KR20090004869A - 돔 가스 센서 - Google Patents

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Abstract

NDIR(Non-Dispersive InfraRed) 가스 센서는 돔형상 가스 챔버(5)내에 나란히 LED 방사 소스(2)와 광 다이오드 검출기(3)를 갖는다. 돔(5)의 미러 코팅된 내부 표면(6)은 LED(2)로부터 광 다이오드(3)으로 광을 반사시킨다. 일실시예에서 반사 표면은 복수의 반도넛형 서브 표면(51-59)을 갖게 되어, LED상의 한점으로부터 기원하는 방사가 초점이 맞추어 지지 않게 되어, 광 다이오드에 수렴하게 된다. 이 LED 및 광 다이오드(3)는 돔 하우징의 직경을 따라 연장된 브릿지 회로 인쇄 기판(4)상에 탑재될 수 있다. 이 브릿 높이는 조립 동안 조정가능하게 되어 광 다이오드 상으로의 방사 입사를 최적화한다.
가스센서, 돔, 다이오드, 검출기, 하우징

Description

돔 가스 센서{DOME GAS SENSOR}
본 발명은 가스 센싱에 대한 것이고, 구체적으로는 방사원, 방사 검출기와 방사원으로부터 방사 검출기로의 방사를 반사시키기 위해 배열된 반사기를 구비하는 비산발성(non-dispersive) 적외선(NDIR) 가스 센서와 같은 가스 센서에 대한 것이다.
가스 센싱 분야에서, 다양한 범위의 환경적 조건에서 동작할 수 있는 소형의 저비용 가스 센서를 위한 요구가 존재한다. 이것은 다양한 응용들에서 안전을 증가시키고 방출을 감소시키는 것을 목적으로 하는 입법 조치에 의해 수행된다. 예를 들면, 자동차 산업에서, 차량 캐빈에서 자동차 배출 가스와 CO2의 존재의 센싱은 저비용과 효율뿐만 아니라 작은 형태의 인자가 요구되는 응용들이다. 차량 캐빈에서 CO2의 검출을 위한 필요성은 P134a와 같은 보다 환경적으로 해로운 불화탄소 기반의 냉각제의 사용을 피하고 CO2 냉각제 기반의 공기 조정 시스템을 향한 움직임에 기인한다. CO2 기반의 공기 조정 시스템을 제공함으로써, 자동차 제조업자는 수소화불화 탄소의 폐기와 재활용에 적용된 방출 벌금을 피할 수 있을 것이다. 하지만, CO2와 CO 가스 센싱에 적합한 종래의 가스 센서는 이러한 자동차 응용들에서 사용하기에는 너무 크고 너무 비용이 많이 든다. 더 나아가, 이러한 응용들에서, 가스 센서는 광범위한 온도에서 동작하는 것이 요구된다.
자동차 산업에서처럼, 산업용 난방, 통풍과 CO2 냉각제 기반의 공기 조정(HVAC) 시스템은 다양한 환경에서 동작하는 저비용 CO2 가스 센서를 요구한다. 가스 용접으로부터 자동 생산 공정을 거쳐 및 용제 세정기에 이르기까지의 많은 응용들에서 연소 또는 용제 가스 누출을 검출하는 안전 제품은 저비용의 효율적인 가스 센서를 또한 요구한다.
가정 내의 난방 분야에서, 가스 센서는 일산화탄소 중독으로부터 안전을 제공하기 위해 사용된다. 더 나아가 연소 가스 센싱은 폭발 위험으로부터 안전을 제공한다.
가스 센싱에서, 적외선 가스 센서는 긴 수명과 중독으로의 저항을 포함하는 다른 기술과 비교해서 이점을 가진다. 하지만, 많은 적외선 검출기는 백열광원(예, 전구)과 초전기(pryo-electric) 또는 열전퇴(thermopile) 검출기와 같은 열 소자를 사용하는데, 이러한 열 소자는 그 자체적으로 다수의 단점을 가지고 있다. 예를 들면, 이것들은 느린 응답 또는 제한된 파장 범위를 가질 수 있고, 전구가 점화원으로 작용하는 것을 방지하기 위해 폭발 방지 하우징을 요구할 수 있다. 백열광원과 열 검출기를 고성능 LED(광 방출 다이오드)와 광다이오드로 교체하는 것은 더 광범 위한 가스에 대해서 낮은 파워, 고속 응답과 내재적인 안전을 포함하는 이점을 제공한다.
