JP5771181B2 - 複数の成分を含むガスを分析するために測定空気チャンバ内に設けられたセンサチップ - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いる多成分ガス分析に関し、より具体的には前記分析をシングルチップを用いる多成分ガス分析に関する。

呼吸における呼気の分析は、現在の病院設備における重要なモニタ手段である。フロー又は容積などの流体力学的性質の分析を通じて、肺機能についての情報が抽出され得る。肺はガス成分が血液及び空気の間で交換される場所であり、主な空気成分であるＯ_２、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏなどが吸気及び呼気間で異なることは、動脈血中でのガスを指示するものである。また麻酔薬の血中拡散は呼吸分析を通じて追跡され得る。さらに、ＮＯなどのトレースマーカは、肺又は気道内の病変に関連付けされ得る。

呼気中のＣＯ_２測定はカプノグラフとして知られている。二酸化炭素は好気的代謝を通じて体内で生成される。その後血流により心臓に運ばれその後肺に運ばれ排気される。患者が人工呼吸器を使用する場合、ＣＯ_２はさらに前記人工呼吸器の呼吸通路に沿って運ばれる。該途中又は人工呼吸器でＣＯ_２の濃度（レベル）が測定される。ＣＯ_２は除去され、Ｏ_２が患者の人工呼吸器システムの循環に供給される。血液は心臓により鼓動され、従って酸素を体内に輸送する。該循環は、体内細胞がＣＯ_２を生成しその後血流により輸送され持続される。

カプノグラフ測定は、非常時及び手術処置の際に特に重要であり、また長期間の呼吸補助のために重要である。

器官内チューブ又はラリンゲアルマスクの位置を正しく同定することが必要とされる。間違った位置を検出することができない場合、非常に深刻な又は致命的状況となり得る。

ＡＳＡ（アメリカ麻酔科医協会）は、一般的麻酔薬を受けるすべての患者にカプノグラフ分析を推薦している。またより一般的に、循環呼吸通路が施されている患者の連続的モニタ及びチューブ又はマスクの正しい位置の同定のためにカプノグラフ分析を推薦している。

呼気中のＣＯ_２の濃度は低酸素症、即ち血流中の不十分な酸素状態の診断の助けとなる指標であり、従って、前記医学対象者が非可逆的脳損傷を受ける前に対策を迅速にとることが可能となる。低酸素症は例えば、意識はあるが鎮静状態にある患者が過鎮静となり無意識状態に陥り、その結果呼吸閉塞となる場合に起こり得る。かかる状況で、該状況を回復させるための時間が短い場合、低酸素症（パルスオキシメトリを通じて検出可能）はかなり後に起こる一方で呼吸閉塞はカプノグラフを介して早い段階に検出され得る。

カプノグラフが例えば、循環不全例えば心停止も検出することが可能である。血液が肺に運ばれない場合、呼気中のＣＯ_２の濃度は下がる。これはカプノグラフを通じて早い段階で検出され、従って蘇生が開始され得る。

ＣＯ_２はまた、血液のｐＨレベルの主要因である。身体はｐＨレベルにより呼吸速度を制御している。

空気の他の主成分は酸素、水蒸気及び窒素である。酸素濃度は二酸化炭素濃度と同様に医学的重要性を持つが、導入（すなわち吸気）側で適切にモニタされ得る。ある場合、例えば喘息患者にとっては、水蒸気濃度がまた医学的重要性を持つ。

他の呼気中に含まれるガス成分にはアルコールが含まれ、これは液体物質を通じて摂取されたものである。さらに麻酔蒸気が含まれ、これは外科手術準備のため又は前記処置の間に低濃度で供給される麻酔物である。

カプノグラフは２つの異なる測定構成のいずれかで実施され得る。即ち、主流構成又は側流構成かである。主流構成では、ガスセンサ装置患者の気道内へ向けられチューブ上に設けられている。これは全フローを測定し迅速な応答を持つ。しかしこの構成は、気管内チューブを患者に設ける必要がある。側流構成は、小さなチューブを用いて、患者の気道からの空気の一部を一定の速度で抽出するものである。該空気はサンプルラインを介してセンサが設けられているオフサイドモジュールへ運ばれる。ガス輸送のために側流構成は主流構成に比べて緩慢な応答を持つが、患者の鼻及び口の出口にチューブを正しく配置させることにより、側流構成はより非侵襲性技術となる。しかし非常に低容量のサンプルラインを導入することから、側流構成に伴う時間的分解能は低く価値が小さい。

超音波を用いるガスの最初の分析は１９２０年代に戻る。その頃には石英超音波トランスデューサ及び安定周波数の両方が利用可能となっていた。

ＣＯ_２検出（カプノグラフ）検出に一般的に用いられる検出技術は、４．３ナノメータ（ｎｍ）（即ち、ＣＯ_２による吸収波長）での非分散赤外線吸収（ＮＤＩＲ）である。（６０〜１００ｍｓ）時間分解能及び特性要求を満たす唯一の技術として認められている。化学的検出はまた可能であり、一般的により安価である。しかし典型的により時間のかかる方法であり、時間分解性の要求は満たさない。

超音波を用いる困難は、ガス状媒体へ超音波の動きを移動させる固体の可能性にある。この移動は一般的に、エネルギ的には非常に非効率的である。というのは前記超音波トランスデューサ及びガス状媒体との間のインピーダンス不整合のためである。

圧電トランスデューサが通常超音波を送信し、かつ受信するために使用されるが、媒体がガス状である場合この困難に直面する。

容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）は流体媒体とよりよいインピーダンス整合性を与える。

Ｂｉｌｋｅｎｔ大学での研究は、空中での応用のためにｃＭＵＴを流体媒体中で用いてなされた。Ｓｅｌｉｍ Ｏｌｅｕｍ等による「Ｓｔａｇｇｅｒ ｔｕｎｅｄ ｃＭＵＴ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｉｒｂｏｒｎｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」、２００６ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｐｇ．２３７７を参照すること。彼等は、ｃＭＵＴの中心周波数がその半径サイズに依存し、異なるサイズのｃＭＵＴを平行に接続する場合には空気中では６０％のバンド幅が可能である、ということを見出した。また異なるセル半径を持つより多くのトランスデューサエレメントを用いることで、さらにバンド幅が増加することを見出した。しかし該研究はどの程度用いるかについては言及されていない。

