JP2008513736A - １種類以上のガス成分を測定する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、測定チャンバに存在するガスについて１種類以上のガス成分を測定する装置に関する。該装置にはその波長領域に関して被検出ガス成分に適合する１種類以上の放射線源、及び該放射線源が発し、該測定チャンバに存在するガスを横断する放射線を捕捉し、該放射線を電気信号に変換する少なくとも１つの放射線検出器を備える。本発明によれば、放射線源が発する波長を変調するために、放射線源に、小型熱電構成要素である小型ペルチェクーラーを利用し、それによりその電源供給を可変に調節可能にしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主請求項の序文による、測定空間に存在するガスについて少なくとも１種類のガス成分を測定する装置に関する。

例えば、被測定ガスについてその濃度に関して、ガス成分を分光評価するには、適用光源により放射線を発し、ガスを通してこれを送るが、該光源をその発光周波数について変化させると都合が良く、これは検出範囲の広い波長範囲を走査することで、検出範囲の増大が可能なためである。現状技術では、この発光周波数の変化を、光源の供給電流を変化させて獲得することが知られている。例えばレーザ活性領域の温度変化、従って光源波長の整合を、電流の変化により達成する。発光周波数を変化させる同方法に関する１つの欠点として、整合に伴う強度変調がある。更にまた、整合範囲は、レーザを使用した場合レーザの閾値電流、及び最大電流で決定され、限定される。更にその上、レーザ電流を仕様の限界範囲に変調することで、光源の寿命は短くなる。

従って、本発明の目的は、１種類以上のガス成分を測定する装置を提供することであって、該装置により適用ビーム源の発光周波数を、小時定数で、十分な整合範囲で、変化でき、該装置では放射線源の寿命は減少しない。

本発明によれば、主請求項の特徴部分の特徴を序文の特徴と組合せて、この目的を達成する。

放射線源が発する波長を変化させるために、放射線源を小型熱電構成要素、例えば小型ペルチェクーラー上に配設して、その電源供給を可変的に設定してもよいことから、極めて急速な温度調節を、光源又は放射線源の温度に対して、１０〜７０Ｋの温度変化を例えば１ミリ秒〜５０ミリ秒の時間範囲で達成可能である。発光波長の適当な整合又は変調を、光源の発光波長が温度依存することを利用して、達成する。それにより、発生する強度変化は、現状技術による電流変調と比較して大幅に低くなる。

有利な更なる形態及び改良が、従属請求項で明示する方法により可能である。

少なくとも１つのフォトダイオード、パイロパイル（ｐｙｒｏｐｉｌｅ）、サーモパイル、ボロメータ又はＭＣＴ−検出器を、測定ガスを通過する放射線を検出するための検出器として使用してもよく、検出器の種類は、光源の発光範囲によって選択してもよい。

有利な方法では、放射線源を半導体レーザとして又はＬＥＤとして、好ましくは面発光型半導体レーザとして、設計する。本出願の有する効果は、かかるレーザは動作電力が小さいという点であり、そのため小型化した熱電要素で十分な冷却能を得られる。ＤＦＢ−構造を有する又は有さない端面発光型レーザ又は量子カスケードレーザを、半導体レーザとして使用してもよい。放射線波長は、被測定ガスに従い選択する。

評価及び制御／調整（閉ループ制御）装置を設けて、ガス成分に関する検出器の信号を評価し、小型電熱構成要素の温度を制御／調整し、有利には評価装置には、電子信号分析又は多変量データ分析を備え、小型熱電構成要素の温度に対する制御／調整を、供給電流をパルス動作又は変調動作させて、行う。有利な方法では、放射線源も変調動作で、即ち調整又は制御した方法で、供給する。マイクロクーラー用電流及び放射線源の電流に対する変調及び整合を行うが、温度による波長の変化をできる限り一定にする、及び放射線源の強度をできる限り一定にする又は均一に変化させるようにして、これを行う。

信号の評価を、フーリエ解析（ＦＦＴ）を用いて、熱電要素を通過する電流を周期的に変調して、実施してもよい。有利には、測定率を高めるために、ここではクーラーの変調電流を適当に選択し、レーザ電流の更なる変調を、レーザの波長だけでなく発光強度も変化させて実施するが、これをＦＦＴによる基本波成分として発生させ、ガスについて測定するパラメータ、例えば濃度、圧力温度等の変化を、高調波成分から抽出してもよい。

有利な実施例によれば、一連の、異なる発光波長を有する複数の放射線源を設け、これを利用して、熱電構成要素を通過する電流を変調した結果発生する整合領域を、基本的に互いに隣接させるように、放射線源の発光波長を互いにずらしてもよい。これについての有利な点は、より広範囲の被測定ガス吸収帯域を検出して、上述したように高速フーリエ解析を用いた評価を実施してもよい点である。

