KR19990077161A - 수동 적외선 분석 가스 센서 및 그 복수 채널검출기 어셈블리 - Google Patents

수동 적외선 분석 가스 센서 및 그 복수 채널검출기 어셈블리 Download PDF

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제이콥 와이. 왕
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존 알. 피터스
엥겔하드 센서 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

수동 소스 적외선 가스 검출기(33)는 수동 적외선 소스를 사용하며, 검출기 어셈블리(3, 79)와 소스 사이의 공간을 샘플 챔버로 이용한다. 가스 검출기(33)는 제1, 제2, 제3 출력을 발생하는 적외선 검출기 어셈블리(3, 79)를 구비하는데, 제1 출력은 미리 선택된 검출할 가스에 의해 흡수될 수 있는 제1 비-중성 스펙트럼 대역에서 수신되는 방사선을 나타내고, 제2 출력은 수동 적외선 소스로부터 제1 중성 스펙트럼 대역에서 수신되는 방사선을 나타내며, 제3 출력은 수동 적외선 소스로부터 제2 중성 스펙트럼 대역에서 수신되는 방사선을 나타낸다. 신호 처리 수단은 세 개의 출력을 조작하여 모니터되는 가스의 농도를 판정한다. 추가적인 검출기를 검출기 어셈블리에 부가함으로써, 추가적인 가스의 특성 스펙트럼 대역에서 방사선을 검출할 수도 있다.

Description

수동 적외선 분석 가스 센서 및 그 복수 채널 검출기 어셈블리
본 출원은 1995년 4월 13일 출원된 계류중인 특허출원 제 08/422,507 호의 부분 계속출원이다. 특허출원 제 08/422,507 호는 본 명세서에 대부분 참조되어 있다.
본 발명은 일반적으로 가스 센싱 장치 분야에 관한 것이며, 특히 검출할 가스의 특성 적외선 흡수 대역을 이용하여 하나 이상의 가스의 농도를 측정할 수 있는 가스 검출기에 관한 것이다.
<종래 기술의 설명>
대개의 가스들은 적외선 스펙트럼 내에 특성 흡수 대역을 갖는다. 이러한 가스의 검출을 위해 가스 분석기 산업계에서는 비분산 적외선(NDIR) 기술을 널리 사용하여 왔다. 이러한 가스 분석기는 각종 가스들이 적외선 방사 스펙트럼의 특성 파장에서 상당한 흡수능을 보인다는 원리를 이용하고 있다. 통상적으로, NDIR 가스 분석기에서 관심있는 파장 대역을 분리하기 위해 협대역 광학 필터 또는 적외선 전송 필터가 사용되고 있다. 한편, 분산 기술에 의존하는 가스 분석기에서는 프리즘 또는 회절 격자가 사용되고 있다.
NDIR 기술은 일반적으로 비-상호작용 가스 분석 기술로 분류되는 것인데, 전기화학적 연료 전지, 소결 반도체(이산화주석), 촉매(백금 구), 열 전도성을 포함하는 기존의 상호작용형 가스 측정법에 비해 많은 장점을 제공한다. 이러한 장점에는 반응 속도, 가스 검출 특이성, 장기간의 측정 안정성, 간소한 유지관리, 현저한 특이성 등이 표함된다. 더욱이, 어떤 경우 상호 작용형 가스 센서는 비동작 상태로 악화될 수 있다. 이러한 경우 때에 따라 사람의 생명에 위험을 줄 수 있다.
상호작용형 가스 센서는 원하는 가스의 농도를 판정하는데 사용되는 시약이 존재하는 다른 가스들과 반응할 수 있기 때문이 일반적으로 비특이적이며, 그 결과 잘못 판독할 수 있다. 또한, 모니터되는 환경에서 가스의 부분압이 강하한 후에도 비특이성 가스와 시약간의 반응의 평형 상태는 가스와 시약이 여전히 반응하는 상태로 된다면, 센서는 더 이상 올바로 작동하지 못하고 망가지게 될 것이다.
모니터되는 환경에서 가스 농도의 변동을 반응형 센서가 얼마나 빨리 검출할수 있는가를 샘플 가스와 시약간의 반응 역학으로 제어하기 때문에 NDIR 가스 센서의 응답 시간은 통상적으로 상호 작용형 가스 센서의 응답 시간보다 짧다.
상호 작용형 가스 센서는 신뢰성이 없으며 NDIR 가스 측정 기술이 가장 우수한 방법 중의 하나라는 사실에도 불구하고, NDIR 가스 분석기는 복잡하고 설치 비용이 비싸기 때문에 널리 사용되지 못하고 있다.
수년간, 가스의 검출을 위해 NDIR 원리를 기초로 한 다수의 측정 기술이 제안되고 성공적으로 시연되어 왔다. 과거에 NDIR 가스 분석기는 통상적으로, 적외선 소스, 소스를 변조하기 위한 모터-구동방식 기계식 쵸퍼, 샘플 챔버를 통해 가스를 출입시키기 위한 펌프, 협대역 통과 간섭 필터, 민감한 적외선 검출기, 소스로부터 검출기로 적외선 에너지의 초점을 맞추기 위한 고가의 적외선 광학기기 및 윈도우 등을 포함하였다.
상기한 타입의 분석기중 주목할 만한 것으로는, 미국 특허 제 3,793,525 호(Burch, et al), 미국 특허 제 3,811,776 호(Blau, Jr.) 및 제 4,578,762 호(Wong)에 도시되고 설명된 것이 있다. 상기한 NDIR 가스 분석기들은 성능이 우수하며 지난 20년 동안 가스 분석 분야에서 전반적인 기술적 진보를 이루는데 크게 공헌하여 왔지만, 그들의 전체적인 크기, 복잡성, 비용 등으로 인해 많이 사용되지 못하고 있다.
더 우수하고 저렴한 가스 분석기를 얻으려는 새로운 발명들이 있었다. 예를들어, 미국 특허 제 4,500,207 호(Maiden), 미국 특허 제 4,694,173 호 및 제 5,026,992 호(Wong)는 기계식 쵸퍼와 같은 이동부를 사용하지 않는 가스 검출용 NDIR 기술을 제안하고 있다. 이들 특허의 목표는 더욱 견고하고 간결한 NDIR 가스 센서를 제조하여, 다수의 새로운 응용예를 개발하려는 것이다.
비용을 더 절감하고 NDIR 기술의 구현을 간편하게 하려는 시도로써, 저비용 NDIR 가스 센서 기술이 개발되었다. 저비용 NDIR 기술은 1992년 11월 17일자로 허여된 미국 특허 제 5,163,332 호에 기재되어 있는 타입의 확산형 가스 샘플 챔버를 사용하는데, 상기 특허는 본 출원에 참고되어 있다. 상기 확산형 가스 샘플 챔버는 고가의 광학 기기, 기계식 쵸퍼, 샘플 챔버로 가스를 출입하게 하기 위한 펌프등을 필요로 하지 않는다. 그 결과, 비용 및 복잡성으로 인해 비실용적인 것으로 여겨졌던 다수의 NDIR 기술의 응용예가 개발되기 시작했다.
유사한 원리로 1995년 8월 22일자로 허여된 미국 특허 제 5,444,249 호(Wong)에 기재되어 있는 개선된 NDIR 가스 센서가 개발되었다. 상기 특허는 간단하며 저가인 확산형 NDIR 가스 센서를 기술하고 있는데, 이 센서는 Si 또는 GaAs와 같은 반도체 재료로 미세 가공될 수 있어서 전체 센서가 하나의 마이크로칩에 배치될 수 있다.
미국 특허 제 5,163,332 호의 저가 NDIR 가스 센서 기술 및 미국 특허 제 5,444,249 호의 개선된 NDIR 가스 센서가 다양한 새로운 응용예를 개발하였다지만, 이러한 가스 센서들은 다수의 잠재적인 가스 센서 응용예에서 사용되기에는 너무 많은 전력을 여전히 필요로 하고 있다. 그 결과, 저가의 고체-상태 가스 센서가 사용되는 응용예는 여전히 제한적이다.
가스 분석 기술이 이동부를 필요로 하지 않으며, NDIR 기술과 동일한 정도의 특이성을 갖고, 저가이며, 그 기술을 채용한 장치가 장시간 동안 배터리로 동작될 수 있을 정도로 비교적 적은 전력을 요구하는 것이 개발될 수 있다면, 가스 센서가 사용되는 웅용예 및 그 사용 빈도는 획기적으로 증가할 것이다. 낮은 전력을 요구하는 간단하고 소형이며 저렴한 가스 센서에 대한 필요성은 오랬동안 있어왔지만, 아직 충족되지 못하였다. 따라서, 본 발명의 목적은 적외선 흡수능을 이용하는 소형이고, 신뢰성있으며, 저가이고, 저 전력의 적외선 가스 센서를 제공함으로써 적외선 가스 분석 기술을 한층 발전시키려는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 적외선 가스 센서에서 사용될 수 있는 적외선 검출기 어셈블리를 제공하려는 것이다.
<발명의 요약>
본 발명은 수동 적외선 분석(PIA)으로 인용되는 신규한 적외선 가스 분석 기술을 이용하여 하나 이상의 선정된 가스의 농도를 검출하는 적외선 가스 센서에 관한 것이다. 본 발명의 PIA 기술은 "능동" 적외선 소스를 필요로 하지 않으며 구조적으로 한정된 샘플 챔버를 필요로 하지 않는다는 점에서 현재 공지된 NDIR 가스 분석 기술보다 간편하다. 그 결과, 지금까지 NDIR 가스 분석기로는 불가능했던 다수의 특별한 응용예들을 만족시키는 소형이고 저가이며 저 전력의 가스 센서가 제작될 수 있다.
본 발명은 절대온도 0도 이상의 모든 물체는 방사선을 방출한다는 것을 이용한다. 본 발명은 이러한 사실을 이용하여 벽, 천장, 바닥 등과 같은 보통 물체를 적외선 방사의 "수동" 소스로 이용하는 장점을 갖는다. 이러한 "수동" 적외선 방사 소스는 지금까지 모든 NDIR 가스 분석기에서 거의 배타적으로 사용되어 왔던 "능동" 적외선 방사 소스를 대체하여 효과적으로 사용될 수 있다.
종래의 NDIR 가스 센서에서 사용된 "능동" 적외선 소스는 통상적으로 가열되며, 알루미나 세라믹에 매설된 니크롬 와이어(너스트 글로우어) 또는 소형 백열 전구의 저항성 텅스텐 와이어와 같은 매우 뜨거운 물체(500 - 1000℃)이다. 이러한 소스는 가스 센서가 전력을 가하기 때문에 "능동" 소스로 특징지워진다. 한편, 본원에서 사용되는 "수동" 소스는 절대온도 0도 이상이고 가스 검출기 전력원에 의해 전력이 가해지지 않는 임의의 물체이다. 본 발명의 적외선 가스 센서에서 사용되는 전형적인 수동 적외선 소스는 벽, 카페트, 타일 바닥, 천장, 드물게는 화로 벽을 포함한다. 그러나, 숙련된 기술자라면 본 발명의 설명으로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 가스 센서가 이용할 수 있는 수동 적외선 소스는 사실상 제한이 없다. 그러나, 수동 적외선 소스의 온도는 측정된 가스의 온도보다는 높아야 한다. 말하자면 세부 평형의 법칙은 지켜져야 한다.
능동 적외선 소스의 온도는 매우 높지만 소스 면적은 통상적으로 매우 작다. 수 mm2정도의 소스 면적이 보통이다. 한편, 통상적인 실내의 수동 적외선 소스의 온도는 약 300K 또는 ~25℃ 정도이지만, 사용되는 소스 면적이 종래의 적외선 소스의 면적보다 대략 1000배 더 크다고 한다면, 프랭크의 공식을 이용하여 수동 적외선 소스의 스펙트럼 방사량이 3 내지 20 미크론의 스펙트럼 영역을 갖는 종래의 능동 소스의 방사량과 비견될 수 있다는 것을 알 수 있다. 적절한 가스 검출을 위해 필요한 수동 적외선 소스의 면적은 수동 적외선 소스로부터 예측되는 온도 범위에 따라 다르다.
본 발명에서 채용된 PIA 기술에서는 수동 적외선 소스가 특성화되어야 한다. 수동 적외선 소스를 특성화하기 위해, 두 곳의 상이한 스펙트럼 대역에서 선택된 수동 적외선 소스로부터의 스펙트럼 방사량을 측정할 수 있는 검출기 어셈블리가 제공된다. 소스를 특성화하기 위해 사용되는 스펙트럼 대역은 "중성" 스펙트럼 대역인 것이 바람직하다. 중성 스펙트럼 대역은 모니터되는 환경에서 통상적으로 발견되는 임의의 가스에 의해 흡수되지 않거나 아주 조금만 흡수되는 것으로 선택되는 스펙트럼 대역이다.
프랭크의 법칙을 기초로하여, 소스의 방사율 함수의 변동이 아주 적을 정도로 두 곳의 중성 스펙트럼 대역이 밀접해 있다고 하면, 두 곳의 중성 스펙트럼 대역에서 측정된 출력의 비율을 이용하여 수동 적외선 소스의 온도를 특유하게 판정할 수 있다.
