JP7398134B2 - 流体環境中の標的ガス濃度を求めるための方法およびシステム - Google Patents
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Description
流体環境中のガス濃度の測定を改善する方法の1つは、ガスセンサが2つの異なる温度の間で変化している間に、ガスセンサの電気的特性(電流、電圧、静電容量、抵抗など)を動的に測定することにより、システム応答(センサ(出力)の電気的特性がセンサ温度と環境条件(入力)の機能としてどのように変化するか)を監視することである。この2つの温度動作は、ガスセンサが第1の期間の第1の温度にあり、第2の期間(第1の遷移期間)の第2の温度に遷移し、第3の期間の第2の温度にあり、第4の期間(第2の遷移期間)の第1の温度に戻って遷移することを含む。
単にセンサの温度を第1の温度から第2の温度に変化させるのではなく、ガスセンサの温度は一定の変化状態に保たれる。好ましくは、ガスセンサの温度は、反復熱波形と呼ばれるパターンにおいて繰り返し変化させることができる。このように、ガスセンサの電気的特性は、正弦波などの反復熱波形に対して一定のシステム応答の状態になることができる。過渡応答を常時監視し測定することにより,短時間フーリエ変換(STFT)またはウェーブレット解析を用いて過渡応答の振幅および/または位相を測定することができる。水素の濃度は過渡応答に影響するため、周波数応答を使用して水素を測定することができる。この周波数応答は、振幅周波数応答と位相周波数応答とを含む。水素濃度に対する周波数応答の振幅、位相、またはその両方に関連するいくつかの校正点を使用して、内挿または回帰関数を持つ表を作成する。振幅周波数応答は、励起に対する応答の電気的特性に関連する周波数のスペクトルの振幅である。位相周波数応答は、励起に対する応答の電気的特性に関連する周波数のスペクトルの位相である。一例として、スペクトルは、サンプルの総数(ウィンドウの長さ)によって画定される一定の期間にわたって前記データをある速度(サンプル周波数)でサンプリングし、高速フーリエ変換(FFT)アルゴリズムを使用して離散フーリエ変換(DFT)を生成することによって、応答の電気的特性のデータを記録することによって生成することができる。信号の時間内で短いセグメントにフーリエ変換を実行するプロセスは、短時間フーリエ変換(STFT)と呼ばれる。サンプル周波数とウィンドウの長さは、所望の帯域幅、スペクトルの分解能、処理の遅延などに基づいて選択することができる。
いくつかの実施形態では、正確なガス濃度読み取り値を達成するために、環境は安定でなければならず、センサシステムは平衡状態でなければならない。しかしながら、一定温度で経過する時間の長さ(上記の第1および第3の期間)は、センサの平衡状態に基づいて可変であり得る。従って、ある温度で経過する時間は、システムと平衡に達する環境に依存しており、これは未知である。従来のシステムは時間ベースであり、自動校正にはマルチ温度動作を使用しており、正確な校正を算出するためには、各センサ温度に対応するセンサ測定値が平衡にある必要があるが、システムと環境が平衡に達したかどうかは把握されない。マルチ温度様式の自動校正が実行され、センサのための潜在的な校正を生成する。環境が平衡状態になかった場合、またはセンサの温度変化に応答してセンサが平衡状態になかった場合、校正は不正確になるだろう。従って、校正の結果が意味をなすかどうかを決定する必要があり、必要に応じて校正が受け入れられるか拒否されるかを決定する必要がある。言い換えると、センサ測定データから算出された校正が正確であるかどうかについて、センサ測定データが取得された後に、一部または全部が判断される。
校正が不正確と考えられる場合は、センサ測定データは使用されず、校正を再試行する必要がある。このアプローチでは、システムが非常に長い間安定していて、マルチ温度方程式の測定が予定よりも早く行われる可能性がある期間がしばしばある。他の時間は、システムはなかなか安定しなかったが、温度遷移は平衡に達する直前に予定されており、測定値を取得する試みを効果的に無駄にしている。平衡検出器を使用すると、ある温度で測定を行い次の温度に移動する前に、システムと環境が平衡に達したかどうかを最初に判定することで、センサ測定後のデータ取得の判定因子が排除され、校正が正確になり、時間を無駄にすることがない。