分子性ガスの場合、超音波に伴う併進エネルギはまた分子の回転及び振動エネルギレベルへ伝達され得る。時定数の関与があり、このことは、周波数依存音波吸収及び速度での緩和プロセスを通じて生じる。回転及び振動構造は分子に依存し、かつその移動メカニズムは衝突に関与する種に依存することから、スペクトル的非古典的音波特性の測定は、異なるガス間を区別可能とする。特にＣＯ_２は標準的圧力及び温度において音速及び音吸収について興味ある特徴を有する。

空気超音波トランスデューサは通常固定周波数でのみ操作される。従って、ガスのスペクトル的性能を異なる周波数で研究することを望む場合には、種々の超音波トランスデューサを実施するか、ガス内の圧力を等温的に変更しなければならない（理論的見地から、等温圧力及び周波数依存性は同一である）。多重トランスデューサによる方法は実行することが難しい。というのは標準的トランスデューサを用いる場合費用とともに嵩張るシステムとなるからである。等圧変更方法は一般的に実験室のみで利用可能である。

多周波数ｃＭＵＴ装置をガス分析のために使用することで、単一で安価、かつ小型の装置を実施可能にする。

本発明により見出されたように、ガス濃度を超音波を用いて分析することを提案されたけれど、単一の周波数を用いることは大きな問題がある。ひとつの単一の周波数では、ひとつだけの飛行時間（タイムオブフライト、Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）及びひとつだけの吸収係数を測定することができる。このことは、ガスの自由度の少なくとも２つを固定する。空気は４つの主成分を含む：Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２である。これらと圧力、温度及びフローを組み合わせると７つのパラメータとなる。

最新のガス単一周波数分析装置は追加のセンサ（分配された）を持ち、フロー、湿度及び温度を相殺させている。これらは該装置を高価に、複雑に、故障し易く、修理し難いものにしている。

さらに、超音波測定は容積の測定が必須ではある一方、温度及び湿度センサはしばしば表面測定に実施される。このことは該装置をカプノグラフへの応用に不適当なものとする。

本発明者が見出したように、小型のオンチップ超音波トランスデューサはカプノグラフのためには使用できない。というのは、乱流及びそれに続く長伝播長を避けるために大きなサイズの超音波チャンバを必要とするからである。

主な２つの理由は、小型トランスデューサは、（１）大きな通路での減衰を解消するための十分なパワーを生成することができない、及び（２）平行な音波を生成して該反射がセンサに集中することを困難とさせることができない、ということである。

カプノグラフのためにＵＳ（超音波）を用いることの利益（例えば光学的検出より経済的方法）にも拘わらず、新たな問題が起こる：即ち乱流ガス流が前記音波の伝播を強く阻害するということである。最新の光学又は電気化学に基づくカプノグラフ気道システムにおいては、３／４インチ（１．９０５ｃｍ）直径のパイプ中のフローは乱流であるが、これは測定自体の問題ではない。

この気道システムを超音波に基づくカプノグラフセンサに適合させてもシグナルは不安定となり、過剰な平均化が要求される。このことは結局、診断的見地からは比較的迅速な応答が要求される装置の応答時間を遅くする。

乱流は通路を乱し、同様に試験下でのガスを通じる音波の効果的速度を乱す。従って、既定の通路に沿っての音速測定及び音吸収測定にノイズが導入される恐れがある。特に測定時間か短く十分な平均化がなされない場合にそうである。

通常、長い均一なチューブ又はチャンネル内では、レイノルズ数が２４００よりも大きい場合に乱流が生じることが予想される。レイノルズ数は、流体力学における粘性力に対する慣性力の比の尺度である。

レイノルズ数は次にように定義されている：

ここで、ｕ＝フローの通常速度［ｍ／ｓ］、Ｄ＝チューブの通常の直径［ｍ］、μ_０＝空気の粘性＝１．８４６ｘ１０^−５［ｋｇ／ｍｓ］、ρ_０＝空気密度＝１．２［ｋｇ／ｍ^３］、η＝空気の動力学的粘性＝１．５１１ｘ１０^−５［ｍ^２／ｓ］である。

すべてのパラメータは温度及び湿度依存である。層流領域、従って乱流ではない領域のためには、レイノルズ数は２４００より下であるべきである。

（長方形ダクトの場合には、レイノルズ数は当業者には知られている方法で定義されている。）
さらにインタフェースで、狭窄、拡張、屈曲又は変形がインピーダンス変化を生じ、従って乱流を生じさせる可能性がある。さらに、速いフロー変化（呼吸による）が、制御されない乱流を生じさせて強くシグナルを減衰させることもあり得る。

該問題を観点にいれて：標準のＲｅｓｐｉｒｏｎｉｃｓ（ＴＭ）ＮＤＩＲ系主流カプノグラフシステムにおいて、Ｄ＝１ｃｍの測定容積中でピークフローｆ_ｍａｘ＝３リッタ／ｓが、空気速度ｕ＝４ｆ／πＤ^２＝３８ｍ／ｓを生成する。この値はカテゴリ１のハリケーンに匹敵する。その結果、レイノルズ数はＲｅ＝ｕＤ／η＝２５０００であり、該フローは強い乱流である。該カテゴリ１ハリケーンのピークフローの医学的関連性は明らかである。カプノグラフセンサは、ピークを含むフロー波形を測定することを目的とする。

層流を維持するための最小のチューブ直径Ｄ_ｍｉｎはレイノルズ数の式Ｄ_ｍｉｎ＝４ｆ_ｍａｘ／ηπＲｅ＝１０．５ｃｍを、ピークフローｆ＝３リッタ／秒として再度用いることで見出される：
結果として、少なくとも検出チャンバは相当大きくなければならず、さらにパワーを要するものである。これは小型のオンチップ超音波装置の使用を妨げる。さらに、小型のセンサ装置の適用を不可能とする。

