JP2008510143A - Micro discharge sensor system - Google Patents
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Abstract
電極(53)で形成したグロー放電ギャップを備えたマイクロプラズマセンサシステム。感知すべき流体はギャップにおいて放電(56)の近くに送られ得る。放電からの光は、流体の性質を決めるため分光分析装置又はプロセッサに結合され得る。カップリングが放電ギャップの近くに導波管(63)を備え得る。窓のクリーン性及び電極の電気分離は、放電によって維持され得る。光学分析装置は、検出器(23)に対する1つ以上の光学チャンネル用のフィルタ(22)を備え得る。検出器は処理すべき電気信号を出力し得る。電極(53)はそれら電極間に光導波管(63)を備える。又は、電極(53)は、光導波管(63)のまわりに同心的に形成され、他の電極と環状放電ギャップを形成する。光導波管(63)は1つ以上の光学繊維であり得る。 A microplasma sensor system comprising a glow discharge gap formed by an electrode (53). The fluid to be sensed can be sent near the discharge (56) in the gap. The light from the discharge can be coupled to a spectroscopic analyzer or processor to determine the properties of the fluid. The coupling may comprise a waveguide (63) near the discharge gap. The cleanliness of the window and the electrical separation of the electrodes can be maintained by the discharge. The optical analyzer may comprise a filter (22) for one or more optical channels for the detector (23). The detector can output an electrical signal to be processed. The electrode (53) includes an optical waveguide (63) between the electrodes. Alternatively, the electrode (53) is formed concentrically around the optical waveguide (63) and forms an annular discharge gap with the other electrodes. The optical waveguide (63) may be one or more optical fibers.
Description
本願は、Ulrichらが2003年12月31日に、発明名称“マイクロプラズマセンサシステム”で出願した継続中の米国非仮出願第10/749,863号の一部継続出願としての優先権を主張し、この米国出願は参照文献として本明細書に結合する。本発明は、流体の検出に関する。特に、本発明はプラズマ構造(plasma structure)に関し、より詳細には、流体成分の特定及び定量化用のセンサとしてのこの構造の応用に関する。用語“流体”は、種(species)として気体及び液体を含む一般的用語(generic term)として用いる。例えば、空気、ガス、水及び油は、流体である。 This application claims priority as a continuation-in-part of U.S. Ser. No. 10 / 749,863, filed on Dec. 31, 2003 under the title “Microplasma Sensor System”. This US application is hereby incorporated by reference. The present invention relates to fluid detection. In particular, the present invention relates to a plasma structure, and more particularly to the application of this structure as a sensor for the identification and quantification of fluid components. The term “fluid” is used as a generic term that includes gases and liquids as species. For example, air, gas, water and oil are fluids.
流体分析装置に関する構造および方法の特長は、Ulrich Bonneらに対して2002年5月28日に、発明名称“感度を増大させる位相ヒータを備えたガスセンサ”で発行された米国特許6,393,894号に開示され、この米国特許は参照文献として本明細書に結合する。関連技術の流体成分分析装置は、選択性及び感知性であるが、未知の成分との試料混合物の1つ以上の成分を特定する能力に欠け、一般的には嵩張りしかも高価である。技術の状態結合分析装置GC−GC及びGC−MS(ガスクロマトグラフ−質量分析計)では、選択性、感知性及び洗練性を望ましく結合することを試みるが、なお嵩張り、高価であり、速度が遅く、またバッテリ給電型応用に適さない。GC−AED(ガスクロマトグラフ−原子発光検出器)では、AEDは単独で100ワット以上を使用し、水冷を使用し、10MHz以上のマイクロ波放電を使用し、しかも高価である。 The structure and method features relating to fluid analyzers are described in US Pat. No. 6,393,894 issued to Ulrich Bonne et al. On May 28, 2002, entitled “Gas Sensor with Phase Heater to Increase Sensitivity”. This US patent is incorporated herein by reference. Related art fluid component analyzers are selective and sensitive, but lack the ability to identify one or more components of a sample mixture with unknown components, and are generally bulky and expensive. The state of the art coupled analyzers GC-GC and GC-MS (Gas Chromatograph-Mass Spectrometer) attempt to combine selectivity, sensitivity and sophistication, but are still bulky, expensive and speedy. Slow and unsuitable for battery powered applications. In a GC-AED (gas chromatograph-atomic emission detector), the AED uses 100 watts or more alone, uses water cooling, uses a microwave discharge of 10 MHz or more, and is expensive.
マイクロガスクロマトグラフィ(μGC)検出器は、特定の成分に対して迅速な応答性(<1ms)、感知性をもちしかも選択性がなく、構造が簡単で、低価格で、コンパクトでありかつまた低電力(〜mW)である必要がある。今日利用できる又は思いつくμGC検出器は、熱伝導率センサのように極めて感知性が悪く(≧アナライトの10〜100ppm)、蛍光及び電子捕捉検出器のように特定の成分に対してあまりにも選択性が高く、多くのGC検出器の場合に2003年においては通常の値段が約$600、$3000及びそれより以上であるように相対的に高価格であり、分光分析(spectral analysis)を介してモニタしたマイクロ放電装置(MDD)のように光学素子の汚れによるドリフトを受け易く、或いは100W以上消費するAED(原子発光検出器)のように相対的に高電力である。 Micro gas chromatography (μGC) detectors are fast responsive (<1 ms) to specific components, sensitive, non-selective, simple in construction, inexpensive, compact and also low It needs to be electric power (~ mW). The μGC detectors available or conceived today are extremely insensitive (≧ 10-100 ppm of analyte) as thermal conductivity sensors and are too selected for specific components such as fluorescence and electron capture detectors In the case of many GC detectors, it is relatively expensive so that in 2003 the usual price is about $ 600, $ 3000 and more, and through spectral analysis The micro-discharge device (MDD) monitored in this manner is susceptible to drift due to contamination of the optical element, or the power is relatively high like an AED (atomic emission detector) that consumes 100 W or more.