いくつかの実施形態では、温度を変更する1つのガスセンサを有するのではなく、2つのガスセンサが並列で使用され得る。いくつかの実施形態では、2温度センサの水素読み取りは、センサが温度を切り替えるごとに中断される。それはマルチ温度方程式を使用するため、その精度は経時的に劣化することはないが、温度遷移への対応のために読取りにおいてギャップが生じる可能性がある。代わりに、単一温度センサー(まったく温度遷移しない)を使用することができ、前記単一温度センサは、ライブの読取り値を有するが(例えば、本発明ではおよそ1サンプル/秒)、あらゆるベースライン・センサドリフトに対する修正のために、第2のセンサが温度サイクルを終えるときに毎回そこから正確な水素読取り値を得るのであり、前記サイクルは、1時間に1回と数日間に1回との間の任意の周期であり得る。想定では、単一温度センサの精度は、2温度/マルチ温度のセンサがそれに修正を送ることができる前に、応用の仕様の範囲を越えて下がることはない。
上に記載された2センサ機能は、先に記載されたとおり、第2のセンサが2温度の方法を導入する代わりに、第2のセンサが正弦波などの反復する熱の波形に対して常に一時的に応答している状態にあり得るように、反復する熱波形の機能と組み合わせることができる。第2のガスセンサは、第1のガスセンサを校正された状態に保つために、第1のガスセンサへ修正を渡す。
いくつかの実施形態では、単一温度センサ、2温度センサ、または共に動作する自動校正するセンサでは、環境の変化を考慮することができる。例えば、単一の温度センサは、水素の変化が生じる場合、水素の変化を示すことができ(例えば、抵抗測定値と校正表を使用してそれを測定することによって)、およびその変化を把握することと、およびその変化を定量化することとによって、マルチ温度の修正を算出することができる。マルチ温度方程式が有効である場合、2つの温度に関連付けられる抵抗測定値が水素の同じ分圧に対応することが想定される。すなわち、水素の分圧が2つの測定間において変化する場合、前記方程式を使用する水素算出は不正確である。しかしながら、2温度センサが2つのセンサのそれぞれにて抵抗を記録する期間にわたって単一温度センサは、あれば、水素の分圧の変化を追跡することができる。何らかの変化が単一温度センサによって検知された場合、2温度センサは、それ自体の校正情報を使用して、抵抗測定値のうちの1つを調節することができる。「修正された」抵抗値は、水素濃度が変わっていなかった場合にそう成り得た値へと調節された抵抗値である。この値のみが把握できるのは、単一温度センサが変化を追跡できる一方で、2温度センサは温度の遷移に対応しており、変化を追跡することができないからである。従って、センサのうちの1つからのデータは、第1のガスセンサにおいて検出された水素の分圧の変化を第2のガスセンサに報告する第1のガスセンサなどの、他のセンサにおいて使用することができる。
いくつかの実施形態では、上に記載されたような2つのセンサを使用することができるが、両センサは2温度の水素測定方法を使用する。各センサの期間は、ずらされるか、またはオフセットされ、その結果、ライブセンサは、常に第1の期間(温度1)または第3の期間(温度2)にある一方で、他のセンサは、図5に示されるように、遷移期間(第2または第4)にある。ライブセンサは、それらの状態間で遷移が生じるごとに、第1のガスセンサ(上側の方形波)と第2のガスセンサ(下側の方形波)との間で交互に切り替わる。そのため、1つのセンサが過渡応答を経ているとき、そのセンサが変動する水素を算出することはさらに難しいが、他のセンサは平衡にある。2つのガスセンサの読み取り値の結果が組み合わされると、連続のガス濃度読取り値が示される(下側の線)。
いくつかの実施形態では、2温度の方法を使用することができるが、各等温線における水素の関数として抵抗を記述するために線を使用する代わりに、2次多項式が使用される。下記に数学的に述べられるように、2つの温度(cT1とcT2)からのオフセットは取り除くことができ、一定のセンサ温度T1またはT2が与えられたときの水素の分圧√H2の関数としての2つの温度における抵抗(RT1とRT2)は、それぞれの温度について3つの係数aT1とaT2、bT1とbT2、およびcT1とcT2が与えられた2次関数である。
