KR102531308B1 - 콤팩트한 광학 가스 검출 시스템 및 장치 - Google Patents
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Abstract
포터블 가스 검출을 위한 시스템 및 장치. 구체적으로, 이 개시는 콤팩트한 패키지 내의 광학 가스 검출을 위한 장치 및 시스템을 기술한다. CO2, NOx, 수증기, 메탄, 등과 같은 가스에 대한 매우 콤팩트한 저파워 가스 검출 시스템에 대한 필요성이 있다. 이 개시는 광학 흡수 스펙트로스코피의 원리에 기초한 극단으로 콤팩트하고 고효율적인 광학 측정 시스템을 제공한다. 이것은 파워 소비뿐만 아니라 기기의 크기를 한 자릿수 이상만큼 줄일 수 있어 넓게 배치하는 것을 가능하게 한다. 사람의 건강, 환경을 개선하고 에너지 사용을 절약하기 위해 수많은 분산 가스 센서에 대한 확인된 필요성이 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호참조
이 출원은 2017년 5월 30일에 출원된 "Compact Optical Gas Detection System" 명칭의 미국 가출원 62/512,407 및 2018년 5월 30일에 출원된 "Compact Optical Gas Detection System and Apparatus" 명칭의 미국 가출원 15/993,188에 관련되고 이들에 대한 우선권을 주장하고, 이들 모두는 전문이 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 포터블 가스 검출에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 콤팩트한 패키지의 광학 가스 검출을 위한 장치 및 시스템을 기술한다.
비분산 적외선 센서(또는 NDIR 센서)는 종종 가스 검출기로서 사용되는 단순한 스펙트로스코픽이다. 적외선 에너지는 변형없이 대기(atmospheric) 샘플링 챔버를 통과할 수 있기 때문에 광학 분산의 관점에서 비분산성이다.
NDIR 센서의 주요 성분은 적외선 소스(램프), 샘플 챔버 또는 광 튜브, 광 필터, 및 적외선 검출기이다. IR 광은 샘플 챔버를 통해 검출기를 향하여 지향된다. 동시에, 동동된 참조 가스, 전형적으로 질소를 가진 또 다른 챔버가 있다. 샘플 챔버 내 가스는 비어-람버트 법칙에 따라 특정 파장의 흡수를 야기하며, 이들 파장의 감쇠는 가스 농도를 결정하기 위해 검출기에 의해 측정된다. 검출기는 이의 전방에 선택된 가스 분자가 흡수할 수 있는 파장을 제외한 모든 광을 제거하는 광학 필터를 갖는다.
이상적으로 다른 가스 분자는 이 파장의 광을 흡수하지 않으며, 검출기에 도달하는 광의 양에 영향을 미치지 않지만 일부 교차 감도는 불가피하다. 예를 들어, IR 영역에서 많은 측정은 H2O에 교차 민감하고 따라서 CO2, SO2 및 NO2와 같은 가스는 종종 저 농도에서 교차 감도를 개시한다.
일반적인 응용은 CO2를 모니터링하기 위해 NDIR(비분산 적외선 흡광) 센서를 사용하는 것이다. 대부분의 분자는 적외선을 흡수할 수 있어, 이들은 구부러지거나 늘어나거나 비틀어지게 된다. 흡수되는 IR 광의 양은 농도에 비례한다. 광자의 에너지는 이온화를 유발하기엔 충분하지 않으며, 따라서 검출 원리는 광이온화 검출기(PID)의 것과는 매우 다르다. 궁극적으로, 에너지는 운동 에너지로 변환되어, 분자는 속도가 높아지게 되고 가스를 가열되게 한다. 익숙한 IR 광원은 가정용 백열 전구이다. 각 분자는 존재하는 본드 유형을 나타내는 파장의 적외광을 흡수한다.
전형적으로 광대역 광원으로 구성되는 많은 기술이 제안되어졌다. 불행히도, 이들은 광 수집 효율을 감소시키는 비교적 긴 광학 경로를 요구한다. 본 개시의 발명자는 이들 단점을 확힌하고 높은 수집 효율을 갖는 보다 정연하고 견고하며 콤팩트한 광학 가스 검출 측정 시스템에 대한 필요성을 인식하였다. 즉, 발명자는 정확도를 내주지 않고 패키징을 통해 대량 생산될 수 있는 콤팩트한 저-파워의 광학 가스 검출 장치를 만들어냈다.
이 개요는 본 특허 출원의 주제의 개요를 제공하기 위한 것이다. 발명의 배타적이거나 고갈적 설명을 제공하려는 것이 아니다. 도면을 참조하여 본 출원의 나머지 부분에 기술된 본 발명의 일부 측면에 이러한 시스템의 비교를 통해 종래의 및 통상적인 접근법의 추가적인 제한 및 단점이 당업자에게 명백해질 것이다.
포터블 가스 검출을 위한 시스템 및 장치. 구체적으로, 이 개시는 콤팩트한 패키지 내의 광학 가스 검출을 위한 장치 및 시스템을 기술한다. CO2, NOx, 수증기, 메탄, 등과 같은 가스에 대한 매우 콤팩트한 저파워 가스 검출 시스템에 대한 필요성이 있다. 이 개시는 광학 흡수 스펙트로스코피의 원리에 기초한 극단으로 콤팩트하고 고효율적인 광학 측정 시스템을 제공한다. 이것은 파워 소비 뿐만 아니라 기기의 크기를 한 자릿수 이상만큼 줄일 수 있어 넓게 배치하는 것을 가능하게 한다. 사람의 건강, 환경을 개선하고 에너지 사용을 절약하기 위해 수많은 분산 가스 센서에 대한 확인된 필요성이 있다.
본 개시의 일 측면에 따라, 광의 흡수의 측정을 위한 광-전자 패키지는 가스의 흡수의 측정을 위한 공동을 형성하기 위해 기판을 덮는 캡을 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 광 흡수의 측정을 위한 광-전자 패키지는 광원이 배치된 기판을 더 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 광 흡수의 측정을 위한 광-전자 패키지는 캡이 부착된 적어도 하나의 검출기를 갖는 기판을 더 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 캡의 내측 형상은 검출기에 광원의 높은 수집을 제공하기 위해 실질적으로 45도로 기울어진 2개의 타원형 미러 표면으로부터 미러 형상이 도출되는 미러를 형성한다. 타원형 미러는 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면을 형성한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 캡은 가스 분자의 확산을 위한 개구를 제공한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 기판 및 캡은 서로 정렬하는 방법을 제공한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 광 흡수 측정을 위한 광-전자 패키지는 적어도 2개의 검출기가 배치된 기판을 더 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 제1 검출기는 신호가 소정의 가스에 의한 흡수에 실질적으로 둔감하도록 광을 측정하는 기준 검출기로서 작용한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 소정의 가스에 의한 흡수에 실질적으로 민감하게 되도록 제2 검출기는 이에 부착되거나 이 위에 제공되는 광학 필터를 가질 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 광 흡수의 측정을 위한 광-전자 패키지는 적어도 하나의 검출기가 기준 검출기로서 작용하고 공동에 존재하는 다른 가스를 검출하기 위해 다른 검출기 광학 필터가 이들에 적용되어진 많은 검출기를 더 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 광원은 LED 또는 열 광원일 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 광 흡수의 측정을 위한 광-전자 패키지는 광원이 배치된 기판을 더 포함한다. LED는 0.2-12㎛의 중심 파장을 가질 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 검출기는 직접 광자 흡수를 사용하거나 광 플럭스를 측정하기 위해 열로의 변환을 포함하는 간접 측정 방법을 사용할 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 직접 광자 검출기는 PbSe, PbS, HgCdTe, GaSb/InAs 초격자, 등으로부터 만들어진 검출기를 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 간접 열 검출기는 초전기, 볼로미터, 등을 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 소정의 가스는 CO2, 수증기, 메탄, NO, 및 다양한 알코올의 증기일 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 소정의 가스는 마취에서 사용되는 가스들 중 임의의 가스일 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 소정의 가스는 디젤, 등유, 또는 가솔린의 증기일 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 복수의 가스는 각각의 가스에 대해 선택된 광학 필터를 갖는 복수의 검출기를 사용하고 광대역 광원을 사용함으로써 동시에 검출될 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 소정의 가스는 폭 분석을 위해 동시에 검출되는 CO2 및 알코올 증기일 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 소정의 가스는 폭 분석을 위해 동시에 검출되는 물 및 알코올 증기일 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 광 흡수의 측정을 위한 광-전자 패키지는 더 큰 먼지 입자가 공동으로 들어가는 것을 방지하기 위해 캡을 형성하는 공동의 개구가 미세한 메쉬로 덮일 수 있음을 더 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면에 따라, 광 흡수의 측정을 위한 광-전자 패키지는 패키지가 가스 챔버와 별도로 테스트될 수 있는 "베이스 패키지"로 구성되고, 둘 은 완전한 가스 검출 시스템을 형성하기 위해 조립에 의해 조합되는 것을 더 포함한다.