関連技術のNOx(及び更にはNH3、SOx、COx、O2、VOCなどの)センサでは(外部及び内部)燃焼過程からこの物質の放出をモニタ及び/調節するが、管理されない据置又は自動車燃焼システムセンサに用いるには適さない。これらのセンサは、非常に高価であり(化学ルミネセンス(CL)及び多層型ZrO2センサ)、非常に嵩張り(化学ルミネセンス(CL)及び検出限度が5ppm近くである場合にはIR吸収)、非常に壊れ易く(CL及びIRロングパスセル)、或いは十分な安定性がなく(SnO2/WO2及び湿式電気化学的センサ)、また特に自動車に応用するにはコストが掛かりすぎる。光学センサのその他の公知の問題点は、光学系をクリーンに保つのに必要なメンテナンスコストが高く、また過酷な燃焼排気状態に晒されるあらゆる電動型センタに対する電気接点の寿命が短いことである。 Related art NOx (and even NH 3 , SOx, COx, O 2 , VOC, etc.) sensors monitor and / or regulate the release of this material from the combustion process (external and internal), but uncontrolled stationary or automotive combustion Not suitable for use in system sensors. These sensors are very expensive (chemiluminescence (CL) and multilayer ZrO 2 sensors) and very bulky (chemiluminescence (CL) and IR absorption when the detection limit is close to 5 ppm) It is very fragile (CL and IR long pass cells) or not stable enough (SnO 2 / WO 2 and wet electrochemical sensors) and is too expensive to apply especially to automobiles. Another known problem with optical sensors is the high maintenance costs required to keep the optics clean and the short life of electrical contacts to any motorized center that is exposed to harsh combustion exhaust conditions.
グロー放電放射の分光分析に基づく関連技術の光学ガスセンサ(NO、CO、NH3、SO2、CH4、....、CWA)は、頑丈で、低価格でコンパクトな多チャンネル分析装置ではないので、コンパクトで、低価格で、広波長範囲のパッケージ型システムには適さない。それらセンサはあまりにも高価格でかつ嵩張り(例えば、FTIR又は従来の分散分光計、或いは新しいコンパクトなパーム・トップ・サイズの分光計)、あまりにも壊れ易く(分光計)、十分に伝導性でない(狭いバンドパスフィルタは帯域の広がるのを避けるため光の相当に良好なコリメーションを必要とし、即ち低光伝導をもたらす低アパーチャ動作を必要とする)か、或いは融通性が十分でない(個々の狭いバンドパスフィルタでのチャンネル数が少ない)。また、これら光学センサの問題点は、光学系をクリーンに維持するようなメンテナンスコストが高いことにある。 Related art optical gas sensors (NO, CO, NH 3 , SO 2 , CH 4 , ..., CWA) based on spectroscopic analysis of glow discharge radiation are not rugged, low cost and compact multi-channel analyzers Therefore, it is not suitable for a package type system that is compact, inexpensive, and has a wide wavelength range. These sensors are too expensive and bulky (eg FTIR or conventional dispersive spectrometers or new compact palm top size spectrometers), too fragile (spectrometers) and not sufficiently conductive (Narrow bandpass filters require a fairly good collimation of light to avoid widening the band, i.e. require low aperture operation resulting in low photoconductivity) or are not flexible enough (individual narrow (The number of channels in the band pass filter is small.) Also, the problem with these optical sensors is that the maintenance cost for keeping the optical system clean is high.
本発明は、複数の電極で形成した放電ギャップを備えたセンサシステムにある。感知すべき流体は、ギャップにおいて放電の近くに入る。光学カップリングは放電ギャップに近接した導波管を含む。光学カップリング及び1つ以上の電極のクリーンさは放電によって維持する。導波管にはプロセッサを結合する。電極及び導波管は種々の形態及び構成を採る。 The present invention resides in a sensor system having a discharge gap formed by a plurality of electrodes. The fluid to be sensed enters near the discharge in the gap. The optical coupling includes a waveguide proximate the discharge gap. The optical coupling and the cleanness of the one or more electrodes are maintained by the discharge. A processor is coupled to the waveguide. Electrodes and waveguides take various forms and configurations.
本光学スペクトル/分子放射に基く本NO(及びその他の化学物質)センサシステムは低電力であり、低質量であり、そしてコンパクトである(各要素の放射グロー放電プラズマは直径10〜100μである)。本システムのプラズマは約1100℃で動作する。また、本システムは低コストであり、頑丈であり(精密な光学アライメントは必要でない)、そして種々の種類の安定な動作環境を維持する。適切な空気ろ過で、センサシステムの動作は、高温プラズマセルフクリーニング、信号プロセッシング及び有利な低コストでコンパクトでしかも頑丈なパッケージングに加えて、排気ガス成分測定の場合のような希ガスパージ操作なしで行われる。 The present NO (and other chemical) sensor system based on the present optical spectrum / molecular radiation is low power, low mass and compact (the radiant glow discharge plasma of each element is 10-100 μ in diameter) . The plasma of this system operates at about 1100 ° C. The system is also low cost, rugged (no need for precise optical alignment), and maintains various types of stable operating environments. With proper air filtration, the sensor system can operate without high-temperature plasma self-cleaning, signal processing and advantageous low-cost, compact and rugged packaging, as well as no rare gas purge operations as in the case of exhaust gas component measurements. Done.
MDDは、光学伝送表面をクリーニングするため及びMDD検出器に応用する際の電極の分離を維持するために用いられる。即ち、同一プラズマ放電は、縮合可能なタール及び炭素煤のようなあらゆる燃焼生成堆積物をプラズマエッチングすることで観察窓をクリーンに保つのに用いる。同一又は同様なグロー放電はクリーンさ及び(より重要には)煤センサの煤センサ電極の必要な電気的分離を維持する。スペクトル放射及び煤センサを1つのパッケージに一緒に配置できる。言い換えれば、両立できそして煤センサシステムと容易に一体化できる。 MDD is used to clean the optical transmission surface and to maintain electrode separation when applied to MDD detectors. That is, the same plasma discharge is used to keep the observation window clean by plasma etching any combustion product deposits such as condensable tar and carbon soot. The same or similar glow discharge maintains cleanliness and (more importantly) the required electrical isolation of the soot sensor electrodes of the soot sensor. Spectral radiation and soot sensors can be placed together in one package. In other words, it is compatible and can be easily integrated with the soot sensor system.
