JP2013541019A - 光吸収ガスセンサの温度校正方法と装置、およびこれにより校正される光吸収ガスセンサ - Google Patents

光吸収ガスセンサの温度校正方法と装置、およびこれにより校正される光吸収ガスセンサ Download PDF

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Abstract

光吸収ガスセンサは、ＬＥＤ光源、フォトダイオード光検出器、ＬＥＤ温度を測定するための温度測定装置、およびフォトダイオード温度を測定するための温度測定装置を有する。光吸収センサは、零検体ガス濃度と基準検体ガス濃度とにおけるフォトダイオード電流の応答を測定することにより校正される。これらの測定から、フォトダイオード温度のフォトダイオードの感度への影響および、独立に、ＬＥＤ温度に伴うフォトダイオードにより検出された光へのＬＥＤによる光出力のスペクトルの変化の影響を考慮する校正データを得ることができる。校正データはガスセンサ内のメモリに書き込まれ、ガスセンサの動作中、出力はＬＥＤとフォトダイオード温度の両方に対し補償される。したがってＬＥＤとフォトダイオードは、比較的遠く離れることができ、光学的経路設計のより大きな自由度を可能にする著しく異なる温度において動作することができる。２つの対向する複合放物型コレクタで形成された光吸収ガスセンサ用の細長導波管もまた開示される。

Description

本発明は、光源としてＬＥＤ（例えば赤外線ＬＥＤ）を採用し光の検出器としてフォトダイオードを採用する光吸収ガスセンサの分野に関する。
光吸収ガスセンサは光源と光検出器の両方を含む。光源からの光はガス試料を通って導かれ、光検出器により検出される。ガス試料中の検体ガスの濃度は検体ガスによる光の吸収から判断することができる。通常、光源が目的検体の吸収線に対応する波長領域内で主に光を発射することになるか、または光検出器が主に目的検体の吸収線に対応する波長領域内で光に感知することになるかのいずれかであり、これは、採用される光感知トランスデューサの固有の性質によるか、または目的検体の吸収波長を含む波長領域内の光だけを選択する波長フィルタの有無によるかのいずれかによる。本明細書と添付特許請求範囲内では、光は、波長に関わらず電磁放射を指し、例えばスペクトルの赤外線領域内の電磁放射を含む。この領域では、多くの検体ガスが強い吸収線を有するからである。
本発明は特に、光源がＬＥＤ（例えば赤外線ＬＥＤ）であり光感知トランスデューサがフォトダイオードである光吸収ガスセンサに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）とフォトダイオードは安価であり、比較的エネルギー効率の良い装置であるので、これらは光吸収ガスセンサ（特に小さくかつ低コストであることを目的とする装置）内の光の源および検出器として一般的に採用される。多くの応用に対しては、スペクトルの赤外線領域内にピーク発光波長を有するＬＥＤ、および赤外線に敏感なフォトダイオードが好適である。
ＬＥＤとフォトダイオードは温度を含む多くの環境要因に敏感である。したがって、検体ガス濃度の正確な測定をするためには、ＬＥＤとフォトダイオードの温度を調節する、またはＬＥＤとフォトダイオードの温度を補償する、または別の戦略を採用することが必要である。例えば、国際公開第２００７／０９１０４３号パンフレット（Ｇａｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｌｔｄ．）では、ＬＥＤとフォトダイオードは実質的に熱平衡状態で搭載される。この後者の戦略は、単一の温度測定例えばＬＥＤの温度の測定がなされ得る点でおよび他の部品の温度は同じであると推論することができる点で有利である。これは、システムの自由度を下げて使用中の温度補償を単純化する。しかしこれは、熱平衡状態になるためにＬＥＤとフォトダイオードを互いに密接して搭載しなければならないので、光ガスセンサの設計に制約条件を与える。
理論上、装置を完全に絶縁するまたはその温度を独立に制御することにより、温度に伴うＬＥＤの光学特性の変動および温度に伴うフォトダイオードの光学特性の変動を独立に校正することが可能となり得る。しかし、実用的かつ費用効率の高い製造手順では、ＬＥＤとフォトダイオードの温度を独立に変更する手順を採用すること無くＬＥＤとフォトダイオードを実質的に同じ温度で、センサアセンブリ内のＬＥＤからの光に応答して、センサアセンブリからのフォトダイオード出力電流の測定結果だけを使用して校正を行えることが好ましい。したがって、実際には、温度に伴うＬＥＤとフォトダイオードの光学特性の変化を独立に測定することは困難であると考えられてきた。フォトダイオード出力電流が温度の所与の変化により１０％低下したということが分かれば、これは、その変動がＬＥＤの光学特性またはフォトダイオードの光学特性の変化からどの程度生じたかを判断することが可能ではないということを示唆するであろう。したがって、各部品への温度の影響を分離することは恐らくできないので使用中にＬＥＤとフォトダイオードの温度を独立に測定する利点は無いであろう。
本発明は、ＬＥＤとフォトダイオードを有する光吸収ガスセンサを製造および校正する問題に関し、得られたガスセンサの動作中にＬＥＤとフォトダイオード間の起こり得る著しい温度差にもかかわらず正確な出力信号を提供する。この問題に対処することで、より正確でかつよりエネルギー効率の良いまたはより安価なセンサを製造できるようにするより大きな設計自由度を可能にする。本発明の別の態様は光ガスセンサ導波管の改善された構成に関する。
本発明の第１の態様によると、検体ガスを検出するための光吸収ガスセンサを校正する方法であって、光吸収ガスセンサは、ガス試料収容室と、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、自らにより受信された光の量に敏感な出力信号（通常は電流）を有するフォトダイオードと、を含み、本方法は、ガス試料収容室内の検体ガスの第１の濃度および異なる第２の濃度でフォトダイオード出力信号を測定する工程と、フォトダイオード校正データを決定する工程と、ＬＥＤ校正データを決定する工程と、を含む、方法が提供される。
通常、本方法はさらに、ガス試料収容室内の検体ガスの第１の濃度で一定範囲の温度で出力信号の測定を行う工程を含む。フォトダイオード校正データは一定範囲の温度における出力信号の前記測定から導出されることもあり得る。