도면은 예시적인 바이오포텐셜 회로 및 구성을 도시한다. 이들 회로의 변형, 예를 들어 회로로부터 어떤 요소의 위치를 변경, 추가 또는 제거하는 것은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다. 도시된 스모크 검출기, 구성 및 상보적 디바이스는 상세한 설명에서 발견된 지지에 상보적인 것이 되게 의도된다.
본 발명의 본질 및 이점을 충분히 이해하기 위해, 첨부 도면과 관련하여 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 참조한다.
도 1a는 본원에 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 직선 튜브를 이용한 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 1b는 본원에 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 구부러진 튜브를 이용한 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 2a는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템 기판을 도시한다.
도 2b는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 완성된 패키지 내의 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 3은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 흡수 스펙트럼을 도시한다.
도 4는 본원에서 제공된 개시 내용의 일부 실시예에 따라, 차단 요소를 포함하고 예시적인 광선 추적을 도시하는 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 5는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 광학 가스 검출 측정 시스템에 대한 예시적인 효율을 도시한다.
도 6은 본원에 제공된 개시 내용의 일부 실시예에 따라, 차단 요소를 포함하고 예시적인 광선 추적을 도시한 예시적인 스케일링된 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 7은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 광학 가스 검출 측정 시스템에 대한 감도, 에너지 및 신호 대 노이즈비(SNR)를 비교하는 예시적인 차트를 도시한다.
도 8은 본원에서 제공된 본 발명의 일부 실시예에 따라, 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템의 등각도를 도시한다.
도 9는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템의 측면도를 도시한다.
도 10은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 2개의 베이스 패키지를 갖는 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 11은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 완성된 패키지 내의 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템의 등각도를 도시한다.
도 1a는 본원에 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 직선 튜브를 이용한 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 1b는 본원에 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 구부러진 튜브를 이용한 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 2a는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템 기판을 도시한다.
도 2b는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 완성된 패키지 내의 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 3은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 흡수 스펙트럼을 도시한다.
도 4는 본원에서 제공된 개시 내용의 일부 실시예에 따라, 차단 요소를 포함하고 예시적인 광선 추적을 도시하는 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 5는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 광학 가스 검출 측정 시스템에 대한 예시적인 효율을 도시한다.
도 6은 본원에 제공된 개시 내용의 일부 실시예에 따라, 차단 요소를 포함하고 예시적인 광선 추적을 도시한 예시적인 스케일링된 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 7은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 광학 가스 검출 측정 시스템에 대한 감도, 에너지 및 신호 대 노이즈비(SNR)를 비교하는 예시적인 차트를 도시한다.
도 8은 본원에서 제공된 본 발명의 일부 실시예에 따라, 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템의 등각도를 도시한다.
도 9는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템의 측면도를 도시한다.
도 10은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 2개의 베이스 패키지를 갖는 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다.
도 11은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 완성된 패키지 내의 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템의 등각도를 도시한다.
본 개시는 포터블 가스 검출에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 이 개시는 콤팩트한 패키지의 광학 가스 검출을 위한 장치 및 시스템을 설명한다. 본 발명자들은 콤팩트하고 견고한 저파워 가스 검출기를 얻기 위해 기하학적 광학을 사용하는 새로운 패키징을 고찰한다.
다음의 설명 및 도면은 본 개시의 다양한 원리가 수행될 수 있는 몇몇 예시적인 방식을 나타내는 본 개시의 특정 예시적인 구현을 상세히 설명한다. 그러나, 예시적인 예는 본 개시의 많은 가능한 실시예를 완전하게 하는 것은 아니다. 본 개시의 다른 목적, 장점 및 신규한 특징은 적용가능한 도면을 고찰하여 앞에서 설명되었다.
CO2, NOx, 수증기, 메탄, 등과 같은 산업적으로 유의한 가스의 정량적 측정을 위한 가장 보편적인 기술 중 하나는 광학 흡수에 의해 수행된다. 이들 가스의 대부분은 전자기 스펙트럼의 1-12 ㎛ 영역에서 강한 발진 흡수 스펙트럼을 가지며, 다양한 발진 모드 및 이의 오버톤을 포함하다.
기본 측정 기술은 타겟 가스의 농도가 변함에 따라 특정 관심 파장의 광원의 소멸의 측정 변화로 구성된다. 이 기술은 일반적으로 비분산 적외선(NDIR) 기술이라고 하다.
많은 디바이스가 시판되고 있다. 이들은 일반적으로 광대역 광원 -전구 또는 콤팩트한 히터 또는 LED와 같은 열- 으로 구성되며, 이의 출력은 가스의 흡수를 위해 비교적 긴 경로 길이를 제공하는 광학 시스템과 소멸을 측정하기 위한 검출기 시스템을 통해 통과된다. 광학 시스템 내 작은 홀은 가스가 광 경로로 확산되도록 한다.
검출기 시스템 자체는 2개의 검출기로 구성될 수 있다. 한 검출기는 기준 신호를 제공하며, 특히 광원의 드리프트 및 변화와 광학 채널의 상태를 측정하기 위해 관심 가스 흡수 라인들을 줄이거나 피하도록 튜닝된다. 다른 검출기는 측정될 가스의 흡수 파장에 튜닝된다.
광학 시스템의 많은 구성이 과거에 제안되어졌으며, 이들 디바이스 중 일부는 시판되고 있다. 측정될 가장 보편적인 가스 중 하나는 CO2이다. 신규 광학 패키지의 설계에 대한 아래의 논의에서, 논의를 구체적으로 하기 위해 CO2 가스에 초점을 맞출 것이지만, 원리는 앞서 언급된 많은 산업적으로 관련된 가스에 적용되며 매우 일반적이다.
또한, 본 개시는 냉각이 비용을 추가하고 파워 소비를 증가시키며 시스템 복잡성을 증가시키기 때문에 실온 검출기를 사용하고 냉각되지 않는 시스템에 초점을 맞출 것이다. 그러나, 능동 및/또는 수동 냉각은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.
바람직한 실시예를 이해하고 이를 이전의 디바이스와 비교하기 위해 몇가지 기본 식들 요구된다. 측정을 허용하는 기본 식은 다음과 같다.