가스 센서는 매칭되는 주파수에서 제조되는 LED와 광 다이오드를 사용해서 제조될 수 있어서, 동작 시에 안정되고 매우 좁은 동시적인(conincident) 광대역폭을 갖는다.
NDIR 가스 센서에서, 광이 광원으로부터 방출되고, 가스를 통과하게 되고, 그리고 나서 광 검출기에 의해 측정된다. 가스의 효율적인 검출을 위해, 광과 가스 간에 큰 상호작용을 갖는 것이 중요하고, 상호작용하는 광 경로의 길이와 부피 그리고 상호작용하는 광 경로로 들어가고 나오는 가스의 운반에 의해 영향을 받는다. 검출기를 방출기의 앞에 단순히 배치하는 문제는, 광이 광원으로부터 발산할 때, 광의 단지 적은 부분만이 검출기 위에 입사하고, 광 경로 길이는 단지 방출기와 검출기 주위의 길이라는 것이다. 그러므로, 가스가 광과 상호작용하기 위한 비교적 작은 길이와 부피가 존재한다. 이러한 배치를 향상시키기 위한 기존의 접근법은 센서 하우징의 내부 벽을 반사 물질로 코딩하고 미러를 사용해 광 경로를 접는 것이다(fold). 하지만, 후자의 접근법의 접혀진 선형 경로가 광 경로 길이를 증가시킬 수 있지만, 이 접근법은 심지어 곡선형의 거울을 사용하고서도 이 경로가 광원과 광 검출시간의 이용가능한 부피의 단지 일부분만을 지나갈(sweep out) 수 있다는 문제점을 지니고 있다. 따라서, 접혀진 광 경로를 가지고, 센서 하우징의 이용가능한 부피의 극히 일부분만이 상호작용하는 광 경로를 위해 사용된다. 또한, 예를 들면 Z자 형태의 다중으로 접혀진 광 경로는 잘 정렬될 필요가 있는 다중 반사기를 요구한다.
본 발명의 목적은 소형의 고효율 가스 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라,
방사원;
방사 검출기와;
광 경로를 따라 방사원으로부터 방사 검출기까지의 방사를 반사시키기 위해 배열된 반사 수단을 포함하는 가스 센서가 제공되는데, 여기서 방사원과 방사 검출기는 나란히 배치된다.
바람직하게 가스 센서는 또한 방사원과 방사 검출기간에 배치된 스크린을 더 포함한다.
바람직하게, 스크린은 방사원과 방사 검출기와 정렬되게 배치된다.
바람직하게, 스크린은 방사를 반사시키기 위해 구성된다.
바람직하게, 반사 수단은 방사원으로부터 발산되는 방사를 반사하고 방사 검출기 상으로 반사된 방사를 집중시키기 위해 배열된다.
바람직하게, 반사 수단은 광 경로가 방사원과 방사 검출기 주위로 연장되는 공동(cavity)에 의해 적어도 부분적으로 한정되도록 배열된다.
바람직하게, 공동은 방사원의 표면과 방사 검출기에 평행한 평면에 의해 경계가 지어진다.
바람직하게, 반사 수단은 곡선형의 표면을 포함한다.
바람직하게, 반사 수단은 돔(dome)을 포함한다.
바람직하게, 반사 수단은 방사상(radial) 대칭을 가진다.
바람직하게, 반사 수단은 반구형 표면을 포함한다.
대안적으로, 반사 수단은 반타원형 표면(semi-ellipsoidal surface)을 포함한다.
바람직하게, 반사 수단은 거울을 포함한다.
바람직하게, 반사 수단은 하우징의 반사적 표면을 포함한다.