通常、ＬＥＤ校正データは、ガス試料収容室内の検体ガスの第１の濃度における出力信号の少なくとも１つの測定結果と第２の濃度における出力信号の少なくとも１つの測定結果とから導出される。
本方法は、ガス試料収容室内の検体ガスの第２の濃度で一定範囲の温度で出力信号を測定する工程を含み得る。ＬＥＤ校正データはこれらの測定結果から導出され得る。フォトダイオード校正データは、ガス試料収容室内の検体ガスの第２の濃度で測定された一定範囲の温度の出力信号の変動とは実質的にまたは全く無関係であることもあり得る。フォトダイオード校正データはガス試料収容室内の検体ガスの第２の濃度における測定結果を考慮することなく決定されることもあり得る。
本発明はまた、第１の態様の方法により校正された光吸収ガスセンサを動作させる方法であって、フォトダイオード出力信号と、ＬＥＤの温度に関係するパラメータと、フォトダイオードの温度に関係するパラメータとを測定する工程と、測定されたフォトダイオード出力信号、ＬＥＤの温度に関係する測定されたパラメータ、フォトダイオードの温度に関係する測定されたパラメータ、ＬＥＤ校正データ、およびフォトダイオード校正データのそれぞれを考慮して、ガス試料収容室内の検体ガスの濃度を表す補償信号を決定する工程と、を含む方法に拡張される。
本発明はまた、光吸収ガスセンサを形成する工程を含む検体ガスの濃度を測定する方法であって、光吸収ガスセンサは、ガス試料収容室と、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ガス試料収容室を通った後にＬＥＤから自らに入射する光に応答してフォトダイオード出力信号（通常は電流）を出力するように動作可能なフォトダイオードと、ＬＥＤの温度に関係するパラメータを測定するＬＥＤ温度測定装置と、フォトダイオードの温度に関係するパラメータを測定するフォトダイオード温度測定装置と、メモリと、を含み、本方法は、本発明の第１の態様による方法により光吸収ガスセンを校正する工程と、ＬＥＤ校正データとフォトダイオード校正データまたはそれらから導出されたデータをメモリに格納する工程と、その後、フォトダイオード出力信号、ＬＥＤの温度に関係するパラメータ、およびフォトダイオードの温度に関係するパラメータを測定する工程と、メモリに格納された前記データ、フォトダイオード出力信号、ＬＥＤの温度に関係する測定されたパラメータ、およびフォトダイオードの温度に関係する測定されたパラメータを考慮して、検体ガスの濃度を計算する工程と、を含む、方法に拡張する。フォトダイオード出力信号は通常、フォトダイオード電流、例えば適切な単位で表されたフォトダイオード電流の測定に関係するパラメータである。
フォトダイオード校正データは、フォトダイオード信号の測定結果をフォトダイオード温度に対し補償するのに使用可能なデータを指す。ＬＥＤ校正データは、フォトダイオード信号の測定結果をＬＥＤ温度に対し補償するのに使用可能なデータを指す。フォトダイオード校正データとＬＥＤ校正データは、例えば複数のＬＥＤ温度のそれぞれの複数のフォトダイオード温度のそれぞれの検体ガス濃度にフォトダイオード信号を関連付けるデータのルックアップテーブルの形式で一体化され得る。フォトダイオード校正データとＬＥＤ校正データは独立であってもよい。ＬＥＤの温度に関係するパラメータおよび／またはフォトダイオードの温度に関係するパラメータは、それぞれ任意の適切な単位または尺度のＬＥＤの温度および／またはフォトダイオードの温度であってよい。しかし、実際の温度が計算される必要はないこともある。ＬＥＤの温度および／またはフォトダイオードの温度はそれぞれ、それ自体がＬＥＤまたはフォトダイオードの温度の関数である測定装置からの信号出力、例えばＬＥＤまたはフォトダイオードそれぞれの両端の順電圧の測定結果であってよい。
フォトダイオードの感度は（いくつかある要因の中で特に）温度に伴って変化し、フォトダイオード出力電流は温度が増加するにつれて低下する。通常、フォトダイオードは、光センサが測定するようにされた検体ガスの最強吸収線の少なくとも１０％好ましくは少なくとも２５％の波長の範囲にわたって入射光の波長に対し実質的に無反応な広帯域フォトダイオードである。したがって、ＬＥＤからの光が一定ならば、フォトダイオード出力電流はフォトダイオードの温度に依存するが、検体ガスの無いフォトダイオード出力電流のある割合としての、検体ガスの濃度に伴うフォトダイオード出力電流の変動は、温度と実質的に無関係でなければならない。
しかし、ＬＥＤの光出力もまた温度に応じて変化するが、検体ガスの濃度を測定するための光吸収ガスセンサのコンテキストの中では、温度に伴う主な影響は発射された光の合計量の変化ではなくＬＥＤによる光出力の波長の変化から生じるということを我々は見出した。したがって、ＬＥＤの温度に伴う零検体ガス濃度におけるフォトダイオード信号の大きさのある変動が存在するがこれが唯一の影響とはならない。検体ガスは規定波長において吸収線を有することになるので、ＬＥＤのスペクトルプロフィールの変化は、ＬＥＤからの光のある割合を変化させ、これは検体ガスの所与の濃度により吸収され、したがって検体に対するフォトダイオード信号の感度に影響を及ぼすことになる。センサが測定するようにされた検体ガスの最強吸収線の波長の周辺の入射光の波長に対しフォトダイオード出力電流が敏感ならば、同様な影響がまた生じるだろう。
したがって、検体ガスの無いフォトダイオード出力電流のある割合としての検体ガスの濃度に伴うフォトダイオード出力電流の変動は、ＬＥＤの温度と無関係ではない。
その結果、フォトダイオードに対する温度の影響とＬＥＤの光学特性の変化から生じる測定されたフォトダイオード信号に対する温度の影響は、検体ガスの第１および第２の異なる濃度において測定を行うことにより独立に区別することができる。
検体ガスの第１の濃度は通常は無視できる（例えば零）。
例えば、一次近似では、ＬＥＤ出力は温度と実質的に無関係であると仮定することができるので、無視できる検体ガス濃度（例えば零）においてフォトダイオード校正データを決定できる。次にＬＥＤ校正データは検体ガスの第２の（非零、無視できない）濃度における測定により決定することができる。通常、検体ガスの第２の（非零、無視できない）濃度における測定はある範囲の温度において行われる。第２の（非零、無視できない）濃度における検体ガスによる吸収によるフォトダイオード出力電流の低下は、推定することができる。これは温度と実質的に無関係であるからであり、したがってＬＥＤの温度に伴うＬＥＤの光学特性の変化の影響を推定することができる。これは、例えば校正期間中にＬＥＤとフォトダイオードの相対温度を選択的に変更する必要無しに、またはＬＥＤとフォトダイオードを互いに全く独立に校正する（これはコスト効率の良い製造にとって非実用的である）こと無しに、行なうことができる。