シリカチップは省略でき、そして2つの自立電極間で放電が作用する。同一プラズマ放電は非接地型マイクロ放電電極の必要な電気的絶縁を維持し(図2の一例の電極先端の拡大図)、又は測定及び自己チェックサイクルにおいて休止を生じさせたりしなかったりする周期的な電力クリーニングサイクルでそのような絶縁を達成できる。殆ど電力なしで、衝撃子“バッフル”を横切って又はサイクロン要素の“フィン”間の静電界は、比較的小さな粒子の捕捉及び保持を改善する。ルーバ(並びにサイクロニック及び衝撃子粒子分離器)を備えたハウジングはセンサシステムフリットより価格が低い。サイクロン及び衝撃子プレートを介しての結合した粒子の除去は低いΔp対試料ガス流れで生じる(図14)。 The silica tip can be omitted and a discharge acts between the two free standing electrodes. The same plasma discharge maintains the necessary electrical insulation of the ungrounded micro-discharge electrode (an enlarged view of the electrode tip in the example of FIG. 2), or does not cause a pause in the measurement and self-check cycle Such insulation can be achieved with a simple power cleaning cycle. With little power, the electrostatic field across the impactor “baffle” or between the “fins” of the cyclone element improves the capture and retention of relatively small particles. Housings with louvers (and cyclonic and impactor particle separators) are less expensive than sensor system frit. The removal of the bound particles through the cyclone and impactor plate occurs with low Δp versus sample gas flow (FIG. 14).
光学繊維の端部とフォトダイオードとの間の洗練された位置決めは、選択したバンドパスフィルタの幅で要求されたような小さな角度の光学繊維光成分を検出するのに用いる。本システムは、化学ルミネセンスに基くセンサシステムよりコンパクトで、洗練されておりしかも低コストである。本システムは、金属酸化物又は触媒に基く従来の光学センサシステムより安定しており、またZrO2に基くセンサシステムの場合より消費エネルギが少ない。本システムは、他のセンサシステムの場合より温度変化に対する許容度が大きく、そしてZrO2、金属酸化物又は触媒に基くセンサシステムの場合より製造し易い。 Refined positioning between the end of the optical fiber and the photodiode is used to detect small angle optical fiber light components as required by the width of the selected bandpass filter. The system is more compact, sophisticated and less expensive than chemiluminescence based sensor systems. The system is more stable than conventional optical sensor systems based on metal oxides or catalysts and consumes less energy than a sensor system based on ZrO2. The system is more tolerant of temperature changes than other sensor systems and is easier to manufacture than sensor systems based on ZrO 2 , metal oxides or catalysts.
本システムは、従来のMDDに基くNOxセンサシステムより低コストである。本システムは、IRにおけるNOスペクトル放射を観察できる。また本システムは、源として1つのMDDをまた検出器として別のMDDを同一平面に設計できる。水の縮合に関しては剥離で除去するか又は好ましくはセンサ加熱により無害化する。別のセンサは、コスト及び総体嵩張りを低減しかつプラズマクリーニング相乗作用を組込むためにシステムの同一ハウジング内にパッケージされる。MDD放射分光分析は、走査型の狭バンドパスMEMSファブリ・ペロ(FP)フィルタを当てにし、即ち該フィルタはコンパクトで、万能であり(多数のチャンネルを備え)、光強度が非常に有効であり(多数(100〜1000)のMDD我並列に作動する場合には鏡・エタロン反射率は高いが)、メンテナンスに手間がかからない。というのはFPフィルタは密閉した環境内で作動し、試料ガスに晒されるその他の光学表面はMDDによって自己クリーニングされるからである。 This system is less expensive than a conventional MDD-based NOx sensor system. The system can observe NO spectral emissions in the IR. The system can also design one MDD as a source and another MDD as a detector in the same plane. Water condensation is removed by stripping or preferably rendered harmless by sensor heating. Another sensor is packaged in the same housing of the system to reduce cost and overall bulk and incorporate plasma cleaning synergy. MDD emission spectroscopy relies on a scanning narrow bandpass MEMS Fabry-Perot (FP) filter, which is compact, versatile (with multiple channels), and very effective in light intensity (When a large number (100 to 1000) of MDDs operate in parallel, the mirror / etalon reflectivity is high), but maintenance is not time-consuming. This is because the FP filter operates in a closed environment and other optical surfaces exposed to the sample gas are self-cleaned by the MDD.
マイクロ放電装置(MDD)11は、それぞれ図1、図4及び図6のシステム10、20、30に示す。装置11は1つの電極31及び別の電極32を有し、これらの電極の端部は互いに対向して、マイクログロー放電18を生成するギャップを形成する。このギャップはガラス管即ち中空パイプ33で包囲される。装置11は煤電極を備え、煤の生成なしに保たれる。装置11のグローは図7のグラフに示すようなUV/可視スペクトルをもつ。このグラフは700Toorの環境でN2に22.9ppmのNOを用いてグロー放電のスペクトル放射(emission)における相対強度対波長(nm)の関係を示す。今日まで、このようなマイクロ放電の特性を考察するのには希ガス(N2、Ar、He)を用いてきた。
A microdischarge device (MDD) 11 is shown in the