검출할 가스의 농도를 판정하기 위해, 검출기 어셈블리는 측정할 가스의 흡수대역과 일치하는 "비-중성" 스펙트럼 대역에서 발생하는 방사량도 측정한다. 그러므로, 상기 출력은 검출기 어셈블리가 수동 적외선 소스에 대하고 있는 각도내의 가스의 농도를 나타내는 것이다. 적어도 하나의 중성 스펙트럼 대역에서 측정된 출력, 비-중성 스펙트럼 대역에서 측정된 출력 및 계산된 온도를 이용하여, 검출기 어셈블리가 수동 적외선 소스에 대하고 있는 각도내의 가스의 농도가 판정될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 주위의 가스보다 온도가 높은 주변 온도 소스를 이용하고 검출기 어셈블리와 소스 사이의 공간을 샘플 챔버로 사용하는 수동 소스 적외선 가스 검출기가 제공된다. 가스 검출기는 제1 출력, 제2 출력, 제3 출력을 발생하는 적외선 검출기 어셈블리를 구비하는데, 제1 출력은 미리 선택된 검출할 가스에 의해 흡수될 수 있는 제1 비-중성 스펙트럼 대역에서 검출기 어셈블리에 의해 수신되는 방사선을 나타내고, 제2 출력은 수동 적외선 소스로부터 제1 중성 스펙트럼 대역에서 검출기 어셈블리에 의해 수신되는 방사선을 나타내며, 제3 출력은 수동 적외선 소스로부터 제2 중성 스펙트럼 대역에서 검출기 어셈블리에 의해 수신되는 방사선을 나타낸다. 세 개의 출력을 조작하여 모니터되는 가스의 농도를 판정하는 신호 처리 수단이 포함된다. 추가적인 가스의 특성 스펙트럼 대역에서 방사선을 검출할 수 있는 추가적인 검출기를 검출기 어셈블리에 부가함으로써, 적외선 가스 검출기는 복수의 가스의 농도를 모니터할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수동 소스 적외선 가스 검출기는
a. 적외선 검출기 어셈블리를 구비하고, 검출기 어셈블리는
i. 수동 적외선 소스로부터 방사선을 수신하기 위한 포트,
ii. 포트를 통해 방사선을 수신하도록 배치되어서, 입사하는 방사선
을 나타내는 제1 출력, 제2 출력, 제3 출력을 각각 발생시키
는 제1 센서, 제2 센서, 제3 센서,
iii. 포트와 제1 센서 사이에 배치되며, 미리 선택된 검출할 가스에
의해 흡수될 수 있는 제1 비-중성 스펙트럼 대역에서 입사하
는 방사선을 나타내는 출력을 발생하는 제1 협대역 통과 필
터;
iv. 포트와 제2 센서 사이에 배치되며, 제1 중성 스펙트럼 대역에서
입사하는 방사선을 나타내는 출력을 발생하는 제2 협대역 통
과 필터;
v. 포트와 제3 센서 사이에 배치되며, 제2 중성 스펙트럼 대역에서
입사하는 방사선을 나타내는 출력을 발생하는 제3 협대역 통
과 필터; 를 구비하며,
b. 제1, 제2, 제3 센서의 주변 온도에 대응하는 출력을 발생시키는 온도 측정 수단을 구비하고;
c. 제1 센서, 제2 센서, 제3 센서, 온도 측정 수단으로부터 출력을 수신하고, 제1 센서, 제2 센서, 제3 센서, 온도 측정 수단의 출력을 미리 설정된 간격으로 샘플링하고 적어도 일시적으로 기억하는 신호 처리 수단을 구비하며, 신호 처리 수단이
i. 제1, 제2, 제3 센서의 기억된 출력을 정정하여 샘플링시 제1, 제
2, 제3 센서의 주변 온도를 보정하는 수단,
ii. 제2 센서 및 제3 센서의 출력의 정정값의 비율을 기초로 샘플링
시 수동 적외선 소스의 온도를 계산하는 수단,
iii. 샘플링 주기동안 수동 적외선 소스의 계산된 온도를 기초로 적
어도 하나의 제2 또는 제3 센서에 대한 예측 출력을 계산하는
수단,
iv. 적어도 하나의 제2 또는 제3 센서의 예측 출력을 샘플링 주기동
안 대응하는 센서의 정정된 출력과 비교하여 감쇠 상수를 계
산하는 수단,
v. 제1 센서의 기억된 출력을 감쇠 상수를 통해 정정하는 수단,
vi. 제1 센서의 정정된 출력으로부터 샘플링 주기동안 가스의 농도를
판정하는 수단,
vii. 선정된 함수를 기초로 가스의 농도를 모니터링하고 모니터링을
기초를 출력 신호를 제공하는 수단을 구비한다.
그러므로, 본 발명에 따른 적외선 가스 센서는 신규한 PIA 기술에 수동 적외선 소스를 이용하므로 종래의 NDIR 가스 측정 장치에서 사용되는 고온의 "능동" 적외선 소스의 필요성을 효과적으로 제거한다. 또한, 본 발명의 적외선 가스 센서에 채용된 PIA 기술에서는, 수동 적외선 소스, 예컨대 벽의 한 부분,과 검출기 어셈블리 사이의 공간이 샘플 챔버가 된다. 다시 말해, 본 발명은 "능동" 적외선 소스를 배제할 뿐만 아니라 종래의 NDIR 가스 분석기에서 사용되는 샘플 챔버도 필요없게 한다.
본 발명의 구현에 "능동" 적외선 소스가 필요하지 않기 때문에, 본 발명에 따른 적외선 가스 센서의 전력 소비는 상당히 감소할 수 있으며, 본 발명의 간단한 수동 적외선 가스 센서는 배터리가 장시간 동안 작동가능하게 한다. 또, 구조적으로 한정되는 가스 챔버가 불필요하기 때문에 센서의 크기도 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 수동 적외선 분석 (PIA)으로 인용되는 신규한 적외선 분석 기술을 사용하여 하나 이상의 가스의 농도를 측정하는 장치 및 방법을 제공하려는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 본 발명에 따른 가스 센서에서 사용될 수 있는 개선된 적외선 검출기 어셈블리를 제공하려는 것이다.
본 발명의 또다른 목적 및 장점들은 본 발명의 양호한 실시예가 예로써 설명되어 있는 첨부 도면과 연관된 하기의 설명을 보면 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 도면은 단지 설명과 도시를 위한 것이며 본 발명을 제한하려는 것이 아니라는 점을 이해하여야 하겠다.
도 1은 검출기 어셈블리, 수동 적외선 소스(벽), 수동 적외선 소스와 검출기 어셈블리 사이의 샘플 챔벌를 형성하는 중간 공간을 보여주는 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 도면.
도 2는 100 - 1,000 K 온도에서 흑체의 스펙트럼 방사량을 보여주는 그래프.
도 3은 5.00 및 3.91 미크론의 중심 파장을 갖는 0.1 미크론 스펙트럼 대역에 대한 스펙트럼 방사량의 비율의 값을 "수동" 적외선 소스의 온도의 함수로 나타낸 표이며, 두 스펙트럼 대역에 대한 방사율 값은 동일한 것으로 가정한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 검출기 어셈블리의 분해도.
도 5는 도 4에 도시된 검출기 어셈블리의 부분 절단면을 보여주는 사시도.
도 6은 벽의 한 부분을 "수동" 적외선 소스로 실제 사용하고 검출기 어셈블리의 고유 시야(FOV)를 증가시키기 위해 볼록한 구형 반사기를 사용하는 본 발명의 대안적인 양호한 실시예를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 양호한 실시예의 신호 처리 회로의 계통도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호 처리기의 회로도.
도 9는 본 발명에 따른 검출기 어셈블리의 다른 실시예인 도 10의 선 9--9을 따라 자른 횡단면도.
도 10은 도 9의 실시예에 따른 검출기 어셈블리의 선 10--10을 따라 자른 종단면도.
도 11은 도 9 및 10에 도시된 기판 및 간섭 대역통과 필터의 사시도.
도 12는 도 9 및 10에 도시된 검출기 어셈블리 실시예에 사용된 기판의 상면도.
도 13은 써모파일이 제조되어 있는 것을 보여주는 도 9 및 10에 도시된 검출기 어셈블리 실시예에 사용된 기판의 확대 저면도.
도 14는 본 발명에 따른 검출기 어셈블리에서 사용하기 위한 간섭 대역통과 필터의 양호한 구성을 도시한 도면.
도 15는 본 발명에 따른 검출기 어셈블리에서 사용하기 위한 필터 장착 고정구를 도시한 도면.
도 16은 실제로 사용되는 도 15의 필터 장착 고정구를 보여주는 도 9-11에 도시된 기판의 부분 단면도.
도 17은 본 발명의 다른 실시에에 따른 검출기 어셈블리의 분해도.
도 18은 도 17에 도시된 검출기 어셈블리의 부분 절단면을 보여주는 사시도.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수동 적외선 분석 가스 센서를 도시한 도면.
도 20은 본 발명에 따른 NDIR 가스 센서에서 사용되는 도 17 및 18에 도시된 검출기 어셈블리를 도시한 도면.
본 발명에 따른 PIA 가스 센서의 양호한 실시예를 도 1을 참고하여 설명하겠다. 도 1은 중심 파장(CWL) L1이 측정할 가스의 흡수대역과 일치하는 협대역 통과 간섭 필터 F1(비도시)가 설치된 하나의 신호 검출기(4)를 구비하는 검출기 어셈블리(3)를 도시한다. 또, 검출기 어셈블리(3)는 협대역 통과 필터 F2및F3(비도시)가 각각 설치된 두 개의 소스 특성화 검출기(5 및 6)를 포함하는데, 상기 필터의 CWL L2및 L3은 대기에서 통상 발견되는 공지된 가스 또는 기체와 일치하지 않는 것이다. 다시말해, 파장 L2및 L3에서는 측정될 대기에서 통상적으로 볼수 있는 가스 또는 기체에 관한 흡수 대역(또는 최소한 아주 약한 대역)이 없어야 한다. 공기에 관해서는 중성 파장이 3.91 ㎛, 5.00 ㎛, 9.00 ㎛에서 발견된다.
검출할 가스가 이산화탄소(CO)인 경우, 검출기(4)와 연관된 간섭 필터에 대한 CWL 및 반최대의 전폭(full width at half maximum : FWHM)값은 각각 4.67 ㎛ 및 0.1 ㎛로 선택된다. 한편, CO2가 검출할 가스인 경우, 검출기(4)와 연관된 간섭 대역통과 필터에 대한 CWL 및 FWHM 는 각각 4.26 및 0.1 ㎛로 설정된다. 숙련된 기술자라면 알 수 있듯이, 이 기술은 적외선에 흡수대역을 갖는 H2O 및 전휘발성 유기 화학물질(TVOC)을 포함하는 다른 여러 가스에도 응용될 수 있다.
통상적으로, 검출기(4)와 연관된 간섭 필터 F4의 CWL L1은 관심있는 가스에 관해 사용되는 흡수대역의 중간에 가능한 한 근접하도록 선택된다. 이렇게 하면 모니터되는 스펙트럼 대역에서 최대 방사량이 가스에 의해 흡수되어 검출기의 감도 및 정확도가 향상된다. 그러나, 가스가 CO2와 같이 매우 강력한 흡수제인 경우, 검출기(4)에 관한 간섭 필터 F1의 CWL L1을 이동시켜 모니터되는 스펙트럼 대역에서 다량의 광이 흡수되지 않도록하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 이동은 매우 긴 경로 길이가 사용되거나 가스의 농도가 매우 높을 경우 고려되어야 한다. 이 기술은 모니터될 가스 농도의 범위내에서 검출기가 검출할 광이 고갈되는 것을 방지하는데 이용될 수 있다.
검출기(4)와 연관된 간섭 필터 F1의 FWHM는 검출기가 고도의 특이성을 갖도록 약 0.1 ㎛로 선택되는 것이 바람직하다. 그러나, 숙련된 기술자라면 알 수 있듯이, 모니터되는 가스의 흡수 대역의 폭 및 검출기에 대해 원하는 특이성의 정도에 따라 다른 대역 폭도 선택될 수 있다.
간섭 필터 F2및 F3에 대해 선택된 중성 스펙트럼 대역의 CWL의 L2및 L3는 스펙트럼 위치에 있어 가능한 한 L1에 근접하도록 선택된다. 필수적인 것은 아니지만, L1이 L2및 L3사이에 있는 것도 바람직하다. 예를 들어, CO 또는 CO2를 검출하는 경우, L2및 L3는 각각 3.91 ㎛ 및 5.00 ㎛가 되도록 선택될 수 있다. 대안적으로 L2및 L3는 3.91 ㎛ 및 9.00 ㎛로 선택될 수 있다. 본 실시예에서 F2및 F3의 FWHM은 약 0.1 ㎛로 설정되는 것이 바람직하다. F2및 F3에 의해 통과되는 스펙트럼 대역의 폭은 대기에서 발견되는 가스의 흡수선과 중첩되지 않을 정도로 좁아야 한다. CWL의 L2및 L3를 각각 3.91 및 5.00으로, 검출기의 FWHM을 0.1 ㎛로 설정하면, 문제가 될만한 중첩이 발생하지는 않는다. 따라서, 검출기(5 및 6)의 출력은 측정될 가스의 농도에 의해 또는 대기중에서 통상 볼수 있는 가스 또는 기체에 의해 영향을 받지 않는다.
검출기(4, 5, 6)는 모두 써모파일 검출기인 것이 적절하다. 그러나, 숙련된 기술자라면 알 수 있듯이, 백금 실리사이드 쇼트키 포토다이오드를 포함하는 다른 적외선 검출기를 본 발명에서 사용할 수도 있다.
검출기 어셈블리(3)의 시야(FOV)는 도 1에 도시된 바와 같이 검출기 어셈블리에 부착된 개구 칼라(7)에 의해 결정된다. 검출기 어셈블리(3)는 본 발명에서 수동 적외선 소스로 사용되는 벽(9)의 영역(8)(영역 A에 대응)에 대하여 있다. 본 발명 적외선 가스 센서의 유효 샘플 경로 길이 S는 검출기 어셈블리(3)의 검출기 평면(10)과 벽(9) 사이의 거리로 규정된다.
수동 적외선 소스(8)의 영역 A와 검출기 어셈블리(3)가 소스(8)에 대하여 있는 입체각, OM, 사이의 관계를 통해, 개시된 적외선 가스 센서에 대한 샘플 경로 길이 S를 다음과 같이 특유하게 규정한다:
샘플 경로 길이 S = [A/OM]½
입체각 OM 은 검출기 어셈블리에 의해 벽에 대하여진 FOV의 함수이며 설계에 따라 조정될 수 있으므로, 본 발명에서 샘플 경로 길이 S는 매우 유용한 가변적인 것이다. 다시말해, 매우 약한 흡수 대역을 갖는 가스의 저농도 검출시에는 상기한 검출을 적절히 조절하기 위해 경로 길이 S를 매우 길게(수 미터) 조정할 수 있다. 숙련된 기술자라면 알 수 있듯이, 경로 길이 S는 원하는 조절의 양에 따라 설정된다. 예를 들어, CO2와 같은 매우 강력한 흡수제가 모니터되는 경우, 경로 길이를 짧게 한다. 그러나, 원하는 응용예가 ppb 범위의 가스 농도 검출을 위한 것이라면, 더 긴 경로 길이가 요청될 것이다.
사실상 어떤 경로 길이라도 선택될 수 있지만, 5인치 내지 10 피트 사이의 경로 길이가 통상적으로 적절하며 대부분의 경로 길이는 약 5인치 내지 6 피트 사이에 있다.
신호 검출기(4)의 출력 V1은 측정될 가스이 농도를 판정하는데 사용된다. 검출기(4)의 출력 V1은 여러 가지 요인에 따라 달라진다. 먼저 가장 중요한 것으로는, 하기의 수학식 1으로 표현된 스펙트럼 방사량 공식에 의해 결정되는 바와 같이 수동 적외선 소스(8)의 온도 T 및 방사율 ε 의 함수로 된다. 또한, V1은 G로 표현되는(수학식 1 참조) 시스템 광학 처리량 또는 감쇠량 및 검출기 어셈블리(3)와 수동 적외선 소스(8) 사이에서 발견되는 측정될 가스의 농도에도 영향을 받는다. 측정될 가스의 농도는 하기의 수학식 1에서와 같이 조절 상수 M의 값을 결정한다.