さらなる精度は、さらに別の測定により得ることができる。通常、本方法は、ガス試料収容室内の検体ガスの複数の濃度と複数の温度（例えば、センサ全体の温度、または特にはフォトダイオードまたは特にはＬＥＤの温度）とにおいて出力信号を測定する工程を含む。いくつかの実施形態では、検体ガスの複数の濃度は、検体ガスの少なくとも３つまたは少なくとも４つの異なる濃度である。いくつかの実施形態では、複数の温度は少なくとも３または少なくとも１０の異なる温度である（例えばＬＥＤの異なる温度、フォトダイオードの異なる温度および／または異なる環境温度であってよい）。例えば、出力電流の測定は、温度が第１の温度に維持されながらある範囲のガス濃度においてなされてもよく、次に出力電流のさらなる測定は、温度が第２の温度に維持されながらある範囲のガス濃度（通常は同じ範囲のガス濃度）においてなされてもよい。これは第３の温度等において繰り返され得る。出力電流の測定もまた、ガス濃度が第１の濃度（零でもよい）に維持されながら一定範囲の温度においてなされてもよく、出力電流のさらなる測定は、ガス濃度が第２の濃度に維持されながら一定範囲の温度（通常は同じ範囲の温度）においてなされてもよい。各検体ガス濃度では、温度は温度領域全体にわたって掃引され得る。通常、ＬＥＤの温度に関係するパラメータとフォトダイオードの温度に関係するパラメータは検体ガスの濃度のそれぞれと温度のそれぞれにおいて測定される。周囲温度に関係するパラメータもまた検体ガスの濃度のそれぞれと温度のそれぞれにおいて測定され得る。
好ましくは、センサは、ＬＥＤの温度とフォトダイオードの温度が動作中摂氏５度（好ましくは摂氏２度）を越えないように構成される。
好ましくは、ＬＥＤの温度に関係する測定されたパラメータはダイオード接合の温度に関係するパラメータである。ＬＥＤの温度に関係するパラメータは、ダイオード接合の温度に依存するＬＥＤの順電圧（ＶＦ）の測定結果であってよい、またはそれから導出されてもよい。順電圧を測定することにより温度を判断するのに好適な回路は国際公開第２００９／０１９４６７号パンフレット（Ｇａｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ）に開示されており、その全体を参照により本明細書に援用する。温度に関係するパラメータは温度感性部品を使用することにより他のやり方で決定することができ、例えば、ＬＥＤまたはフォトダイオードにそれぞれ極近接したサーミスタを通る電流が採用され得る。
校正期間中、ＬＥＤ校正データとフォトダイオード校正データは、光吸収ガスセンサ内のメモリ、例えばＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭに格納され得る。ＬＥＤ校正データとフォトダイオード校正データは通常、ガスセンサの動作中にメモリから（例えばプロセッサにより）読み出される。ＬＥＤ校正データとフォトダイオード校正データは、ＬＥＤ温度に関係するパラメーの複数の値とフォトダイオード温度に関係するパラメータの複数の値のそれぞれ毎に検体ガス濃度とフォトダイオード出力電流との関係を推定することができるデータを含むルックアップテーブルとして格納され得る。したがってＬＥＤ校正データはルックアップテーブルの形式を取リ得る。フォトダイオード校正データはルックアップテーブルの形式を取り得る。ＬＥＤ校正データとフォトダイオード校正データは、少なくとも２次元（ＬＥＤ温度に関係するパラメータに対応するものとフォトダイオード温度に関係するパラメータに対応するもの）を有するルックアップテーブルの形式を取り得る。
しかし、フォトダイオード校正データは、（フォトダイオード出力信号の特性をフォトダイオード温度に関係するパラメータに関連付けるアルゴリズムの）１つまたは複数のパラメータを含み得る。ＬＥＤ校正データは、（ＬＥＤの特性、または検体ガス濃度に対するフォトダイオード出力信号の応答へのＬＥＤの特性の影響を温度に関係するパラメータに関連付けるアルゴリズムの）１つまたは複数のパラメータを含み得る。補償信号を決定する工程は、少なくとも１つの前記パラメータ、例えばフォトダイオード校正に関する少なくとも１つの前記パラメータおよび／またはＬＥＤ校正に関する少なくとも１つの前記パラメータを考慮して少なくとも１つのアルゴリズムを計算することを含み得る。特定のまたは各前記パラメータはスケーリング係数を含み得る。例えば、フォトダイオード校正データは、フォトダイオード温度に関係する所与のパラメータ毎にフォトダイオード信号に掛けなければならないスケーリング係数を含み得る。１つまたは複数の前記パラメータは、多項式（例えば５次多項式）または（温度に関係するパラメータの）他の数値的関数の係数であってもよい。例えば、ＬＥＤ校正データは、ＬＥＤ光出力の波長の出力信号の感度への影響をＬＥＤ温度に関係するパラメータに関連付ける多項式の１つまたは複数のパラメータを含み得る。
ＬＥＤ校正データとフォトダイオード校正データは、少なくとも２次元（１つはＬＥＤ温度に関係するパラメータに対応するもの）を有するルックアップテーブルの形式を取り得る。他の次元はフォトダイオード温度に関係するパラメータに対応し得る。
補償信号はＬＥＤの温度とフォトダイオードの温度に対し補償されることが好ましい。補償信号は、測定された検体ガス濃度に、または測定された検体ガス濃度の対数に比例した信号、または補償信号であってよく、例えばフォトダイオード出力信号（例えばフォトダイオード電流）に比例してもよく、ＬＥＤの温度とフォトダイオードの温度に敏感な影響を補償するのに適切であれば増加または低減されてもよい。