グロー放電装置11は図1に示すようにシステム10の一部である。このシステムは図1、図11、図12及び図13(図3と同様な)に略示する構成ブロックから成る。システム10は試料ガスフィルタ13を備え、この試料ガスフィルタ13は排気管14の開口15に接続する。試料ガスフィルタ13はPM(粒状物質)を除去し、排気17からの排気試料16を縮合できる。そして試料16はガラス管33に位置したグロー放電18の付近に流入し、試料16の組成に応じて放電発光に影響を及ぼす。放電18からの光27は繊維21を通ってフィルタ22へ伝播し、そして検出器23で電気信号に変換される。こうして得られた電気信号は増幅器及びマイクロプロセッサ24へ送られて処理され、試料16の組成を表す出力信号となる。
The
グロー放電18は直径約10〜500ミクロンである。放電は、約1〜15MΩの抵抗19に直列の約100〜400ボルトのAC/DC電源でよって開始し、維持し、図7に示すスペクトルバンド放射を生じる。電源28は抵抗19を介して金属電極31にまた金属電極32に接続する。グロー放電18は、電源28からの電圧の印加により電極31、32の間で開始し、維持する。電極31、32は、例えばMgOのような絶縁性材料46で被覆される。
The
光学繊維21は、光学インターフェース即ち窓25でグロー放電装置11に接続され、そして247.2又は258.8±1.4nmのNO用フィルタ22、336.9又は357.5±2nmの基準N2用フィルタ、必要に応じてO2、CH、C2、CO、SO2用の他のバンドパスフィルタ、並びにそれぞれ251.2±2.5及び362.3±4nmのオフNO及びN2用フィルタと共に使用する。光学フィルタ22は約3nm(〜2.8nmのNO発光半帯域幅(HBW)に整合する)〜20nmの狭いバンドパス半値幅をもつ光学繊維21の平坦な端部に設けられる。また図1、図11及び図12に示すように、フィルタ22の近くにはフォト検出器23(UVに感応するSiダイオード、Siフォトトランジスタ)を設ける。フォト検出器23の出力は増幅器及び信号プロセッサ24に送られ、増幅器及び信号プロセッサ24はその出力35にppm表示信号で、試料16におけるNO、VOC、CO、SOxなどについての関連信号を出力する。
The
動作において、装置11は図1に示すように、マイクロ放電18を観察繊維21の側に近接して成長させかつ観察繊維21の側に当らせるように構成する。マイルドな放電18のスパッタ作用は、燃焼排気ガスが光学表面に接触して短い時間に光学表面を暗くさせる傾向があるにもかかわらず、図1の窓25の光学透過性を高いレベルに維持する。しかし、窓25のクリーニング作用は放電18のプラズマによる。また、電極もクリーンに保たれる。
In operation, the
図1におけるシステム10の重要な要素及び本明細書で説明するその他のシステムとしては、一端部にフィルタ23を備え、他端部がグロー放電18と対向した光学繊維ケーブル21、及び1つ又は複数のPMフィルタ13を含む。これら繊維及びフィルタの材料としては、低価格で、耐熱性(試料ガス温度を冷却する、中間のPMフィルタ13では高い必要性はない)で、バンドパスフィルタ22の角度感度を最小にするため高屈折率のものを含み、幾つかのフィルタの例では、繊維軸線に平行なものからの入射光線のピーク伝送波長λ0対偏向角ψの関係で次のように表される。
λψ=λ0(ne2−sin2ψ)0.5/ne
λψにおける屈折率nのこの影響は、図8の表に、λ0=250nm、ψ=10°及び20°の場合のデータで表す。
1 and other systems described herein include a
λ ψ = λ 0 (ne 2 -sin 2 ψ) 0.5 / ne
This effect of the refractive index n at λ ψ is represented in the table of FIG. 8 by data for λ 0 = 250 nm, ψ = 10 ° and 20 °.
挙げた材料の最高屈折率、即ち250nmでn=1.845のサファイアではなお、ψ=20°の場合約5nm変位するが、ψ=10°場合(ψ≦10°となるように窓25からある距離に繊維21を位置決めする図2及び図14参照)には単に約1.5nmすぎず、これは1つのアプローチである。別のアプローチは、23nmの半値幅をもち、λ0=247.2±12nmの、NOの全ての帯域をカバーする広いバンドパスフィルタを用いることに基き、このアプローチの欠点(down-side)は、NO感度のほぼ5倍の損失及び同一帯域においてスペクトル放射する他のガスに対するクロス感度の大きな確率である。このアプローチを選択した場合、フィルタの製造可能性、価格並びに角度及び温度変動によるシフトは殆ど重要でなくなる。
The highest refractive index of the listed materials, ie sapphire with n = 1.845 at 250 nm, still shifts by about 5 nm when ψ = 20 °, but from
温度の影響に関しては、λ0がここで提案したように被覆材料の熱膨張による温度の上昇(及び温度の降下)で比較的な長い波長にシフトする傾向があることに基く。
λT=λ0+αΔT、 α〜0.01−0.2nm/℃
これは、温度が単に100℃上昇すると、λ0を10nmシフトし、上記の情報が正しい場合にはα=0.1nm/℃である。α’〜10−6−10−5/℃又はα〜2・10−4nm−2・10−3nm/℃の値が期待される。
Regarding the effect of temperature, λ0 tends to shift to a relatively long wavelength with increasing temperature (and decreasing temperature) due to thermal expansion of the coating material as proposed here.
λ T = λ 0 + αΔT, α˜0.01−0.2 nm / ° C.
This is because if the temperature is simply raised by 100 ° C., λ 0 is shifted by 10 nm, and α = 0.1 nm / ° C. if the above information is correct. Values of α ′ to 10 −6 −10 −5 / ° C. or α to 2 · 10 −4 nm−2 · 10 −3 nm / ° C. are expected.
比較的限定した許容角度をもち、関連した干渉フィルタのバンドパス半値幅を小さく保つことのできる単一モード光学繊維について可能である最大直径dを計算するのが有用である。単一モード光学繊維動作の場合、量V<2.405であり、ここでV=(πd/λ){n(core)2−n(clad)2)}0。5であり、従って、d<2.405・λ・{n(core)2−n(clad)2)}0。5であり、サファイア(n=1.6)光学繊維に基く例では、動作は300nm付近であり、又Δn〜0.3はd<673nmである必要がある。単一モード繊維では、開口数(=繊維コアで光が総体的に内部反射する円錐の半角である最大許容角度の正弦値)NAは単一モード繊維の場合には0.15であり、また多モード繊維の場合には0.3である。
NA=sin(qmax)=(n12−n22)0。5
It is useful to calculate the maximum diameter d possible for a single mode optical fiber that has a relatively limited tolerance angle and can keep the bandpass half width of the associated interference filter small. For single-mode fiber operation, the quantity V <2.405, where V = (πd / λ) {n (core) 2 −n (clad) 2 )} 0.5 , and therefore d <2.405 · λ · {n (core) 2 −n (clad) 2)} 0.5 , and in the example based on sapphire (n = 1.6) optical fiber, the operation is near 300 nm, and Δn to 0.3 needs to be d <673 nm. For single-mode fibers, the numerical aperture (= the sine value of the maximum allowable angle, which is the half angle of a cone where light is totally internally reflected at the fiber core) NA is 0.15 for single-mode fibers, and In the case of multimode fiber, it is 0.3.