위의 식에서, 
은 소스의 세기이며, 
은 
에서 흡수 라인을 중심으로 한 광학 필터를 나타내며, 
은 단위 농도당 가스의 흡수 계수이며, c는 농도이고, L eff 는 흡수에 대한 효과적인 광학 경로 길이이다. 팩터(γ)는 광원으로부터 최종 방사(S)가 측정되는 검출기로의 광학 시스템의 전체 전송 효율을 나타낸다. 팩터(γ)는 존재한다면 미러의 반사율, 자유 공간에서 전파부터 세기의 감쇠, 검출기 영역, 수집 광학, 등과 같은 광학 시스템의 세부에 의존하는 것에 유의한다.
일단 광학 시스템이 정의되면 파장에 대한 적분이 수행될 수 있다. 이것은 모든 기호가 동일한 의미를 갖지만 적분의 결과로서 유효한 값을 나타내지 않는 간단한 식을 제공하다.
따라서, 라인의 특정한 흡수에 기초한 임의의 광학 시스템에 대해, 위의 식을 적을 수 있다. 검출기에서의 신호는 유효 파장 가중 흡수 계수 뿐만 아니라, 소스 세기(Is), 광학 시스템을 통한 감쇠, 및 전체 수집 효율(Γ)로 표현되는 광학 필터의 특성에 비례한다는 것을 나타낸다.
가스 농도의 변화에 대한 이 기기의 감도는 간단히 위의 식의 미분을 취함으로써 추정될 수 있다.
가스의 흡수가 매우 강하지 않은, 즉, 지수의 인수(argument)가 매우 작고 지수가 유니티(unity) 정도인 실제 경우를 고찰한다. 이것은 (부호를 무시하고) 다음을 의미하다.
또는,
검출기 시스템으로부터의 노이즈는 검출 한계를 설정하기 위해 이제 추가될 수 있다. 명백하게, 감도 
에 대한 한계는 주어진 측정 간격(T)에서 검출기의 노이즈 등가 파워(NEP)가 
와 동일할 때 도달된다. 모두를 합치면 다음과 같다:
위의 식에서 NEP는 W Hz-1/2이다.
일반적으로, 광원 세기는 소스의 물리적 특징에 의해 주어진 상한을 갖는다. 광원은 시스템의 대부분의 파워 소비를 차지하며 오랫동안 이를 켜두는 것은 측정 공동의 상당한 발열에 기인하여 다른 에러에 이르게 할 수 있다. 스펙트럼의 IR 영역(1-12㎛로부터)에서 검출기는 실온에서 ~100 pW/rtHz 내지 10배 nW/rtHz의 범위인 NEP를 갖는다. 따라서, 고감도 및 저파워를 갖는 가스 검출 시스템을 제공하는 것은 수집 효율이 높고 경로 길이가 경우에만 행해질 수 있다.
목적은 제품 
또는 단순화된 제품 
을 최대화하는 것이다. 바람직한 실시예 및 이의 일반화는 이 제품을 최대화하기 위해 매우 비용 효율적이고 확장가능한 방법을 제공한다.
그러나 이들 두 인자는 독립적으로 변경될 수 없다. 예를 들어, 콜리메이팅 광학을 사용함으로써 유효 경로 길이를 증가시킬 수 있지만, 이것은 광원의 에텐듀의 보존에 기인하여 광원으로부터의 수집 효율을 반드시 감소시킬 것이다. 에텐듀는 광이 영역과 각도에서 얼마나 차지하는지를 특징짓는 광학 시스템에서 광의 특성이다.
소스의 관점에서, 이것은 소스의 영역과 소스에서 보았을 때 시스템의 입사 동공이 대하는(subtend) 솔리드 각도와의 곱이다. 동등하게, 시스템 관점에서, 에텐듀는 동공으로부터 보았을 때 소스가 대하는 솔리드 각도를 입구 동공의 영역에 곱한 것과 동일하다. 이들 정의는 영역과 솔리드 각도의 무한소로 작은 요소들에 적용해야 하며, 이들은 이어 아래에 보인 바와 같이 소스와 다이어프램 모두에 대해 합산되어야 한다. 에텐듀는 위상 공간에서 부피인 것으로 간주될 수 있다.
에텐듀는 광학 파워가 보존되는 임의의 광학 시스템에서 결코 감소하지 않기 때문에 중요하다. 완벽한 광학 시스템은 소스와 동일한 에텐듀를 갖고 이미지를 생성한다. 에텐듀는 이상적인 광학 시스템에서 일정한 특성을 공유하는 라그랑즈 불변 및 광학 불변에 관계된다. 광학 시스템의 방사는 에텐듀에 대한 방사 플럭스의 미분과 동일하다.
에텐듀는 특히 LED 또는 램프와 같은 확장 광원 및 MEMS(hot micro-electro-mechanical) 요소에 영향을 준다. 높은 반사성 내벽을 갖는 긴 튜브를 사용할 수 있지만, 튜브 자체는 디바이스 부피를 줄이기 위해 코일로 감겨있다. 이것은 경로 길이를 증가시키지만 검출기에 도달하는 광을 줄일 수 있다. 감소된 수신된 광은 튜브의 측벽에서의 결함으로 인해 많은 수의 반사 및 불변의 증가에 의해 야기된다.
또한, 튜브의 직경이 검출기에 매칭되지 않는다면 검출기는 튜브의 애퍼처를 떠나는 모든 광을 거의 수집하지 않는다. 이러한 경우, 반사로 인한 손실이 상당할 수 있다. 긴 경로 길이를 유지하면서 LED 또는 램프와 같은 확장된 소스에서 가능한 한 많은 광을 수집하는 것은 쉽지 않으며 어려운 것으로 입증되어진 것을 명심하는 것이 중요하다.
도 1a는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 미러(130)을 포함하는 직선 튜브(140)를 이용하는 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템(100)을 도시한다. 유사하게, 도 1b는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 구부러진 튜브(160)를 사용하는 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템(150)을 도시한다. 둘 다 더 자세하게 논의될 것이다.
광학 가스 검출 측정 시스템(100, 150)은 둘 다 광원(110) 및 검출기(120)를 포함한다. 위에 논의된 기술은 도 1a 및 도 1b에 도시된 구현의 예이다. 내벽 반사율 R(<1)을 가진 단순 튜브에 대한 계산은 유효 경로 길이가 튜브 길이보다 약간 더 길고 수집 효율은 내면의 반사율과 튜브 직경에 크게 의존한다는 것을 보여준다.
튜브의 반사율이 약간만 변경되어도 수집 효율은 급격히 감소하게 될 것이다. 예를 들어, 2mm 내경과 1mm 검출기를 가진 40mm 길이 튜브(R=0.9)는 광의 ~ 4%만 수집할 것이다. 이것은 벽의 거칠기에 기인한 산란으로부터의 손실은 포함하지 않는다. 또한, 다중 반사가 발생하기 때문에, 수년에 걸쳐 안정적인 반사율을 갖기 위해서는 고가의 광학 코팅이 내벽에 적용되어야 한다. LED와 검출기는 튜브의 개방된 면에 면해야 하므로 조립 작업은 반드시 비평면 전자 조립을 요구한다. 이것은 종종 통상적인 평면 조립보다 더 복잡하고 비싸다.
CO2, NOx, 수증기, 메탄, 등과 같은 가스에 대한 매우 콤팩트한 저파워 가스 검출 시스템에 대한 필요성이 있다. 이 개시는 광학 흡수 스펙트로스코피 원리에 기초한 극단으로 콤팩트하고 고효율의 광학 측정 시스템을 제공한다. 이것은 파워 소비 뿐만 아니라 기기의 크기를 한 자릿수 이상만큼 줄일 수 있어 넓게 배치하는 것을 가능하게 한다. 사람의 건강, 환경을 개선하고 에너지 사용을 절약하기 위해 수많은 분산 가스 센서에 대한 확인된 필요성이 있다.