바람직하게, 하우징은 가스 센서로 들어가고 나오는 가스의 운반을 허용하기 위한 적어도 하나의 구멍을 가진다.
바람직하게 방사원은 방출 대역폭을 갖는 광방출 다이오드이다.
바람직하게, 가스 센서는 방출 대역폭의 적어도 일부분을 필터링하기 위해 구성되는 광 경로 내의 필터를 더 포함한다.
바람직하게, 방사원과 방사 검출기는 공통 기판 상에 장착된다.
바람직하게, 스크린은 기판 상에 장착된다.
대안적으로, 기판은 스크린을 포함한다.
선택적으로, 기판은 방사원과 가스 센서 내의 방사 검출기를 위한 구조적 지지대를 제공하기 위해 구성된다.
바람직하게 기판은 하우징에 관련된 방사원과 방사 검출기를 위치시키기 위해 구성된다.
그러므로, 기계적 위치 수단을 작동시킴으로서, 이것은 조립 동안에 위치 조정을 위한 필요성을 회피한다.
바람직하게, 기판은 하우징의 직경을 따라 연장하는 가늘고 긴 구성부로서 구성된다.
선택적으로, 가스 센서는 방사원과 방사 검출기의 온도를 동시에 조정하기 위한 온도 조정 수단을 더 포함한다.
선택적으로, 가스 센서는 방사원과 방사 검출기의 온도를 동시에 센싱하기 위한 온도 센싱 수단을 더 포함한다.
바람직하게, 온도 센싱 수단은 서미스터를 포함한다.
선택적으로, 온도 센싱 수단은 온도를 측정하기 위해 방사원 및/또는 검출기의 특성을 이용한다.
선택적으로, 기판은 방사원과 관련된 신호를 처리하기 위한 신호 처리 수단을 더 포함한다.
선택적으로, 기판은 방사 검출기와 관련된 신호를 처리하기 위한 신호 처리 수단을 더 포함한다.
선택적으로, 기판은 방사 검출기와 관련된 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭 수단을 더 포함한다.
바람직하게, 방사원과 방사 검출기는 열적으로 교통된다(thermal communication).
바람직하게, 방사원은 방사 검출기를 가열시키기 위해 작동가능하다.
바람직하게, 방사 검출기는 대기 가스의 이슬점을 초과하는 온도에서 가열된다.
바람직하게는, 가스 센서는 방사 소스로부터 방사를 방사 소스로 다시 반사하도록 배열된 방사 소스 반사기를 더 포함한다.
선택적으로, 방사 소스 반사기는 방사 소스의 면에 도포된다.
선택적으로, 방사 소스 반사기는 방사 소스를 장착하여 제공된다.
바람직하게는, 가스 센서는 방사 검출기로부터 방사를 방사 검출기로 다시 반사하도록 배열된 방사 검출기 반사기를 더 포함한다.
선택적으로, 방사 검출기 반사기는 방사 검출기의 면에 도포된다.
선택적으로, 방사 검출기 반사기는 방사 검출기를 장착하여 제공된다.
바람직하게는, 방사 소스와 방사 검출기는 동일한 기판으로부터 제조된다.
바람직하게는, 반사 수단은 각각이 반경과 중심점을 갖는 호로 한정되며 이 호는 축에 대해 걸쳐 있는 복수의 서브 표면을 구비하는 면을 포함하며, 각 서브 표면은 인접한 서브 표면에 접선이고 인접한 서브 표면과 다른 반경과 다른 중심점을 가지고 있다.
바람직하게는, 이 축은 방사 소스와 방사 검출기와 정렬된다.
선택적으로, 호 길이는 제로(0)로 향한다.
바람직하게는 서브 표면은 반 토로이드 형태이다.
바람직하게는, 이 면은 방사 소스 상의 점으로부터 유래하는 방사가 방사 검출기 상에 수렴할 때 초점이 맞지 않게 구성된다.
바람직하게는, 이 면은 방사 소스로부터 방사 출사각에 상관없이 방사 소스로부터 방사 검출기 상의 대응하는 위치로 방사를 반사하도록 구성된다.