本発明の第２の態様によれば、ガス試料収容室と、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ガス試料収容室を通った後にＬＥＤから自らに入射する光に応答してフォトダイオード出力信号（通常は電流）を出力するように動作可能なフォトダイオードと、ＬＥＤの温度に関係するパラメータを測定するＬＥＤ温度測定装置と、フォトダイオードの温度に関係するパラメータを測定するフォトダイオード温度測定装置と、フォトダイオード出力信号、ＬＥＤの温度に関係する測定されたパラメータ、およびフォトダイオードの温度に関係する測定されたパラメータを考慮して、ガス試料収容室内の検体ガスの濃度を示す補償信号を出力するように動作可能な補償モジュールと、を含む光吸収ガスセンサが提供される。例えば、補償モジュールは、フォトダイオード出力信号、ＬＥＤの温度に関係する測定されたパラメータ、およびフォトダイオードの温度に関係する測定されたパラメータを考慮して、ガス試料収容室内の検体ガスの濃度を示す補償信号を出力するように構成された電子回路、またはフォトダイオード出力信号、ＬＥＤの温度に関係する測定されたパラメータ、およびフォトダイオードの温度に関係する測定されたパラメータを考慮して、ガス試料収容室内の検体ガスの濃度を示す補償信号をプロセッサに決定させるプロセッサ実行プログラムコード（コンピュータ可読記憶媒体に蓄積された）、を含み得る。
補償モジュールは、ＬＥＤ温度に関係するパラメータおよび（独立に）フォトダイオード温度に関係するパラメータを有するフォトダイオード出力信号の変動に関する格納された校正データを考慮するように動作可能であることが好ましい。格納された校正データは、本発明の第１の態様の方法により得られたフォトダイオード校正データとＬＥＤ校正データであってもよいし、またはそれらから導出されてもよい。格納された校正データがアルゴリズムのパラメータであるかまたはそれを含む場合、補償モジュールは通常、特定のまたは各格納されたパラメータを考慮して少なくとも１つのアルゴリズムを計算するように動作可能である（例えば、構成またはプログラムされる）。格納されたパラメータはスケーリング係数であってよく、前記アルゴリズムは乗算であってもよい。好ましくは、アルゴリズムは非線型である。格納されたパラメータのいくつかまたはすべては多項式または他の関数のパラメータであってもよい。補償モジュールは、フォトダイオード温度に関係する測定されたパラメータとＬＥＤ温度に関係する測定されたパラメータの零検体ガス濃度において予想されるフォトダイオード出力信号を考慮してもよい。したがって、補償モジュールは、ＬＥＤの様々な温度とフォトダイオードの様々な温度における所与の検体ガス濃度に対するフォトダイオード出力信号の振幅の差異を補償するように動作可能であってよい。
補償モジュールは、所与の検体ガス濃度のフォトダイオード出力信号（例えば、電流）と零検体ガス濃度のフォトダイオード電流との比の差異を、ＬＥＤ温度（ＬＥＤ温度に関係する測定されたパラメータにより示される）により補償し得る。したがって、補償モジュールは、第１のフォトダイオード出力信号と第２のフォトダイオード出力信号の測定に応答して第１の検体ガス濃度を示す信号と第２の検体ガス濃度を示す信号とを出力するように動作可能であってよい。ここで、第１のフォトダイオード出力信号と第２のフォトダイオード出力信号の比はＬＥＤ温度と伴に変化する（第１と第２の検体ガス濃度とＬＥＤ温度の少なくともある範囲で）。
動作中、補償信号を決定する工程は、フォトダイオード温度に関係する測定されたパラメータに依存する補償係数をフォトダイオード出力信号（例えばフォトダイオード電流）に掛ける工程を含み得る。このとき、補償信号を決定する工程は、フォトダイオード出力信号と補償係数の積と基準値との差異を決定する別の工程を含み得る。このとき、補償信号を決定する工程は、ＬＥＤ校正データを考慮して差異を補正する工程を含み得る。この工程は、ＬＥＤ温度に関係するパラメータの非線型補正を行う工程を含み得る。
ＬＥＤの温度に関係するパラメーとフォトダイオードの温度に関係するパラメータは、ＬＥＤとフォトダイオードのいずれか１つの温度に関係するパラメータを測定することにより、そしてＬＥＤとフォトダイオードとの温度差に関係するパラメータを測定することにより、測定することができることもあり得ることを当業者は理解するだろう。
ＬＥＤ、フォトダイオード、およびガス試料収容室は、発光ダイオードからの光がガス試料収容室を通過しそして任意選択的にフォトダイオード上に１回または複数回反射されるように構成される。したがって、ガス試料収容室内の目的ガス状検体の濃度は、フォトダイオードにより測定される波長領域内の電磁放射の減衰から決定することができる。
通常、フォトダイオード信号の受信光に対する感度は、少なくともＬＥＤのピーク出力光強度が光吸収ガスセンサの動作温度範囲内で変化する波長帯内の受信光の波長に余り敏感でない。
ＬＥＤとフォトダイオードは、同じ基板および／またはエピ層組成および構造を有する半導体内に、通常は異なる不純物添加で形成され得る。ＬＥＤとフォトダイオードは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上に成長されたアンチモン化アルミニウムインジウム材料（（Ｉｎ１−ｘ）ＡｌｘＳｂ）で形成され得る。
発光ダイオードとフォトダイオードはそれぞれ、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上に成長する狭バンドギャップＩＩＩ−Ｖ材料であるインジウムアルミニウムアンチモン材料（（Ｉｎ１−ｘ）ＡｌｘＳｂ）で形成され得る。その不純物添加は、目的検体（例えばガス状二酸化炭素）が強く吸収する波長に対応する狭い波長領域の光を発光ダイオードに発射させるためにバンドギャップを調節するように選択される。好適な発光ダイオードとフォトダイオードの形成は、欧州特許第０８６４１８０号明細書、欧州特許第０９９２０９４号明細書、そしてＨａｉｇｈ，Ｍ．Ｋ．ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９０，２３１１１６（２００７）に開示されており、その全体を参照により本明細書に援用する。
本発明の第１または第２の態様に関連して上に述べた任意選択的機能は、本発明の第１と第２の態様の両方の任意選択的機能である。