도 2a는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템 기판(200)을 도시한다. 유사하게, 도 2b는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 완성된 패키지(250) 내의 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다. 둘 다 이제 함께 논의된다.
하나 이상의 실시예에 따라, 전체 패키지 및 모든 관련 요소가 도 2에 도시되었다. 이는 LED 또는 광원(270)이 장착된 라미네이트 또는 기판(220)을 포함한다. 일부 실시예에서, 도시된 바와 같이 검출될 가스에 대해 요구되는 파장의 광을 방출하는 서로 옆에 다수의 광원과, 검출기(210) 또는 검출기들이 있을 수도 있을 것이다. 일부 광원은 램프 또는 가열된 필라멘트와 같은 열적이며 광대역이다. 이들은 다수의 가스를 동시에 측정할 때 특히 유용할 수 있다. 구체적, 간결성 및 명료성을 위해, 본 개시는 LED(270)를 계속 사용하지만 이는 임의의 광원을 나타낸다.
하나 이상의 실시예에서, 복잡한 미러 표면이 기판(220) 상에 배치된다. 표면의 주요 기능은 LED(270)로부터 고효율로 광을 수집하고 이를 검출기 표면(210) 상에 수집하는 것이다. 이것은 주로 아래에 설명된 방식으로 놓여지는 2개의 타원형 미러 표면을 사용함으로써 달성된다. 초점(230, 240)은 타원형 미러 표면의 초점을 나타낸다.
광 흡수는 LED(270)로부터 검출기(210)로 광을 전달하는 광학 시스템을 만들기 위해 45도만큼 기울어진 이들 2개의 타원형 미러 표면의 배열에 의해 주로 형성된 공동에서 발생한다. 미러의 중심은 LED(270) 및 검출기(210) 시스템의 중심에 주로 정렬된다.
이들 타원형 미러는 반사기를 형성하기 위해 몰드에 적용된 금속 코팅을 갖는 몰딩된 성분을 사용하여 만들어질 수 있고, 따라서 측벽 미러 및 타원형 미러를 갖는 전체 미러 조립체는 단일 몰딩된 부품을 나타낼 수 있다. 이것이 도 2b에 도시되었다. 가스를 환경과 교환하기 위해 몰드에 제공된 "홀"(260)이 또한 존재한다. 이들 홀은 다수개 일 수 있고 효율적인 교환을 위해 상이한 개구를 가질 수 있다. 시스템의 크기는 mm인 축 상에 스케일로부터 분명하다.
도면에는 하나의 검출기(210) 블록 만이 도시되어 있지만, 다수의 검출기 요소로 구성될 수 있다. 실제로 공통인 바와 같이, 검출기 요소 중 하나는 패키지에서의 장기간 드리프트, 미러의 반사율, 등 뿐만 아니라 LED(270) 출력의 변동을 정규화하기 위한 기준 채널을 제공할 수 있다. CO2 검출을 위해, LED(270)는 CO2가 현저한 흡수 대역을 보여주는 4.3㎛ 파장 부근의 광을 주로 생성한다. 한 검출기는 LED(270)로부터 모든 광을 수집할 수 있는 반면에, 다른 검출기는 이의 표면 근처 또는 표면 상에 광학 필터를 4.3 ㎛ 근처의 광을 선택적으로 투과시키기 위해 포함할 수 있다.
도 3은 본원에 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 흡수 스펙트럼(300)을 도시한다. CO2의 흡수 대역을 중심으로 한 특정 LED, 광학 필터의 스펙트럼 및 이의 흡수 스펙트럼이 도 3에 도시되었다. 흡수 스펙트럼(300)은 예시적인 LED의 대역폭(320)을 포함한다.
CO2 대역폭(340)이 요망되기 때문에, 광학 필터(310)는 나머지 스펙트럼을 필터링하기 위해 사용된다. 당업자는 이들 대역폭 및 중심 파장이 가스 흡수 유형 및 광학 필터 유형에 기초하여 달라질 것음을 인식할 것이다.
시스템의 완전한 광선 추적이 도 4에 도시되었다. 도 4는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 차단 요소(450)를 포함하고 예시적인 광선 추적을 도시하는 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템(400)을 도시한다.
광학 가스 검출 측정 시스템(400)은 LED(410), 검출기(470), 제1 타원형 미러(420), 제2 타원형 미러(460), 및 미러의 대칭 축(430, 440)을 포함하고, 이에 의해 LED(410)/검출기(470) 중심은 명목상으로 정렬된다.
타원 미러 표면(420, 460)은 타원체의 일반식을 사용하고 이어 타원체를 도 2 및 도 4에 도시된 위치로 전환함으로써 생성된다. 도 4에 도시된 높이(z)는 검출기 표면에서 광선의 최상의 캡처를 생성하도록 조정된다. 하나 이상의 실시예에서, 높이는 광학 요소로부터 타원체의 초점까지의 거리이다. Z는 타원체의 형상과 밀접한 관련이 있다. 회전되지 않은 타원체는 다음과 같이 쓸 수 있다:
여기에 도시된 도 4를 위해서 파라미터 
를 선택했다. LED(410) 위의 타원체는 y-축을 중심으로 45도만큼 회전되고, 이어 LED(410)가, 이 경우에 f인, 중심으로부터 동일한 거리만큼 전환된다. 검출기 위의 제2 미러(460) 표면은 회전 및 전환에 의해 유사하게, 그러나 현재는 반대 방향으로 생성된다. 이 경우 매개 파라미터 f와 z가 일치하지만 이들은 일반적으로는 일치하지는 않는 것에 유의한다.
하나 이상의 실시예에서, 광학 배리어(450)는 실질적으로 더 짧은 경로를 갖는 것보다 직접적인 방사를 피하기 위해 LED(410)와 검출기 사이에 배치된다. 이것이 도 4에 도시되었다. 이것은 기기의 캘리브레이트에서 에러를 야기할 수 있다.
여기에 도시된 설계는 자신의 초점들 하나에서 시작하는 광선이 자신의 제2 초점에 수렴할 것이라는 사실을 사용하는 잘 알려진 단일 타원형 미러 기반 광학 설계와는 실질적으로 상이하다. 이러한 설계는 미러 및 광학 경로의 크기가 타원의 파라미터에 의해 직접적으로 결정되므로 실제적이지 않다.
실시예에 도시된 설계는 현재의 최신 기술에 비해 몇가지 이점을 갖는다:
곡면 미러 표면에 대한 LED/검출기 배치의 변동에 강하다. 이것은 조립 프로세스 동안 불가피하게 발생한다. 이것은 도 5에 도시되었고 아래에서 더 자세히 설명된다.
또한, LED 또는 램프와 같은 확산 광원에서 나오는 광의 많은 부분을 수집하는데 매우 효율적이다. 이것은 또한 도 5에 표시되었다. 도 5는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 광학 가스 검출 측정 시스템에 대한 예시적인 효율(500)을 도시한다. 도 5는 또한 상이한 검출기 크기에 대한 배치 에러에 대한 견고성을 도시한다.
설계는 고품질 광학 표면을 형성하고 가스 감지를 위한 광학 공동을 형성하기 위해 단일품 정밀 몰드와 같은 다량 제조 기술을 사용할 수 있게 한다. 이들 공동은 기판에 라미네이트 상에 검출기 및 LED로 채워 쉽게 조립될 수 있다.