さらに、上記のＢｉｌｋｅｎｔ大学の研究では、空中適用についてｃＭＵＴを提案し、６０％以上のバンド幅を保証したけれども、本発明者は、６０％バンド幅周波数範囲はカプノグラフについてはあまりにも小さいことを見出した。本発明者はさらに、カプノグラフに適する周波数範囲例えば０．２から５ＭＨｚ（これで十分であるが、好ましくは０．０５から１０ＭＨｚ）をカバーする十分なバンド幅を持つ超音波トランスデューサを作ることは極めて難しいことを見出した。

本発明のひとつの側面において、シングルチップ他成分ガス分析装置システムが上記の欠点を解消する。

本発明は、多成分ガスを分析する従来技術、例えばカプノグラフの欠点を解消することに向けられる。

これらの問題のひとつ又はそれ以上を解消するために、本発明の実施態様において、センサチップは、複数のコンポーネントを含み、前記コンポーネントは十分大きな周波数範囲で超音波を送受信し、及び前記範囲内で少なくとも２つの応答に基づいて前記複数のガス成分の濃度を測定するためのセルと共に構成される。

ひとつの変更例において、前記セルは前記送信及び受信のための膜を有し、それぞれの膜は、前記濃度の測定を可能とするように異なるサイズを持つ。

ひとつの変更又は補助的変法において、前記膜のバネ定数は膜張力、電場及び空気圧などの要素に依存し、前記トランスデューサにおいてその周波数を変更するために変更可能である。前記バネ定数ｋは、フックの法則により、式Ｆ＝−ｋｘに従う。これは当業者に知られたことである。

さらなる変更例又は補充の変法では、前記セルはバイアス電圧を有し、前記セル間において、前記濃度の測定を可能とする前記それぞれの周波数変更を実現させる。

ひとつの具体的には側面において、前記センサチップは、濃度を測定されるべき前記ガスについて、前記セルへのバイアスを変化させて十分広い範囲でセルを順に調節して、前記少なくとも２つの応答の異なるひとつを取得するように構成される。

本発明の実施において、測定空気チャンバはセンサチップを含み、前記センサチップは前記チャンバ内のガス圧を調節するように構成され、前記チャンバは、前記セルに対して前記ガス圧をセルごとに選択的に変更するように空間的に構成され、それにより前記セルの周波数を変更し、少なくともひとつのガス成分の前記濃度の測定を達成する。

本発明の周波数範囲は５０ｋＨｚから１０ＭＨｚである。

ひとつの実施態様において、ひとつ又はそれ以上の前記セルは容量性装置として構成され、例えばｃＭＵＴ（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ）又はＭＥＭＳ（マイクロメカニカルシステム）マイクロホンであり得る。

さらなる側面では、前記センサチップは全てのガス成分の濃度を測定するように構成される。

本発明は、呼気中の二酸化炭素の濃度を測定するためのカプノグラフセンサとして実現され得る。

この具体的な変法として、空気フローが排気呼吸であり、前記センサチップがさらに、超音波の飛行時間を決定するように構成され、従って前記少なくともひとつの成分の濃度の測定がオフチップセンサを用いることなく実施され得る。

さらなり側面では、センサチップが超音波を空中に発信し、前記膜を横切るように構成され、前記セルが前記フローの方向へ設けられる。

他の側面では、呼吸通路のためのセンサチップが超音波トランスデューサを含み、前記トランスデューサが、５０ｋＨｚ及び１０ＭＨｚの間で少なくとも２つの応答を受けるように検査するために構成され、かつ前記呼吸通路の少なくともひとつの空気成分の濃度を測定するために前記応答を組み合わせるように構成される。

上記のひとつの実施態様において、第一の前記トランスデューサがパルスを発信し、前記パルスはその後第二の前記トランスデューサにより検出され、前記第二のトランスデューサが同じくパルスを発信し、前記パルスがその後前記第一のトランスデューサにより検出され、空気フローが前記検出されたパルスの比較に基づき測定可能となる。

又は、トランスデューサが、空気フローの方向に、前記センサチップを横切るように設けられ、迂回する超音波のリターンデータを受け取り、前記センサチップが前記トランスデューサの結果とそれぞれの飛行時間及び／又は強度を比較して空気フローを測定するように構成される。

さらに、少なくともひとつの前記複数の超音波トランスデューサが容量性装置であり、ギャップで分離された一組のプレートを持ち、前記センサチップが前記プレートの容量を測定してそれにより空気圧及び従って空気フローを決定するように構成される。

本発明のひとつの実施態様において、測定可能な空気チャンバは、空気フローに関して呼吸通路と連携して設けられる。前記空気チャンバはセンサチップを含み、前記センサチップは超音波トランスデューサを含み、５０ＫＨｚから１０ＭＨｚの間の応答を測定する。前記空気チャンバはまた音響インピーダンスプロフィルを有し、前記チャンバ内の全ての点で、−３及び＋３リッター／秒の間の呼吸フローについて、レイノルズ数が２４００よりも小さくなる。

対応する実施態様において、前記空気チャンバは全主流フローを測定するように構成され、最小直径が１０．５ｃｍに寸法付けされている。

上記変更例において、空気チャンバは最小直径１０．５ｃｍに寸法付けされているが、前記空気チャンバの長手方向の端部は直径が１．９ｃｍに縮小されている。

ひとつの変更例として、チャンバは前記空気フローを分離させ、前記センサチップから送信される超音波を反射させるようにアンダーパスを含むように構成され、前記センサチップは前記アンダーパスの下に設けられる。

この変更例として、前記アンダーパスはオンチップルーフとして構成され得る。

実施態様に対応する上の具体的な例では、空気チャンバは、循環のために呼吸通路から空気フローの一部を迂回させて呼吸通路へ戻す。さらに、前記空気チャンバは、前記センサチップが位置する通路へ前記迂回された部分のいくらかを近道（ショートカット）させるように構成される。