중성 필터 F2및 F3가 설치된 검출기(5 및 6)는 검출기(4)에 의해 모니터되는 신호 채널에 관해 실시간으로 수동 적외선 소스(8) 및 환경을 동적으로 특성화하는데 사용된다. 검출기(5 및 6)의 출력의 비율 Z로 소스(8)의 온도를 특유하게 판정한다. 또한, 일단 소스(8)의 온도 T가 판정되면, 소스 방사율 ε의 순간값 및 시스템 광학 처리량(또는 감쇠량)도 하기의 수학식 1을 이용하여 시스템이 초기화되는 동안 측정된 기준 흑체 소스의 온도 T0및 방사율 ε0에서의 각각의 출력의 기억된 값과 실제 출력을 비교함으로써 신속하게 판정할 수 있다. T, ε, G의 값은 신호 검출기(4)의 출력을 위해 실시간으로 연속적으로 갱신되어, 측정되는 가스의 농도를 확정할 수 있게 해준다.
개시되어 있는 간편한 적외선 가스 센서는 수동 적외선 소스(8)가 일반적으로 양호한 반사기가 아니라는 사실에 의해 산란 방사선의 영향을 무시할 수도 있다. 그러므로 광학 시스템의 FOV에서 발견할 수 있는 산란 방사량은 최소로 된다. 또한, 검출기 어셈블리의 필터, 즉 L2및 L3에 의해 규정되는 스펙트럼 대역에서 산란 방사가 발생하지 않는다면, 이들은 무시된다. 센서 광학 시스템의 스펙트럼 통과 대역내에 에너지를 갖는 경우에도, 방사율은 비교적 평탄하고 일정하게 된다. 상기한 경우, 중성 검출기는 적절한 처리를 위해 신호 검출기와 관련된 정확한 정보를 가진 수동 적외선 소스에서의 온도 증가인 것으로 상기한 산란 방사를 간단히 취급한다.
측정될 가스의 농도가 검출기(4, 5, 6)의 출력 V1, V2, V3으로부터 각각 판정되는 방법에 관해 도 2 및 도 3와 연관하여 설명하겠다.
도 2는 100 K 내지 1,000 K 범위의 온도에서의 흑체 소스의 스펙트럼 방사량을 보여준다. 도시된 곡선으로부터 흑체 소스의 몇 가지 방사 특성을 유도해 낼 수 있다. 첫째, 곡선 아래의 면적에 비례하는 총 방사량은 온도에 따라 신속히 증가한다. 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 공식으로 규정되는 곡선 아래의 면적은 스테판-볼츠만 상수에다 절대온도 4제곱을 곱한 것과 비례한다. 둘째, 온도가 증가할수록 최대 스펙트럼 방사량의 파장은 짧은 파장쪽으로 이동한다. 이는 비엔(Wien)의 변위 법칙으로 인용되는 것으로, 이하 상세히 설명되겠다. 셋째, 개개의 흑체 곡선은 서로 교차하지 않는다; 따라서 온도가 높아지면 모든 파장에서 스펙트럼 방사량도 커진다.
흑체를 이용하는 종래의 NDIR 측정 시스템에서, 적외선 소스는 통상적으로 일정하고 비교적 높은 온도(750 - 1,000 K)로 유지되므로, 그 스펙트럼 방사량은 절대온도에 따라 도 2에서 700 K 이상의 곡선중 하나에 의해 표시된다. 이에 대해, 본 발명은 수동 적외선 소스로부터의 적외선 방사에 의존하는 것이다. 그 결과, 300 K 근방의 흑체 곡선이 본 발명에서 사용되는 전형적인 소스의 방사량을 반영한다. 이는 도 1에서 벽(9)과 같은 것이다.
도 2에 도시된 두 개의 좁은 스펙트럼 대역(1 및 2)은 3.91 ㎛ 및 5.00 ㎛에 중심을 두고 있는데, 이는 전술한 바와 같이 CO 또는 CO2를 모니터할 때 중성 검출기(5 및 6)에 바람직한 파장 대역이다. 도 2에 도시된 대역이 필터 F2, F3를 통과하는 중성 스펙트럼 대역에 대응하기 때문에, 0.1 ㎛의 FWHM을 갖는 것이 바람직하다.
도 2로부터 알 수 있듯이, 상기 두 파장 대역에서의 스펙트럼 방사량의 비율(Z)로 흑체 온도를 특유하게 판정한다. 이러한 판정에 있어서 유일한 가정은 "수동" 적외선 소스의 방사율이 3.91 ㎛ 와 5.00 ㎛ 사이의 스펙트럼 대역내에서 거의 동일하다는 것인데, 이러한 가정은 페인트칠해져 있거나 벽지가 발라져있거나 또는 목재-패널이 설치되어 있는 거의 모든 실내벽에 관하여 양호한 가정인 것이다.
모니터되는 가스의 농도를 판정하기 앞서, 수동 소스(8)가 특성화되어야 한다. 검출기(5, 6)가 신호 채널(4)에 대한 수동 적외선 소스(8)의 온도 및 방사율을 동적으로 특성화하는 방법이 후술되겠다. 설명을 위해, 검출기(4, 5, 6)는 검출기 D1, D2, D3로 참조하겠다.
온도 T0, ε0, 영역 A0= OM x S2,인 공지된 "수동" 적외선 소스에서, 세 개의 검출기 출력 V1, V2, V3이 각각 값 V10, V20, V30을 갖는 것으로 초기에 참조(말하자면, 초기화)된다고 가정하고, 여기서 OM은 검출기 어셈블리에서 수동 소스에 대하여진 검출기 어셈블리(3)의 FOV에 대응하는 입체각이며, S는 규정된 샘플 경로 길이라고 한다면, 다음과 같이 쓸 수 있다:
V10= R(T0, ε0, Li)A0Wiri(ai/(2πS2))GM 볼트
여기서, i = 1, 2 또는 3; R(T0, ε0, Li) = 수동 적외선 소스의 스펙트럼 방사량(와트 cm-1μ-1)이며, 하기와 같은 프랭크의 법칙에 의해 규정되는 흑체의 스펙트럼 방사량이 곱해지는 ε0(λ)로 규정된다
(2πhc2λ-5) / (exp(ch/kBλT)-1);
A0= 수동 적외선 소스의 영역;
Wi= Fi의 FWHM;
ri= 검출기 Di의 응답도 (볼트/와트);
ai= 검출기 Di의 영역;
S = 샘플 경로 길이;
G = 시스템 광학 처리율 (100% = 단위 1);
M = 측정될 가스에 의한 변조.
검출기 어셈블리(3)가 영역 A의 실시간 수동 적외선 소스(8)와 마주할 때(도 1에 도시된 실시예에서 OM 및 S 는 설계상 고정되므로 A는 기준 상태 A0와 동일하다), 온도 T, 방사율 ε, D1의 출력은 수학식 1에 의해 다음과 같이 주어진다:
Vi= R(T, ε, Li)AWiri(ai/(2πS2))GM 볼트
여기서 i = 1.
중성 채널 D2(i = 2) 및 D3(i = 3)에 대해, W2= W3; r1= r2(유사한 검출기); a2= a3(동일한 검출기 영역); G2= G3(두 검출기가 공통 광학 시스템을 공유함); M = 1.0 (D2및 D3에 대한 중성 스펙트럼 대역)이라고 가정하면, 검출기 D2및 D3의 출력, 즉 V2및 V3는 그들의 각각의 스펙트럼 위치 L2및 L3, 수동 적외선 소스(8)의 온도 T 및 방사율 ε 의 함수가 된다. 수동 적외선 소스(8)의 방사율 ε이 L2및 L3사이의(약 1 미크론) 좁은 스펙트럼 영역에 관한 것과 같다고 더 가정하면, 출력의 비율 Z = V2/V3은 수동 적외선 소스(8)의 온도 T 및 스펙트럼 위치 L2및 L3만의 함수가 된다.
사실상, 프랭크의 흑체 방사 물리학 및 비엔의 변위 법칙에 의하면, 적절히 떨어져 있는 두 스펙트럼 위치에서의 스펙트럼 방사량의 비율로서 프랭크의 흑체 영역의 임의 부분에 있는 특정 흑체 소스의 온도를 특유하게 판정할 수 있다. 본 발명은 이러한 사실을 채용하여, 3 - 15 미크론 사이의 스펙트럼 영역 및 250 - 350 K 사이의 흑체 온도에서, 상기한 비율에 의해 흑체의 온도를 특유하게 판정할 수 있다는 것을 알아내었다. 또한, 일단 기준 온도 T0로부터 온도 T가 판정되면, 각각의 중성 검출기 출력의 현재값 V2또는 V3을 이용하여 계산을 통해 전술한 수학식 1에서 프러덕트로써 함께 모여있는 다른 파라미터들에 대한 변동(만약 존재한다면), 말하자면 ε0로부터 수동 적외선 소스(8)의 방사율 ε의 변동, 시스템 광학 처리량 G의 변동, 검출기 자체의 노후화에 따른 검출기 응답도의 변동,을 추론할 수 있다.
그러므로, 중성 스펙트럼 대역을 가진 두 개의 검출기를 본 발명의 검출기 어셈블리에 추가함으로써, 상기 두 검출기의 출력의 비율 Z을 이용하여 수동 적외선 소스(8)의 온도를 실시간으로 특성화할 수 있다. 상기한 수학식 1에서 다른 파라미터, 즉 ε, G, r,의 변동은 두 중성 검출기 채널에 대해 사실상 동일하므로, 비율 Z의 값이 수동 적외선 소스(8)의 온도를 특유하게 판정하는데 필요한 유일한 파라미터이며 항상 곧바로 구할 수 있는 것이라는 점이 중요하다. 이러한 핵심 정보를 얻은 후에, 개개 신호의 프리셋팅 값 및 중성 검출기 출력 (V10, V20, V30, T0, ε0)을 이용하여 계산을 통해 수학식 1의 다른 파라미터들의 변동에도 접근할 수 있다. 수학식 1에서 신호 채널 검출기 출력으로부터 측정될 가스의 농도를 판정하는데 필요한 파라미터는 T, ε, G, r, M이며, 앞의 4 파라미터는 신호 검출기 채널에 관한 두 개의 중성 검출기 채널에 의해 동적으로 특성화되므로, 본 실시예에 설명된 바와 같이 본 발명은 능동 적외선 소스 및 부수적인 가스 샘플 챔버가 없이도 가스의 농도를 정확하게 측정할 수 있다. 이에 대한 유일한 조건은 수동 적외선 소스가 모니터되는 가스보다 높은 온도에 있어야 한다는 것이다. 수동 적외선 소스와 모니터되는 가스가 평형상태에 있다면, 세부 평형의 법칙에 의해 가스가 흡수되는 것과 동일한 양의 광자를 방출하므로, 흡수가 관찰되지는 않는다.
도 3은 3.91 ㎛ 와 5.00 ㎛에서 스펙트럼 방사량의 비율이 5℃ (278 K) 내지 45℃ (318 K)의 수동 적외선 소스 온도의 함수에 따라 어떻게 변화하는지를 보여준다. 도 3의 목적상, 방사율 ε은 3.91 ㎛ 와 5.00 ㎛ 모두에서 1인 것으로 가정한다. 300 K 흑체 곡선의 근방에서, 곡선 자체는 평탄하지만 흑체 온도의 함수로서의 비율 값에는 매우 현저한 차이가 있다.
측정될 가스의 농도가 수학식 1을 이용하여 주어진 환경하의 검출기(4, 5, 6)의 V1, V2, V3의 출력으로부터 계산되는 한 예를 이제 설명하겠다. 수학식 1을 참고하면, 상기 예의 기준 상태는 다음과 같이 규정된다:
T0= 298 K 또는 25℃
ε0= 1.000
A0= 계산하는 동안 일정
Wi= 0.1 미크론, i = 1 (신호), 2 (중성), 3 (중성)
ri= 검출기 Di의 응답도, i = 1, 2, 3에 대해 동일
ai= 검출기 Di의 영역, i = 1, 2, 3에 대해 동일하며 일정하게 유지
S = S0= 계산하는 동안 일정
G0= 초기화 동안의 시스템 처리량 = 1
M = 측정될 가스의 존재에 따른 변조 상수 = 검출기 D2및 D3에 대해 1.00
상수 C가 C = ai/(2πS2)으로 규정된다면, ai이 각각의 검출기에 대해 동일하며 샘플 경로 길이는 설계를 통해 설정되므로, 상수는 각각의 검출기 채널에 대해 동일하며 상기 예를 계산하는 동안 변동하지 않는다. 전술한 기준 상태에서, 신호 검출기 D1가 일산화탄소의 흡수 대역에 대응하는 4.67 ㎛의 CWL을 갖는다고 가정하면, 중성 검출기 D2는 3.91 ㎛의 CWL을 갖고, 중성 검출기 D3는 5.00 ㎛의 CWL을 가지며, 초기화시 검출기 D1, D2, D3로부터 측정된 전압 출력은 수학식 1 및 도 3에 주어진 표를 이용하면 다음과 같다:
검출기 D1의 출력 (4.67 ㎛에서의 신호)
V10= 5.4507 x 10-5A0riCG0M 볼트
= 5.4507 x 10-5YM (여기서 Y = A0riC)
검출기 D2의 출력 (3.91 ㎛에서 참조)
V20= 1.7758 x 10-5YG0M 볼트
= 1.7758 x 10-5Y 볼트
검출기 D3의 출력 (5.00 ㎛에서 참조)
V30= 7.6655 x 10-5YG0M 볼트
= 7.6655 x 10-5Y 볼트
가스 센서는 일산화탄소가 존재하지 않을 때와 일산화탄소 가스의 공지된 농도가 검출기 어셈블리의 시야내에 존재할 때에 각 검출기의 전압 출력을 측정함으로써 초기화된다. 이러한 방법으로, 숙련된 기술자라면 알 수 있듯이 가스 센서에 대한 눈금조정 곡선이 구해진다. 초기화에 뒤이어, 센서는 실시간 측정을 준비한다. 제시된 예에서 하기의 상태를 갖는 것으로 가정한다. 수동 적외선 소스의 온도는 308 K 또는 35℃로 증가하고, 수동 적외선 소스(8)의 방사율 ε은 0.8이다. 광학 감쇠 상수 G가 0.9이다; 다시 말해 수동 적외선 소스(8)로부터 신호의 10% 감쇠가 있다. 또, 가스 센서의 시야내에 있는 일산화탄소의 농도는 신호 검출기 D1에 의해 검출되는 신호에서 2% 변조를 야기하는 것으로 가정한다. 그 결과, 변조 상수 M는 신호 검출기에 대해 1.00에서 0.98로 감소한다. 중성 채널 검출기 D2, D3의 간섭 필터는 일산화탄소 및 모니터되는 환경에서 발견될 수 있는 다른 가스들의 흡수 대역을 피하도록 적절히 선택되기 때문에 일산화탄소에 의한 중성 채널 검출기에 대한 신호의 변조는 없다.