이점을 계속하여, 본 실시예는 표준의 평면 전자 조립을 사용한다. 이것은 반사 광학만을 사용하다. 이것은 0.2-12 ㎛의 가용 광원으로 액세스가능한 전체 광학 스펙트럼을 사용할 수 있게 한다.
전술한 바와 같이, 광학 경로 길이와 수집 효율과의 가장 큰 곱 중 하나를 갖는다. 이것은 매우 낮은 파워 소비를 갖는 가장 작은 센서 시스템에 이르게 한다.
이것은 편탄 LED 소스 내지 MEMS(micro-electro-mechanical) 디바이스의 히터 필라멘트 내지 통상적 램프에 이르기까지 많은 종류의 광원을 수용한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이 설계는 매우 높은 광 수집 효율을 허용한다. 이것이 센서 시스템의 콤팩트화에 대한 주요 이유이다. 일반적으로, 임의의 가스의 분자 흡수 계수가 주어지면, ppm으로 측정에서 어떤 정확도를 달성하는데 필요한 신호 대 노이즈비(SNR)는 흡수의 특정 경로 길이에 대해 고정된다.
약한 흡수의 한계에서 -따라서 지수 흡수를 선형화할 수 있도록- 일반적으로 다음과 같이 쓸 수 있다:
필터(
)를 통해 가스의 유효 흡수 계수에서 파장의 함수로서 필터 및 흡수의 효과를 흡수하였다.
L을 증가시키는 것은 주어진 요구된 ppm 정확도에 대한 신호 대 노이즈비(SNR) 요건을 감소시킨다. 따라서, 수신기 시스템으로부터의 노이즈를 극복하기 위해 더 작은 신호를 필요로 할 것이다.
필요한 소스 광량(
)은 곱(
)에 의존한다. 팩터는 공통이다. 물론, 더 작은 N을 갖고 저 노이즈 시스템을 사용하는 것은 측정의 임의의 시스템에 이익이 된다는 것은 말할 나위도 없다.
그러나, 광원은 LED 또는 열적 방향과 같이 모든 방향으로 방사하는 것이기 때문에, 광원으로부터 광을 수집하기 위한 광학적 요건은 더욱 어려워지고 일반적으로 더 긴 경로 길이는 시스템의 더 낮은 광학 수집 효율(
)을 의미한다. 이것은 광학 시스템이 제조 변동에 보다 민감해지기 때문이다.
예를 들어, 긴 반사 튜브에 의해 제공되는 10cm 경로 길이에 대해, LED의 배치에 매우 민감하지 않고 검출기는 ~1% 이하의 광학 효율을 갖는다.
따라서, 많은 종래 시스템은 개시된 발명보다 더 낮은 
곱을 갖는다. 이것은 요구되는 신호 대 노이즈비(SNR)를 유지하고 파워 소비를 줄이고 콤팩트한 패키지를 만들 수 있게 한다.
전체 설계는 상이한 크기의 광원 및 검출기 시스템을 수용하도록 확장가능하다. 이것은 아래에서 설명하며 더 큰 시스템은 도 6에 도시되었다.
도 6은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 차단 요소(650)를 포함하고 예시적인 광선 추적을 도시한 예시적인 스케일링된 광학 가스 검출 측정 시스템(600)을 도시한다. 광학 가스 검출 측정 시스템(600)은 LED(610), 검출기(670), 제1 타원형 미러(620), 제2 타원형 미러(660), 및 LED(610)/검출기(670) 중심이 명목상으로 정렬되게 하는 미러의 대칭축(630, 640)을 포함한다.
다량 전자 조립 프로세스 동안 다양한 성분의 상대적 정렬에 변동. 배치에서의 전형적인 오정렬은 ~ +/- 100㎛일 수 있다. 상세한 계산에 의해 이하에 도시되는 것은 실시예가 광을 수집하는데 효율적이고 이들 변동에 대해 강건한 채로 있다는 것이다.
이들 상세한 몬테카를로 시뮬레이션의 결과가 도 5에 제시되었다. 이 경우에, 3개의 히스토그램은 상이한 크기의 정사각형 검출기에 의해 수집된 LED 광의 부분을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 이 광학 패키지 설계는 이들 변동에 대해 매우 견고하다. 이것은 또한 ~7.2 mm 광학 경로 길이를 제공하면서 광의 많은 부분을 수집한다. 따라서, 이 특정 광학 시스템은 매우 큰 곱(
)(상용 시스템에 비해 거의 10X)을 제공하여, <6*4*4 mm3 ~ 100 mm3의 총 측정 볼륨을 계속 유지하면서도 높은 감도를 갖게 한다. 이것은 상용 시스템보다 볼륨이 100X 더 작다.
도 7은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 광학 가스 검출 측정 시스템에 대한 감도, 에너지, 및 신호 대 노이즈비(SNR)를 비교하는 예시적인 차트를 도시한다. 도 7은 이 설계로 CO2에 대해 1ppm에 도달하는 것이 가능하다는 증거를 보여준다. 동일한 파워 및 신호 대 노이즈비(SNR)에 대한 다른 임의의 가스에 대한 감도는 이를 
이라면 간단히 k로 나누는 것이다.
위에서 보여준 광선 추적 결과와 조합된 실제 LED 효율 및 검출기 시스템 노이즈 플로어의 상세한 시뮬레이션은 CO2에 대한 50ppm 보다 더 나은 측정 감도가 매우 낮은 파워에서 달성될 수 있어 배터리로 동작되는 시스템에서 몇 년 동안 이들 디바이스를 사용하는 것을 가능하게 함을 시사한다. 사실, 측정 길이가 작더라도 CO2에 대해 <1 ppm 측정 정확도에 도달하는 것이 가능할 수 있다.
시뮬레이션으로부터의 추정이 도 7에 도시되었다. 이제 CO2는 4.3 ㎛에서 비교적 큰 흡수 단면을 갖는다. 앞에서 보인 바와 같이, 서로 상이한 가스들에 대한 감도 한계는 단순히 
에 반비례한다. 따라서, CO2에 대한 10ppm 한계는 CO2에 대한 흡수의 10분의 1을 갖는 또 다른 가스에 대한 100ppm 한계와 동등하다. 또는 CO2보다 k배 작은 유효 흡수 단면적을 갖는 임의의 가스 "g"에 대해 다음을 가짐을 쓸 수 있다.
이것은 LED 효율 및 검출기의 NEP가 가스 "g"에 대한 파장에서 매우 다르지 않다고 가정한 것에 유의한다. 예를 들어, 사람의 호흡에서 알코올을 측정하기 위해 동일한 작은 측정 디바이스를 사용한다고 상상할 수 있다. 법적 한계 ~200 ppm 또는 350μg/L에 대한 미국 표준이 매우 가능하다. 개시된 디바이스로 알코올과 함께 사람의 호흡에서 CO2 및 수증기를 동시에 측정할 수 있다. 이것은 기준 센서 뿐만 아니라 3개의 가스에 대응하는 3개의 대역에서 광의 흡수를 측정하기 위해 4개의 검출기를 요구한다.
전체 솔루션은 서로 다른 크기들로 확장가능하다는 점에 유의한다. 경로 길이를 증가시키거나 공동에 다수의 성분을 수용하기 위해 미러는 더 크게 만들어질 수 있다. 도 2 및 4에 도시된 솔루션보다 더 큰 또 다른 솔루션이 도 6에 도시되었다. 더 많은 검출기 또는 더 큰 광원을 수용하기 위해 더 큰 패키지가 필요할 수 있다. 이 경우, 파라미터는 
; 
이다. 광학 경로 길이는 거의 10.6mm이며 2mm 크기 검출기 상에 LED로부터 50%의 광을 계속 수집한다.