システムの感度とは、ガスセンサの抵抗(または他の電気的な特性)が如何に効率よく水素含有量とともに変化するのかを指す。センサの感度は、水素含有量の全領域を通じて必ずしも一定ではない。様々な水素含有量に曝された時、ガスセンサは様々な感度を有し得る。そのため、試験済みの環境の水素含有量に基づいて、変化する感度を考慮に入れることは有益である。
本発明の別の機能は、2次多項式等温線を使用することであるが、区分的線形等温線の項に記載されるとおり、様々な係数のセットが様々な水素の領域について使用される。
等温線はn次多項式、べき関数、または同様の非線形関数として記載することができる。これらの等温線の係数は、ベース抵抗または感度の関数としてウェハについて一般的に求めることができる。校正中に、非線形の等温線関数は線形変換を使用して2つの点に適合するように調節される2つの点(既知の水素分圧および抵抗)を使用して校正することができる。
2温度の動作は、第1の温度と第2の温度との間の有意な温度差を必要とし、結果として、温度状態間の遷移期間が、水素センサの望ましくない過渡応答を誘発し、そのことは典型的には測定能力の低下につながり、また最悪の場合、測定能力は失われる。あるいは、一回に温度の小さな上昇または下降しか起きないように、n数の温度状態を温度Aと温度A+Nとの間で加えることができ、それにより、望ましくない過渡応答の大きさが削減される。すなわち、センサは第1の期間にわたって温度Aにあってもよく、次に、第2の期間にわたって温度A+1まで遷移し、第3の期間にわたって温度A+1に留まり、第4の期間にわたって温度A+2まで遷移し、第n-1の期間にわたって温度A+Nまで遷移し、および、第nの期間にわたって温度A+Nに留まってもよい。センサは逆の順序で温度Aに返り得る。想定では、水素は、最も高い精度で温度状態のそれぞれにおいてライブで算出することができ、および、遷移状態中には、低下し得る可能性がある精度で算出されてもよい。温度AおよびA+Nの状態からの測定値は、オフセットが取り除かれた水素を算出するために、2温度の公式において使用される。
干渉ガスのない環境で、水素の分圧とセンサの動作温度が一定であれば、抵抗値は一定になるはずである(不安定性に起因する小さなドリフトを除く)。しかしながら、ダイにおける環境熱負荷が変化すると(環境温度、流量などによる)、センサの抵抗は変化する。この抵抗の変化は、センサのダイ温度を維持するために使用される測定電力を用いて補うことができる。修正は、抵抗の調節がヒータの電力測定値に比例することを前提としている。補われた抵抗値は、後述のように抵抗測定値に調整値を加えたものに等しい。
ヒータ電力係数もまた動作温度の関数である場合の、ヒータ電力の修正。
ヒータ電力修正方法では、ヒータ電力係数はまた水素分圧の関数であり得る。
2温度の方法では、第1の期間(温度1)および第3の期間(温度2)の平衡状態にダイを熱するのに必要な電力は、測定し、記録することができる。環境温度とダイへの熱負荷が一定であるとすると、環境の温度は下に記載される線形関数を使用して算出することができる:
b.PT2を温度T2におけるダイのヒータ電力とする。
c.TenvをT1およびT2より低い未知の環境温度とする。
Claims (17)
- 流体環境中の標的ガスの標的ガス濃度を求める方法であって、前記方法は、
(a)ガスセンサを前記流体環境に晒す工程であって、前記ガスセンサは前記標的ガス濃度の関数として変化する電気的特性を有する工程、
(b)工程(a)中に前記ガスセンサの温度を調節する工程であって、当該調節は、前記電気的特性において振幅周波数応答を誘発する反復熱波形の形である工程、
(c)工程(b)中に前記電気的特性を監視する工程、
(d)前記ガスセンサの前記電気的特性の前記振幅周波数応答の関数として前記標的ガス濃度を算出する工程、および、
(e)前記振幅周波数応答に基づいて校正表を生成する工程、
を含む、方法。 - 前記校正表は、前記標的ガス濃度を、短時間フーリエ変換を使用して測定された前記振幅周波数応答と関連させることによって生成される、請求項1に記載の方法。
- 前記標的ガスの既知の分圧を前記ガスセンサに適用し、前記ガスセンサが第2の振幅周波数応答を生成することを可能にし、前記第2の振幅周波数応答に基づいて修正を前記校正表に適用することによって、前記振幅周波数応答におけるシフトを修正する工程をさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 修正を前記校正表に適用する工程をさらに含み、前記適用する工程は、