他の側面では、空気成分測定チップは、トランスデューサのアレイを含み、これらは超音波を送受信するための柔軟な膜を有し、それぞれの膜がひとつのサイズを有する。前記チップはさらに、トランスデューサ−プレートに基づく容量測定及び／又はオンチップ熱電対又は抵抗エレメントを用いて温度を測定するように設計される。前記チップはさらに、前記トランスデューサ及び／又はサイズが相違する前記膜のバイアス電圧を持つように構成され、十分な範囲の超音波周波数を達成し、及びオフチップセンサを用いる必要なく、空気中の窒素、酸素、水及び二酸化炭素を測定することができる。

本発明のこれらの側面及び他の側面において、オンチップの全てのシリコン超音波トランスデューサの使用により、バンド幅、消費パワー、コスト及び重量の問題を解消することができる。さらに、ｃＭＵＴ技術はＣＭＯＳ（相補型金属酸化物膜半導体）と整合性を持ち、従ってシグナル生成及びデータ処理のための電子回路と組み合わせることができる。例えば圧力センサを容易に組み込むことができる。また、低コストチップは使い捨てにすることもできるという柔軟性も得られる。

該新規な多成分ガスの超音波に基づく検出の詳細についてはさらに以下、図面を参照にしつつ記載される。

図１は、本発明による、カプノグラフへの光学的及び超音波的適用のひとつの比較を行う概念的図表的ダイヤグラムである。 図２は、本発明による全ての、ｃＭＵＴの概念的ダイヤグラム、模式的ダイヤグラム及びアレイを説明する。 図３は、本発明による、ｃＭＵＴカプノグラフセンサの前記プレートの容量へのカプノグラフでの、超音波周波数に対する膜半径及び超音波周波数に対する空気圧の図表的比較の例である。 図４は、本発明による、アップストリーム、ダウンストリーム対称によるフロー測定の例示的概念図である。 図５は、本発明による、音波配置によるフロー測定の例を示すダイヤグラムである。 図６は、本発明による、空気圧を変更するために空気チャンバ断面を制限する具体的例を示す。 図７は、本発明による、オンチップ実行されるオンチップパラメータ測定のためのスマートアルゴリズムの例示的概念ダイヤグラムである。 図８は、本発明による、大きい直径の超音波チャンバの具体的概念を示す模式的ダイヤグラムである。 図９は、本発明による、最適ポート外形の模式的ダイヤグラムである。 図１０は、測定チャンバでのアンダーパスの構造的、機能的ダイヤグラムであり、断面及び側面を示す。 図１１は、図１０の他の側面であり、端部が傾斜付けされチューブ全体の直径が縮小される単部を示す。 図１２は、オンチップルーフの側面を示す概念的ダイヤグラムであり、直線的構成及び多重反射的構成を示す。 図１３は、センサチップ近傍の乱流を抑制するためのシャントチューブの側面を示し、説明するための模式的ダイヤグラムである。 図１４は、本発明による、呼吸通路内に設けられる測定空気チャンバを示す概念的ダイヤグラムである。

図１は、本発明による、カプノグラフへの光学的方法及び超音波的方法を図表的にかつ概念的に比べたものである。

二酸化炭素１１０はＩＲ（赤外線）光の特定波長４．３ｎｍを吸収する。光吸収の量が吸収された分子の濃度に比例することから、二酸化炭素濃度は、既知標準の吸収と比較することで決定される。濃度は（ＣＯ_２の）分圧でｍｍＨｇ単位で表される。

超音波的方法では、ガス、特にＣＯ_２は、特徴的な吸収スペクトルを持つ。留意すべきは、空気中のＣＯ_２は２０ｋＨｚ及び２ＭＨｚの間に吸収最大を示すということである。前記吸収スペクトルを記録することにより、即ち前記超音波周波数に対する超音波の吸収係数を記録し、及び音速度を測定することにより、単純なガス混合物の成分及びそれらの濃度を決定することができる。従って、空気中のＣＯ_２のパーセントを決定することができる。留意すべきは、ＣＯ_２パーセントを決定するということは他の空気成分のパーセントも決定することができるということである。特にＨ_２Ｏのパーセントである。自由度はガス混合物自体プラス追加のパラメータ、例えば圧力、温度で決められる。本発明によれば、例えばＮ_２及びＣＯ_２の混合物においては、一定湿度、温度及び圧力、２つの成分の濃度が、ほんの２つの超音波応答により決定され得るが、本発明によれば通常は２よりも多い応答が組み合わされる。

図１に示されるように、呼気１２０（ＣＯ_２を含む）フロー１３０は超音波トランスデューサ１４０を通過しその後光学ＣＯ_２センサを通過する。（この図は、本発明による新規な超音波トランスデューサは光学センサの必要性を解消する、という点を概念的に示す）。

該グラフは次のことを示す。空気中のＣＯ_２の濃度１５０が増加（左から右へ）すると、受信ＲＦ（ラジオ周波数）シグナルのエネルギが強度低下する。該減少はより強い減衰によるものであり、多くの数のＣＯ_２分子が前記超音波を吸収することによる。プロットされたグラフは既知機能を性格に追うものであることから、超音波トランスデューサ１４０は前記光学センサと信頼性を持って置換され得る。さらに上記説明されたようにより低コストである。

ガス成分分析のために、選択性は数種類の超音波周波数を用いて実施される。例えば２０ＫＨｚから５ＭＨｚの範囲で超音波スペクトルを記録する。この記録は前記ガス混合物に特異的である。

図２は、ｃＭＵＴの概念的ダイヤグラム、ｃＭＵＴ２００の模式的ダイヤグラム及びｃＭＵＴ２００のアレイ２０５について説明的かつ非制限的例示を示す。ｃＭＵＴはＣＭＯＳ製造と整合する低温で製造されることができ、従ってシグナル生成及びデータ処理のための電子回路と組み合わせることができる。