전술한 상태하에서, 세 검출기의 출력 전압은 다음과 같다:
검출기 D1의 출력 (4.67 미크론에서의 신호)
V1= 7.6250 x 10-5(0.8)YGM
= 6.1000 x 10-5Y (0.9)(0.98) 볼트
= 5.3802 x 10-5Y 볼트
검출기 D2의 출력 (3.91 미크론에서 참조)
V2= 2.6517 x 10-5(0.8)YGM
= 2.1214 x 10-5Y (0.9)(1.0) 볼트
= 1.90992 x 10-5Y 볼트
검출기 D3의 출력 (5.00 미크론에서 참조)
V3 = 10.488 x 10-5(0.8)YGM
= 8.3904 x 10-5Y (0.9)(1.0) 볼트
= 7.55136 x 10-5Y 볼트
초기화 전압 출력과 함께 도 3의 표를 이용하여, 모니터되는 파장 각각에 대한 스펙트럼 방사량을 구한다.
일산화탄소 가스 또는 측정될 다른 가스의 농도를 판정하는 첫 번째 단계는 두 기준 검출기의 출력의 비율 Z을 계산하는 것이다:
Z = 전압(5.00) / 전압 (3.91)
= 7.55136 / 1.90922
= 3.9552
도 3의 표를 이용하면, 수동 적외선 소스(8)의 온도는 35℃로 판정된다. 전술한 바와 같이, 수동 적외선 소스(8)의 영역 및 광학적 배치는 변동하지 않는 것으로 가정한다.
온도만 정정할 필요가 있다면, 중성 채널 검출기 D2의 새로운 전압 출력은 비율 (2.6517/1.7758)이 곱해진 1.7758 x 10-5Y 볼트의 초기화값이되며 이는 2.6517 x 10-5Y 볼트와 같다. 두 전압이 동일하지 않기 때문에, 방사율 ε 또는 감쇠율 G 또는 이들 모두는 초기화 상태 보다 달라진다. 검출기 D2(3.91 미크론)의 측정된 출력과 그 중성 채널에 대한 초기화 값이 35℃에 있다는 것으로부터, 프러덕트 εG가 다음과 같이 계산될 수 있다:
εG = (1.90922 x 10-5Y 볼트) / (2.6517 x 10-5Y 볼트)
= 0.72
초기화 동안의 방사율 ε0과 감쇠율 G0의 프로덕트가 1.0 보다 작다면, 초기화 값은 1.0의 방사율 ε0및 1.0의 감쇠율 G0이 되도록 정규화될 필요가 있다. 이러한 방식으로, 두 전압 출력의 비율은 εG 상수의 순간값의 프로덕트로 된다.
5.00 ㎛ 채널을 모니터링하는 다른 중성 검출기의 출력 전압을 이용하여 동일한 정보를 역시 추론해낼 수 있다.
수동 적외선 소스의 온도가 35℃이고 εG의 프로덕트가 0.72이라는 것이 알려지면, 4.67㎛에서의 정정된 출력 전압, 또는 신호, 채널이 검출기 D1의 측정된 출력으로부터 다음과 같이 계산될 수 있다:
5.3802 x 10-5Y 볼트 (5.4507/7.6250) x (1/0.72)
= 5.3417 x 10-5Y 볼트
상기 계산에서 관찰할 수 있듯이, 출력 전압은 εG 상수 및 온도에 대해 정정된다. 그 결과, 이렇게 정정된 전압 출력과 초기 전압 출력의 비율은 다음과 같은 변조 상수 M를 제공한다:
5.3417 x 10-5Y / 5.4507 x 10-5Y = 0.98
그러므로 전술한 방법은 4.67 미크론 채널을 모니터링하는 신호 검출기 D1에 대한 변조 상수를 정확하게 예측한다.
요약하면, 절차의 제1 단계는 두 기준 검출기의 비율을 계산함으로써 새로운 수동 적외선 소스(8)의 온도를 구하는 것이다. 제2 단계는 두 중성 채널중 하나에 대한 측정값을 그 초기값과 비교하여 "εG" 상수를 추론하는 것이다. 이러한 정보를 이용하여 4.67 미크론에서 신호 검출기 D1으로부터 측정된 출력에 대해 정정한다. 이러한 정정된 값과 신호 검출기 D1에 관한 기억된 초기값의 비율로 변조 상수를 유도한다. 변조 상수는 눈금 조정 곡선을 이용하여 가스의 농도를 구하는데 사용되며, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 신호 처리 회로에 기억될 수 있다.
중성 검출기의 FWHM (예컨대 Wi)가 동일한 것으로 도 1 내지 3과 연관하여 설명되었지만, 본 발명의 PIA 검출기는 동일한 중성 대역폭을 갖도록 설계될 필요가 없다. 왜냐하면 각각의 중성 검출기 (및 신호 검출기)에 대한 Wi는 특정 PIA 검출기의 제조시 고정되는 공지된 파라미터이기 때문이다. 또, 각 중성 검출기의 FWHM 값과 상관없이, 두 중성 파장대역에서 검출되는 방사량의 비율 Z로 수동 적외선 소스(8)의 온도를 특유하게 규정할 수 있다. 전술한 수학식 1에서 설명한 바와 같이, 수동 적외선 소스의 방사량은 소스의 방사율 ε이 곱해진 프랭크의 법칙으로 규정되는 흑체 곡선 아래의 면적의 함수이며, 이는 각각의 중성 채널에 대해 통상적으로 동일하기 때문이다.
그러므로, 도 1 내지 도 3과 연관하여 설명된 PIA 가스 센서는, 대안적으로 F2및 F3(즉, 중성 채널)의 W2및 W3의 FWHM이 그 대응하는 검출기가 앞서 제안된 0.1 ㎛ 대역 보다는 수 미크론 대역으로 수동 적외선 소스(8)로부터 스펙트럼 방사량을 측정하도록 설정되는 식으로 설계될 수 있다. 이러한 시스템에서 각각의 중성 간섭 필터에 의해 통과되는 스펙트럼 대역은 서로 중첩할 수 있다. 이러한 구성에 있어 유일한 제한사항은 두 중성 검출기가 동일한 스펙트럼 대역의 스펙트럼 방사량을 측정할 수 없다는 것과 수동 적외선 소스의 방사율 ε이 각각의 스펙트럼 대역에서 비교적 일정해야 한다는 것이다. 상기한 상황에서 비율 Z은 항상 1이되기 때문에 두 중성 검출기는 동일한 스펙트럼 대역의 스펙트럼 방사량을 측정할 수 없다. 수동 적외선 소스의 방사율 ε은 비교적 일정하게 되어서, 그 상수가 비율 Z 계산시 소거됨으로써 수동 적외선 소스의 온도 T가 두 중성 채널의 출력의 비율로부터 바로 판정될 수 있게 한다.
8 내지 14 ㎛의 파장 범위에서는 물과 CO2에 의한 흡수가 매우 적다. 한 예로써, 간섭 필터 F2의 FWHM W2는 8 과 14 ㎛ 사이의 광을 통과하도록 설정될 수 있어서 검출기(5)는 이 스펙트럼 대역을 통해 수동 소스가 방사하는 에너지의 총량을 측정할 수 있다. 간섭 필터 F3에서 통과되는 스펙트럼 대역이 F2에서 통과되는 것보다 좁다면, 검출기(5, 6)에 의해 검출되는 에너지 양의 비율은 전술한 바와 같이 실시간으로 수동 적외선 소스(8)의 온도를 특유하게 판정하는데 여전히 사용될 수 있다. 대역통과 필터 F3는 대역통과 필터 F2가 통과하는 폭의 대략 절반인 광의 스펙트럼 대역을 통과한다; 그러므로 F3는 9.5 ㎛와 12.5 ㎛의 범위내에 드는 수동 적외선 소스로부터의 스펙트럼 방사를 통과하도록 설계될 수 있다. 간섭 필터 F3의 FWHM W3을 간섭 필터 D2의 W2의 폭의 약 절반으로 설정함으로써, 수동 적외선 소스(8)의 온도의 함수로서 비율 Z의 양호한 가변성이 보장된다.
이러한 방법으로 중성 채널을 설계하는 것의 장점은 상당히 많은 에너지가 검출기(5, 6) 각각에 의해 검출된다는 것이다. 이는 검출기의 신호대 잡음비를 개선하여 수동 적외선 소스의 더욱 정확한 특성화를 가능하게 한다.
전술한 설명으로부터 숙련된 기술자라면 쉽게 알 수 있듯이, 도 1에 따른 적외선 가스 검출기는 검출기 어셈블리(3)에 추가적인 검출기 Di를 부가하고 모니터하기 원하는 가스의 특성 흡수 대역에 대응하는 간섭 필터 Fi의 CWL을 적절하게 선택함으로써 간단히 다수의 가스의 농도를 모니터하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 검출기 어셈블리(3)의 구성을 도 4 및 도 5에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 검출기 어셈블리는 TO-5 캔과 같은 검출기 하우징(31)상에 제조된다. 적외선 검출기(4, 5, 6)는 TO-5 캔(31)의 하우징 베이스(30)상에 장착된다. 적외선 검출기(4, 5, 6)는 각 검출기의 시야가 사실상 서로 중첩하도록 서로 밀접하게 배치된다.
본 발명에서는 다양한 적외선 검출기가 사용될 수 있지만, 써모파일이 전력을 필요로하지 않고, 선형 출력을 가지며, 매우 우수한 신호대 잡음비를 가지므로 검출기(4, 5, 6)는 써모파일인 것이 바람직하다. 필수적인 것은 아니지만, 세 검출기 각각의 기준 접합면에는 동일한 열적 방열판(히트 싱크)을 붙이는 것도 바람직하다.
필터 마운트(32)가 하우징 베이스(30)의 상부에 배치되어, 필터 마운트(32)와 하우징 베이스(30) 사이의 공간으로 들어갈 수 있는 방사선은 필터 마운트(32)에 배치된 세 개의 개구(34)를 통해 들어가는 방사선만으로 이루어진다. 개구(34)들은 각각의 개구가 검출기중 하나와 축상으로 정렬하도록 필터 마운트(32)에 위치한다.
간섭 대역통과 필터 F1, F2, F3가 개구를 덮고 각각의 검출기와 수동 적외선 광원 사이에 배치된다. 또한, 필터 마운트(32)에 배치된 세 개의 개구(34)를 간섭 필터 F1, F2, F3로 덮어줌으로써 필터 마운트(32)와 하우징 베이스(30) 사이의 공간으로 들어갈 수 있는 방사선이 원하는 스펙트럼 대역의 것만으로 되게 한다. 분할기(40)는 한 스펙트럼 대역의 광이 다른 스펙트럼 대역의 광을 측정하기 위한 적외선 검출기와 접촉하는 것을 막아준다.
대역통과 필터 F1, F2, F3의 CWL 및 FWHM은 도 1 내지 3과 연관하여 설명한 바와 같이 설정된다.
TO-5 캔(31)의 뚜껑(42)이 개구 칼라(7)로 작용하여 검출기 어셈블리(3)의 FOV를 한정해준다. 뚜껑(42)의 상부에는 광 투과 윈도우(44)가 있다. 윈도우(44)용 재질로는 검출기 어셈블리(3)에 의해 모니터되는 스펙트럼 대역에 가능한 한 투명한 재질을 선택하는 것이 바람직하다. 윈도우(44)는 모니터되는 스펙트럼 대역 각각에 대해 동일한 투명성을 갖는 것이 바람직하다. 1㎛ 내지 10㎛ 범위에서 비교적 균일한 투명성을 갖는 윈도우 재질로는 실리콘, CaF2, BaF2가 있다. CaF2와 BaF2가 상기 범위에서 높은 투명도를 가지므로 특히 바람직한 재질이다.
비용을 절약하기 위해 윈도우(44)를 제거할 수도 있다. 그러나, 윈도우(44)를 포함시키면 도 4 및 도 5에 도시된 검출기 어셈블리(3)가 밀봉될 수 있어서 검출기 어셈블리의 기대 수명을 늘릴 수 있다. 또, 검출기 어셈블리(3)에 먼지와 기름이 쌓이면, 스펙트럼 대역에 대응하는 출력 신호가 강하하기 시작한다. 신호의 감쇠가 너무 커지면 적외선 가스 검출기는 적절히 동작하지 못한다. 그러나, 검출기 어셈블리(3)에 윈도우(44)를 설치하면, 윈도우(44)를 청소함으로써 원래의 신호 세기로 쉽게 복원할 수 있다. 이는 윈도우(44)가 없으면 불가능한 것이다.
본 실시예의 적외선 가스 검출기의 성능을 향상시키기 위해 추가적인 검출기 및 대역통과 필터가 추가될 수 있도록 더 큰 플랫폼을 필요로 한다면, TO-8 또는 더 큰 패키지를 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기한 플랫폼은 복수의 가스를 모니터하는 능력이 필요한 경우 사용될 수 있다.
도 9 내지 16과 연관하여 특히 양호한 검출기 어셈블리(3)에 대해 설명하겠다. 도 9, 10, 13에 도시된 바와 같이, 검출기 어셈블리(3)는 검출기 하우징(31)내에 장착된 기판(50)상에 형성되는 세 개의 적외선 검출기(4, 5, 6)를 포함한다. 검출기 하우징(31)은 하우징 베이스(30)와 뚜껑(42)을 포함하는 TO-5 갠인 것이 바람직하다. 뚜껑(42)은 검출기 어셈블리로 방사선을 수신하기 위한 포트를 규정하는 개구 칼라(7)를 포함한다. 그러므로 검출기 어셈블리(3)의 FOV는 개구 칼라(7)에 의해 한정된다. 뚜껑(42)은 또한 개구 칼라(7)에 의해 규정되는 포트에 맞거나 이를 덮어주는 광 투과 윈도우(44)를 포함하는 것이 바람직하다. 광 투과 윈도우(44)는 뚜껑(42)에 접착되어, 뚜껑(42)이 베이스(30)에 부착될 때 적외선 검출기(4, 5, 6)가 검출기 어셈블리(3)내에 밀봉된다.
적외선 검출기(4, 5, 6)는 기판(50)상에 지지되어 있으며, 본 실시예에서는 Si, Ge, GaAs 등과 같은 반도체 재료중 하나로 만들어진다. 검출기(4, 5, 6)가 근접하여 있으므로 그 시야는 사실상 중첩한다.