(a)前記ガスセンサが第2の振幅周波数応答を生成することを可能にすること、
(b)2つの温度で動作するために前記ガスセンサの動作モードを変えること、
(c)前記ガスセンサが前記標的ガスに晒されている間、第1の温度と第2の温度との間で前記ガスセンサの前記温度を交互に制御することであって、前記ガスセンサの前記温度は第1の期間にわたって前記第1の温度のままであり、第2の期間にわたって前記第1の温度から前記第2の温度へと遷移し、第3の期間にわたって前記第2の温度のままで制御すること、
(d)第2および第4の期間中に前記ガスセンサの前記電気的特性を監視すること、
(e)前記電気的特性の関数として前記標的ガス濃度を算出すること、および、
(f)前記第2の振幅周波数応答および算出された前記標的ガス濃度に基づいて前記修正を算出すること、
によって行われる、請求項2に記載の方法。 - 流体環境中の標的ガスの標的ガス濃度を求める方法であって、前記方法は、
(a)ガスセンサを前記流体環境に晒す工程であって、前記ガスセンサは前記標的ガス濃度の関数として変化する電気的特性を有する工程、
(b)工程(a)中に前記ガスセンサの温度を調節する工程であって、当該調節は、前記電気的特性において振幅周波数応答を誘発する反復熱波形の形である工程、
(c)工程(b)中に前記電気的特性を監視する工程、および、
(d)前記ガスセンサの前記電気的特性の前記振幅周波数応答の関数として前記標的ガス濃度を算出する工程、
を含む、方法であって、
前記反復熱波形は複数の正弦波の重ね合わせによって生成され、各正弦波は対応する前記振幅周波数応答の校正表を有する、方法。 - 前記複数の正弦波は、第1の周波数のセットを有する第1の正弦波のセット、および第2の周波数のセットを有する第2の正弦波のセットを含み、前記第1の周波数のセットは前記第2の周波数のセットよりも低く、前記標的ガス濃度の算出は、前記第1の周波数のセットまたは前記第2の周波数のセットのうちの1つの前記振幅周波数応答に基づく、請求項5に記載の方法。
- 流体環境中の標的ガスの標的ガス濃度を求める方法であって、前記方法は、
(a)ガスセンサを前記流体環境に晒す工程であって、前記ガスセンサは前記標的ガス濃度の関数として変化する電気的特性を有する工程、
(b)工程(a)中に前記ガスセンサの温度を調節する工程であって、当該調節は、前記電気的特性において位相周波数応答を誘発する反復熱波形の形である工程、
(c)工程(b)中に前記電気的特性を監視する工程、
(d)前記ガスセンサの前記電気的特性の前記位相周波数応答の関数として前記標的ガス濃度を算出する工程、および、
(e)前記位相周波数応答に基づいて校正表を生成する工程、
を含む、方法。 - 前記校正表は、前記標的ガス濃度を、短時間フーリエ変換を使用して測定された前記位相周波数応答と関連させることによって生成される、請求項7に記載の方法。
- 前記標的ガスの既知の分圧を前記ガスセンサに適用すること、前記ガスセンサが第2の位相周波数応答を生成することを可能にすること、修正を前記第2の位相周波数応答に基づいて前記校正表に適用することによって、前記位相周波数応答におけるシフトを修正する工程をさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 修正を前記校正表に適用する工程をさらに含み、前記適用する工程は、
(a)前記ガスセンサが第2の位相周波数応答を生成することを可能にすること、
(b)2つの温度で動作するために前記ガスセンサの動作モードを変えること、
(c)前記ガスセンサが前記標的ガスに晒されている間、第1の温度と第2の温度との間で前記ガスセンサの前記温度を交互に制御することであって、前記ガスセンサの前記温度は第1の期間にわたって前記第1の温度のままであり、第2の期間にわたって前記第1の温度から前記第2の温度へと遷移し、第3の期間にわたって前記第2の温度のままであること、
(d)第2および第4の期間中に前記ガスセンサの前記電気的特性を監視すること、
(e)前記電気的特性の関数として前記標的ガス濃度を算出すること、および、
(f)前記第2の位相周波数応答および算出された前記標的ガス濃度に基づいて前記修正を算出すること、
によって行われる、請求項8に記載の方法。 - 流体環境中の標的ガスの標的ガス濃度を求める方法であって、前記方法は、