前記ｃＭＵＴは、例えば、基板２１５とシリコン窒化物分離層２２０の間に埋め込まれるボトム電極２１０を含む。トップ電極２２５はシリコン窒化物膜２３０に埋め込まれている。環状ポスト部２３１に支持され、柔軟性膜又は超音波境界表面２３０（半径２３２、２３３、２３４を持つ）及び分離層２２０がそれらの間にキャビティ２３５を形成する。前記キャビティ２３５は真空シールされるかガスを含んでいてよい。半径２３２、２３４は種々のサイズで示され、前記３つのｃＭＵＴ２００のそれぞれの中心周波数を変更する。これに代えて、又はこれに加えて、バイアス電圧２４０を電極２１０、２２５間に適用し、ｃＭＵＴアレイ２０５のｃＭＵＴ２００間で変更されてそれぞれの中心周波数を変更することができる。応答時間がそれほど重要ではない、カプノグラフ以外の応用においては、単一のトランスデューサが十分な範囲の周波数に順次調節されてもよい。これは、トランスデューサへのバイアス電圧を変更することで可能であり、所与ガスの成分濃度の分析に必要な周波数を提供するものである。

前記ｃＭＵＴアレイ２０５は、ＡＳＩＣ（応用特化集積回路）又はＳｏＣ（オンチップシステム）上で実施されてよい。ＡＳＩＣ又はＳｏＣは、ボード上にＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）を含み、トランスデューサアレイ２０５に加えて例えば熱電対及びレーダーなどの他のセンサを含む。得られるセンサチップは柔軟性があり、柔軟なホイル上に接着されることができ、その後前記システムリコンが接地される。

図３は、本発明による、ｃＭＵＴ２００超音波周波数３１０を膜サイズ、特に前記半径３２０との比較の例を示す。さらに、図３では、カプノグラフでの空気圧３３０と、本発明によるｃＭＵＴ２００カプノグラフセンサのプレート２２０、２３０の容量３４０との関係を例示する。

最も簡単な場合において（低ＡＣ駆動電圧、低ＤＣバイアス）、振動の最低モード周波数は：

で現される。ここで、Ｄ＝Ｅｈ^３／１２（１−ν^２）は曲げ剛性を表す。

非直線性により、共鳴周波数は適用電圧の関数としてシフトする。このことは、トランスデューサを調節するために有利である（ファクタ４が示される）。

ｃＭＵＴの周波数は次のパラメータで制御される。
ａ）設計パラメータ：図３に示されるように、Ｒ＝膜半径３３２
ｂ）材料パラメータ：ｈ＝厚さ；Ｅ＝ヤング率；Ｖ＝ポアソン比
ウェハ上で、絶縁層の厚さ及び材料定数は固定される。

ｃＭＵＴ２００の半径３３２は周波数３１０を制御するために用いられる。従って、単一ダイで周波数３１０を変更することは可能であり、また目標とする全範囲の周波数をカバーするブロードバンドｃＭＵＴ２００を製造することは可能である。

図３はさらに、カプノグラフセンサｃＭＵＴ２００のプレート２２０、２３０の容量３４０についてカプノグラフの空気圧３３０の応答をシミュレートしたグラフを示す。空気圧３３０（ここではバール単位で表される）が増加するとプレート２２０、２３０をより近づくように圧縮し、それにより容量（ここではｐＦ（ピコファラッド）で表される）が増加する。

他の容量性装置であって、超音波送受信のために使用可能な装置は、ＭＥＭＳマイクロホンである。該装置は通常音響（フラット応答が望まれる）のために使用され、１５ｋＨｚまでの音響周波数で使用される傾向があった。本発明者は、前記ＭＥＭＳマイクロホンは、約１の低Ｑファクタで「共鳴モード」操作され、従って大きなバンド幅、例えば約１００ｋＨｚのバンド幅を達成可能であり、さらにより高い周波数もまた膜パラメータ（直径、厚さ及び効力など）を変更することで達成され、ガス測定を可能とすることを見出した。

図４は、本発明による、アップストリーム−ダウンストリーム対称によるフロー測定の方法を例示したものである。フロー１３０は気道又は人工呼吸器通路内で生じ得る。人工呼吸器通路はチューブ、マスク又は他の装置であって医学的被検体に付設された人工呼吸器への装置及び人工呼吸器からの装置を含む。

複数の超音波トランスデューサ２００をシングルダイ（チップ、柔軟性ホイル）上に組み合わせることで、新規な多成分ガス分析装置システムが、広い範囲の温度、圧力及びフロー状態でガス混合物の濃度１５０を決定することができる。全ての巨視的パラメータ又はこれらのより大きいサブセットパラメータが、超音波装置のみを含むひとつのシングルチップを用いて測定される。

空気フロー測定は、超音波速度及び／又は吸収はアップストリーム及びダウンストリーム測定で異なるということに基づく。この効果は、ガスフローメータではすでに知られているが、非対称な有効超音波長さが前記フロー４３０の両方の方向で異なることにより生じる。この方法は２以上の超音波トランスデューサ４１０、４２０をフロー４３０内に設ける必要がある。ひとつのトランスデューサ４１０がパルス４４０を送信し、前記第二のトランスデューサ４２０で検出される。その間に又は続いて第二のパルス４５０が前記第二のトランスデューサ４２０から送信され、前記第二のトランスデューサで検出される。その後飛行時間（ＴＯＦ）又はシグナル強度が比較され得る。

図５は、本発明による音波位置変化によるフロー測定の例を示す。フローは、前記フローのより生じる水平空気速度による前記音波の位置変化を決定することで測定される。

ｃＭＵＴトランスデューサ５０５は広がる音波５１０を生成する。１ｘ１ｃｍフローチャンバ５１５中の１００ｍｌ／ｓでのガスフローで、反射された音波の中心点は、距離Δ＝２ｈ（ν_ｆｌｏｗ／ν_ｎｏｍ）＝６０μｍ（ミクロン）位置変化する。異なる地点で設けられる多数のトランスデューサ（通常１５０〜７００μｍ）のアレイ２０５を用いて前記強度応答を比較することで、前記位置変化が測定され、前記フローを計算することができる。留意すべきは、前記フローは前記音波の中心点の飛行時間に影響しないということである。というのは、パス長さ及び有効音速度は次の式により共に測定されるからである。