NA = sin (qmax) = (n1 2 −n2 2 ) 0.5
製造コストは、本明細書で前に述べたように安価な部品及び組立てであるので、低い。これらの部品は、図3に示すように、スパークプラグ状包囲パッケージ44におけるプラズマをサポートするために管33(ガラス、石英、サファイア)内に一本の接地した線及び一本の絶縁した線、干渉フィルタ22を設けた光学繊維21、2つ乃至四つのフォトダイオード23、DC−DC変換機(100−400V)を備えた電源28、フォトダイオード23用の増幅器24、信号処理及び論理機能用のマイクロプロセッサ24、PMフィルタ13及び試料ガス流路を含む。また、コストを低減するために自動化組立及び校正も行う。本マイクロプラズマセンサシステム10を製作においてスクラップは殆ど出ない。
Manufacturing costs are low because they are inexpensive parts and assemblies as previously described herein. These components include one grounded wire and one insulated wire in a tube 33 (glass, quartz, sapphire) to support plasma in the
MDDを介してのNOx感知は他の仕方で、MDDに通じる1つのマイクロチャンネルにおける希ガスパージによって行うことができるが、このパージなしでは行われず、MDDに試料ガスだけが向けられる。図1の感知システムの特徴は、希パージガスなしでMDDを作動すること、窓をクリーニングしかつMDD検出器応用における電極絶縁を維持するためにMDDを用いること、IRにおけるスペクトル放射を観察しないこと、共面(co-planar)MDDを検出器のような別のソースMDDとして構成すること、及び1つのパッケージにスペクトル放射及び例えば煤センサを一緒に配置することを含む。光学繊維に対向したMDD側における光学表面33、即ち、図1、図2、図4及び図6の窓25をセルフクリーニングする。希ガスパージクリーニングは必要でない。
NOx sensing via MDD can be done in other ways by a noble gas purge in one microchannel leading to MDD, but without this purge, only the sample gas is directed to MDD. The sensing system of FIG. 1 is characterized by operating MDD without a noble purge gas, using MDD to clean windows and maintain electrode insulation in MDD detector applications, not observing spectral emissions in IR, Constructing a co-planar MDD as another source MDD, such as a detector, and placing spectral radiation and, for example, a sputum sensor together in one package. The
センサシステム10は、希ガスパージなしで排気ガス成分を測定するためにプラズマ放電装置11を使用すること、縮合可能なタール及び炭素−煤のようなあらゆる燃焼生成堆積物をプラズマエッチングすることにより観察窓をクリーンに保つためにプラズマ放電18を使用すること、非接地型マイクロ放電電極(図2の一例の電極チップの拡大図参照)の必要な電気絶縁を維持するためにプラズマ放電を使用すること、測定及び自己チェックサイクルにおいて休止させたりさせなかったりする、付加的な周期的電力クリーニングサイクルによって非接地電極の必要に電気絶縁を維持するためにプラズマ放電を使用すること、バンドパスフィルタにおける温度誘導波長シフトを最小化するため、煤感知の後でしかもスペクトルMDD感知の前に試料ガスを冷却しきれいにするために関連したPMフィルタ13を使用すること、選んだバンドパスフィルタ幅で必要な小さな角度の光学繊維光成分だけを検知するために光学繊維の端部とフォトダイオードとの間のきびきびした位置決めを使用すること、並びに煤センサ電極(図1〜図3に示してない)のクリーンさ及び(更に重要には)必要な電気絶縁を維持するために同一又は同様なグロー放電18を使用することを含む。
The
アートの偽似状態PMフィルタに関する付加的な構造上の特徴は、水の縮合についての課題(センサの加熱による除去又は無害化)を解決し、またコスト、総体嵩及びプラズマクリーニング相乗を低減するために同一ハウジング内に煤センサ電極をパッケージングする機構を含む。 Additional structural features of the Art Pseudostate PM filter solve the water condensation challenges (sensor removal or detoxification by heating) and reduce cost, overall bulk and plasma cleaning synergy Includes a mechanism for packaging the soot sensor electrode in the same housing.
グロー放電装置11の別の構成は図4に示すシステム20である。図5に更に詳しく示す走査ファブリ・ペロフィルタ26は、所望の応用に望ましい帯域幅及び波長範囲に適合される。PMろ過ガス16はグロー放電装置11に入り、そしてグロー放電18の付近に入る。グロー放電18はガラス毛管又は管33で包囲される。放電18は、電極31、32に接続した電源28からの約100〜400ボルトの電圧によって開始され維持され、放電はこれら電極から発生する。光管34又は他の光学伝送機構は、窓25でガラス管33に光学的に接続し、放電の光27を非発散ファブリ・ペロ型の狭バンドパス走査フィルタ26に伝送する。フィルタ26は、光27の分光分析を行う。
Another configuration of the
フィルタ26は、MDD発光分析用のファブリ・ぺロ(FP; Fabry-Perot)に基くMEMS分光計である。光管34はフィルタ26のパイレックス又は石英ガラス窓36に光学的に結合される。窓36はUVブロッキングフィルタである。図5に示すように、光27は窓36を介して約5ミル(25ミクロン)の高い空洞37を備えたFP空洞内に伝播し、空洞37は、通過すべき又はろ波すべき特に重要な周波数に空洞37を調整するため上下に動くエタロン38を備える。エタロン38の動きは制御信号線45で行われる。この調整は通過させるべき又は阻止させるべき光27の波長を決める。空洞37にはサファイアベース38を備え、また窓36は、空洞内にスペースを形成するように空洞37の周囲のまわりに形成した周囲密封シール39と、空洞を周囲から密封するため窓36とサファイアベース38との間のシールとを備える。
The
空洞37を通る光27の部分は検出器41のアレイによって感知される。検出器41は線形又は別の種類のアレイの形態であり、或いはAlGaN/GaN又はその他の適切な又は作動可能材料から成る。検出器41は光信号27を電気信号に変換し、この電気信号は読出し集積回路42に入力する。回路42は信号を分析して試料ガス16に関する情報を提供するプロセッサを備える。パッケージ43は、フィルタ26の少なくとも一部分を全体にわたって包囲するために利用される。回路42の出力は光27の分光分析を提供する。この分析は、グロー放電18を通る試料ガス16の組成を暗示する。
The portion of light 27 that passes through
フィルタ26の動作中に、約1nm〜3nmの半値幅のただひとつ(及び並列に多くない)のタイン(tine)(=ファブリ・ペロコームフィルタの伝送ピーク)が走査し、他のものは走査領域の外側にあるように構成されることを想像できる。図9の表は、ガス感知用のFPに基く波長変調のパラメータを示す。MDDのこの応用及びその他の応用(CO及びO2感知)を行うのに必要なFPフィルタ設計パラメータの幾つかの例を示す。図9に示すパラメータは、その他の多くのパラメータのある中で、感知したガス、バンドセンタ、タイン間隔、線幅、ν/Δν、FP間隔、ディザ、バンドリミット及び精細さを含む。
During the operation of the
空洞37のFP間隔層38は所与量ディザされるので、Δλ線幅バンドパスは、
cm−1又はnmの±タイン間隔でバンドセンタのまわりで或いはnmの図示バンドリミット間で走査する。図9の表の最後列における計算したファブリ・ペロバンド幅及びスペクトル位置(及びAlGaN検出器アレイの応答を含む)は、相応したエタロンミラー間隔で、それぞれ最小、中央及び最大波長位置について図10に示す。図10にはMEMS FPフィルタの波長走査に対する伝送と波長との関係の割合を示す。波長位置は図10の計算例では、約290〜360nmである、AlGaN検出器の利用可能な波長感度範囲によって制限される。
Since the
Scan around the band center with a cm-1 or nm tine spacing or between the illustrated band limits in nm. The calculated Fabry-Perot bandwidth and spectral position (including AlGaN detector array response) in the last column of the table of FIG. 9 are shown in FIG. 10 for the minimum, center and maximum wavelength positions, respectively, with the corresponding etalon mirror spacing. . FIG. 10 shows the ratio of the relationship between transmission and wavelength with respect to wavelength scanning of the MEMS FP filter. The wavelength position is limited by the available wavelength sensitivity range of the AlGaN detector, which is approximately 290-360 nm in the example calculation of FIG.