第３の態様では、本発明は、ガス試料収容室と、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ガス試料収容室を通った後にＬＥＤから自らに入射する光に応答してフォトダイオード出力信号（通常は電流）を出力するように動作可能なフォトダイオードと、ＬＥＤの温度に関係するパラメータを測定するＬＥＤ温度測定装置と、フォトダイオードの温度に関係するパラメータを測定するフォトダイオード温度測定装置と、格納された校正データを考慮して補償信号を出力するように動作可能な補償モジュールと、を含む光吸収ガスセンサであって、格納された校正データは本発明の第１の態様の本方法により得られる、光吸収ガスセンサに拡張される。格納された校正データは通常、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、またはＥＥＰＲＯＭ等のメモリに格納される。
本発明は、第４の態様では、ガス試料収容室と、光源（例えば発光ダイオード）と、自らにより受信された光の量に敏感な出力信号（例えば電流）を生成するように動作可能な光センサ（例えばフォトダイオード）と、を含む検体ガスを検出するための光吸収ガスセンサであって、ガス試料収容室の内壁は、反射性であり、光源を有する第１の複合放物型コレクタと、第１の複合放物型コレクタに対向する光センサを有する第２の複合放物型コレクタとを画定する、光吸収ガスセンサに拡張される。
通常、第１と第２の複合放物型コレクタは交差する。したがって、ガス試料収容室の内壁のほぼすべてまたはすべては、２つの対向して交差する複合放物型コレクタにより画定され得る。通常、ガス試料収容室の内壁は、光源から光センサに延びる軸を中心に回転対称に延びている。したがってガス試料収容室は通常、細長く直線状である。
次に本発明の例示的実施形態について以下の図を参照して説明する。
本発明による光吸収ガスセンサの概略図である。 ４つの異なる温度のそれぞれにおける、異なるガス濃度におけるフォトダイオード信号のグラフである。 フォトダイオード温度に対し補償されたフォトダイオード信号のグラフである。 フォトダイオード温度とＬＥＤ温度の両方の補償後の補償出力信号（報告ガス濃度）のグラフである。 第１の光吸収ガスセンサの光路の断面図である。 第２の光吸収ガスセンサの光路の断面図である。
図１を参照すると、光吸収ガスセンサ１は、ガス試料が拡散により１つまたは複数の開口６を通過することができるガス試料室４を画定する本体２を有する。発光ダイオード８は光源として機能し、ＬＥＤ駆動回路１０により駆動される。フォトダイオード１２は光センサとして機能し、フォトダイオード接合上にかかる光に依存する出力電流を有する。フォトダイオードからの電流は、ガス試料室内の検体ガスの濃度に関係する補償信号を出力１６を介し供給するマイクロコントローラを含む制御および補償回路１４により増幅され処理される。
ガス試料室は、当業者に知られた多数の構成のうちの任意のものを有してもよく、ＬＥＤからの光がＬＥＤとフォトダイオード間で１回または複数回反射されるように通常は反射内面を含む。例示的構成は図７に示され、さらに後で検討される。ＬＥＤとフォトダイオードは互いに隣接してまたは遠く離れて置かれてもよい。光学的配置は、目的検体の波長特性内の光の減衰がフォトダイオードからの電流に影響を与えるように選択される。したがって、ＬＥＤは規定範囲の出力波長（温度に敏感であるにもかかわらず）を有してよく、フォトダイオードは規定範囲の出力波長に敏感であってよく、および／または波長帯域通過フィルタが設けられてもよい。
ＬＥＤ駆動回路は温度感知回路１８を含む。温度感知回路はＬＥＤとフォトダイオードの両端の順電圧Ｖｆをそれぞれ測定することによりＬＥＤフォトダイオードの温度を判断する。順電圧を測定することにより温度を判断するのに好適な回路は、国際公開第２００９／０１９４６７号パンフレット（Ｇａｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ）に開示されている。フォトダイオードの温度の測定を可能にするために、サーミスタ２０がフォトダイオードに搭載される。温度に敏感な他の部品、例えば抵抗線（例えば白金ワイヤ）または熱電対を採用できるであろう。フォトダイオードの温度もまたその順電圧ＶＦから判断できるであろう。
制御および補償回路は２つのルックアップテーブルを格納するメモリ２２を含む。第１のルックアップテーブルは複数のフォトダイオード温度のそれぞれの補償係数Ａを格納する。第２のルックアップテーブルは複数のＬＥＤ温度のそれぞれの１つまたは複数の補償値Ｂを格納する。補償係数ＡとＢは、センサが製造された際の校正工程中に計算され格納された。これについてはさらに後で検討する。
使用中、制御および補償回路は、以下の手順により、測定されたフォトダイオード電流、測定されたＬＥＤ温度、および測定されたフォトダイオード温度からガス濃度を判断する。測定されたフォトダイオード温度に関連する補償係数Ａの値は、第１のルックアップテーブルに格納された値を直接採用することにより、または測定されたフォトダイオード温度の上と下の温度に対し格納された値の間を補間することによりのいずれかにより、得られる。次に、フォトダイオード電流ＳにＡを掛ける。これにより、フォトダイオード温度と無関係であるが目的検体ガスの存在により影響を受ける信号を得る。次に、この温度補償信号レベル（Ｓ×Ａ）は、目的ガスが存在しないときに予想される信号レベルと比較され（通常、Ａの値の大きさは、目的ガスが存在しないときのフォトダイオード電流とＡとのこの所定の積を考慮して計算される）、差（Ｄ）が計算される。Ｄは検体による吸収を示す。
次に測定されたＬＥＤ温度は１つまたは複数の補償値Ｂを参照するために使用される。再び、正確な測定されたＬＥＤ温度に対するＢの値または値群が無ければ、Ｂはより高い温度とより低い温度に対するＢの値間の補間により得られる。いくつかの実施形態では、Ｂはスケーリング係数であり、センサは補償出力信号ＣとしてＤ×Ｂを出力する。他の実施形態では、Ｂの値は非線型関数の係数である。一実施形態では、５次多項式の係数であるいくつかのＢの値が存在する。５次多項式は、計算されることにより、温度の非線型関数であるＤの倍数である補償出力信号を与える。５次多項式（または他のアルゴリズム）が採用される場合、数式（多項式の場合には係数）のパラメータは補間により個々に得ることができる、または、恐らくより正確には、アルゴリズムは、測定されたＬＥＤ温度より少なくとも高い１つと少なくとも低い１つを含む２つの異なる温度のそれぞれにおいて計算することができ、その結果の値が補間に使用される。これは独立に得られる。別の実施形態では、Ｂの値は「測定されたガス濃度」対「それぞれのＬＥＤ温度に対する吸収Ｄ」のルックアップテーブルの値である。例示的実施形態では、２７個のルックアップテーブル（２７の異なる測定されたＬＥＤ温度のそれぞれに対し１つずつ）が提供され、それぞれのルックアップテーブルはＤをガス濃度に関連付ける。ルックアップテーブルが提供する温度の１つと測定されたＬＥＤ温度が同じでなければ、ガス濃度（補償信号として機能する）はより高い温度とより低い温度に対するテーブル間の補間により決定される。