トランスデューサのそれぞれにおいて、飛行時間も強度もフロー変動に応じて変動する。

図６は、本発明による、空気圧を変化させるための空気チャンバ断面の制限を具体的に示す。

この実施態様は、超音波吸収スペクトルは圧力３３０の変化により変動するということに基づく。ｃＭＵＴ装置２００は、最大効率を維持するためにひとつの単一周波数３１０について最適化されている。調節は＋／−１０％の範囲で有効であり、従って２０年以上に亘る測定は多重ｃＭＵＴを要求し、（１）離散周波数３１０（ハーモニックに関係付けされていない場合もある）の数の制限、（２）チップの異なるサイズ及び（３）異なる駆動ハードウェアなどにつき重大な欠点である。

同じｃＭＵＴ装置２００を用いるため及び異なる周波数３１０で測定するため、圧力３３０はガスチューブ５１５に沿ってその断面Ａ（直径、高さ）を変動させる。ガス圧力３３０は次の式に従う。
ｐ∝ν_ｇａｓ・Ａ、ここでν_ｇａｓはガス速度である。
追加のポンプ手段（真空）が前記制限によるフロー抵抗を相殺するために使用され得る。

図７は、本発明による、パラメータ測定オンチップのためのオンチップ実行スマートアルゴリズムの概念的ダイヤグラムの例である。

オンチップスマートアルゴリズム７００は、オンチップエレメントをモニタし、オンチップエレメントは前記実施に依存して存在する。ｃＭＵＴトランスデューサ２００のひとつが選択的に、真空シールされたキャビティ７１０又はガス充填キャビティ７２０と共に形成され得る。前記チップはまた、熱電対（又は抵抗温度測定エレメント）７３０及び／又はレーダーエレメント７４０を含んでいてよい。

真空シールキャビティ７１０の実施態様又はその一部では、圧力３３０は、ｃＭＵＴトランスデューサ２００のプレート２２０、２３０の平均位置の容量測定により測定され得る。標準空気圧力センサにおいてと同様に、ｃＭＵＴトランスデューサ２００のプレート２２０、２３０は真空２３５で分離されている。上部プレート２３０は、前記真空２３５及び前記外部圧力３３０間の圧力差により曲がっており、前記プレート２２０、２３０の容量３４０に影響を与える。１容量３４０の測定は従って外部圧力３３０の指示とされ得る。

２つの位置での圧力差を測定することで、この方法はまた前記フロー１３０を測定するために使用され得る。

温度は、測定を保証するパラメータである。というのは、温度は全体の音速を決めるからである。

ガス充填キャビティ７２０の実施態様又はその部分について、温度はｃＭＵＴトランスデューサ２００のプレート２２０、２３０の平均的位置（プレート間の体積はガスで充填されている）の容量測定により測定され得る。上部プレートは、温度が上昇しガスが膨張する際に曲げり、プレート２２０、２３０の容量３４０に影響を与える。この容量３４０の測定は従って、温度の指示となる。

または、オンチップ熱電対（又は抵抗エレメント）７３０は前記ガス温度の適切な指示を与え得る。

前記スマートアルゴリズム７００により決定され得るパラメータの残りは、超音波の吸収及び飛行時間及びそれらの周波数依存性を介して測定され得る。シングルトランスデューサ同様分離された複数のトランスデューサ、例えばレーダー７４０などもシグナルの送信受信のために使用され得る。水の量はＣＯ_２吸収最大の周波数シフトから得られる。Ｎ_２対Ｏ_２の比率は、より高い周波数での吸収から得られる。

図８は、本発明による、大直径超音波チャンバ５１５の具体的な概念を示す。

カプノグラフにおいては、例えば、小型のオンチップ超音波トランスデューサと整合性があるためには、実施され得るのは、実質的に小型の超音波測定チャンバ５１５であり、これは前記主流気道フロー１３０の小さな部分に設けられ、乱流のない超音波測定を実現する。

用語「気道システム」とは、主流又は側流適用の文脈において広く解釈されるべきである。これは、チューブ、マスク及び他の生体の呼吸を案内する手段を含む。用語「呼吸気道」とはここでは同じく、チューブ、マスク及び他の呼吸案内手段を含むものとして定義される。

少なくとも測定する容積内で低レイノルズ数を持つチューブの使用は、安定したフローを保証し、従って前記チューブ内での安定したシグナルを保証する。チューブ内の有用な構成は丸められた開口部を持つものであり、例えばＡ．Ｍ．ｖａｎ ｄｅ Ｎｉｅｕｗｅｎｄｉｊｋ及びＪ．Ｅ．Ｍ．Ｖａｅｌの「Ｂａｓｓ−Ｒｅｆｌｅｘ Ｐｏｒｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」、Ｎａｔ．Ｌａｂ． Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅ ＴＮ０６５／９７及び「Ａｌｌｅｓ ｗａｔ ａｄｅｍｔ−Ｒ．ｄｅ Ｎｉｊｓ」ＥＭＩ１９８４に記載されている。

留意すべきことは、乱流の発生は、強い非直線性プロセスであり、チューブ内の同じ立体構造が、前記チューブでのフローの方向に依存して異なる程度の乱流を与えることがあるということである。カプノグラフでのフローは２つの方向（吸気及び呼気呼吸）で起こり得る。従って測定は両方の方向のフローについて適切であるような方法で行わなければならない。

構造は、狭窄、屈曲、波打、分割などがある。インピーダンスマッチングは、スタブ手段などにより実施され得るが、これらは周波数／フロー依存性である。滑らかに変更される表面などの非共鳴測定はまた他の選択肢である。

被検体（即ち、ヒト患者又は動物）の呼吸現象による最初の乱流、例えばいびきなどの乱流を低減させる全ての測定が考えられる。例えばダンパ又はアクティブフィードバックが使用可能である。