바람직하게는 이 면은 방사 소스의 중심을 떠나는 방사를 방사 검출기의 중심으로 반사하며, 방사 소스의 외측을 떠나는 방사를 방사 검출기의 외측으로 반사하며, 방사 소스의 내측을 떠나는 방사를 방사 검출기의 내측으로 반사하도록 구성된다.
바람직하게는, 이 면은 광 경로의 길이가 각 서브 면에 대해 평균적으로 동일하도록 방사를 반사하게 구성된다.
바람직하게는, 연장 부재는 방사 검출기 상의 반사된 방사 풀의 위치를 최적이 되도록 조정가능하다.
바람직하게는, 연장 부재는 핀의 슬라이딩에 의해 조정가능하다.
바람직하게는, 핀은 전기적인 리드선이다.
바람직하게는, 조정 가능한 연장 부재는 반사 수단에 대해 고정가능하다.
바람직하게는, 조정 가능한 연장 부재는 핀을 반사 수단에 고착하여 고정가능하다.
바람직하게는 조정가능한 연장 부재는 핀을 솔더링하여 고정가능하다.
본 발명은 도면을 참조하여 이제 단지 예시로서 기술될 것이다.
도 1 은 가스 센서의 제 1 실시예의 단면을 개략적으로 도시하는 도면.
도 2 는 방사 소스와 방사 검출기 조립체의 단면을 개략적으로 도시하는 도면.
도 3 은 가스 센서의 제 2 실시예의 단면을 개략적으로 도시하는 도면.
도 4 는 가스 센서의 제 2 실시예의 사시도를 개략적으로 도시하는 도면.
도 5 는 돔형 반사기의 절반부 단면을 개략적으로 도시하는 도면.
도 6 은 방사 소스와 방사 검출기의 중심과 외측 사이에 반사되는 광 선을 개략적으로 도시하는 도면.
도 7 은 방사 소스와 방사 검출기의 중심과 내측 사이에 반사되는 광선을 개략적으로 도시하는 도면.
도 8 은 조정가능한 브리지를 구비하는 가스 센서의 실시예의 단면을 개략적으로 도시하는 도면.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스 센서의 부분 단면도가 도시되어 있다. 이 가스 센서는 가스 센서 내에 장착된 기판(4) 상에 있는 LED 방사 소스(2)와 광 다이오드 방사 검출기(3) 사이에 스크린(1)을 구비한다. LED 와 광 다이오드는 이에 따라 나란히 있으며, 스크린은 이들 사이에 정렬되어 있다. 하우징(5)의 절반과 방사 경로만이 도 1에 도시되어 있다. 하우징은 LED/스크린/광 다이오드 조립체 상에 중심을 둔 반경 대칭을 구비한다. 하우징의 내부 면(6)은 반사적이다. 이것은 몰딩된 플라스틱 하우징에 반사 코팅을 도포하여 달성될 수 있다.LED로부터 발산하는 광선(8)은 하우징의 내부면으로붙 반사된다. 하우징은 LED에서 방출된 광이 광 다이오드와 LED 주위에 연장하는 공동을 통해 반사되며 반사된 광선(9)은 광 다이오드 상에 집중되도록 형성된다. 이 공동은 LED와 광 다이오 드의 주 방출 및 흡수면에 평행한 평면에 의해 각각 한정된다. 면(6)으로부터 반사된 광선은 초점이 맞을 수도 있고 맞지 않을수도 있다. 하우징의 곡선 형상은 공동을 거쳐 광을 심지어 넓게 확산하는 것을 제공하도록 배열된다. 이 면은 반구형 또는 반 타원형일 수 있다. 공동을 거쳐 광의 심지어 확산은 일반적으로 초점을 벗어나는 것을 특징으로 하며 이에 따라 소스 상의 점으로부터 유래하는 광선이 특정 초점에 수렴하지 않으나, 광 다이오드 상에 덜 수렴하는 것이 없이. 나란한 형상은 작은 하우징으로 하우징의 이용가능한 볼륨을 거쳐 상호작용하는 광 경로의 확산을 최대화하게 하는 잇점을 구비한다. 이것은 우수한 광 흡수 효율을 제공하며 콤팩트한 하우징 내에서 광과 가스의 상호작용으로 포화되는 위험을 최소화한다.