したがって、出力信号は測定されたフォトダイオード電流から導出されるが、フォトダイオード温度とＬＥＤ温度の両方が補償される。ＬＥＤ温度の補償は非線型であってよいので、ＬＥＤ温度の補償は、単にＬＥＤによる光出力の量の変化ではなくＬＥＤによる光出力のスペクトルの変化から生じる影響を考慮することができる。
ルックアップテーブルに格納されるデータは、センサが最初に製造されたときの校正手順後にメモリに書き込まれる。センサは、ガス試料収容室内にまたはガス試料収容室に近接してのいずれかに、ＬＥＤとフォトダイオードがセンサ内に搭載された状態で組み立てられるので、少なくとも光学的経路（通常はガスセンサ全体）は校正が始まる前に既に組み立てられている。
センサが検出するように設計されている目的検体の無視できる濃度だけを含む第１の校正用ガスがガスセンサに導入される。これはガス試料収容室中に拡散する。ガスセンサに電源が投入され、発光ダイオードが光を発射し、フォトダイオード出力電流の測定結果が採取される。温度は選択された範囲の温度全体にわたって変えられ、温度に対するフォトダイオード出力電流の応答が測定される。センサは、目的検体の規定濃度を含む第２の校正用ガスに晒される。第２の校正用ガスがガス試料収容室内で平衡状態になると、温度は選択された範囲の温度全体にわたって再び変えられ、第２の校正用ガスの存在下での温度に対するフォトダイオード出力電流の応答が測定される。この手順は、例えば異なる濃度の検体ガスを有する４つまたは５つの校正用ガスを使用して、繰り返される。
検体ガスが無いときの温度に対するフォトダイオード出力電流の応答は、フォトダイオードへの単位入射光当たり生成される電流量の温度に伴う変化の関数である。したがって、Ａの値は、実質的に零検体ガス濃度における温度に伴うフォトダイオード出力電流の応答から決定することができる。
Ｂの値は、いくつかの校正用ガス濃度のそれぞれにおいて得られたＬＥＤ温度に伴うフォトダイオード出力電流の応答から決定される。いくつかの実施形態では、フォトダイオード信号Ｓに現在のフォトダイオード温度に対して計算されたＡの値を掛け、この結果は、目的ガスが存在しないときに予想される信号レベルと比較され、差（Ｄ）は装置のその後の動作中に計算される。次に、Ｃが正しく計算されるようにするであろうＢの値または値群が決定され、適用可能なＬＥＤ温度および検体ガス濃度に対するルックアップテーブルに格納される。いくつかの実施形態では、Ｂの値が多項式の係数である場合、多項式を補正出力信号Ｃに最も良く適合させるＢの値が計算され格納される。
したがって、その結果のセンサは、フォトダイオードの感度へのフォトダイオード温度の影響、およびＬＥＤにより発射された光の波長プロフィールへのＬＥＤ温度の非線型影響の両方を補償することができる。
いくつかの実施形態では、ＬＥＤとフォトダイオードの実際の温度は決してこのように計算されない。その代りに、ＬＥＤおよび／またはフォトダイオードの温度に関係する他の測定された特性が代用として使用される。例えば、ＬＥＤの両端の順電圧はＬＥＤの温度に関係する特性であり、いくつかの実施形態では順電圧が測定され、値Ｂが順電圧の多くの値のそれぞれに対し格納される。したがって、ＬＥＤの両端の順電圧は、校正および動作期間中にＬＥＤ温度の代用として使用される。同様に、サーミスタからの電流は、フォトダイオードの温度に関係するので、校正および動作期間中にフォトダイオード温度の代用として使用することができる。この場合、Ａの値はサーミスタを通る電流の複数の値のそれぞれに対し格納され、サーミスタを通る測定電流に基づき動作中に参照される。
図２〜図４に、例示的実施形態からの実験データを示す。図２に、検体ガス（この例ではＣＯ２）の零濃度と次に４つの異なる非零ガス濃度における時間（Ｘ軸）対任意線型目盛（Ｙ軸）上のフォトダイオード出力信号であって、４つの異なる温度のそれぞれにおいて同じ順序で同じガス濃度で繰り返されたフォトダイオード出力信号を示す。フォトダイオード温度の補償（Ｓ×Ａ）後の同じデータを図３に示し、ＬＥＤ温度のさらなる補償後の報告ガス濃度信号Ｃを図４に示す。
ＬＥＤ温度および独立にフォトダイオード温度に対し補償された出力を有するセンサを提供することにより、ＬＥＤとフォトダイオードは通常可能な距離よりさらに離れて存在し得る。例えば、図５の断面で示す光学的経路を有する第１のガスセンサがシミレーションされた。フォトダイオードにおいて受信されたＬＥＤにより発射された光の割合は、導波管が高品質金メッキで被覆されたと想定すると５９．６％であり、導波管が低品質金メッキで被覆されたと想定すると２３．７％であった。しかし、図６の断面図に示すような光学的経路を有するガスセンサがシミレーションされた場合、ＬＥＤにより発射されフォトダイオードにおいて受信された光の割合は８２．８％（高品質金メッキ）または６２．１％（低品質金メッキ）だった。したがって、ＬＥＤとフォトダイオードが実質的に同じ温度のままであるために近接しなければならないという制約を削除することにより、より高い効率（フォトダイオードにおいて受信された放射光の最大割合）またはより低い品質としたがってより低いコストの反射被膜を同じ感度に対し採用できるようにする、センサの光学設計に対するより大きな自由度がある。
図６の導波管は、互いに面した２つの対向複合放物型コレクタで形成される。この構成では、光の大部分は２〜４回だけ反射される（各放物型コレクタ上に１回または２回）。ＬＥＤにより発射された光がフォトダイオードに到達する上に引用された割合により実証されるように、これは光ガスセンサ内の導波管の効率的な構成を提供する。
光学的ガスセンサは、検体ガスが強く吸収する特に１つまたは複数の波長において光を生成および検出するＬＥＤおよびフォトダイオードを選択することにより、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、水蒸気（湿度を測定するための）等の検体を検出するようにされ得る。
当業者は、開示された本発明の範囲内で、さらなる変更と修正をなし