さらに乱流指示（例えば音波伝播などの）は、前記詳細なガスフロー１３０を、例えばバルブなどの装置による制御方法で前記チューブの断面を微調節するために使用され得る。

全主流フロー１３０での測定では、前記チューブの最小直径は増加させなければならない。図８の上部に示されるように、層流を維持するためには１．９ｃｍから少なくとも１０．５ｃｍである。結果として、超音波トランスデューサ２００の直径は約３ｍｍ程度にならなければならない。最小チューブ直径の制限は、少なくともひとつの前記超音波チャンバ５１５に従う必要がある。

次の変更例では、図８の下に示されるように、１１ｃｍ測定チャンバが徐々に１．９ｃｍ標準気道チューブへ適合されている。

図９は、本発明により、最適化ポート外形の実施型を示す。

前記したＮｉｅｕｗｅｎｄｉｊｋ等の研究において、最適化ポート外形は、最大角度６度（ポート外形からポート軸へ測定）とで徐々に両端部に向かって広がるものであり、両方の端部では比較的小さいフィレット半径をもつと結論している。このポート立体形状は、二次ノイズ（ブローノイズ、乱流）を８ｄＢ低減する。該ポートは両端が丸められ両端部で徐々に広がっている。

図９はＮｉｅｕｗｅｎｄｉｊｋ等の参考文献から引用されたものであり、基本的形状を示す。本発明の内容においてはこの寸法はより小さくなるべきである（例えば：直径１ｃｍ、合計３ｃｍ長さ、半径０．５ｃｍ）。

図１０は、測定チャンバ５１５のアンダーパス１０１０を示し、断面及び側部が示される。

前記トランスデューササイズをさらにｍｍ範囲にまで減少させるために、前記主流フローの小部分が小型の超音波チャンバへ積極的分離１０２０により供給される。この考えは図１０に示される。

前記超音波チップの上の約１ｃｍの距離で、１２ｃｍ直径のパイプの壁に、小さな「アンダーパス」が、主流の部分ｆ_１を分離する。粗い近似（二次フロープロフィルを無視）において、前記フロー間の比は次の式で与えられる。

ここで

及び

実際には主流の部分は超音波チップ１０３０を横切って「曲げられている」。前記チップ１０３０を横切る前記低フローにより、実質的な遅れが前記センサ応答の低パスフィルタ作用する。この問題を解消するためにそこで空気は最初にアンダーパ１０１０に入る、トランスデューサ２００の２つの群（前記フローの方向に依存して）が測定に使用される。この群は同じチップ１０３０上に設けられ得る。

図１１は、図１０の側面図の、他の実施態様であり、チューブ５１５が、端部が傾斜付けされ直径が徐々に減少する。

チューブ直径が、徐々に通常の３／４インチチューブから測定チャンバ内での１１ｃｍへ適合される。これは、図８の実施態様と関連して説明されたように純粋な層流を実現するためである。

ルーフ１１１０の機能は次の３つである。（ａ）前記超音波シグナルの反射板として；（ｂ）前記フロー１３０を分ける及び（ｃ）高周波数乱流を抑制する。従って主流が完全に層流であることは必要ではない。その結果、測定チューブ直径は、例えば５ｃｍにまで減少させることができる。

図１２は、直線にかつ多重反射のために構成されるオンチップルーフ１２１０、１２２０の側面図を示す。

さらなる開発において、チップサイズは、ＭＥＭＳ（マイクロメカニカルシステム）技術でオンチップ「ルーフ」１２１０を実施することで、又はひとつ又はそれ以上のトランスデューサ２００上に約１００μｍの他の１Ｄ／２Ｄ構造を実施することで、さらに減少させることができる。

前記ルーフは、乱流発生を防止するために流線形外形を持ち得る。

小さな通路長により、観測されるＣＯ_２シグナルは小さいものであり得る。これは多重反射を実施することで解消され得る。例えば図１２の下の側面図で示される隣接するルーフ１２２０を介して可能である。これは、トランスデューサ２００がより小さく（Ｄ／λ≒１）なるほど容易となる。

図１３は、前記センサチップ１３３０の近傍での乱流を低減させるための分流チューブの例を示す。

さらなり実施態様において、前記主流１３０の小部分が「ショートカット」により前記主チューブの部分を短い狭いチューブ１３４０により分離されている。そこに超音波センサチップ１３３０が設けられている。

前記フロー間の比率は、２つのチューブ１３４０、１３５０の抵抗に影響され、次の式で与えられる。

ここで

及び

である。

両方のパイプ１３４０、１３５０での遅れ（空気の通過時間）が等しくなるように設計され、それにより、異なる時間に到達することを防止し、前記応答の低パスフィルタ作用を生じることを防止する。

急な曲がりは、乱流の発生、特に前記超音波パイプの出入り口での発生の危険を減少させるために避けられる。

超音波パイプ１３４０での低フローによる遅れ、及びシャントパイプ１３５０内のデッドボリュームによる遅れ（前記センサ応答を低パスフィルタする）を除去するために、トランスデューサ２００は図１０の実施態様に示されるように前記チップ１３３０の両方の側部に配置される。

図１４は、本発明による、呼吸通路４００内に設けられた測定空気チャンバ５１５を示す概念的ダイヤグラムである。

図１４では、患者の呼気呼吸１２０はＥＴ（気管内）チューブのチップへ入る。排気呼吸１２０は呼吸通路４００（患者内の部分と患者の外にある部分）に沿って移動する。最初ＣＯ_２を流入する空気から吸収するためにＣＯ_２吸収剤１４１０に到達する。人工呼吸器１４１５により前記空気の流れにＯ_２がポンプで投入され、呼吸通路４００に沿って患者に戻される。患者内で同様の循環が生じる。肺で血液は新たにＯ_２を吸収し、代わりに呼吸通路４００にＣＯ_２を排出する。ＣＯ_２を含む空気はその後ＥＴチューブ１４０５まで移動しＣＯ_２を吸収剤１４１０へ戻す。