타원형 표면을 생성하는 표면의 파라미터의 실제 값에서 상이한 많은 다른 솔루션이 있다. 수집 효율을 최대 25%만큼 높게 유지하면서 34mm만큼 큰 광학 경로 길이가 가능하다. 도 8은 앞에서 설명한 타원형 표면과 성능이 유사한 포물선 미러를 사용한 솔루션을 보여준다. 도 8은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템의 등각도(850) 및 이의 측 광선 추적도(800)를 도시한다. 또 다른 실시예에서, 도 8은 미러 표면을 포물선 또는 포물면으로서 도시한다.
또한, LED 및 검출기를 내포하는 기판은 미러 몰드에 기판의 정렬을 향상시키기 위해 정렬 마크를 가질 수 있다. 도 9는 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템(900)의 측면도를 도시한다.
일반적으로, 발명자는 도 9에 도시된 바와 같이 LED(920), 검출기(950), 판독을 위한 ASIC(940) 및 LED 드라이브, 뿐만 아니라 IR 투명 커버(970)를 포함하는 "베이스 패키지"를 준비할 것을 제안한다. IR 투명 커버(970)는 Si 또는 Ge 또는 ZnSe 또는 Al2O3로 만들어질 수 있다. 그러나, 어떠한 적합한 투명 재료이든 본 개시의 범위를 벗어나지 않는다.
베이스 패키지는 기판(920) 상에 용이하게 제조된다. 이 베이스 패키지는 LED 및 검출기가 고 볼륨 테스트 기계에서 쉽게 액세스가능하고 패키지가 비교적 평탄하게 유지될 때 고 볼륨으로 LED 및 검출기 성능에 대해 테스트될 수 있다.
이 패키지는 도시된 바와 같이 포물선 또는 타원형 미러 및 가스 챔버(980)를 내포하는 별도의 몰딩된 부품(960)의 정렬을 용이하게 하기 위해 정렬 마크를 내포할 수 있다. 예를 들어, 베이스 패키지는 사전에 드릴링된 홀을 가질 수 있는 반면, 미러 표면을 내포하는 몰드는 정렬을 용이하게 하기 위해 핀을 가질 수 있다. 전체 조립체는 가스가 측정을 위해 공동으로 확산하도록 상당수의 "홀"과 "슬롯"을 제공하다.
"베이스 패키지"는 도 10에 도시된 바와 같이 높은 광 수집 효율로 가스 감지에서 직접 사용될 수 있다. 도 10은 본원에서 제공되는 개시의 일부 실시예에 따라, 2개의 베이스 패키지(1020/1030, 1060/1040)를 갖는 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템을 도시한다. 이것은 직선 경로 검출에서 유용하다.
이 경우, 커버에 직접 에칭된 통상적인 벌크 렌즈(1000) 또는 회절 렌즈(1050)를 사용할 수 있다. 회절 렌즈는 콜리메이트를 위한 존 플레이트/프레넬 렌즈 또는 광자 시브(Sieve)를 포함할 수 있으며, 광 수집은 커버에 형성된다. 2개의 베이스 패키지의 사용은 자동으로 2개의 개별 가스에 대해 2개의 LED/검출기 쌍을 사용할 수 있게 한다.
도 11은 본원에서 제공된 개시의 일부 실시예에 따라, 완성된 패키지 내의 예시적인 광학 가스 검출 측정 시스템(1100)의 등각도를 도시한다. 본 실시예는 각각 기판(1140) 상에 배치된 상이한 필터 코팅을 가진 2개의 검출기(1110, 1120)에 입사되는 LED 소스(1130)를 포함한다.
필터는 도 3에 도시된 바와 같이 가스의 흡수를 측정하게 설계되고 검출기 중 하나, 예를 들어 1110 전방에 배치된다. 반면 다른 검출기(1120)는 상이한 광학 필터를 가질 수 있는 또는 전혀 없는 LED의 세기를 동시에 모니터링한다. 이 제2 검출기는 "기준 채널"처럼 역할을 하며, 흡수의 보다 나은 측정을 제공하기 위해 LED 내 변동 또는 온도, 등에서 오는 일반적인 변동을 상쇄시킬 수 있게 한다.
더욱 중요하게는, 공동 설계는 콤팩트한 기하형상에서 다수의 동시 측정을 지원한다.
일부 실시예에서, 검출기 커버 및 광학 챔버 고 전도도(미러링된) 또는 임의의 다른 적절한 재료, 예를 들어 금속, 반-금속, 복합물은 또한 본 개시의 범위를 벗어나지 않는다. 실시예에서, 커버는 폴리머로 만들어지고 당업계에 알려진 증착 기술을 사용하여 은도금될 수 있다.
일부 실시예에서, 광검출기는 광 또는 다른 전자기 에너지의 센서이다. 광검출기는 광 광자를 전류로 변환하는 p-n 접합을 갖는다. 흡수된 광자는 공핍 영역에서 전자-정공 쌍을 만드는데, 이는 수신된 광 세기를 검출하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 광검출기는 광다이오드 또는 광트랜지스터이다. 그러나, 임의의 광 검출 수단, 예를 들어, 애벌랜치, 광-멀티플라이어 튜브, 등은 본 개시의 범위를 벗어나지 않는다.
일부 실시예에서, 광-분리 구조는 벌크에서 광을 흡수하는 재료로 만들어진다. 또한, 요소는 매끄러우며 무광택 마감 대신 미러 유사 마감을 갖는다. 벌크 흡수 재료는 흡수 깊이> 광의 파장의 10배가 되게 한다. 따라서, 굴절률의 실제 부분은 비-흡수성 재료와 동일한 것에 매우 가깝게 유지된다.
이와 같이 이 출원의 기술의 몇몇 측면 및 실시예를 설명하였지만, 당업자에게 다양한 변경, 수정 및 개선이 쉽게 일어날 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 출원에 기술된 기술의 사상 및 범위 내에 있도록 의도된다. 예를 들어, 당업자는 기능을 수행하고 및/또는 결과 및/또는 본원에 설명된 하나 이상의 장점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상할 것이며 각각의 이러한 변형 및 및/또는 수정은 본원에 설명된 실시예의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
당업자는 본원에 기술된 특정 실시예와 많은 등가을 일상적인 실험만을 사용하여 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 그러므로, 전술한 실시예는 단지 예로서 제시되고 첨부된 청구범위 및 등가의 범위 내에서, 발명의 실시예는 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본원에 기술된 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법 중 둘 이상의 임의의 조합은 상호 일관성이 없고, 본 개시의 범위 내에 포함된다.
전술한 실시예는 다양한 방식 중 어느 것으로 구현될 수 있다. 프로세스 또는 방법의 수행을 수반하는 본 출원의 하나 이상의 측면 및 실시예는 프로세스 또는 방법의 성능을 수행 또는 이의 수행을 제어하기 위해 디바이스(예를 들어, 컴퓨터, 프로세서 또는 다른 디바이스)에 의해 실행가능한 프로그램 명령을 이용할 수 있다 .
이와 관련하여, 다양한 본 발명의 개념은 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 프로세서에서 실행될 때, 전술한 다양한 실시예 중 하나 이상을 구현하는 방법을 수행하는 하나 이상의 프로그램으로 엔코딩된 컴퓨터 판독가능 저장 매체(또는 다중 컴퓨터 판독가능 저장 매체)(예를 들어, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크, 콤팩트 디스크, 광 디스크, 자기 테이프, 플래시 메모리, 필드 프로그램가능 게이트 어레이 또는 다른 반도체 디바이스 내 회로 구성, 또는 다른 실체적 컴퓨터 저장 매체)로서 구현될 수 있다.