콤팩트한 광학 디자인은 가스 센서가 20mm 직경과 17mm 길이의 형상 팩터 내에 장착될 수 있게 한다. 이들 특징은 가스 센싱과 응답을 위한 가스 센서의 감도를 향상시키며 콤팩트한 사이즈는 대형 하우징이 수용가능하지 않은 공간에 민감한 폭넓은 응용 분야에 적절히 사용할 수 있게 한다.
LED 는 좁은 방출 대역폭을 구비하여 LED와 광 다이오드를 사용하여 가스 센싱에 필요한 좁은 광학 대역폭이 백열등의 다른 소스에 필요한 광학 필터 없이 달성될 수 있다. 그러나, 방사 소스는 광학 방출 프로파일을 절단하여 광학 대역폭 필터를 사용하여 LED일 수 있으나 가스 센싱 프로세스에서 에러를 유발할 수 있는 모든 다른 광 주파수를 제거한다. 이러한 광학 대역폭 필터는 LED로부터 방출된 광의 25%미만을 제거할 수 있으며, 백열등의 소스의 경우 종래 기술에서는 방사된 광의 대부분이 필터에 의해 제거될 수 있다. 그러므로, LED는 간단한 대역폭 절단에 의해서보다는 후 또는 전 광학적으로 필터링되지 않는 정확하고 좁은 대역폭을 방사한다.
도 2 는 방사 소스, 스크린 및 방사 검출기의 단면을 도시한다. 도 2를 참조하면, LED 방사 소스(2)와 광 다이오드 방사 검출기(3)는 상호 연결된 기판(4) 상에 나란히 장착되며 스크린(1)은 그 사이에 있다. 스크린은 기판의 일부로서 형성될 수 있으며, LED 및/또는 광 다이오드는 스크린에 접할 수 있다. 스크린은 반사형일 수 있다. 스크린과 마주보는 LED 및/또는 광 다이오드의 면은 반사형일 수 있다. 대안적으로, 이 스크린은 서로 마주보는 LED 또는 광 다이오드의 하나 이상의 면 상에 반사 코팅일 수 있다.
이 실시예에서 방사 소스와 검출기는 갈륨 비소(GaAs) 기판 위에 성장된 좁은 대역 갭 III-V 물질 인듐 알루미늄 안티몬(In(1-x)AlxSb)을 주성분으로 하며, 그 대역 갭은 고가의 광학 필터와 복잡한 차동 회로를 사용하지 않고 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO 가스) 또는 다른 선택된 가스에 특정된 광 방출 및 검출을 제공하도록 매우 좁은 폭에 튜닝될 수 있다. LED 및 광 다이오드는 동일한 반도전 기판으로부터 제조될 수 있다. LED 및 광 다이오드는, 광 다이오드의 경우에 LED 또는 집합의 경우에 광 방출의 성능을 향상시키도록 튜닝될 수 있는, 그 에피층 두께만큼만 변하는 매우 유사한 기판으로부터 또한 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 방사 소스와 방사 검출기는 하나 이상의 별개의 LED 또는 광 다이오드 소자를 각각 포함할 수 있다. 본 발명은 이러한 유형의 방사 소스와 방사 검출기으로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 카드늄 수은 텔루라이드 화합물이 자외선 주파수에 유용하다. 고체 방사 소스와 검출기가 소형화된 응용 분야에 편리하더라도, 본 발명은 백열등 소스 및 열 전기 또는 열 검출기를 사용하여 또한 구현될 수 있다.