ＥＴチューブ１４０５の部分の拡大図が、センサチップ１０３０上のｃＭＵＴ２００のライン、ｃＭＵＴアレイ２０５を示す。超音波及びそのエコーは例えば図５に示される。

この人工呼吸器システムは、酸素に加えて、少量の麻酔薬を手術の間に患者に投与してもよい。

人工呼吸器を付けた患者のカプノグラフにつきここで集中的に説明されたが、新規多成分ガス分析チップはまた他の医学的処置における応用を持つ。例えば、入院患者のための補助なし呼吸のために、患者モニタシステムは提供されるガスセンサを含むことができる。他の応用は、携帯可能な心肺機能蘇生システム（ＣＰＲ）である。

さらに、医学的処置以外の応用の分野においての実施には、例えばガス成分が同定され、かつ定量化される分野である。例えば建物内及び自動車内の空気品質、排気ガス分析、及び先進的な環境及びグリーンハウス制御の分野が挙げられる。

留意すべきは、上記説明した実施態様は、本発明を制限するものではないということである。当業者であれば、添付の特許請求の範囲の範囲から離れることなく多くの変更・変法例を設計できるであろう。例えば、ｃＭＵＴ及びＭＥＭＳマイクロホントランスデューサが議論されてきたが、センサチップにはまた圧電素子系マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）が含まれる。特許請求の範囲において、括弧ではさまれた参照番号は前記特許請求の範囲を限定するように解釈されるべきではない。動詞「含む」及びその関連用語は、請求項に記載されたもの以外のエレメント又はステップを排除するものではない。用語「ひとつの」を持つエレメントは、複数の該エレメントを排除するものではない。本発明は、いくつかの区別されるエレメントを含むハードウェアの手段により実施され得るし、コンピュータ読み取り可能な媒体を含む適切にプログラムされた集積回路の手段により実施され得る。ひとつの手段が相互に異なる従属請求項に引用されているという単なる事実が、それらの手段の組み合わせが有利には使用されることができないということを意味するものではない。

Claims (14)

1. 複数の成分を含むガスを分析するために測定空気チャンバ内に設けられたセンサチップであり、
   前記センサチップが超音波を送受信するための複数のセルを含み、
   前記複数のセルが５０ｋＨｚ及び１０ＭＨｚの間の周波数範囲にわたり、前記複数のガス成分のうちの少なくとも１つの成分の濃度を、前記周波数範囲内で少なくとも２つの超音波応答に基づいて測定するように作動可能とされ、
   前記測定空気チャンバは、空気チャンバ断面内に寸法的制限を設けて前記測定空気チャンバ内でガス圧力を変動させ、前記寸法的制限がセルに対する前記ガス圧力をセル毎に選択的に変動させ、複数のセルのそれぞれの周波数を変動させて、前記濃度の測定を達成する、センサチップ。
2. 請求項１に記載のセンサチップであり、前記複数のセル中でのそれぞれのセルの周波数は、前記周波数範囲内で変動する、センサチップ。
3. 請求項２に記載のセンサチップであり、前記複数のセルが前記送受信のための膜を有しており、それぞれの膜がサイズを持ち、前記膜サイズ及び／又は前記膜のそれぞれのバネ定数を前記複数のセルで相違させることによってそれぞれの周波数の変動を実現する、センサチップ。
4. 請求項２に記載のサンサチップであり、前記複数のセルがバイアス電圧を有しており、前記バイアス電圧を前記複数のセルにつき相違させることによってそれぞれの周波数の変動を実現する、センサチップ。
5. 請求項２に記載のセンサチップであり、測定すべきガス濃度について、前記複数のセルのひとつのセルを十分に広い範囲で、前記セルのバイアス電圧を変動させることで順に調節し、それにより前記少なくとも２つの超音波応答のうちの異なる応答を取得する、センサチップ。
6. 請求項１に記載のセンサチップであり、前記周波数範囲が５０ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲に拡張される、センサチップ。
7. 請求項１に記載のセンサチップであり、前記複数のセルのひとつのセルが容量性装置を含む、センサチップ。
8. 請求項７に記載のセンサチップであり、前記容量性装置がｃＭＵＴ（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ）を含む、センサチップ。
9. 請求項７に記載のセンサチップであり、前記容量性装置がＭＥＭＳ（マイクロマシンシステム）マイクロホンを含む、センサチップ。
10. 請求項１に記載のセンサチップであり、前記複数のガス成分のそれぞれの濃度を全て測定することを含む、センサチップ。
11. 請求項１に記載のセンサチップであり、前記センサチップがさらに呼気中の二酸化炭素濃度を測定するためのカプノグラフセンサとして構成される、センサチップ。
12. 請求項１に記載のセンサチップであり、前記複数のセルが超音波を前記セルの膜を横切る空気フローに放射し、前記複数のセルが空気フローの方向に配置される、センサチップ。
13. 請求項１２に記載のセンサチップであり、前記空気フローが呼気を含み、かつ前記センサチップはさらに、前記濃度の測定がチップ上以外のセンサを必要とすることなく実施されるように超音波の飛行時間を決定する、センサチップ。
14. 測定空気チャンバ内に設けられた空気成分測定チップであり、前記チップは：
    超音波を送受信するための柔軟性膜を有する容量性トランスデューサのアレイを含み、それぞれの膜がサイズを有し、
    空気フローの方向に複数の前記トランスデューサを用いて空気フローを測定するためのオンチップアルゴリズム装置を含み、前記オンチップアルゴリズム装置はさらに、トランスデューサプレート上の容量性測定、抵抗エレメント及びオンチップ熱電対のうちの少なくとも１つにより温度を測定し、
    前記トランスデューサのバイアス電圧及び／又は膜サイズを前記トランスデューサの中で相違させて５０ｋＨｚ及び１０ＭＨｚの間の超音波周波数範囲を達成し、かつチップ上以外のセンサを必要とせずに、空気中の窒素、酸素、水及び二酸化炭素の濃度を測定し、
    測定空気チャンバが、空気チャンバ断面内に寸法的制限を設けて前記測定空気チャンバ内でガス圧力を変動させ、前記寸法的制限がセルに対する前記ガス圧力をセル毎に選択的に変動させ、複数のセルのそれぞれの周波数を変動させて、前記濃度の測定を達成する、
    空気成分測定チップ。
    

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