본 실시예에서, 적외선 검출기(4, 5, 6)는 박막 또는 실리콘 미세가공 써모파일인 것이 적절하다. 써모파일(4, 5, 6) 각각은 기판(50)에 형성된 개구(52)와 연계되어 있다. 개구(52)는 대역통과 필터 F1, F2, F3에서 통과되는 방사선이 검출되는 윈도우로써 작용한다. 공지된 바와 같이, 박막 또는 미세가공 써모파일 검출기(4, 5, 6)는 기판(50)의 하부 측면상에 제조되며 임의의 적절한 패턴을 채용할 수 있다. 도 13는 기판(50)의 하부 측면의 확대도로서, 박막 또는 미세가공 써모파일 검출기(4, 5, 6)용으로 채용될 수 있는 한가지 적절한 패턴을 보이고 있다.
본 기술분야에서 통상적으로, 써모파일 검출기(4, 5, 6) 각각의 열 접합부(60)는 기판(50)에 형성된 각각의 개구(52)에 걸쳐져 있는 얇은 전기 절연 다이어프램(54)상에 지지되는 것이 바람직하며, 냉 접합부(62)는 두꺼운 기판(50) 위에 위치한다. 세 개의 개구(52)에 얇은 전기 절연 다이어프램(54)이 걸쳐져 있는 것이 바람직하지만, 써모파일 검출기는 자체-지지될 수도 있다.
동작시, 수동 적외선 소스로부터의 적외선 방사선이 윈도우(44)를 통해 검출기 하우징(31)으로 들어온다. 적외선 방사선은 각각 선정된 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과시키는 간섭 대역통과 필터 F1, F2, F3에 부딪친다. 간섭 필터 F1, F2, F3를 통과한 방사선은 다이어프램(54)에 부딪치거나 써모파일이 자체-지지된 경우 열 접합부(60)에 부딪치며, 여기서 적외선 써모파일 검출기(4, 5, 6)에 의해 각각 검출된다.
입사 방사선에 대한 검출기(4, 5, 6)의 감도를 개선하기 위해, 전기 절연 다이어프램(54)의 상부 측에 산화비스무스 또는 카본블랙의 박막을 패키징 공정중에 코팅함으로써 개구 영역에서 입사 방사선을 더욱 효율적으로 흡수할 수 있다. 써모파일 검출기(4, 5, 6)가 자체-지지된 경우, 방사선이 입사하는 열 접합부(60)의 측면에 산화비스무스 또는 카본블랙을 직접 코팅할 수 있다.
두꺼운 기판(50)위에 냉, 또는 기준, 접합부(62)를 배치함으로써, 검출기 각각의 기준 접합부는 동일한 열적 집합체에 결합된다. 그러므로, 기판(50)은 히트 싱크로 작용하여 각 검출기의 냉 접합부(62)의 온도를 공통 온도로 유지시켜 준다. 또한, 기판(50)은 디바이스를 기계적으로 지지한다.
본 실시예는 세 개의 적외선 써모파일 검출기(4, 5, 6)가 형성되어 있는 단일 기판(50)에 관하여 기술되어 있지만, 숙련된 기술자라면 알 수 있듯이, 본 실시예에 기술된 기판(50) 대신에 하나의 적외선 써모파일 검출기를 각각 갖는 세 개의 분리된 기판을 사용할 수도 있다.
전기 절연 다이어프램(54)은, MYLAR과 같은 플라스틱 박막, 또는 산화규소, 질화규소와 같은 무기 유전체층 또는 이들 모두를 구비하는 다층 구조 등을 포함하는 공지된 여러 가지 적절한 재질로 만들어질 수 있다. 전기 절연 다이어프램(54)은 얇은 무기 유전체층인 것이 바람직한데, 이러한 층은 공지된 반도체 제조 공정을 이용하여 손쉽게 제조할 수 있으며, 그 결과 더욱 민감한 써모파일 검출기가 기판(50)상에 제조될 수 있다. 또한, 전체 디바이스의 제작성도 크게 개선된다. 또, 검출기(4, 5, 6) 제조에 반도체 공정만을 채용함으로써, 기판(50)은 전범위의 실리콘 집적회로 기술을 기초로 한 디바이스의 온-칩 회로 특성을 가지며; 따라서, 원한다면, 검출기(4, 5, 6)를 위한 신호 처리 전자 장치가 기판(50)에 포함될 수 있다.
기판(50)의 하부 측면에 써모파일 검출기(4, 5, 6)를 제조하는 여러 가지 기술은 써모파일 및 적외선 검출기 기술분야에서 공지된 것들이다. 반도체 공정 기술을 이용하여 써모파일 검출기(4, 5, 6)를 제조하는 적절한 방법중 하나는 본 명세서에 참고되어 있는 1992년 3월 31일자 미국 특허 제 5,100, 479 호에 기재되어 있다.
도 10 및 13을 참고하면, 각각의 써모파일 검출기(4, 5, 6)의 출력 패드(64)에는 출력 리드(56)가 본딩부(58)에서 납땜 또는 다른 공지된 재료를 사용하여 연결된다. 검출기(4, 5, 6)의 기준 접합부는 서로 열적으로 차단되기 때문에 각각의 검출기(4, 5, 6)의 기준 접합부에서 공통 출력 패드를 공유하는 것이 가능하다. 그 결과, 검출기의 출력을 연결하기 위해 필요한 출력 리드는 6개가 아니라 단지 4개이다. 출력 리드(56)는 통상적으로 검출기(4, 5, 6)를 신호 처리 전자 장치에 연결시킨다. 그러나, 전술한 바와 같이, 신호 처리 전자 장치는 기판(50)에 직접 포함될 수 있는데, 이 경우 출력 리드(56)는 적외선 써모파일 검출기(4, 5, 6)의 출력 패드 대신 신호 처리 전자 장치의 입출력 패드에 연결된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 써모파일 검출기중 하나의 냉 접합부(62) 근처의 기판(50)에는 온도 센싱 소자가 구성되어 있다. 온도 센싱 소자는 냉 접합부의 영역에서 기판950)의 온도를 모니터하므로, 측정하는 온도는 냉 접합부(62)의 온도를 나타내는 것이다. 온도 센싱 소자(53)의 출력은 신호 처리 전자 장치에 전달되어 신호 처리 전자 장치가 써모파일 검출기의 냉 접합부의 주변 온도의 영향을 보상할 수 있다. 온도 센싱 소자(53)는 서미스터인 것이 적절하지만, 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 다른 온도 센싱 소자도 사용될 수 있다.
도 9 - 11을 참조하면, 간섭 대역통과 필터 F1, F2, F3는 이들 각각이 기판(50)의 개구(52)중 하나를 덮도록 기판(50)의 상부에 장착된다. 대역통과 필터 F1, F2, F3의 CWL 및 FWHM은 도 1 - 3과 연관하여 전술한 바와 같이 설정된다. 간섭 필터가 개구(52)를 덮고 있으므로, 윈도우(44)를 통해 검출기 어셈블리(3)로 들어가는 광은 적외선 검출기(4, 5, 6)에 각각 도달하기 전에 필터 F1, F2, F3를 먼저 통과하여야 한다. 따라서, 기판(50)에 세 개의 분리된 개구를 채용함으로써, 한 필터를 통과하는 광은 다른 필터를 통과하는 광으로부터 분리된다. 이는 각각의 검출기 채널간의 혼선을 방지한다. 그러므로, 수동 적외선 소스(8)로부터 적외선 검출기(4, 5, 6)에 도달하는 광은 특정 검출기에서 측정하고자 하는 스펙트럼 대역 내에 있는 광이 된다.
필터 F1, F2, F3는 열 전도성 에폭시와 같은 열 전도성 재질을 사용하여 기판(50)에 고정되는 것이 바람직하다. 열 전도성 재질로 기판(50)에 필터를 고정시키는 것의 장점은 써모파일 검출기(4, 5, 6)의 기준 또는 냉 접합부(62)와 동일한 온도에 있는 기판과 필터 간의 열 차단성이 개선된다는 것이다. 그 결과 간섭 필터로부터의 배경 잡음은 최소화된다.
간섭 대역통과 필터 F1, F2, F3는 0 K 이상에서 일정한 적외선 방사량을 방출한다. 통상적으로 주변의 온도와 밀접한 온도를 갖는 필터에 의해 검출기로 입사하는 총 방사선속은 필터가 검출기의 기준 또는 냉 접합부(62)와 얼마나 양호하게 열적으로 차단되었는지에 관한 함수로 된다. 여기에 써모파일이 어떻게 작용하는지를 참작한다. 말하자면, 써모파일에 의해 발생되는 출력 전압은 써모파일을 구성하는 써모커플의 신호(열) 접합부와 기준(냉) 접합부 사이의 온도 차이를 직접 측정한 것으로 된다. 써모파일은 디바이스의 출력 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결된 다수의 써모커플에 불과한 것이다. 그러므로, 필터가 그 써모파일 검출기의 기준 접합부와 얼마나 양호하게 열적으로 차단되는가 하는 것이 검출기의 출력 전압에 영향을 줄 수 있다.
필터가 기준 접합부와 열적으로 전혀 차단되지 않은 최악의 경우에는, 외부로부터 써모파일의 열 접합부로 필터를 통과하는 수동 적외선 소스(8)로부터의 원하는 신호의 변조를 감소시키는 필터의 원치않는 바이어스가 써모파일 검출기로 입사하는 방사선속에 포함된다. 열 접합부에서 유용한 신호대 비-유용 신호의 비율은 간섭 필터에 통과되는 스펙트럼 대역에서의 수동 적외선 소스(8)의 스펙트럼 방사량대 모든 파장에서 필터에 의해 방사되는 스펙트럼 방사량의 비율로써 주어지는데, 295 k에서는, 4.67 ㎛의 CWL 및 0.2 ㎛의 FWHM을 갖는 간섭 필터에서 2.3 x 10-3정도로 작아질 수 있다. 그러나, 실제 상황에서는 필터는 항상 써모파일 검출기의 기준 전극에 어느 정도 차단되어 있으며, 유용한 신호대 비-유용 신호의 비율은 0.1 내지 0.2 근방이다.
본 발명의 검출기 어셈블리 실시예는 특히 필터로부터 써모파일 검출기에 입사하는 원치않는 방사선속을 가능한 한 많이 제거한다. 이는 써모파일 검출기(4, 5, 6)의 기준(냉) 접합부(62)와 그 대응하는 간섭 필터 F1, F2, F3사이에 매우 효율적인 열 차단장치를 제공하여 이루어진다. 이에 따라 검출기의 신호(열) 접합부(60)에 대한 필터의 영향이 없어지게 되므로, 수동 적외선 소스(8)로부터 필터를 통과하는 방사선이 써모파일 검출기에서 측정되는 유일한 방사 소스가 된다. 이는 말할 필요도 없이 중요한 유일한 방사선이며, 써모파일 검출기에 의한 처리를 위해 유용하게 차단되어 있는 것이다.
필터와 기판(50) 사이의 열적 차단을 더욱 개선하기 위해, 부가적인 히트 싱크 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 것처럼, 히트 싱크 금속제 그릿(68)이 간섭 필터 Fi의 한 측면 또는 양 측면에 설치될 수 있다. 그릿용으로 사용되는 금속은 높은 열 전도성을 가져야 한다. 이러한 목적을 위해서는 금이 특히 적당한 것이다. 대안적으로, 도 15 및 16에 도시된 것처럼, 히트 싱크 금속제 그릿(68)이 장착 고정구(70)와 일체화될 수 있다. 금속제 그릿(68)의 열 전도성은 그릿을 금으로 코팅함으로써 개선될 수 있다. 장착 고정구(70)는 그릿 부분(68)과 융기된 립 부분(72)을 포함한다. 간섭 필터 Fi(필터 F1, F2, 또는 F3에 대응)는 융기된 립(72)에 의해 형성되는 리세스에 위치한다. 장착 고정구(70)와 필터 Fi사이의 열 전달을 개선하기 위해, 필터 Fi는 열 전도성 에폭시와 같은 열 전도성 재질을 사용하여 장착 고정구(70)에 접착되는 것이 바람직하다. 장착 고정구는 열 전도성 재질을 사용하여 기판(50)의 상부에 접착되어 개구(52)를 덮는다. 이러한 것이 도 16에 도시되어 있는데, 도 16은 검출기(4, 5, 6)에 대응하는 써모파일 검출기 Di중 하나에서 기판(50)을 통해 절단한 부분 횡단면도이다.
이제 도 17 및 18와 연관하여 또다른 양호한 검출기 어셈블리(79)에 대해 설명하겠다. 검출기 어셈블리(79)는 검출기 하우징(31)에 장착된 반도체 기판(80)상에 형성된 세 개의 적외선 검출기(4, 5, 6)(비도시)를 포함한다. 적외선 검출기(4, 5, 6)는 도 9-13에 도시된 검출기 어셈블리 실시예와 연관하여 설명된 바와 같이 기판(80)의 하부 측면에 형성되는 박막 또는 미세가공 적외선 써모파일 검출기이다. 본 실시예의 기판(80)과 도 9-13에 도시된 실시예의 기판(50)간의 중요한 차이점은 기판(80)이 기판에 형성된 세 개의 개구 각각을 둘러싸는 융기된 림(82)을 포함한다는 것이다. 융기된 림(82)은 추가적인 열적 질량을 제공하여 써모파일(4, 5, 6)의 기준(냉) 접합부의 온도를 동일한 온도로 유지시켜 준다. 본 실시예에 따른 검출기 어셈블리(79)가 검출기 하우징(31)내에 장착될 수 있는 능동 적외선 소스(84)를 포함하기 때문에, 상기한 추가적인 열적 질량은 본 실시예에서 바람직한 것이다.
도 9-13에 도시된 실시예에서 처럼, 써모파일 검출기중 하나의 냉 접합부 근처의 기판(50)에는 냉 접합부의 온도를 모니터하고 그 정보를 신호 처리 전자 장치에 제공하기 위해 온도 센싱 소자(53)(비도시)가 설치되는 것이 바람직하다.
적외선 소스(84)는 검출기 어셈블리(79)의 유연성을 향상시킨다. 말하자면, 세 개의 채널 검출기 어셈블리(79)가 능동 적외선 소스를 가진 전통적인 NDIR 가스 센서에서 사용될 수 있게 해주며, 또는 대안적으로, 적외선 소스(84)가 사용불가능하게 되면 검출기 어셈블리(79)는 본 발명에 따른 수동 적외선 가스 센서에서 사용될 수 있다. 검출기 어셈블리(79)가 NDIR 가스 센서에서 사용되는 경우, 융기된 림(82)에 의해 제공되는 추가적인 열적 질량은 능동 적외선 소스(84)가 주기적으로 온, 오프될 때 기준 접합부의 온도를 가능한 한 균일한 온도로 유지시키는데 도움을 준다. 이는 검출기의 샘플 경로에서 모니터되는 가스의 존재에 의한 신호의 변조에 대해 검출기의 감도를 유지하는데 있어 유용한 것이다.