アレイの波長を各レーザについて離して別々に存在させると、ガスについても、離して別々に存在する帯域を使用可能となり、従って、それにより他のガスに対して一層区別できるようになる。少なくとも２つの波長領域で識別するため、信頼性を高めるのに役に立つ。

有利な方法では、少なくとも１つの温度センサ及び／又は加熱要素を、例えば薄層要素の形で、小型ペルチェクーラーとして設計した熱電構成要素の低温面に配置してもよい。これにより光源の高速変調能力をもたらすが、というのも抵抗ヒーターでマイクロクーラーの低温面、又はそれに取着する放射線源を、極めて急速に加熱可能になるためである。急速で正確な調整を、これにより実施してもよい。

冷却能及び有用な温度差を増大するために、小型ペルチェクーラーの高温面を冷却装置に配設し、該装置を従来の冷却装置、例えば市販の、通常のペルチェクーラーとして、設計してもよい。

小型ペルチェクーラーの低温面で、その基板を、厚さ５０〜１００μｍにまで薄くする、及び／又は半導体レーザとして設計した放射線源の基板を薄くする、及び／又は放射線源の基板自体で、ペルチェクーラーの低温面を形成する、及び／又は半導体レーザとして設計した放射線源を、基板無しで、ペルチェクーラーの低温面に配置して、熱容量及び熱抵抗を減少させるだけでなく、熱伝導を改良してもよい。最後に、有利な方法では、マイクロクーラーの低温面には、熱結合を向上させるために、凹部を放射線源寸法２０〜２００μｍの大きさで備えて、この光源を受容してもよい。

光源の高速な変調能力は、これを赤外線レーザ又は赤外線ダイオードとして設計する場合にも、獲得できる。

複数のガスを同時に測定する場合、有利には、放射線源を有する一連のマイクロクーラーを異なる発光波長で使用してもよい。

１つの有利な実施例が、楔状又は階段状構造体を設ける際に見られるかも知れないが、該構造体を有利に低い熱伝導率を有する材料で構成し、その上に一連の同様なレーザを小型ペルチェクーラーの低温面に配設する。この構造体により、温度勾配を加熱及び冷却について生成し、それよって個々のガス吸収線のシリアルスキャンが可能になる。この実施例では、適当な評価を利用して測定精度を高めている。

本発明の実施例について図面で表し、続く記述に於いて更に詳細に以下で説明する。

ガス測定装置を図１では表しており、該装置にはペルチェクーラー１を備え、該クーラーの低温面には放射線源２を、例えば接着又は半田付けにより取着している。放射線源２による放射線を、ガスを充填した測定セル３を貫通させるように方向付け、透過した放射線を検出して、それを電気信号に変換する放射線検出器４を、測定セル３の出口に配設する。検出器４を、検出した信号の評価装置５に接続する。更にまた、制御及び／又は調整装置６を設けて、これを評価装置５に接続してもよく、該制御及び／又は調整装置でペルチェクーラー１及び放射線源２を制御又は調整する。

好ましくは小型ペルチェクーラーを、ウエハーを基礎とした薄層技術の方法で製造し、該ペルチェクーラーにはその上に放射線面を配置する低温面、及び該低温面の反対側に高温面を備える。低温面を、例えばシリコンで構成する。このマイクロクーラーの低温面を、厚さ５０〜１００μｍまで薄くして、熱容量及び熱抵抗を減少させてもよい。

設計によっては、レーザ又はＬＥＤ、好ましくは面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を、放射線源として使用する。特に、面発光型半導体レーザを使用する場合、その基板自体でペルチェクーラーの低温面を形成し、それにより良好な熱結合を獲得してもよい。ＶＣＳＥＬの基板（例えばＧａＡｓ）は薄くしてもよく、又は半導体層を、例えばリフトオフ法で、基板無しで作製し、その後ペルチェクーラーの低温面上に配置してもよい。

検出器４をフォトダイオードとして設計するが、しかしながら、パイロパイル（ｐｙｒｏｐｉｌｅ）、サーモパイル、ボロメータとして、又は、用途によっては、ＭＣＴ−検出器（水銀−カドミウム−テルル）として設計してもよい。

小型ペルチェクーラーに周期的に電流を、制御／調整装置で、好ましくはパルス動作又は変更動作で供給し、この方法によりペルチェクーラーの低温面に関してより急速に温度変化を発生させる。