컴퓨터 판독가능 매체 또는 매체들은 이에 저장된 프로그램 또는 프로그램들이 전술한 측면들의 다양한 것들을 구현하기 위해 하나 이상의 상이한 컴퓨터 또는 다른 프로세서에 로딩될 수 있게, 수송가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 판독가능 매체는 비일시적 매체일 수 있다.
"프로그램" 또는 "소프트웨어"라는 용어는 전술한 바와 같이 다양한 측면를 구현하기 위해 컴퓨터 또는 다른 프로세서를 프로그램하기 위해 채용될 수 있는 임의의 유형의 컴퓨터 코드 또는 컴퓨터 실행가능 명령 세트를 지칭하기 위해 본원에서 일반적인 의미로 사용된다. 또한, 일 측면에 따라, 실행될 때 본 출원의 방법을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램은 단일 컴퓨터 또는 프로세서에 상주할 필요는 없지만 본원의 다양한 측면을 구현하기 위해 다수의 상이한 컴퓨터 또는 프로세서 간에 모듈 방식으로 분산될 수 있음을 이해해야 한다.
컴퓨터 실행가능 명령은 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 디바이스에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 많은 형태일 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈은 특정 작업을 수행하거나 특정 앱스트랙트 데이터 유형을 구현하는 루틴, 프로그램, 객체, 성분, 데이터 구조, 등을 포함한다. 전형적으로, 프로그램 모듈의 기능은 다양한 실시예에서 원하는 대로 조합되거나 분산될 수 있다.
또한, 데이터 구조는 임의의 적절한 형태로 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있다. 예시의 단순화를 위해, 데이터 구조는 데이터 구조에서의 위치를 통해 관련된 필드를 갖는 것으로 도시될 수 있다. 이러한 관계는 마찬가지로 필드들 사이의 관계를 전달하는 컴퓨터 판독가능 매체 내의 위치를 가진 필드들에 대한 저장을 할당함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 데이터 요소들 사이의 관계를 확립하는 포인터, 태그 또는 다른 메커니즘의 사용을 통한 것을 포함하여, 데이터 구조의 필드 내의 정보 사이의 관계를 확립하기 위해 임의의 적절한 메커니즘이 사용될 수 있다.
소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는 단일 컴퓨터에 제공되거나 다수의 컴퓨터 간에 분산되어 있는지에 관계없이 임의의 적합한 프로세서 또는 일단의 프로세서에서 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터는 비-제한적인 예로서 랙-장착 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터 또는 태블릿 컴퓨터와 같은 다수의 형태 중 임의의 것으로 실현될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 컴퓨터는, 일반적으로 컴퓨터로서 간주되지 않지만 PDA(personal digital assistant), 스마트폰, 모바일 전화, 아이패드, 또는 임의의 다른 포터블 또는 고정 전자 디바이스를 포함하는 적절한 처리 능력을 갖는 디바이스에 내장될 수 있다.
또한, 컴퓨터는 하나 이상의 입력 및 출력 디바이스를 가질 수 있다. 이들 디바이스는 무엇보다도 사용자 인터페이스를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스를 제공하기 위해 사용될 수 있는 출력 디바이스의 예는 출력의 시각적 프리젠테이션을 위한 프린터 또는 디스플레이 스크린 또는 출력의 청각 프리젠테이션을 위한 스피커 또는 다른 사운드 생성 디바이스를 포함한다. 사용자 인터페이스를 위해 사용될 수 있는 입력 디바이스의 예는 키보드, 및 마우스, 터치 패드 및 디지타이징 타블렛과 같은 포인팅 디바이스를 포함한다. 다른 예로서, 컴퓨터는 음성 인식을 통해 또는 다른 가청 포맷으로 입력 정보를 수신할 수 있다.
이러한 컴퓨터는 로컬 영역 네트워크 또는 기업 네트워크와 같은 광역 네트워크, 및 지능형 네트워크(IN) 또는 인터넷을 포함하는 임의의 적합한 형태의 하나 이상의 네트워크에 의해 상호연결될 수 있다. 이러한 네트워크는 임의의 적절한 기술에 기초할 수 있고 임의의 적절한 프로토콜에 따라 동작할 수 있으며 무선 네트워크 또는 유선 네트워크를 포함할 수 있다.
또한, 설명된 바와 같이, 일부 측면들은 하나 이상의 방법으로서 구현될 수 있다. 방법의 일부로서 수행되는 단계들은 임의의 적절한 방식으로 순서를 가질 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서 순차적 단계로서 도시되어 있지만, 일부 단계를 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 도시된 것과 다른 순서로 단계들이 수행되는 실시예가 구성될 수 있다.
본원에 정의되고 사용된 모든 정의는 사전 정의, 참조에 의해 포함된 문서의 정의, 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미를 제어하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 부정 관사 "a" 및 "an"은, 달리 명백하게 지시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 어구 "및/또는"은 이와 같이 결합된 요소들, 즉 일부 경우에 공동으로 존재하고 다른 경우엔 분리적으로 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 열거된 다수의 요소는 동일한 방식으로, 즉 그와 같이 결합된 요소 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다.
"및/또는" 절에 의해 특정하게 확인된 것들 이외의 요소는 특정하게 확인된 요소와 관련되든 아니면 관련되지 않든 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때 "A 및/또는 B"에 대한 언급은 일 실시예에서 A만을(선택적으로 B 이외의 요소를 포함한다); 또 다른 실시예에서, B만을(선택적으로 A 이외의 요소를 포함한다); 또 다른 실시예에서, A 및 B 모두를(선택적으로 다른 요소들을 포함한다); 등등을 지칭할 수 있다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록과 관련하여 "적어도 하나"라는 어구는 요소 목록 내 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택되지만, 요소 목록 내 특정하게 열거된 각각 및 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하지 않으며 요소 목록 내 요소들의 임의의 조합을 배제하지 않는, 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이 정의는 또한 특정하게 확인된 요소와 관련되든 아니면 관련되지 않든, 문구 "적어도 하나"가 언급하는 요소 목록 내에서 특정하게 확인된 요소 이외에 요소가 선택적으로 존재할 수 있음을 허용한다.
따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 등가적으로, "A 및/또는 B 중 적어도 하나" )는, 일 실시예에서, 선택적으로 하나 이상의 A를 포함하지만 B가 존재하지 않는(및 선택적으로 B 이외의 요소를 포함하는), 적어도 하나를 지칭할 수 있고; 또 다른 실시예에서, 선택적으로 하나 이상의 A를 포함하지만 B가 존재하지 않는(및 선택적으로 A 이외의 요소를 포함하는), 적어도 하나를 지칭할 수 있고; 또 다른 실시예에서, 선택적으로 하나 이상 A를 포함하는 적어도 하나, 및 선택적으로 하나 이상 B를 포함하는 적어도 하나(및 선택적으로 다른 요소를 포함하는)를 지칭할 수 있다; 등등.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "사이에"는 달리 지시되지 않는 한 포괄적인 것이다. 예를 들어, "A와 B 사이"는 달리 표시되지 않는 한 A와 B를 포함하다.
또한, 본원에서 사용되는 어구 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 본원에서 "포함하는", "포함하는" 또는 "갖는", "내포하는", "연관되는" 및 이들의 변형의 사용은 이 뒤에 열거된 항목 및 이의 등가물을 추가의 항목 뿐만 아니라 포함함을 의미한다.