본 실시예에서 검출기 하우징(31)은 하우징 베이스(30)와 뚜껑(42)을 구비하는 TO-5 캔이다. 뚜껑(42)은 검출기 어셈블리로 방사선을 수신하기 위한 포트를 규정하는 개구 칼라(7)를 포함한다. 검출기 어셈블리(79)의 FOV는 개구 칼라(7)에 의해 한정된다. 검출기(4, 5, 6)가 근접해 있기 때문에 그 FOV는 사실상 중첩된다. 뚜껑(42)은 개구 칼라(7)에 이해 규정되는 포트에 끼워지거나 그를 덮는 광 투과 윈도우(44)를 포함하는 것이 적절하다. 광 투과 윈도우(44)는 뚜껑(42)에 접착되므로 뚜껑(42)이 베이스(30)에 부착되면 적외선 검출기(4, 5, 6)는 검출기 하우징(31)내에 밀봉된다.
윈도우(44)용으로 사용되는 재질은 도 4 및 5, 도 9-16에 도시된 검출기 어셈블리 실시예와 연관하여 설명된 바와 같이 선택된다.
간섭 대역통과 필터 F1, F2, F3는 이들 각각이 기판(80)의 개구(52)중 하나를 덮도록 융기된 림(82)의 상부에 장착된다. 대역통과 필터 F1, F2, F3의 CWL 및 FWHM은 도 1 - 3과 연관하여 전술한 바와 같이 설정된다. 간섭 필터가 개구(52)를 덮고 있으므로, 윈도우(44)를 통해 검출기 하우징(31)으로 들어가는 광은 적외선 검출기(4, 5, 6)에 각각 도달하기 전에 필터 F1, F2, F3를 먼저 통과하여야 한다. 따라서, 기판(80)에 세 개의 분리된 개구를 채용함으로써, 한 필터를 통과하는 광은 다른 필터를 통과하는 광으로부터 분리된다. 이는 각각의 검출기 채널간의 혼선을 방지한다. 그러므로, 수동 적외선 소스(8)로부터 -- 또는 검출기 어셈블리가 종래의 NDIR 가스 센서에서 사용되는 경우 수동 적외선 소스(84)로부터 -- 적외선 검출기(4, 5, 6)에 도달하는 광은 특정 검출기에서 측정하고자 하는 스펙트럼 대역내에 있는 광이 된다.
간섭 대역통과 필터 F1, F2, F3는 열 전도성 에폭시와 같은 열 전도성 재질을 사용하여 개구(52)를 둘러싸는 융기된 림(82)의 상부에 접착된다. 열 전도성 재질로 융기된 림(82)에 필터를 고정시키는 것의 장점은 써모파일 검출기(4, 5, 6)의 기준 또는 냉 접합부와 동일한 온도에 있는 기판(80)과 필터 간의 열 차단성이 개선된다는 것이다. 그 결과 간섭 필터로부터의 배경 잡음은 최소화된다.
필터와 기판(80) 사이의 열적 차단을 더욱 개선하기 위해, 도 14에 도시된 것처럼, 히트 싱크 금속제 그릿(68)이 간섭 필터 Fi의 한 측면 또는 양 측면에 설치될 수 있다. 그릿용으로 사용되는 금속은 높은 열 전도성을 가져야 한다. 이러한 목적을 위해서는 금이 특히 적당한 것이다. 대안적으로, 도 15에 도시된 것처럼, 히트 싱크 금속제 그릿(68)이 필터 장착 고정구(70)와 일체화될 수 있다. 장착 고정구(70)는 그릿 부분(68)과 융기된 립 부분(72)을 포함한다. 도 16에 도시된 것처럼, 간섭 필터 Fi(필터 F1, F2, 또는 F3에 대응)는 융기된 립(72)에 의해 형성되는 리세스에 위치한다. 장착 고정구(70)와 필터 Fi사이의 열 전달을 개선하기 위해, 필터 Fi는 열 전도성 에폭시와 같은 열 전도성 재질을 사용하여 장착 고정구(70)에 접착되는 것이 바람직하다. 장착 고정구는 열 전도성 재질을 사용하여 융기된 림(72)중 하나의 상부에 접착되어 개구(52)를 덮는다.
기판 장착 고정구(86)는 땜납 또는 다른 공지된 재질을 이용하여 본딩 영역(88)에서 써모파일 검출기(4, 5, 6) 각각의 출력 패드(비도시)에 연결된다. 본 실시예에서 검출기(4, 5, 6)의 기준 접합부가 공통 출력 패드를 공유하므로, 검출기의 출력을 연결하기 위해서는 단지 4개의 기판 장착 고정구(86)가 필요하다. 기판 장착 고정구(86)는 산화알루미늄과 산화베릴륨으로 이루어진 그릅으로부터 선택되는 재질로 만들어지는 것이 적절한 전기 절연성 기판(90)상에 장착되기 때문에 검출기 하우징(31)의 베이스(30)로부터 절연된다. 검출기(4, 5, 6)로부터의 출력 신호는 와이어 본드(94)를 거쳐 기판 장착 고정구(86)를 통하여 신호 처리 전자 장치(92)로 전달된다. 신호 처리 전자 장치(92)는 절연성 기판(90)에 다이본딩된 다수의 마이크로칩 또는 절연성 기판(90)에 다이본딩된 하나의 마이크로칩을 구비할 수 있다. 출력 리드(56)가 와이어 본드(96)를 거쳐 신호 처리 전자 장치(92)의 입력 및 출력에 연결된다.
신호 처리 전자 장치(92)는 공지된 주파수로 능동 적외선 소스(84)를 구동하기 위한 소스 구동기(98)를 포함한다. 소스 구동기(98)는 와이어 본드(97)를 통해 능동 적외선 소스(84)를 구동한다. 종래의 NDIR 응용예에서 소스 구동기(98)에 의해 능동 적외선 소스(84)가 구동되는 방법은 본 기술분야에서 공지된 것이므로 더 설명하지 않겠다.
검출기 어셈블리(79)가 절연성 기판(90)에 다이본딩된 신호 처리 전자 장치(92)를 포함하는 것으로 설명되어 있지만, 신호 처리 전자 장치(92)는 반도체 기판(80)상에 직접 설치될 수도 있다. 대안적으로, 검출기 어셈블리(79)를 단순화시키 위해, 출력 리드(56)가 땝납 또는 다른 공지된 재료를 사용하여 검출기(4, 5, 6)의 출력에 직접 연결될 수도 있다. 이러한 경우, 출력 리드(56)는 적외선 써모파일 검출기(4, 5, 6)의 출력을 검출기 어셈블리(79) 외부의 신호 처리 회로장치에 연결시킨다.
검출기 어셈블리(79)가 본 발명에 따른 수동 적외선 가스 센서에서 사용되는 경우, 수동 적외선 소스(8)로부터의 적외선 방사선은 윈도우(44)를 통해 검출기 하우징(31)으로 들어간다. 적외선 방사선은 선정된 스펙트럼 대역내에서 방사선을 각각 통과시키는 간섭 대역통과 필터 F1, F2, F3에 부딪친다. 간섭 필터 F1, F2, F3를 통과한 방사선은 각각의 개구에 걸쳐져 있는 무기 유전체 멤브레인(비도시)에 부딪치거나, 써모파일이 자체-지지되어 있는 경우 열 접합부에 부딪치며, 여기서 적외선 써모파일 검출기(4, 5, 6)에 의해 검출된다. 각각의 검출기의 출력은 신호 처리 전자 장치에 전달되며, 여기서 도 1-3와 연관하여 전술한 수동 적외선 가스 센서에 대한 설명과 같은 방식으로 처리된다.
도 9-16과 연관하여 설명된 검출기 어셈블리(3)에서 처럼, 입사 방사선에 대한 검출기(4, 5, 6)의 감도는 패키징 공정중 산화비스무스 또는 카본블랙의 박막으로 유전체 멤브레인(비도시)의 상부 측면을 코팅하여 개구 영역이 입사 방사선을 더욱 효율적으로 흡수하게 함으로써 개선될 수 있다. 써모파일 검출기(4, 5, 6)가 자체-지지되어 있는 경우, 방사선이 입사하는 열 접합부의 측면에 산화비스무스 또는 카본블랙을 직접 코팅할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 검출기 어셈블리(79)가 능동 수동 적외선 소스를 포함하므로, NDIR 가스 센서에서 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 NDIR 가스 센서에서 검출기 어셈블리(79)를 사용하는 것에 대해 이하 상세히 설명하겠다.
도 6은 본 발명에 따른 PIA 가스 센서(33)의 양호한 실시예의 실제적인 구현예를 도시한다. 검출기 어셈블리(3)가 인쇄회로기판(PCB)(11)에 직접 장착되며, PCB(11)에는 신호 처리 전자 장치(12), 알람을 발생시키는 사이렌(13), 베터리 전력원(14)도 장착된다. 배터리 전력원(14)은 시스템을 1 내지 2년 동작시키기에 충분한 전력을 제공하는 리튬 배터리인 것이 바람직하다. 본 발명의 PIA 가스 센서는 검출기 어셈블리(3)를 채용하는 것으로 설명되었지만, 도 17 및 18과 연관하여 설명된 검출기 어셈블리(79)도 본 실시예에서 사용될 수 있다.
검출기 어셈블리(3)에 단단히 부착되는 구형 반사기(15)는 검출기 어셈블리(3)의 FOV를 향상시키는데 사용된다. 가스 센서의 샘플 경로 길이는 검출기 어셈블리(3)와 벽(9)의 한 부분으로 규정되는 수동 적외선 소스(8)와의 거리에 의해 규정된다. 앞서 언급한 모든 부품들을 수반하는 PCB(11)는 본 발명의 PIA 기술을 구현하도록 사용될 때 외부 환경으로부터 보호하고 조작되는 것을 방지하기 위해 인클로우저(16)내에 설치된다.
숙련된 기술자라면 알 수 있듯이, 검출기 어셈블리(3)의 FOV는 반사 광학 시스템 대신 굴절 광학 시스템을 사용하여 유사하게 향상시킬 수 있다. 그러나, 비용면에서 반사 광학 시스템이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 신호 처리 회로의 계통도를 도시한다. 도 7에 도시된 신호 처리 회로는 전술한 검출기 어셈블리중 어느 것과도 연관하여 사용될 수 있다.
본 실시에에 따르면, 수동 소스(비도시)에서 나온 적외선 방사선은 검출기 어셈블리(3)의 FOV내에서 신호 검출기 D1, 중성 검출기 D2및 D3를 각각 나타내는 검출기(17, 18, 19)로 모인다. 검출기(17, 18, 19)는 써모파일 검출기이고 그 기준 접합부는 동일한 히트 싱크(20)에 열적으로 연결되어 있다. 써모파일 검출기의 주요 장점중의 하나는 그 선형 출력에 있다(0 내지 70℃ 온도로 선형으로 스케일링가능함). 그러므로, 검출기(17, 18, 19)의 출력은 마이크로프로세서(21)를 이용하여 공통 기준 접합부 히트 싱크(20)에서 주위 온도를 센싱함으로써 주위 온도 변동에 대해 정정될 수 있다.
본 실시예가 검출기 어셈블리(3)를 사용하는 것으로 설명되었지만, 도 17 및 18과 연관하여 설명된 검출기 어셈블리(79)도 본 실시예에서 사용될 수 있다.
DC 드리프트를 최소화하기 위해, 세 검출기 출력 각각은 뒤이어 마이크로프로세서(21)에 의해 제어되는 저잡음 멀티플렉서(22)에 의해 동일한 충격 계수로 동일한 저잡음 프리앰프(23)의 차동 입력으로 스위칭된다. 증폭된 신호는 신호 처리를 위해 마이크로프로세서(21)로 공급되기 전에 A/D 변환기(24)에 의해 변환된다. 측정할 가스가 검출된 후에, 가스의 농도는 마이크로프로세서(21)에 프로그램된 선정된 함수를 기초로하여 모니터될 수 있다. 농도는 케이블(25)을 이용하여 출력 또는 디스플레이될 수 있으며, 어떤 경우 케이블(26)을 이용하여 마이크로프로세서(21)에 의해 알람 신호가 발생될 수도 있다.
마이크로프로세서(21)는 저전력형의 것이며, 검출기 어셈블리(3)에서 발생하는 신호를 적절히 처리하기 위해 충분한 RAM, ROM, EEprom을 포함한다.
본 발명의 수동 적외선 가스 검출기는 거리 측정장치를 가스 검출기에 부가함으로써 그 융통성이 더 향상될 수 있다. 이렇게 할 경우 사용자는 응용예에 따라 샘플 거리 S를 쉽고 빠르게 수정할 수 있다. 거리 측정장치는 접촉형 또는 비접촉형으로 될 수 있으며, 예를 들어, 공지된 바와 같이 센서를 가진 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 거리 측정장치의 출력은 가스 농도의 계산시 적절한 샘플 경로 길이 S를 수학식 1에 삽입할 수 있도록 신호 처리기에 전달될 수 있다. 전술한 바와 같이, 경로 길이의 변동은 검출기 모두에 대해 동일하므로 소거될 수 있어서 두 중성 채널로부터의 출력의 비율을 계산함에 있어 필요하지 않은 것이다.
대안적으로, 사용자가 프리셋 경로길이를 입력할 수 있도록 스위치가 가스 검출기에 포함될 수 있다. 예를 들어, 스위치는 사용자가 본 발명의 가스 검출기가 사용되는 장치에서 적절한 경로 길이를 측정하고 입력할 수 있도록 1 피트씩 증가하는 경로 길이 설정기구를 포함할 수 있다. 특정한 경로 길이를 선택한 것이 마이크로프로세서(21)에 전달되므로, 마이크로프로세서는 샘플 용적내의 가스 농도 계산시 사용할 적절한 경로 길이를 알게된다.
유연성을 좀더 향상시키기 위해, 사용자가 임의의 원하는 경로 길이를 입력할 수 있도록 데이터 입력 패드가 사용될 수 있으며, 마이크로프로세서(21)는 계산시 그에 따른 보상을 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호 처리기의 회로도이다. 회로의 구조는 5 내지 85 μ볼트 정도인 예측되는 신호의 저 레벨에 따라 결정된다. 여기에는 이득 설정 저항 R4의 값만 다른 세 개의 동일한 프리앰프 회로가 있다. 증폭기들은 계기 형태로 구성되며, 60 Hz 전력선 근처의 가정에서 작동할 때 큰 신호가 자기적으로 유도되기 때문에 매우 높은 공통 성분 신호 제거비를 갖는다. 검출기 및 회로를 자기적으로 차폐함으로써 이를 감소시킬 수 있다. 열적, 기계적 설계는 전자 장치의 최대 기능발휘를 위해 매우 중요한 것이다.