ペルチェクーラー１の低温面の温度変化は、直接放射線源２に伝導される。光源の発光波長は温度に依存するため、これによりその発光波長領域はペルチェクーラーの温度変化に従い変化し、この方法により発光波長範囲に関する整合又は変調を、温度変化で限定して、獲得できる。例えば、光源温度は、室温が原因で、１ミリ秒〜５ミリ秒で１０〜７０Ｋの範囲で変化するかも知れないが、これはＶＣＳＥＬでは、７５９〜７６２ｎｍ間の波長領域に相当する。この波長領域を、例えば酸素を測定するのに使用してもよい。

放射線源から発し波長範囲を変調した放射線を、測定セル３に含有したガスを透過させた後に、検出器４で受容し、其々の信号に変換して、該信号を評価装置５に送る。検出器で信号を、できるだけ正確に、更に電子機器／ソフトウェアに関して、低作業量で検出するために、ガス測定装置を、１Ｈｚ〜１ｋＨｚの振動数範囲で周期的に波長変調させて運転し、１周期中に、１本又は複数本のガス吸収線又は完全な１帯域さえ殆どヒステリシス無く、冷却及び加熱時に走査する。それによって、周期中にガスが存在しない場合には測定強度を一定とし、又は少なくとも定義した方法で、例えば正弦的に、変調する。

評価装置により、かかる波長変調を用いて、ガス濃度及び、温度や圧力等の他のパラメータを、電子信号分析法で、評価を行う。高速フーリエ解析をこのために使用してもよい。例えば、ガスが存在しない場合の信号の強度変調を表す信号のフーリエ成分を、信号の１フーリエ成分とし、ガス特有のパラメータ、例えばガス濃度、温度及び圧力を、信号の高調波成分から抽出してもよい。とりわけ、単純なガス検出も、各信号成分についてアナログ又はデジタル狭帯域フィルタリングにより可能である。

別の評価は、“ロックイン”技術による位相‐固定検出方法であり、該方法では、ガス線をベース変調に関するそれらの位相位置により認識してもよく、濃度等の関連パラメータを決定できる。

複数の吸収線を記録する際に、吸収線の形状や相対強度から、圧力及び温度を測定する（図３参照）可能性も存在する。

測定セル３を通過した放射線に関する検出器４の出力信号を、図２及び図３で表す。それに関して、図３では時間スケールを圧縮している。更に、ペルチェクーラーの供給電流を図３では示し、この例では矩形状となっている。この曲線から分かるように、冷却（左）と加熱（右）で、放射線源の強度だけでなく、負ピークとして認識可能な吸収線の間隔も、変化している。

好適な実施例では、マイクロクーラーを、次に電圧制御電流源（制御ユニット６）で作動し、電流源（形及び周波数）を、温度に伴う波長の変化、及び吸収線の線間隔を出来る限り一定にするよう、設定する。このために、既に言及したように、放射線源の動作電流を、強度変化をできる限り低く、できる限り均一（例えば正弦波）にするよう、制御する。

クーラー１の電流経路と放射線源の動作電流を、従って予め整合させメモリに保存する、或いは制御‐及び調整ユニット６の構成要素である関数発生器により供給する。

ガス濃度を吸収線の周期から、及びガス圧力をそれらの間隔から評価してもよい。

別の実施例では、放射線源１の放射線を供給する第２測定チャネルには、検出器を割当て、該検出器にガスを全く含有せずにこれを設け、マイクロクーラーへの電流及び放射線源の動作電流を、第２測定チャネルの検出器の信号が、例えば完全な正弦形状となるように、調整する。

マイクロクーラー１の低温面には、温度センサ及び、例えばプラチナ製の例えば薄層要素の形の、加熱装置を設けて、信号を制御／調整装置６に送信してもよい。供給については従って、温度センサの信号に基づいて設定し、それにより急速で精確な温度調整を獲得してもよい。

放射線源３を有する本発明のペルチェクーラー１に関する更なる実施例を図４で提示するが、同図では例えば二酸化ケイ素ＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３製の楔状構造体を、マイクロクーラーの低温面に配置している。一連の同様なレーザ８を、この楔形構造体上に配置する。その結果、温度勾配は楔状構造体７の表面上で発生し、この方法によりレーザを異なる波長で照射する。加熱及び冷却時に、従って個々のガス吸収線を連続して走査する。勿論、該構造体は異なる形状、例えば階段形状を、有してもよい。

本発明によるガス／測定装置の実施例に関する概略配置図である。 検知器の経時的な出力電圧である。 ペルチェクーラーの電流供給に関する信号曲線、および図２による検出器の出射信号曲線も、拡大時間尺度で示す。 小型ペルチェクーラーの光源配置に関する実施例である。

符号の説明

１ 熱電構成要素
２ 放射線源
３ 測定セル
４ 放射線検出器
５ 評価装置
６ 制御及び／又は調整装置
７ 楔状構造体
８ レーザ

Claims (23)