図4のシステム20の特徴は、以下の測定性能(λ及び±Δλ/2):NOでは247.2又は258.8±1.4nm、基準N2では336.9又は357.5±2nm、及びオフNO及びN2ではそれぞれ251.2±2.5nm及び362.3±4nmを達成するのに走査FPフィルタ及び検出器26が必要である代表的な発光バンドとして取られる。達成可能なFPフィルタ26の細かさにおけるf数の既知の影響を考えるが、ここではこれは更に抑制する。しかし、FPフィルタ26は、波長バンドパスの温度に依存するドリフトには殆ど感応しないように構成するが、放電装置11の温度範囲レーティングによって限定される。
The
センサシステム20は次の事項:非分散(ファブリ・ペロに基く)分光分析(分散分光分析以外の)又は干渉フィルタを用いた、未知のガス混合物試料のスペクトル放射分析によるガス感知用のプラズママイクロ放電装置(MDD)、MEMSに基くFPフィルタ構成を介して行われるファブリ・ペロ(FP)波長走査、高速ガスクロマトグラフィピーク(GC)分析装置として及び独立してNO、O2、SO2、....用の独立型ガスセンサとして単一ユニットでの上記組立体(MDD及びFPに基くスペクトルフィルタ)のを新たな使用、GCが偽似ポジティブの確率(Pfp)の低いμGC又はμGC−μGC又はμGC−μGC−MDDガス混合物分析装置である、上記の組立体(MDD+FP+GC)の新たな使用、及び放電が窓25を自己クリーニングしそして希ガスパージなしで作動するMDDの構成に基く。
The
システム10、20の成功した構成により、この放電装置11及び検出器をPHASEDで表わしたGC−CG−MDDマイクロ分析装置の一部として用いる場合に低い偽似ポジティブの確率を達成できる。感知システム10、20は、従来提案された排気ガス組成感知システムに勝る次のように利点がある。本システムは、化学ルミネセンスに基くセンサシステムよりもコンパクトであり、丈夫であり、かつまた低価格である。本システムは、金属・酸化物又は触媒に基く従来の光学センサより安定している。本システムは、ZrO2に基くNO及びO2センサシステムより消費エネルギが少なく、またその他のZrO2−NO/O2センサシステムより温度変化の許容性が高い。また本システムは、多層ZrO2、金属酸化物又は触媒に基くセンサシステムの場合より製造し易い。また本システムは融通性があり、煤センサシステムと容易に一体化できる。
Due to the successful configuration of the
図6のシステム30は、システム10、20の場合と同様に、放電ギャップ装置11を備えるが、光27は、試料ガス16についての情報を明らかにするため、光管34を介して放電18の放射を分析する分散分光計47へ伝送される。光27は、光27の種々の波長をCCD光検出アレイ49のそれぞれ種々のピクセルへ反射させる光学格子48へ伝送される。アレイ49からの電気信号は分析及び解釈のためにプロセッサ51に送られる。
The
1つのセンサシステムが、図11、図12、図13、図14及び図14Aに示され、他のシステムが図1、図2及び図6に示される。図11のMDD(マイクロ放電装置)60は光放射(optical emission)56を発生し、この光放射56は、複数の電極及び1つ又は複数の光導波管を少なくとも部分的に収容する包囲体即ちハウジングと考えられるスクリーン即ちステンレスフリット55によって排気ガスの粒状物質から保護されるので、〜2×2mmのシリカチップで支持した電極53のまわりのガス状環境の特徴である。排気ガス65は乱流であり、そして1100℃(2012°F)までの温度に達する。MDD60は、図13に示すもののように、スパークプラグ型のパッケージ、即ちハウジング57に収容される。ハウジング57は、例えばM14のねじ山61をもつ嵌合部材58にねじ込まれる。或いは、嵌合部材58は排気管59又は試験すべき流体を受ける他の固定部材に形成又は溶着される。パッケージ即ちハウジング57はナットやボルトのような六角嵌合部材を備えてもよく、それでハウジングおよびパッケージはレンチのように工具でねじ込んだり外したりできる。
One sensor system is shown in FIGS. 11, 12, 13, 14 and 14A, and the other system is shown in FIGS. The
光は、放電56から繊維63を通って光学フィルタ22へ伝送される。繊維63は、外径約20〜200ミクロンのシリカ繊維であり得る。フィルタ22は約2〜5nmのデルタ波長をもち得る。ろ波した光は、それぞれ1つのフィルタ対検出器に基いて、フォトダイオード、フォトトランジスタ即ち一般的に“光検出器”23で検出するように処理する。電導体は検出器23をコネクタ64の端子115に接続する。端子115はプロセッサ24(図11及び図12には示されてないが、図1に示すような)に接続する。
Light is transmitted from the
故障モードは、シリカチップ54を通る又はそのまわりの電導線62とスパークプラグ状パッケージ57に埋め込んだ電導線62との間の接触問題によるものであり得る。代わりに、単一スパークプラグ状ハウジングパッケージ57でもよく、その場合には一対の自己支持放電電極53を備え、或いは電導線62の端部が電極を形成し、放電56は光学繊維63の入口表面64をクリーンに維持し、そしてMDDシリカチップ54なしでよい。電極もクリーンに維持される。表面64及び電極のこのクリーニングは希ガスの存在なしに生じる。電導線62は接続体64から電極53までのびる。導線62及び導波管63の長さは約10〜40cmである。
The failure mode may be due to contact problems between the conducting