U1은 계기 증폭기의 입력부를 형성하며, 매우 낮은 입력 옵셋 전압, 약 0.5㎶, 및 온도에 대한 전압의 매우 낮은 변동을 갖도록 선택된다. 높은 공통 성분 제거비를 위해, 두 피드백 저항 R2 및 R3은 0.1% 이상으로 매칭되어야 하며, 10 ppm/deg C 이상의 온도 계수를 가져야 한다. 이 회로의 이득은 R1 에 대한 R2 및 R3의 비로써 결정되며, 약 500이다. dc 내지 10 Hz에 대한 잡음 레벨은 약 2 ㎶ pp 이다. 이는 원하는 것보다 높은 것이지만 후에 필터링될 수 있다. 샘플 출력의 적절한 처리를 위해서는 입력 옵셋 및 온도에 대한 드리프트가 낮은 것이 더욱 중요하다.
회로의 출력부의 입력 잡음 레벨은 더 낮은 약 0.28 ㎶이지만, 옵셋은 더 높아서 약 50 uV이며, 큰 온도 계수를 갖는다. U2는 또다른 계기 증폭기이며, 약 400의 안정하고 높은 이득을 제공한다. U2는 다른 증폭기 및 4개의 정밀한 이득 설정 저항보다 값이 싸다. 예측되는 출력은 검출기로의 입력 방사량에 따라 1 내지 2 볼트 또는 그 이상이다. 다른 두 검출기에 대한 프리앰프의 이득은 그 검출기의 더 긴 파장에서 더 많은 방사량이 예측되기 때문에 낮아진다.
신호 처리의 나머지 부분은 여러 가지 방식으로 처리될 수 있는데, 그 한 예가 설명되어 있다. 세 개의 신호 채널 및 검출기 근처의 하나의 온도 센서가 멀티플렉서에 의해 선택되며, 그 값은 전압-주파수 변환기에 의해 주파수로 변환된다. 주파수 출력은 마이크로프로세서(μP)에 의해 쉽게 처리되어 관찰되는 곳의 온도, 검출기의 온도를 판정할 수 있으며, 그런 다음 그 온도에서 예측되는 신호로부터 CO 가스 또는 측정할 다른 가스에 의한 흡수를 판정할 수 있다.
본 발명에 따른 PIA 가스 센서의 다른 실시예를 도 19와 연관하여 설명하겠다. 도 19에 도시된 수동 적외선 가스 센서(110)는 수동 적외선 소스(112), 수동 적외선 소스(112)의 중간에 위치하고 적외선 방사선을 수신하기 위한 포트(118)를 가진 3채널 적외선 검출기 어셈블리(3), 검출기 어셈블리(3)의 포트(118)와 수동 적외선 소스(112)를 마주보며 떨어져 있는 오목 거울(120)을 구비한다.
수동 적외선 소스(112)와 마주하는 오목 거울(120)의 시야내에서 적외선 소스의 표면 영역을 증가시키기 위해 수동 적외선 소스(112)는 오목한 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 수동 적외선 소스(112)는 비도전성 부재(114)의 표면에 부착된 적외선 흑색 표면(116)을 구비한다. 적외선 흑색 표면(116)은 블랙 산화크롬, 산화비스무스, 카본블랙을 포함하는 다수의 재질을 구비할 수 있다. 비도전성 부재(114)는 플라스틱 패널이 가벼우며 플라스틱의 제작이 용이하기 때문에 복수의 플라스틱 패널로 만들어진다. 숙련된 기술자라면 알 수 있듯이, 부재(114)는 한 개의 플라스틱 또는 다른 전기 절연성 재질로 만들어질 수도 있다.
거울(120)은 검출기 어셈블리의 시야를 증가시키는 어떤 오목 반사 표면이라도 좋다. 검출기 어셈블리(3)의 포트(118)를 통해 수신되는 모든 적외선 방사선이 수동 적외선 소스(112)에 의해 발생되도록 오목 거울(120)은 가능한 한 낮은 방사율을 갖는 것이 바람직하다. 오목 거울(120)은 검출기로부터 떨어져 있는 거리에서 검출기의 전 시야를 포함할 정도로 커야 한다. 이는 방정식 d = (OMxS)/2π-½,를 이용하여 계산될 수 있는데, 여기서 d는 오목 거울의 직경이고, OM은 오목 거울(120)에 검출기 어셈블리가 대하는 입체각이며, S는 검출기 어셈블리와 검출기 어셈블리간의 거리이다. 유사하게, 수동 적외선 소스(112)도 오목 거울의 시야를 채울수 있을 정도로 커야한다.
한편의 수동 적외선 소스 및 검출기와 다른 한편의 오목 거울 사이의 공간이 본 발명에 따른 수동 적외선 가스 센서(110)의 샘플 챔버를 규정한다. 수동 적외선 소스(112)로부터 방출된 적외선 방사선이 오목 거울(120)에서 반사되어 포트(118)를 통해 검출기 어셈블리(3)로 간다. 그 결과, 수동 적외선 가스 센서(110)의 샘플 경로 길이는 검출기 어셈블리(3)와 오목 거울(120)간의 거리의 최소한 두배가 된다. 이에 따라 가스 센서(110)는 수동 소스가 검출기 어셈블리와 마주하고 있는 수동 적외선 가스 센서의 감도의 2배를 갖는다. 대안적으로, 공간을 절반으로 하여 가스 센서(110)가 동일한 감도를 가질 수도 있다.
전술한 바와 같이, 도 17 및 18과 연관하여 설명된 검출기 어셈블리(79)는 능동 적외선 소스도 포함하므로, 검출기 어셈블리(79)는 NDIR 가스 센서에 바로 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 가능한 한 NDIR 가스 센서 장치가 도 20에 도시되어 있다. 도 20의 NDIR 가스 센서는 닫혀진 단부(102)와 개방 단부(104)를 가진 길다란 공중 튜브(100)을 구비한다. 본 실시예에서 튜브(100)는 금속제이고 원형 단면을 갖는데, 다른 실시예에서 단면은 사각일 수 있다.
닫혀진 단부(102)의 내부 표면을 포한한 튜브(100)의 내부 표면은 특히 반사성을 갖는다.
본 발명에 따르면, 금속제 튜브(100)는 기밀화되어 있으며, 필터링 개구(필터링 개구(106)가 전형적인 것임)가 튜브(100)를 따라 떨어진 위치에 제공되어, 모니터되는 가스가 튜브내의 공간으로 출입할 수 있게 해준다. 각각의 필터링 개구(106)는 반투과성 멤브레인(108)으로 덮여진다. 필터링 개구의 정확한 개수, 위치, 배열등은, 어떤 것이 다른 것보다 좀더 나을 수는 있지만, 결정적인 것은 아니다.
3채널 검출기 어셈블리(3)는 개방 단부를 막아 가스가 튜브(100)의 개방 단부를 통해 들어오고 나가는 것을 방지하는 방식으로 공중 튜브(100)의 개방 단부에 장착된다. 본 발명에서는 능동 적외선 소스(84)가 사용되기 때문에, 검출기 어셈블리(79)가 본 발명에 따른 수동 적외선 가스 센서에서 사용되는 경우 수동 적외선 소스(8)의 온도를 특성화하는 중성 검출기로써 사용되는 검출기(5, 6)는 필요하지 않다. 그 결과, 검출기 어셈블리(79)는 검출될 세 가지 상이한 가스는 방사선을 강하게 흡수하지만 존재할 수 있는 다른 가스들은 흡수하지 않는 세 가지 상이한 파장에서 스펙트럼 대역을 통과하는 대역통과 필터 F1, F2, F3를 간단히 선택함으로써 본 실시예에서 3가지에 이르는 상이한 가스의 농도를 모니터할 수 있다. 세가지 이하의 가스가 검출된다면, 필요치않은 검출기 채널은 사용불가능하게 할 수 있다. 이렇게 하여 본 발명에 따른 NDIR 가스 센서의 유연성을 크게 향상시킬 수 있다.
샘플 챔버내에서 검출될 가스의 농도는 능동 적외선 소스(84)로부터 방출되는 방사선을 흡수하는 정도에 따라 판정된다. 도 19에 도시한 바와 같이 검출기 어셈블리(79)를 먼저 튜브(100) 윈도우의 개방 단부에 삽입함으로써, 검출기 어셈블리(79)내에 위치한 검출기(4, 5, 6), 간섭 대역통과 필터 F1, F2, F3, 능동 적외선 소스(84)는 이들이 모두 닫혀진 단부(102)의 내부 표면과 마주하도록 배치된다. 그 결과, 능동 적외선 소스(84)에 의해 방출되는 방사선의 일부는, 직접 또는 간접적으로, 닫혀진 단부(102)의 내부 표면으로부터 방사선이 검출되는 검출기(4, 5, 6)로 다시 반사된다. 검출기(4, 5, 6)에 의해 모니터되는 스펙트럼 대역에서 검출된 방사량은 공지된 기술을 이용하여 튜브(100)내의 공간으로 규정되는 샘플 챔버내에서 모니터되는 가스의 농도를 판정하는 것에 사용될 수 있다.
반투과성 멤브레인(108)의 목적은 선정된 사이즈보다 큰 공기 입자가 튜브(100)내의 공간으로 들어가는 것을 방지하고, 동시에 튜브(100)내의 공간의 안팎으로 모니터되는 가스가 자유 확산하는 것을 다소라도 간섭하지 않는 것이다. 원치않는 입자로는 미세한 수분 또는 기름 방울이 포함되며, 먼지 또는 연기 입자와 같은 미세 입자도 포함된다. 이러한 원치않는 공기 입자가 튜브(100)내의 공간으로 들어간다면, 이들이 반사성 표면에 쌓여져 반사도를 감소시키고 그 특성을 파괴한다. 원치않는 입자는 검출기 어셈블리(79)의 윈도우(44)에 쌓여져 방사선의 전달성을 감소시킬 수도 있다. 이러한 문제는 모두 반투과성 멤브레인의 사용을 통하여 해결되는데, 본 실시예에서 멤브레인은 0.3 미크론 보다 큰 공기 입자가 튜브(100)내의 공간으로 들어가는 것을 방지한다.
본 발명이 설명한 실시예에서 명료하게 되어있지만, 숙련된 기술자라면, 개시된 발명의 실시에 사용되거나 특정 환경 또는 동작 요건에 특별히 적용되는 구조, 배치, 비율, 소자, 재료, 구성부 등에 대한 여러 가지 수정이, 개시된 본 발명의 원리에서 벗어나지 않고도 가능하다는 것을 즉시 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 9-18과 연관하여 설명된 검출기 어셈블리는 본 발명에 따른 PIA 센서에서 사용되기 때문에 3채널 검출기인 것으로 설명되었지만, 숙련된 기술자라면 본 발명의 검출기 어셈블리가 특정 응용예에 따라 다른 개수의 채널을 갖도록 쉽게 수정될 수 있다는 것을 알 것이다. 그러므로, 상술한 설명은 단지 한 예에 불과한 것이며, 다음에 청구된 바와 같은 개시된 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니라는 점을 명확히 이해할 수 있을 것이다.

Claims (58)

  1. a. 적외선 방사선을 수신하기 위한 포트를 가진 검출기 하우징;
    b. 상기 검출기 하우징내에 장착되며 세 개의 개구를 갖는 기판;
    c. 상기 기판의 하부 측면상에 제작되는 써모파일 검출기로서, 각각의 써모파일 검출기의 열 접합부가 상기 기판내의 개구중 하나의 개구 위에 위치하여 상기 개구를 통해 전달되는 방사선을 수신하고, 각각의 써모파일 검출기의 냉 접합부는 기판 위에 위치하여 있는 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기;
    d. 상기 제1 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제1 검출기 사이에 배치되며, 제1 스펙트럼 대역에서 입사 방사선을 통과하도록 설계된 제1 간섭 대역통과 필터;
    e. 상기 제2 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제2 검출기 사이에 배치되며, 제2 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제2 간섭 대역통과 필터; 및
    f. 상기 제3 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제3 검출기 사이에 배치되며, 제3 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제3 간섭 대역통과 필터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 검출기 하우징을 통해 연장되어 상기 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기에 전기적으로 연결되는 출력 리드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 기판은 반도체 재료로 만들어지며, 상기 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기는 박막 써모파일 검출기와 미세가공 써모파일 검출기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 반도체 재료로 만들어지며, 상기 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기가 미세가공 써모파일 검출기인 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    a. 상기 기판상에 제작되고, 상기 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기와 전기적으로 연결되는 신호 처리기; 및
    b. 상기 검출기 하우징을 통해 연장되어 상기 신호 처리기에 전기적으로 연결되는 리드
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 제1, 제2, 제3 적외선 써모파일 검출기는 상기 검출기가 그 위에 위치하는 개구에 걸쳐져 있는 전기 절연성 다이어프램상에 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전기 절연성 다이어프램은 플라스틱 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 플라스틱 박막은 MYLAR인 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 전기 절연성 다이어프램은 산화규소, 질화규소, 산화규소와 질화규소의 다층 구조를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 무기 유전체 멤브레인으로 이루어진 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 간섭 대역통과 필터는 열 전도성 재질을 사용하여 기판에 접착되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 기판과 상기 제1, 제2, 제3 간섭 대역통과 필터 사이의 열적 차단성을 향상시키기 위한 히트 싱크 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 포트내에 장착된 광투과성 윈도우를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 기판, 상기 필터, 및 상기 검출기가 상기 검출기 하우징 내에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  14. a. 적외선 방사선을 수신하기 위한 포트를 가진 검출기 하우징;
    b. 상기 검출기 하우징내에 장착되며 세 개의 개구를 갖는 반도체 기판;
    c. 상기 세 개의 개구 각각에 걸쳐지며, 상기 기판의 하부에 형성되는 유전체 멤브레인;
    d. 각각의 열 접합부가 개구 위에서 개구에 걸쳐진 유전체 멤브레인상에 형성되고, 냉 접합부가 상기 기판 위에 형성되는 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기;
    e. 상기 제1 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제1 검출기 사이에 배치되며, 제1 스펙트럼 대역에서 입사 방사선을 통과하도록 설계된 제1 간섭 대역통과 필터;
    f. 상기 제2 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제2 검출기 사이에 배치되며, 제2 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제2 간섭 대역통과 필터;
    g. 상기 제3 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제3 검출기 사이에 배치되며, 제3 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제3 간섭 대역통과 필터; 및
    h. 상기 검출기 하우징을 통해 연장되어 상기 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기에 전기적으로 연결되는 리드
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 무기 유전체 멤브레인은 산화규소, 질화규소, 산화규소와 질화규소의 다층 구조를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 기판상에 제작되는 신호 처리기를 더 포함하며, 상기 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기는 상기 신호 처리기와 전기적으로 연결되며, 상기 리드는 상기 신호 처리기에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 간섭 대역통과 필터는 열 전도성 재질을 사용하여 상기 기판에 접착되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  18. a. 적외선 방사선을 수신하기 위한 포트를 가진 검출기 하우징;
    b. 상기 검출기 하우징내에 장착되고, 세 개의 개구를 가지며, 상부의 융기된 림이 각각의 개구를 둘러싸고 있는 반도체 기판;
    c. 상기 세 개의 개구 각각에 걸쳐지며, 상기 기판의 하부에 형성되는 유전체 멤브레인;
    d. 각각의 열 접합부가 개구중 하나 위에서 상기 개구에 걸쳐진 상기 유전체 멤브레인상에 형성되고, 냉 접합부가 상기 기판 위에 형성되는 제1, 제2, 제3 박막 써모파일 검출기;
    e. 상기 제1 검출기가 위에 형성되는 개구를 둘러싸고 있는 융기된 림의 상부에 장착되고, 상기 포트와 상기 제1 검출기 사이에 배치되며, 제1 스펙트럼 대역에서 입사 방사선을 통과하도록 설계된 제1 간섭 대역통과 필터;
    f. 상기 제2 검출기가 위에 형성되는 개구를 둘러싸고 있는 융기된 림의 상부에 장착되고, 상기 포트와 상기 제2 검출기 사이에 배치되며, 제2 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제2 간섭 대역통과 필터; 및
    g. 상기 제3 검출기가 위에 형성되는 개구를 둘러싸고 있는 융기된 림의 상부에 장착되고, 상기 포트와 상기 제3 검출기 사이에 배치되며, 제3 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제3 간섭 대역통과 필터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 검출기 어셈블리내에 작동가능하게 장착되는 능동 적외선 소스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 무기 유전체 멤브레인은 산화규소, 질화규소, 산화규소와 질화규소의 다층 구조를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 검출기 하우징을 통해 연장되어 상기 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 출력 리드를 더 구비하는 적외선 검출기 어셈블리.