상호연결된 기판(4) 및/또는 스크린은 열적으로 전도성이 있으며 LED와 광 다이오드 사이에 열 전달을 제공한다. 이 열 전달은 LED로부터 열을 광 다이오드로 전달할 수 있게 한다. 이것은 LED와 광 다이오드 사이에 온도 차를 줄이는 잇점을 제공하여, LED 및/또는 광 다이오드의 동작시 온도 의존적인 효과를 보상하는 것을 간략히 한다. 이러한 접근은 열이 반도체로부터 멀리 전달되는 도전층의 대부분의 공통 전기 응용과는 대조적인 것이다. 열적 효과는 그 주변에 비교할 때 상승된 온도에 광 다이오드를 유지하는데 사용될 수 있으며 이에 따라 대기 가스의 이슬점의 양의 측에 이를 유지하여 광 다이오드 상에 응축이 형성되는 위험을 저감시킨다.
기판은 LED와 광 다이오드의 온도를 동시에 조정하도록 제어되고 전력 공급될 수 있는 히터나 쿨러(펠티에 디바이스 또는 이와 유사한 것)와 같은 온도 제어 수단(12)을 이 위에 장착하거나 이에 통합할 수 있다.
온도 검출은 서미스터(thermistor)와 같은 기판 내 또는 기판 위에 존재할 수 있는 추가 디바이스(미도시)의 사용에 의해 달성되고, 이미터 또는 검출기의 특징을 측정함으로써 검출될 수 있다. 예컨대, LED의 순방향 전압은 온도에 따라 변한다.
기판은 가스 센서 내에 LED와 광다이오드에 대한 구조상 탑재(mounting)를 제공한다. 기판은 기판 위에 탑재를 위해 방사 소스 또는 검출기의 위치를 정하는 것에 도움을 주도록 모양이 만들어질 수 있다. 기판은 또한 조립 공정 동안 조정 또는 설정에 대한 필요성을 회피하는 광학 하우징 내의 광학 쌍의 위치를 정밀하게 정하는 역할을 하는 기계적인 특성을 제공한다.
LED 또는 광다이오드에는 각각 그것들의 표면 위에 광학적으로 반사성인 층(10,11)이 제공된다. 이들 반사성 층은 LED 또는 광다이오드의 하나 또는 다른 것 위에 포함될 수 있거나 전혀 포함되지 않을 수 있다. 반사성 층은 기판의 부분이거나 LED 및/또는 광다이오드의 배면 및/또는 측면에 코팅으로서 붙여질 수 있다. 광학 반사는 LED와 광다이오드 모두의 효율을 개선한다. 일정 비율의 생성되거나 검출된 광은 흡수되지 않고 디바이스를 통해 곧바로 통과될 수 있지만, LED를 통해 광을 되돌리는 반사성 층의 합체는 방출 효율을 개선시키거나 광다이오드의 경우에서는 유사하게 광다이오드의 배면 또는 측면으로부터의 광의 손실을 줄임으로써 흡수를 상당히 증가시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 가스 센서의 제 2 실시예의 단면이 도시되어 있다. 그 요소들은 도 1에서와 같이 번호가 매겨져 있다. 도 1에 예시된 제 1 실시예와 비교시, 돔 형상의 반사기가 반전되어 있다. 이 실시예에서, 기판은 돔 형상의 반사 하우징의 직경을 따라 연장하는 연장된 인쇄 회로판이고, 이는 방사상 대칭성을 가진다. 이 기판은 추가 구성 요소(미도시)의 탑재를 허용한다. 이들 구성 요소는 LED와 광다이오드 모두의 온도의 하나의 센서에 의해 동시에 측정을 허용하는 광다이오드와 LED의 나란히 있는 탑재 때문에, 온도 센서(도 2에서의 12)를 포함할 수 있다. 이는 구성 요소 카운트를 감소시키는 장점을 가진다. LED와 광다이오드에 인접 하게 통합될 수 있는 구성 요소의 세트 또는 또다른 구성 요소는 전치증폭기를 포함하는 신호 처리 요소이다. 예컨대, 전치증폭기는 LED/광다이오드 쌍 옆에 있는 기판 위에 탑재될 수 있고, 나머지 전자 및 처리 구성 요소는 LED/광다이오드 쌍으로부터 떨어져 기판 위의 다음 이용 가능한 위치에 있게 된다. 그러한 경우 전치증폭기와 처리기가 LED와 광다이오드 모두에 인접하게 위치한다는 장점이 있다. 전기 변조 신호가 최소화된 잡음 픽업(pickup)으로 LED에 송신될 수 있다. 게다가, 동일한 구성 요소가 ㎁의 범위에 있을 수 있는 광다이오드로부터의 신호를 검출할 수 있다. 이들 낮은 레벨의 신호는 유사하게 잡음 픽업 영향에 민감하고, 검출기에 인접한 처리 요소들의 위치는 그러한 잡음 픽업의 영향을 감소시킨다. 가스 센서 하우징 내에 처리 구성 요소와 신호 증폭을 가지는 추가 장점이 존재하는데, 이 가스 센싱 하우징은 금속화된 하우징에 의해 주어진 차폐이다. 하우징 내의 구멍(aperture)은 그러한 차폐를 감소시킬 수 있지만, 그 구성 요소를 담고 있는 회로들은 0 바이어스된(zero biased) 시스템을 달성하기 위해 하우징의 임의의 안테나 영향과의 균형을 맞추도록 설계될 수 있다.
