の補償までの時間間隔は１０ｍｓ未満であることを特徴とする、請求項１５に記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記フレームがセンサ配列を囲むハウジングの前記開口のガス測定空間を外側に向けて封印するように構成され、前記流路（７００）内のガス濃度から最大でも０．５ｖｏｌ％しか逸脱しない、前記熱ガスセンサの前記動作領域内の前記ガス濃度の補償までの時間間隔は１０ｍｓ未満であることを特徴とする、請求項１６に記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記フレームが前記ハウジングの前記開口のガス測定空間を外側に向けて封印するように構成され、前記流路（７００）内のガス濃度から最大でも０．５ｖｏｌ％しか逸脱しない、前記熱ガスセンサの前記動作領域内の前記ガス濃度の補償までの時間間隔は１０ｍｓ未満であることを特徴とする、請求項１７に記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記フレームが前記ハウジングの前記開口のガス測定空間を外側に向けて封印するように構成され、前記流路（７００）内のガス濃度から最大でも０．５ｖｏｌ％しか逸脱しない、前記熱ガスセンサの前記動作領域内の前記ガス濃度の補償までの時間間隔は１０ｍｓ未満であることを特徴とする、請求項１８に記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記センサ配列に含まれるチャンバが一定の流れを有する領域を表すように構成されていることを特徴とする、請求項１５ないし請求項２２のうちのいずれか１つに記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は流量センサ（７０６）を備え、前記流量センサ（７０６）は、前記流路（７００）内の流速および／またはガス流量および／または体積流量を決定できるように配置されていることを特徴とする、請求項１５ないし請求項２３のうちのいずれか１つに記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、環境圧を測定するように構成された第２の気圧センサを備えることを特徴とする、請求項１５ないし請求項２４のうちのいずれか１つに記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置は、前記流路（７００）内の外気、または麻酔ガスが混合された新鮮な空気の流速に関する情報に基づいて、および／または前記流路（７００）内の新鮮な空気、または麻酔ガスが混合された新鮮な空気の流速に関する情報に基づいて、較正するための時間を検出し、それに応答して前記熱ガスセンサ（２０）の較正を実行するように構成されていることを特徴とする、請求項１５ないし請求項２５のうちのいずれか１つに記載のセンサ装置。
- 前記熱ガスセンサ（２０）は、前記熱ガスセンサ（２０）のガス滲透性測定構造体（２２）が、前記気圧センサ（１０）のガス流入開口の前、または前記気圧センサ（１０）の圧力感知面の前に配列されるように、前記気圧センサ（１０）の上、または前記気圧センサ（１０）の側方に配列されており、
前記熱ガスセンサ（２０）はキャリア材料を備え、
前記熱ガスセンサ（２０）は、前記気圧センサ（１０）の外方を向く前記熱ガスセンサ（２０）の面から、前記気圧センサ（１０）に対向する前記熱ガスセンサ（２０）の面まで伸長する中央領域内に連続した凹部を備え、
前記ガス滲透性測定構造体（２２）は、前記凹部の領域内に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ配列（１００）。 - 前記熱ガスセンサ（２０）は、前記熱ガスセンサ（２０）のガス滲透性測定構造体（２２）が、前記気圧センサ（１０）のガス流入開口の前、または前記気圧センサ（１０）の圧力感知面の前に配列されるように、前記気圧センサ（１０）の上、または前記気圧センサ（１０）の側方に配列され、
前記熱ガスセンサ（２０）は粘着性物質により、前記粘着性物質が前記気圧センサ（１０）の前記ガス流入開口、または前記気圧センサ（１０）の前記圧力感知面と接触しないように、前記気圧センサ（１０）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ配列（１００）。 - 前記熱ガスセンサ（２０）は、前記熱ガスセンサ（２０）のガス滲透性測定構造体（２２）が、前記気圧センサ（１０）のガス流入開口の前、または前記気圧センサ（１０）の圧力感知面の前に配列されるように、前記気圧センサ（１０）の上、または前記気圧センサ（１０）の側方に配列され、
前記センサ配列は、プリント基板材料を備え、
前記気圧センサ（１０）及びその上の前記熱ガスセンサ（２０）は前記プリント基板材料の一方の側に配置され、電気的接触のためのプラグまたははんだ接触部は、前記プリント基板材料の前記気圧センサ及び前記熱ガスセンサ（２０）の外方を向くもう一方の側に配置される、または、
前記気圧センサ（１０）、及びその上の前記熱ガスセンサ（２０）は前記プリント基板材料の凹部に配置され、電気的接触のためのプラグが前記プリント基板材料の側方に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ配列（１００）。
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