電極53と導線62との接触問題を避けるために、図12には別のセンサパッケージ構造を示し、シリカチップ54は削除され、電導線62はスパークプラグ状ハウジング57を通り、そしてセンサの排気ガス側内にのびる。導線62は、それらを支持するシリカチップ54を必要とせずにそれらの位置及び形状を保持するように十分に強い。パッケージ、ハウジング即ち構造体57内の導線62及び導波管63のまわりにアルミナ絶縁体69を設ける。堆積薄膜金属物質で作られた別個の放電電極53は導線62の端部に設けられ、導線は代わりの電極53とみなされる。これらの電極間の形状及びスペースは、自己支持スパークプラグ状電極と違わずに、典型的な電極形状及び10〜30ミクロンの間隔とするために機械的切断、整形及び曲げによって形成される。シリカチップ54を形成し、シリカチップに導線62を貫通し、接点金属により電極の(導線62の端部)を堆積し、チップをダイシングし、更にはスパークプラグ状ハウジング57を通しての位置決め及び固着を行うコストを削減できる。導線の端部は電極53又は62としてみなされる。
To avoid contact problems between the
シリカチップ54と光学繊維63との間に理想的及びクリーンでない光学インターフェースによって生じる潜在的な実行問題を除去でき、そしてシリカチップ54と光学繊維63との間のインターフェースを介する伝送損失を低減できる。
Potential performance problems caused by an ideal and unclean optical interface between the
動作中、首尾よいシステム構成により、シリカ繊維63、チップ及び/又は窓のもののような観察光学表面の側近にマイクロ放電56が生じ、この光学表面側に当たる。マイルドな放電スパッタ作用によって、燃焼排気ガスには、タール及び煤含有物質の堆積のため短時間で燃焼排気ガスの接触する光学表面を暗くさせる既知の傾向があるにもかかわらず、光学伝送表面の光学伝送を高レベルに維持する。この機能は放電プラズマのクリーニング作用である。過度の放電作用はグロー放電作用は、グロー放電に近接した表面の物質をエッチングするが、不十分な放電作用(即ちパワー)は堆積を生じさせる。
During operation, a successful system configuration creates a micro-discharge 56 near the viewing optical surface, such as that of
毛管電極放電(CED)方法は大気圧プラズマを発生し、そしてガラス基板上の有機物質の除去のような表面クリーニングするのに用いられる。点弧及び放電ガスとしてヘリウム又は水素(He又はH2)を用い、そして反応性ガスとして酸素(O2)を添加する。大気圧の下でプラズマを発生するのに正弦波電圧(20kHz〜20GHz)の低周波AC電源を用いる。電極は厚さ10ミクロンの毛管誘電体で構成し、電極の直径は約300ミクロンである。毛管電極と基板(接地)との間の数mmの間隔に発生したHe/O2プラズマは一様で非常に安定である。毛管電極の放電を特徴付けるのに分光分析法及び放電のI−V特性を用いる。フォトレジストのような有機物質を除去するのに、He/O2プラズマに加えて、CF4、Ar、及びN2のようなHe添加ガスの効果と同様な他のガスの効果を用いる。He/O2プラズマに曝した後にガラスにおける1000Å/分以上の有機物質のクリーニング速度を観察する。X線光電子分光法で測定すると、有機物質及び残りの残留物の表面化学組成物のクリーニング速度におけるHe/O2の効果に加えて種々のガス混合物の幾つかの効果がある。 Capillary electrode discharge (CED) methods generate atmospheric pressure plasma and are used for surface cleaning, such as removal of organic material on a glass substrate. Helium or hydrogen (He or H 2 ) is used as the starting and discharge gas, and oxygen (O 2 ) is added as the reactive gas. A low frequency AC power source with a sinusoidal voltage (20 kHz to 20 GHz) is used to generate plasma under atmospheric pressure. The electrode is composed of a 10 micron thick capillary dielectric, and the electrode has a diameter of about 300 microns. The He / O 2 plasma generated at a distance of several mm between the capillary electrode and the substrate (ground) is uniform and very stable. Spectroscopic methods and the IV characteristics of the discharge are used to characterize the capillary electrode discharge. In addition to the He / O 2 plasma, other gas effects similar to the effects of He-added gases such as CF 4 , Ar, and N 2 are used to remove organic materials such as photoresist. After exposure to He / O 2 plasma, observe the cleaning rate of the organic material in the glass at 1000 Å / min or more. As measured by X-ray photoelectron spectroscopy, there are several effects of various gas mixtures in addition to the effect of He / O 2 on the cleaning rate of the organic and remaining residue surface chemical compositions.