  22. 제 19 항에 있어서,
    a. 상기 기판상에 제작되고, 상기 써모파일 검출기와 전기적으로 연결되는 신호 처리기; 및
    b. 상기 검출기 하우징을 통해 연장되어 상기 신호 처리기에 전기적으로 연결되는 리드
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 간섭 대역통과 필터는 열 전도성 재질을 사용하여 상기 기판에 접착되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  24. 제 19 항에 있어서, 상기 능동 적외선 소스는 텅스텐 필라멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기 어셈블리.
  25. a. 적외선 방사선을 수신하기 위한 포트를 가진 검출기 하우징;
    b. 상기 검출기 하우징내에 장착되며 세 개의 개구를 갖는 기판;
    c. 상기 기판의 하부 측면상에 제작되는 써모파일 검출기로서, 각각의 써모파일 검출기의 열 접합부가 상기 기판내의 개구중 하나 위에 위치하여 상기 개구를 통해 전달되는 방사선을 수신하고, 각각의 써모파일 검출기의 냉 접합부는 기판 위에 위치하여 있는 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기;
    d. 상기 제1 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제1 검출기 사이에 배치되며, 미리 선택된 모니터할 가스에 의해 흡수될 수 있는 제1 비-중성 스펙트럼 대역에서 입사 방사선을 통과하도록 설계된 제1 간섭 대역통과 필터;
    e. 상기 제2 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제2 검출기 사이에 배치되며, 제1 중성 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제2 간섭 대역통과 필터;
    f. 상기 제3 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제3 검출기 사이에 배치되며, 제2 중성 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제3 간섭 대역통과 필터; 및
    g. 상기 제1, 제2, 제3 검출기에서 발생되는 전기적 출력에 접속되고 그에 응답하여 측정될 가스의 농도를 나타내는 신호를 발생시키는 신호 처리 회로장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  26. 제 25 항에 있어서, 모니터되는 가스는 CO, CO2, H2O, TVOC 로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 한 가지인 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 대역통과 필터는 FWHM에서 약 0.1 ㎛ 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 제2 및 제3 대역통과 필터는 3.91 ㎛, 5.00 ㎛, 9.00 ㎛로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 제1 대역통과 필터는 약 4.26 ㎛, 약 4.67 ㎛로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  30. a. 적외선 방사선을 수신하기 위한 포트를 가진 검출기 하우징;
    b. 상기 검출기 하우징내에 장착되며 세 개의 개구를 갖는 기판;
    c. 상기 기판의 하부 측면상에 제작되는 써모파일 검출기로서, 각각의 써모파일 검출기의 열 접합부가 기판내의 개구중 하나 위에 위치하여 상기 개구를 통해 전달되는 방사선을 수신하고, 각각의 써모파일 검출기의 냉 접합부는 상기 기판 위에 위치하여 있는 제1, 제2, 제3 써모파일 검출기;
    d. 상기 제1 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제1 검출기 사이에 배치되며, 제1 스펙트럼 대역에서 입사 방사선을 통과하도록 설계된 제1 간섭 대역통과 필터;
    e. 상기 제2 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제2 검출기 사이에 배치되며, 제2 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제2 간섭 대역통과 필터;
    f. 상기 제3 검출기 위의 상기 개구를 덮도록 상기 기판의 상부 측면상에 장착되고, 상기 포트와 상기 제3 검출기 사이에 배치되며, 제3 스펙트럼 대역에서 방사선을 통과하도록 설계된 제3 간섭 대역통과 필터;
    g. 상기 검출기 어셈블리내에 동작가능하게 장착된 능동 적외선 소스;
    h. 상기 능동 적외선 소스에 전기적으로 접속되어 선정된 주파수로 능동 적외선 소스를 구동시키는 소스 구동기; 및
    i. 상기 제1, 제2, 제3 검출기에서 발생되는 전기적 출력에 접속되고 그에 응답하여 모니터되는 적어도 하나의 가스의 농도를 나타내는 신호를 발생시키는 신호 처리 회로장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 가스 센서.
  31. 제 30 항에 있어서, 모니터되는 가스는 CO, CO2, H2O, TVOC 로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 한 가지인 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 대역통과 필터는 FWHM에서 약 0.1 ㎛ 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 제2 및 제3 대역통과 필터는 3.91 ㎛, 5.00 ㎛, 9.00 ㎛로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 제1 대역통과 필터는 약 4.26 ㎛, 약 4.67 ㎛로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  35. a. 적외선 흑색 표면을 포함하는 수동 적외선 소스;
    b. 수동 적외선 소스의 중앙에 있으며, 적외선 방사선을 수신하기 위한 포트를 갖고 있는 3채널 적외선 검출기 어셈블리; 및
    c. 상기 검출기 어셈블리의 상기 포트 및 상기 적외선 흑색 표면과 마주보고, 상기 수동 적외선 소스로부터 방출된 방사선이 상기 포트로 반사되도록 위치되어 있는 오목 거울
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 센서.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 적외선 흑색 표면은 블랙 산화크롬, 산화비스무스, 카본블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 검출기.
  37. 제 35 항에 있어서, 상기 수동 적외선 소스는 오목한 적외선 흑색 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 검출기.
  38. 제 35 항에 있어서, 상기 3채널 검출기 어셈블리는 세 개의 적외선 써모파일 검출기와 세 개의 간섭 대역통과 필터를 구비하고, 각각의 필터는 상기 수동 적외선 소스와 상기 써모파일 검출기중 하나 사이의 광학 경로에 배치되는 것을 특징으로 하는 수동 소스 적외선 가스 검출기.
  39. a. i. 수동 적외선 소스로부터 방사선을 수신하기 위한 포트;
    ii. 상기 포트를 통해 방사선을 수신하도록 배치되어서, 입사하는 방
    사선을 나타내는 제1 출력, 제2 출력, 제3 출력을 각각 발생
    시키는 제1 센서, 제2 센서, 제3 센서;
    iii. 상기 포트와 상기 제1 센서 사이에 배치되며, 미리 선택된 검출
    할 가스에 의해 흡수될 수 있는 제1 비-중성 스펙트럼 대역에
    서 입사하는 방사선을 나타내는 출력을 발생하는 제1 협대역
    통과 필터;
    iv. 상기 포트와 상기 제2 센서 사이에 배치되며, 제1 중성 스펙트럼
    대역에서 입사하는 방사선을 나타내는 출력을 발생하는 제2
    협대역 통과 필터; 및
    v. 상기 포트와 상기 제3 센서 사이에 배치되며, 제2 중성 스펙트럼
    대역에서 입사하는 방사선을 나타내는 출력을 발생하는 제3
    협대역 통과 필터를 포함하는 적외선 검출기 어셈블리;
    b. 상기 제1, 제2, 제3 센서의 주변 온도에 대응하는 출력을 발생시키는 온도 측정 수단; 및
    c. 상기 제1 센서, 제2 센서, 제3 센서,및 상기 온도 측정 수단으로부터 출력을 수신하고, 상기 제1 센서, 제2 센서, 및 제3 센서, 및 상기 온도 측정 수단의 출력을 미리 설정된 간격으로 샘플링하고 적어도 일시적으로 기억하는 신호 처리 수단
    을 포함하되, 신호 처리 수단은
    i. 상기 제1, 제2, 제3 센서의 기억된 출력을 정정하여 샘플링시 제
    1, 제2, 제3 센서의 주변 온도를 보정하는 수단;
    ii. 상기 제2 센서 및 제3 센서의 출력의 정정값의 비율을 기초로 샘
    플링시 수동 적외선 소스의 온도를 계산하는 수단;
    iii. 샘플링 주기동안 상기 수동 적외선 소스의 계산된 온도를 기초
    로 적어도 하나의 상기 제2 또는 제3 센서에 대한 예측 출력
    을 계산하는 수단;
    iv. 적어도 하나의 상기 제2 또는 제3 센서의 예측 출력을 샘플링 주
    기동안 대응하는 센서의 정정된 출력과 비교하여 감쇠 상수를
    계산하는 수단;
    v. 상기 제1 센서의 기억된 출력을 감쇠 상수를 통해 정정하는 수단;
    vi. 상기 제1 센서의 정정된 출력으로부터 샘플링 주기동안 가스의
    농도를 판정하는 수단; 및
    vii. 선정된 함수를 기초로 가스의 농도를 모니터링하고 모니터링을
    기초를 출력 신호를 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로
    하는 수동 소스 적외선 가스 검출기.
  40. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 센서, 제2 센서, 제3 센서는 각각 써모파일 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  41. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 센서, 제2 센서, 제3 센서는 각각 써모파일을 구비하며 공통 기준 접합부를 공유하는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  42. 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 센서의 시야는 사실상 동일한 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  43. 제 1 항에 있어서, 모니터되는 가스는 CO, CO2, H2O, TVOC 로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 한 가지인 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  44. 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 협대역 통과 필터는 FWHM에서 약 0.1 ㎛ 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  45. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 및 제3 협대역 통과 필터는 약 3.91 ㎛, 5.00 ㎛, 9.00 ㎛로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  46. 제 7 항에 있어서, 상기 제1 협대역 통과 필터는 약 4.67 ㎛의 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  47. 제 1 항에 있어서, 배터리 전력원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  48. 제 1 항에 있어서, 상기 포트는 TO-5 캔에서 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  49. 제 4 항에 있어서, 상기 검출기 어셈블리의 시야를 확장시키는 광학 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  50. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 처리 수단의 출력은 알람으로 전달되는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  51. a. 제1 출력, 제2 출력, 제3 출력을 발생하는 적외선 검출기 어셈블리로서, 상기 제1 출력은 미리 선택된 검출할 가스에 의해 흡수될 수 있는 제1 비-중성 스펙트럼 대역에서 검출기 어셈블리에 의해 수신되는 방사선을 나타내고, 상기 제2 출력은 수동 적외선 소스로부터 제1 중성 스펙트럼 대역에서 검출기 어셈블리에 의해 수신되는 방사선을 나타내며, 상기 제3 출력은 수동 적외선 소스로부터 제2 중성 스펙트럼 대역에서 검출기 어셈블리에 의해 수신되는 방사선을 나타내는 적외선 검출기 어셈블리;
    b. 상기 검출기 어셈블리의 주변 온도를 나타내는 출력을 발생시키는 온도 측정 수단; 및
    c. 상기 제1, 제2, 제3 출력 및 상기 온도 측정 수단의 출력을 수신하고, 상기 제1, 제2, 제3 출력 및 상기 온도 측정 수단의 출력을 미리 설정된 간격으로 샘플링하고 적어도 일시적으로 기억하는 신호 처리 수단
    을 포함하되, 상기 신호 처리 수단은
    i. 상기 제1, 제2, 제3 출력을 정정하여 검출기 어셈블리의 주변 온
    도를 보정하는 수단;
    ii. 기억된 제2 및 제3 출력의 정정값의 비율을 기초로 상기 수동 적
    외선 소스의 온도를 계산하는 수단;
    iii. 상기 수동 적외선 소스의 계산된 온도를 기초로 샘플링 주기동
    안 예측되는 제2 또는 제3 출력을 계산하는 수단;
    iv. 예측되는 제2 또는 제3 출력을 실제 기억된 제2 또는 제3 출력과
    각각 비교하여 샘플링 주기동안 감쇠 상수를 계산하는 수단;
    v. 기억된 제1 출력을 샘플링 주기동안 계산된 감쇠 상수를 통해 정
    정하는 수단;
    vi. 정정된 제1 출력을 이용하여 샘플링 주기동안 가스의 농도를 판
    정하는 수단;
    vii. 선정된 함수를 기초로 가스의 농도를 모니터링하고 모니터링을
    기초를 출력 신호를 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로
    하는 수동 소스 적외선 가스 검출기.
  52. 제 51 항에 있어서, 검출할 가스가 CO, CO2, H2O, TVOC 로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 한 가지인 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  53. 제 51 항에 있어서, 상기 제1 비-중성 스펙트럼 대역, 상기 제1 중성 스펙트럼 대역, 상기 제2 중성 스펙트럼 대역이 FWHM에서 약 0.1 ㎛ 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  54. 제 53 항에 있어서, 상기 제1 중성 스펙트럼 대역, 상기 제2 중성 스펙트럼 대역이 약 3.91 ㎛, 5.00 ㎛, 9.00 ㎛로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  55. 제 54 항에 있어서, 상기 제1 비-중성 스펙트럼 대역이 약 4.67 ㎛의 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  56. 제 54 항에 있어서, 상기 제1 비-중성 스펙트럼 대역이 약 4.26 ㎛의 중심 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  57. 제 51 항에 있어서, 배터리 전력원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
  58. 제 39 항에 있어서, 상기 적외선 검출기 어셈블리는 TO-5 캔에 수용되는 것을 특징으로 하는 수동 적외선 가스 검출기.
KR1019980705299A 1996-01-10 1996-12-26 수동 적외선 분석 가스 센서 및 그 복수 채널검출기 어셈블리 Withdrawn KR19990077161A (ko)

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US8/583,993 1996-01-11

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