得る。

Claims (34)

  1. 検体ガスを検出するための光吸収ガスセンサを校正する方法であって、前記センサは、
    ガス試料収容室と、
    発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
    自らにより受信された光の量に敏感な出力信号を有するフォトダイオードと、を含み、前記方法は、
    前記ガス試料収容室内の前記検体ガスの第１の濃度および異なる第２の濃度で前記フォトダイオード出力信号を測定する工程と、
    フォトダイオード校正データを決定する工程と、
    ＬＥＤ校正データを決定する工程と
    を含む、方法。
  2. 前記ガス試料収容室内の検体ガスの前記第１の濃度で一定範囲の温度で前記出力信号の測定を行う工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
  3. 前記ＬＥＤ校正データは、前記ガス試料収容室内の検体ガスの前記第１の濃度における前記出力信号の少なくとも１つの測定結果、および前記ガス試料収容室内の検体ガスの前記第２の濃度における前記出力信号の少なくとも１つの測定結果、から導出される、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記ガス試料収容室内の検体ガスの前記第２の濃度で一定範囲の温度で前記出力信号の測定を行う工程を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記フォトダイオード校正データは前記ガス試料収容室内の検体ガスの前記第２の濃度で測定された一定範囲の温度における前記出力信号の前記変動とは実質的にまたは全く無関係である、請求項４に記載の方法。
  6. 検体ガスの前記第１の濃度は無視できる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記出力信号の測定を前記ガス試料収容室内の検体ガスの少なくとも３つの濃度においておよび少なくとも３つの異なる温度において行う工程を含む請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記ＬＥＤの温度に関係するパラメータは前記ＬＥＤの順電圧ＶＦを測定することにより決定される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記ＬＥＤ校正データと前記フォトダイオード校正データは前記光吸収ガスセンサ内のメモリに格納される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記ＬＥＤ校正データは非線型アルゴリズムのパラメータを含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法により校正された光吸収ガスセンサを動作させる方法であって、
    前記フォトダイオード出力信号と、前記ＬＥＤの温度に関係するパラメータと、前記フォトダイオードの温度に関係するパラメータとを測定する工程と、
    前記測定されたフォトダイオード出力信号、前記ＬＥＤの温度に関係する前記測定されたパラメータ、前記フォトダイオードの温度に関係する前記測定されたパラメータ、および前記ＬＥＤ校正データと前記フォトダイオード校正データのそれぞれを考慮して、前記ガス試料収容室内の前記検体ガスの濃度を表す補償信号を決定する工程と、を含む方法。
  12. 前記補償信号は前記ＬＥＤの温度と前記フォトダイオードの温度に対し補償される、請求項１１に記載の光吸収ガスセンサを動作させる方法。
  13. 前記補償信号を決定する工程は、前記フォトダイオード出力信号に前記フォトダイオードの温度に関係する前記測定されたパラメータに依存する補償係数を掛ける工程を含む、請求項１１または１２に記載の光吸収ガスセンサを動作させる方法。
  14. 前記補償信号を決定する工程はさらに、前記フォトダイオード出力信号と前記補償係数の積と基準値との差異を決定する工程と、その後前記ＬＥＤ校正データを考慮して前記差異を補正する工程とを含む、請求項１３に記載の光吸収ガスセンサを動作させる方法。
  15. ＬＥＤ温度の非線型補正を行う工程を含む請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサを動作させる方法。
  16. 光吸収ガスセンサを形成する工程を含む検体ガスの濃度を測定する方法であって、前記センサは、
    ガス試料収容室と、
    発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
    前記ガス試料収容室を通った後に前記ＬＥＤから自らに入射する光に応答してフォトダイオード出力信号を出力するように動作可能なフォトダイオードと、
    前記ＬＥＤの温度に関係するパラメータを測定するＬＥＤ温度測定装置と、
    前記フォトダイオードの温度に関係するパラメータを測定するフォトダイオード温度測定装置と、
    メモリと、を含み、前記方法は、
    請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法により前記センサを校正する工程と、
    前記ＬＥＤ校正データと前記フォトダイオード校正データまたはそれらから導出されたデータを前記メモリに格納する工程と、
    その後、前記フォトダイオード出力信号、前記ＬＥＤの温度に関係する前記パラメータ、および前記フォトダイオードの温度に関係する前記パラメータを測定する工程と、
    前記メモリに格納された前記データ、前記フォトダイオード出力信号、前記ＬＥＤの温度に関係する前記測定されたパラメータ、および前記フォトダイオードの温度に関係する前記測定されたパラメータを考慮して、前記検体ガスの濃度を計算する工程と、を含む、方法。
  17. ガス試料収容室と、
    発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
    前記ガス試料収容室を通った後に前記ＬＥＤから自らに入射する光に応答してフォトダイオード出力信号を出力するように動作可能なフォトダイオードと、
    前記ＬＥＤの温度に関係するパラメータを測定するＬＥＤ温度測定装置と、