図14は、ハウジング即ち包囲体66を有するセンサシステム80を示し、ハウジング即ち包囲体66は粒子抑制構造体67を備え、粒子抑制構造体67はルーバ、試料ガス入出力、及びスワール及びサイクロン分離装置を備える。ハウジング即ち包囲体66は電極及び1つ又は複数の光導波管を少なくとも部分的に収容する。粒子抑制構造体67は、流体65の粒子の分離を助けるインパクタプレート68を備える。構造体67を通る排気65の流れは頭部圧力及びベンチュリ作用で生じ、そして流体即ち排気ガス65の流れに挿置した包囲体又は構造体の頂部に0.3mmの開口を備える包囲体66の構成要素で補助される。また、流体即ち排気ガス65は管即ち搬送体59においてはどちらかと言えば乱流であり、また、構造体67はセンサシステム80で正確に読取るためにマイクロ放電56を壊すことなしにマイクロ放電56に対して排気65をサンプリングする仕方を提供する。
FIG. 14 shows a
電極53はマイクロ放電56の基礎を成す。感知される流体65に対する放電56の反応は光学繊維63によって、電気信号に変換する光検出器に光学的に伝送される。信号は、流体をコンピュータで処理し分析するためにデジタル化される。放電56から伝送された光はIR、可視及び/又はUVであり得る。導線又は電極62及び繊維63は、セラミック絶縁体69を備えたハウジング57内に収容し、構造的に支持する。電極62は寸法0.3mmのコネクタピン71に取り付ける。放電56は、希ガスによるパージングの必要なしに、電極及び導波管の入力表面をクリーンに保つ。システム80に組合さったフィルタ、検出器、電源及びプロセッサはシステム60、70のものと同様である。
The
図14Aには、センサシステム80と同じ種類の構造及び電気的部品を備えたセンサ81を示し、しかしセンサ81のハウジングは幾分異なる。構造体82は、側部からの流体65の入力を備え、多数のインパクタプレートを通りマイクロ放電56の領域へ流体は前進し、そしてハウジング又は構造体82の端部又は頂部を通って出でいく。一方、構造体82はそれの頂部に流体の入力及び出力の両方を備えるように構成される。システム60、70、80、81は、排気ガス65以外の他のガスを感知するのに用いる。
FIG. 14A shows a
丈夫なMDDセンサシステムが設けられる。図16、図17、図18A及び図18Bは、図14及び図14Aに示すものを拡げたセンサ形態を示す。周囲のMDDの電極62のギャップ83の好ましい範囲は30〜70ミクロンである。図15は図14に示す電極ギャップ83の領域を詳細に示す。放電場所における2つの電極62の形状により、2つの電極間の間隔は所望の範囲内にでき、その後、厚い光学繊維63のクラッドによって間隔を保つ。しかし、電極62の先端部における“フック(hook)”は製造中に許容できないコストがかさみ、そして空洞は自動車の排気環境における使用中に堆積物でふさがる。
A robust MDD sensor system is provided. 16, FIG. 17, FIG. 18A and FIG. 18B show a sensor configuration in which the one shown in FIG. 14 and FIG. 14A is expanded. A preferred range for the
図16は、管状底部電極84と先端部86を備えた(接地)頂部電極85とを用いることによりふさがりやスペーシングの問題を避ける装置113を示し、頂部電極85の先端部86は薄い(≦λ/2)クラッド88と整列する。クラッドを備えた繊維の直径は約70ミクロンである。30〜70ミクロンの放電ギャップの心狂いの危険は高く、解決するのにおそらくコストがこの。ガス放電領域は2つの長円形の陰影を施した領域89で表わす。
FIG. 16 shows an
図17には、管状光学繊維91の定性(正確な縮尺率でない)側面をもつ装置114を示し、中心電極93と外側電極94との間で管状“繊維”の頂部リム上に放電(長円形領域92はリング状又は環状のマイクロ放電の断面を表わす)が生じる。管状繊維91は電極に対して互いに平行に互いに隣接した多数の光学繊維に置き換えてもよい。装置114全体の直径は約3mmである。中心電極93の直径は約0.5mmである。管状繊維即ち光学繊維91の外径は約0.6mmである。
FIG. 17 shows a
図18A及び図18Bはそれぞれ装置111、112を示し、装置111は、厚さの薄いクラッドを備える直径40〜70ミクロンの単一光学繊維95を備え、また装置112は、直径約300〜500ミクロン(0.3〜0.5mm)の2つの大径の金属電極96、97間に位置し固定した四つの繊維95を備える。両電極96,97は図14に示すような同一セラミックブロック69内に固定される。放電光56は光学繊維95と整列し、また組立体は比較的容易に製作できる。別個の繊維95を用いることにより、機械的融通性をもたらす他に、種々の波長チャンネルに分離する(図1のバンドパスフィルタ22又は分散要素を介して)仕方における設計上の融通性が得られる。
18A and
図19A及び図19Bには、放電光(discharge light)103、製造の容易さ(温度変動にもかかわらず共通のセラミック固定ブロックを介してのギャップ調整及び安定性)及び設計上の融通性を得ることに関して、図17、図18A及び図18Bに関するセンサシステムの2つの形態101、102を示す。形態101では、電極104、105間に組立体101の放電103からの光を伝送する繊維106を備える。図19Bにおける管状光学繊維107は多数(10〜20)の個々の繊維108で置き換えられ、これらの繊維108は中心電極109のまわりの円形即ち通路に沿って位置決めされる。中心電極109と周囲電極110との間で円形放電103が始まる。円形繊維装置107、108は組立体即ち装置102の放電103からの光を伝送する。装置102は図17の装置114に非常に類似しているが、装置114の管状繊維91は装置102における複数の繊維108の代わりに設けられる。
19A and 19B provide
それぞれ図18B及び図19Bに示す装置112、102には、放電92、103のための十分な領域、及び装置から信号処理及び分析用の適切な光学的及び電気的機構へ放電光を伝送する光学繊維91、107、108を設ける。少なくとも1つの例示実施形態に関して本発明を説明したが、多くの変形及び変更は当業者には本明細書を読めば明らかである。従ってこの変形及び変更の全てを含むように先行技術の観点でできるだけ広義に特許請求の範囲を解釈するものとする。
The
Claims (32)
第1電極に近接し第1電極との間にギャップを形成する第2電極と;
第1端部がギャップに近接した光導波管と;を有し、
導波管を第1電極と第2電極との間に配置して成る、センサシステム。 A first electrode;
A second electrode proximate to the first electrode and forming a gap with the first electrode;
An optical waveguide having a first end proximate to the gap;
A sensor system comprising a waveguide disposed between a first electrode and a second electrode.
光導波管のまわりに同心的に形成された第1電極と;
第1電極の端部に近接し第1電極の同心の端部とギャップを形成する第2電極と;
を有して成るセンサシステム。 An optical waveguide;
A first electrode formed concentrically around the optical waveguide;
A second electrode proximate to the end of the first electrode and forming a gap with the concentric end of the first electrode;
A sensor system comprising:
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