(a)ガスセンサを前記流体環境に晒す工程であって、前記ガスセンサは前記標的ガス濃度の関数として変化する電気的特性を有する工程、
(b)工程(a)中に前記ガスセンサの温度を調節する工程であって、当該調節は、前記電気的特性において位相周波数応答を誘発する反復熱波形の形である工程、
(c)工程(b)中に前記電気的特性を監視する工程、および、
(d)前記ガスセンサの前記電気的特性の前記位相周波数応答の関数として前記標的ガス濃度を算出する工程、
を含む、方法であって、
前記反復熱波形は複数の正弦波の重ね合わせによって生成され、各正弦波は対応する前記位相周波数応答の校正表を有する、方法。 - 前記複数の正弦波は、第1の周波数のセットを有する第1の正弦波のセット、および第2の周波数のセットを有する第2の正弦波のセットを含み、前記第1の周波数のセットは前記第2の周波数のセットよりも低く、前記標的ガス濃度の算出は、前記第1の周波数のセットまたは前記第2の周波数のセットのうちの1つの前記位相周波数応答に基づく、請求項11に記載の方法。
- 流体環境中の標的ガスの標的ガス濃度を求める方法であって、前記方法は、
(a)ガスセンサを前記流体環境に晒す工程であって、前記ガスセンサは前記標的ガス濃度の関数として変化する電気的特性を有する工程、
(b)工程(a)中に前記ガスセンサの温度を調節する工程であって、当該調節は、前記電気的特性において周波数応答を誘発する反復熱波形の形である工程、
(c)工程(b)中の前記電気的特性を監視する工程、
(d)前記ガスセンサの前記電気的特性の前記周波数応答の関数として前記標的ガス濃度を算出する工程、および、
(e)前記周波数応答に基づいて校正表を生成する工程、
を含む、方法であって、
前記校正表は、前記標的ガス濃度を短時間フーリエ変換を使用して測定された前記周波数応答と関連させることによって生成される、方法。 - 前記標的ガスの既知の分圧を前記ガスセンサに適用すること、前記ガスセンサが第2の周波数応答を生成することを可能にすること、修正を前記第2の周波数応答に基づいて前記校正表に適用することによって、前記周波数応答におけるシフトを修正する工程をさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 修正を前記校正表に適用する工程をさらに含み、前記適用する工程は、
(a)前記ガスセンサが第2の周波数応答を生成することを可能にすること、
(b)2つの温度で動作するために前記ガスセンサの動作モードを変えること、
(c)前記ガスセンサが前記標的ガスに晒されている間、第1の温度と第2の温度との間で前記ガスセンサの前記温度を交互に制御することであって、前記ガスセンサの前記温度は第1の期間にわたって前記第1の温度のままであり、第2の期間にわたって前記第1の温度から前記第2の温度へと遷移し、第3の期間にわたって前記第2の温度のままであること、
(d)第2および第4の期間中に前記ガスセンサの前記電気的特性を監視すること、
(e)前記電気的特性の関数として前記標的ガス濃度を算出すること、および、
(f)第2の周波数応答および算出された前記標的ガス濃度に基づいて前記修正を算出すること、
によって行われる、請求項13に記載の方法。 - 流体環境中の標的ガスの標的ガス濃度を求める方法であって、前記方法は、
(a)ガスセンサを前記流体環境に晒す工程であって、前記ガスセンサは前記標的ガス濃度の関数として変化する電気的特性を有する工程、
(b)工程(a)中に前記ガスセンサの温度を調節する工程であって、当該調節は、前記電気的特性において周波数応答を誘発する反復熱波形の形である工程、
(c)工程(b)中の前記電気的特性を監視する工程、および、
(d)前記ガスセンサの前記電気的特性の前記周波数応答の関数として前記標的ガス濃度を算出する工程、
を含む、方法であって、
前記反復熱波形は複数の正弦波の重ね合わせによって生成され、各正弦波は対応する振幅周波数応答の校正表を有する、方法。 - 前記複数の正弦波は、第1の周波数のセットを有する第1の正弦波のセット、および第2の周波数のセットを有する第2の正弦波のセットを含み、前記第1の周波数のセットは前記第2の周波数のセットよりも低く、前記標的ガス濃度の算出は、前記第1の周波数のセットまたは前記第2の周波数のセットのうちの1つの前記周波数応答に基づく、請求項16に記載の方法。
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