청구범위 및 위에 명세서에서, "포함하는", "포함하는", "운반하는", "갖는", "내포하는", "수반하는", "보유하는", "구성된", 등과 같은 모든 과도적 문구는 개방형, 즉 포함하지만 그로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. "구성되는" 및 "필수적으로 구성되는"이라는 과도적 문구만이 각각 폐쇄 또는 반-폐쇄된 과도 문구가 될 것이다.
그러므로, 본 발명은 전술한 특정 실시예로 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 구조뿐만 아니라 다양한 변형, 등가의 프로세스는 본 발명이 본 개시의 검토시 향하는 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.
그러므로, 본 발명은 전술한 특정 실시예로 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 구조뿐만 아니라 다양한 변형, 등가의 프로세스는 본 발명이 본 개시의 검토시 향하는 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.
Claims (28)
- 가스에 의한 광의 흡수를 측정하기 위한 광 전자 패키지에 있어서,
기판;
상기 기판 상에 배치된 광원;
제1 광 필터;
상기 기판 상에 배치된 제1 검출기; 및
제1 표면을 갖고, 가스에 의한 광의 흡수를 측정하기 위한 공동을 정의하는 캡
을 포함하고,
상기 캡은 상기 기판과 기계적으로 결합하고 상기 광원과 상기 제1 검출기를 덮도록 구성되며,
상기 캡의 제1 표면은 적어도 두 개의 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들을 형성하고,
상기 광원 및 상기 제1 검출기 각각의 중심은 상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들 각각의 중심에 위치한 수직 축에 정렬되고, 상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들은 실질적으로 45도로 기울어져 있는 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 1에 있어서,
상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들은 타원형 미러들인 것인, 광 전자 패키지. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 캡은 가스 분자들의 확산을 위한 개구들을 제공하는 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 1에 있어서,
상기 기판과 상기 캡은 서로에 대한 정렬 방법을 제공하는 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 1에 있어서,
제2 검출기
를 더 포함하는 광 전자 패키지. - 청구항 6에 있어서,
상기 제1 검출기는 자신의 신호가 미리결정된 가스에 의한 흡수에 실질적으로 둔감하도록 광을 측정하는 기준 검출기로서 작용하는 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 7에 있어서,
상기 미리결정된 가스에 의한 흡수에 실질적으로 민감해지도록 상기 제2 검출기에 광학 필터가 부착되거나 또는 상기 제2 검출기의 최상부 상에 상기 광학 필터가 제공되는 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 1에 있어서,
상기 광원은 LED인 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 9에 있어서,
상기 LED는 0.2~12㎛의 중심 파장을 갖는 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 1에 있어서,
상기 광원은 열 광원인 것인, 광 전자 패키지. - 가스 검출에서 광의 흡수를 측정하기 위한 광 전자 패키지를 제조하는 방법에 있어서,
기판을 제공하는 단계;
상기 기판 상에 광원을 배치하는 단계;
상기 광원에 근접하게 제1 광 필터를 배치하는 단계;
상기 기판 상에 제1 검출기를 배치하는 단계;
상기 기판을 덮는 것에 의해 가스에 의한 광의 흡수를 측정하기 위한 공동을 정의하는 캡을 기계적으로 결합시키는 단계 - 상기 캡은 적어도 두 개의 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들을 포함함- ; 및
상기 광원과 상기 제1 검출기 사이에 격막을 배치함으로써 상기 기판 상에 차단 요소를 제공하는 단계 - 상기 차단 요소는 상기 공동의 폭에 걸쳐 연장됨 -
를 포함하고,
상기 광원 및 상기 제1 검출기 각각의 중심은 상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들 각각의 중심에 위치한 수직 축에 정렬되고, 상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들은 실질적으로 45도로 기울어져 있는 것인 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 방법은,
상기 공동을 상기 광원으로 조명하는 단계
를 더 포함하는, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 방법은,
직접적 광자 검출자들을 사용하여 상기 조명된 광을 검출하는 단계
를 더 포함하는, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 직접적 광자 검출자들은 PbSe, PbS, HgCdTe, GaSb/InAs 및 초격자 중 적어도 하나를 포함한 것인, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 방법은,
광 플럭스를 측정하기 위해 열로의 변환을 포함하는 간접적 측정 방법을 사용하는 간접적 열 검출자에 의해 상기 조명된 광을 검출하는 단계
를 더 포함하는, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 16에 있어서,
상기 간접적 열 검출자는 초전기재료(pyroelectric)와 볼로미터(bolometer) 중 적어도 하나를 포함한 것인, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 방법은,
적어도 흡수에 기초하여 복수의 가스들을 검출하는 단계
를 더 포함하는, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 방법은,
상기 캡 내에 가스 유입구들을 제공하는 단계
를 더 포함하는, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 가스에 의한 광의 흡수를 측정하기 위한 광 전자 시스템에 있어서,
기판을 제공하기 위한 수단;
상기 기판 상에 광원을 배치하기 위한 수단;
상기 광원에 근접하게 제1 광 필터를 배치하기 위한 수단;
상기 기판 상에 제1 검출기를 배치하기 위한 수단;
상기 광원과 상기 제1 검출기 사이에 격막을 배치함으로써 상기 기판 상에 차단 요소를 제공하기 위한 수단; 및
상기 기판을 덮는 것에 의해 가스에 의한 광의 흡수를 측정하기 위한 공동을 정의하는 캡을 기계적으로 결합시키기 위한 수단
을 포함하며,
상기 캡은 적어도 두 개의 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들을 포함하고,
상기 광원 및 상기 제1 검출기 각각의 중심은 상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들 각각의 중심에 위치한 수직 축에 정렬되고, 상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들은 실질적으로 45도로 기울어져 있는 것인 광 전자 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들은 포물선형 미러들인 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 1에 있어서,
상기 기판 상에서 상기 광원과 상기 제1 검출기 사이에 배치되고, 상기 공동의 폭에 걸쳐 연장된 격막
을 더 포함하며,
상기 격막은 상기 광원과 상기 제1 검출기 사이의 직접적 경로로부터 광을 차단하도록 구성된 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 1에 있어서,
상기 광원에서부터 제1 검출기까지의 전체 광학 경로는 34㎜ 미만인 것인, 광 전자 패키지. - 청구항 12에 있어서,
상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들은 타원형 미러들인 것인, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 삼차원 원뿔 섹션 형상 반사면들은 포물선형 미러들인 것인, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 광원에서부터 제1 검출기까지의 전체 광학 경로는 34㎜ 미만인 것인, 광 전자 패키지를 제조하는 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 제1 검출기가 상기 광원으로부터의 직접적 광 경로를 갖도록 상기 제1 검출기와 상기 제2 검출기 사이에 배치된 격막
을 더 포함하며,
반면에 상기 제2 검출기는 상기 격막에 의해 차단될 때 직접적 광 경로를 갖지 않는 것인 광 전자 패키지. - 청구항 12에 있어서,
상기 격막의 타측 상에 제2 광 검출기를 배치하여 상기 제2 광 검출기가 상기 광원으로부터의 직접적 광 경로를 갖도록 하는 단계
를 더 포함하는 광 전자 패키지를 제조하는 방법.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201762512407P | 2017-05-30 | 2017-05-30 | |
| US62/512,407 | 2017-05-30 | ||
| US15/993,188 US10866185B2 (en) | 2017-05-30 | 2018-05-30 | Compact optical gas detection system and apparatus |
| US15/993,188 | 2018-05-30 | ||
| PCT/US2018/035203 WO2018222764A1 (en) | 2017-05-30 | 2018-05-30 | Compact optical gas detection system and apparatus |
Publications (2)
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