    前記フォトダイオードの温度に関係するパラメータを測定するフォトダイオード温度測定装置と、
    前記フォトダイオード出力信号、前記ＬＥＤの温度に関係する前記測定されたパラメータ、および前記フォトダイオードの温度に関係する前記測定されたパラメータを考慮して、前記ガス試料収容室内の検体ガスの前記濃度を示す補償信号を出力するように動作可能な補償モジュールと、を含む、光吸収ガスセンサ。
  18. 前記補償モジュールは、ＬＥＤ温度とフォトダイオード温度に伴うフォトダイオード出力信号の変動に関する格納された校正データを考慮するように動作可能である、請求項１７に記載の光吸収ガスセンサ。
  19. 前記格納された校正データは請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法により得られたフォトダイオード校正データとＬＥＤ校正データであるかまたはそれらから導出される、請求項１８に記載の光吸収ガスセンサ。
  20. 前記補償モジュールは測定されたフォトダイオード温度と測定されたＬＥＤ温度の零検体ガス濃度における予想フォトダイオード出力信号を考慮する、請求項１７乃至１９のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  21. 前記補償モジュールは前記ＬＥＤの様々な温度と前記フォトダイオードの様々な温度における所与の検体ガス濃度に対する前記フォトダイオード出力信号の振幅の差異を補償するように動作可能である、請求項１７乃至２０のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  22. 前記補償モジュールは前記ＬＥＤの様々な温度と前記フォトダイオードの様々な温度における零検体ガス濃度における前記フォトダイオード出力信号の振幅の差異を補償するように動作可能である、請求項１７乃至２１のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  23. 前記補償モジュールは第１のフォトダイオード出力信号と第２のフォトダイオード出力信号の測定に応答して、第１の検体ガス濃度を示す信号と第２の検体ガス濃度を示す信号を出力するように動作可能であり、
    前記第１のフォトダイオード信号と前記第２のフォトダイオード信号の比はＬＥＤ温度に伴い変化する、請求項１７乃至２２のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  24. 前記補償モジュールは前記フォトダイオード出力信号に前記フォトダイオードの温度に関係する前記測定されたパラメータに依存する補償係数を掛けるように動作可能である、請求項１７乃至２３のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  25. 前記補償モジュールは、前記フォトダイオード出力信号と前記補償係数の積と基準値との差異を決定し、次に前記ＬＥＤ校正データを考慮して前記差異を補正するように動作可能である、請求項２４に記載の光吸収ガスセンサ。
  26. 前記補償モジュールはＬＥＤ温度に関係する前記パラメータの非線型補正をするように動作可能である、請求項１７乃至２５のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  27. 前記フォトダイオード信号の受信光に対する感度は、少なくとも前記ＬＥＤのピーク出力光強度が前記光吸収ガスセンサの動作温度範囲内で変化する波長帯内の受信光の波長に余り敏感でない、請求項１７乃至２６のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  28. 前記ＬＥＤと前記フォトダイオードは同じ基板および／またはエピ層組成および構造を有する半導体内に形成される、請求項１７乃至２７のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  29. 前記フォトダイオードは前記光センサが測定するようにされた前記検体ガスの最強吸収線の少なくとも１０％の波長の範囲にわたって入射光の波長に対し実質的に無反応である、請求項１７乃至２８のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  30. 前記センサは前記ＬＥＤの温度と前記フォトダイオードの温度が動作中摂氏５度を越えないように構成される、請求項１７乃至２９のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
  31. ガス試料収容室と、
    発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
    前記ガス試料収容室を通った後に前記ＬＥＤから自らに入射する光に応答してフォトダイオード出力信号を出力するように動作可能なフォトダイオードと、
    前記ＬＥＤの温度に関係するパラメータを測定するＬＥＤ温度測定装置と、
    前記フォトダイオードの温度に関係するパラメータを測定するフォトダイオード温度測定装置と、
    格納された校正データを考慮して補償信号を出力するように動作可能な補償モジュールと、を含む光吸収ガスセンサであって、
    前記格納された校正データは請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法により得られた、光吸収ガスセンサ。
  32. ガス試料収容室と、
    光源と、
    自らによって受信された光の量に敏感な出力信号を生成するように動作可能な前記光センサと、を含む、検体ガスを検出するための光吸収ガスセンサであって、
    前記ガス試料収容室の内壁は、反射性であり、内部に前記光源を有する第１の複合放物型コレクタと、前記第１の複合放物型コレクタに対向する内部に前記光センサを有する第２の複合放物型コレクタと、を画定する、光吸収ガスセンサ。
  33. 前記第１と第２の複合放物型コレクタは交差する、請求項３２に記載の光吸収ガスセンサ。
  34. 前記ガス試料収容室の前記内壁は前記光源から前記光センサに延びる軸を中心に回転対称に延びており、
    前記ガス試料収容室は細長く直線状である、請求項３２または３３に記載の光吸収ガスセンサ。
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