1. 測定空間に存在するガスについて１種類以上のガス成分を測定する装置であって、該装置にはその波長領域に関して被検出ガス成分に適合する１種類以上の放射線源を有し、及び該放射線源が発し、該測定空間のガスを通過する放射線を受容し、該放射線を電気信号に変換する１種類以上の放射線検出器を有する装置であって、放射線源（２）が発した波長を変化させるために、放射線源を、その電源供給を可変に設定してもよい小型熱電構成要素上に配置すること、を特徴とする装置。
2. 熱電構成要素を小型ペルチェクーラー（１）とすること、を特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 検出器（４）を、フォトダイオード、パイロパイル（ｐｙｒｏｐｉｌｅ）、サーモパイル、ボロメータ又はＭＣＴ−検出器として設計すること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 少なくとも１つの放射線源（２）を半導体レーザ、好ましくは面発光型半導体レーザ、量子カスケードレーザ、ＤＦＢ構造を有する又は有さない端面発光型レーザ、又はＬＥＤとすること、を特徴とする請求項１〜３の１項に記載の装置。
5. 検出器（４）の信号をガス成分に関して評価する評価装置（５）、及び小型熱電構成要素（１）の温度を制御／調整する制御／調整装置を設けること、を特徴とする請求項１〜４の１項に記載の装置。
6. 評価装置を、ガス成分の濃度を決定するよう及び／又はガスの温度及び／又は圧力を決定するよう設計すること、を特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 評価装置には、多変量データ分析による評価を備えること、を特徴とする請求項５又は請求項６に記載の装置。
8. 制御／調整装置により、熱電構成要素の電源をパルス動作又は変調動作させること、を特徴とする請求項５〜７の１項に記載の装置。
9. 制御／調整装置を、熱電構成要素（１）を通過する電流を周期的に変調するよう、及び放射線源（２）を通過する電流を変調するように設計するが、かかる変調を光源の波長だけでなく、光源の強度に関する変化を、高速フーリエ解析で、該変化を基本波成分として発生させ、ガスについて測定する、パラメータである濃度及び／又は圧力及び／又は温度の変化を、高調波成分から抽出してもよいように、実施すること、を特徴とする請求項５〜８の１項に記載の装置。
10. 制御／調整装置は、ペルチェクーラーの供給電流及び／又は放射線源の動作電流を調整／制御するのに適しており、それにより放射線源の波長の温度による変化を出来る限り一定にする及び／又はその強度を一定にする又は均一に変化させること、を特徴とする請求項１〜９の１項に記載の装置。
11. 異なる発光波長を有する一連の複数の放射線源を設けること、を特徴とする請求項１〜１０の１項に記載の装置。
12. 発光波長を互いに、熱電構成要素を通過する電流を変調して発生させる整合領域が基本的に互いに隣接するようにしてずらすこと、を特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 放射線源は大きく異なる波長を有して、離れて別々に存在する帯域でガスを検出すること、を特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 少なくとも１つの温度センサ及び１つの加熱要素を、ペルチェクーラー（１）の低温面に配設すること、を特徴とする請求項１〜１３に記載の装置。
15. 冷却装置をペルチェクーラーの高温面に配設して、冷却能力及び有用な温度差を増大させること、を特徴とする請求項１〜１４に記載の装置。
16. ペルチェクーラーの低温面で、その基板を厚さ５０〜１００μｍまで薄くすること、を特徴とする請求項１〜１５の１項に記載の装置。
17. 半導体レーザとして設計した放射線源には基板を備え、該基板自体でペルチェクーラー（１）の低温面を形成する、又は薄くすること、を特徴とする請求項１〜１６の１項に記載の装置。
18. 半導体レーザとして設計した放射線源を、ペルチェクーラーの低温面上に、基板無しで配置すること、を特徴とする請求項１〜１６の１項に記載の装置。
19. ペルチェクーラーの低温面には凹部を、放射線源を半導体レーザとして設計した場合の寸法、２０〜２００μｍの大きさで設け、該凹部に半導体レーザを配置すること、を特徴とする請求項１〜１７の１項に記載の装置。
20. 一連のペルチェクーラーには放射線源を異なる発光波長で設けて、複数のガス成分を同時に測定すること、を特徴とする請求項１〜１９の１項に記載の装置。
21. 小型ペルチェクーラーを薄層技術で製造すること、を特徴とする請求項１〜２０の１項に記載の装置。
22. 楔状又は階段構造体をペルチェクーラーの低温面に設け、該構造体には一連の同様なレーザを設置すること、を特徴とする請求項１〜２１の１項に記載の装置。
23. 楔状構造体の材料には低い熱伝導率を有すること、を特徴とする請求項２２に記載の装置。