도 4를 참조하면, 가스 센서의 제 2 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 2개의 가스 필터(13,14)가 매우 좁은 인쇄 회로판(PCB)과 함께 도시되어 있고, 이 인쇄 회로판은 가스 필터들 중간에 위치한다. 신호 처리 및 온도 제어 구성 요소(15)가 전술한 바와 같이 이미터/컬렉터 PCB 상에 위치하는 것에 대한 대안예로서, 제 2 PBC(16) 위에 놓인다. 그러므로 LED/광다이오드 쌍으로부터 분리된 전치증폭기를 가지는 것은
a) 2개의 독립적인 트랜스임피던스 증폭기와, 임의의 흔한 잡음을 없에고 신호들들 결합하기 위해 차동 증폭된 출력들 또는
b) 차동 트랜스임피던스 증폭기에핀(17)에 의해 나머지 2개의 LED 말단과 함께 연결된 방사 검출기를 구성하는 개별 광다이오드 요소들의 배열 중심에서 중앙 탭 연결을 사용함으로써 인에이블되었다.
관 모양의 외부 하우징(미도시)은 조립체 둘레에 놓일 수 있고, 이는 금속화된 반사기 사이에 패러데이 케이지(Faraday cage)를 형성하고, 제 2 PCB 내로 외부 관 및 차폐층을 구축하여 구성 요소들의 전기적 격리를 개선할 뿐만 아니라 구조상 지지체가 된다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에서 돔의 내부 표면(6) 절반의 단면도를 도시한다. 이 돔은 호(arc)로서 섹션으로 도시된 복수의 서브 표면(51 내지 59)을 포함하는 내부 표면을 가지는데, 이들 호 각각은 R9.3711 내지 R9.0104인 반경과 중심점(60)에 의해 각각 정의되고, 각 서브 표면은 인접하는 서브 표면에 접하며 상이한 반경을 가지고 인접하는 서브 표면으로부터 상이한 중심 위치를 가진다. 각각 수직 데이터 라인(63,64)으로부터의 중심점(61,62)의 오프셋이 또한 도시된다. 데이터 라인(64) 위에 이미터와 검출기가 놓여 있다. 표면은 51 내지 59로 표시된 호 및 데이터 라인(63)에 대한 그것들의 반사에 의해 정의되는데, 이들 호는 데이터 라인(64) 둘레에서 180。만큼 회전하여 그려진다. 또다른 실시예는 0으로 향하는 호 길이를 가질 수 있어, 데이터 라인(63)으로부터 데이터 라인(64)까지 연속적으로 변하는 곡선이 주어진다.
이 실시예의 내부 서브 표면은 반도넛형(semi-toroidal)이다. 그러므로 내부 표면은 초점이 맞추어진 반사기를 형성하지 않는다.
돔은 가능한 가깝게 반사시키는 기능을 하고, 그 반사는 이미터로부터의 방사 출구 각도에 무관하게, 이미터(2)로부터 단일 반사를 거쳐 검출기(3) 위의 동일한 비추어진 위치까지 이어진다. 이는 도 6과 도 7에 예시되어 있다.
도 6을 참조하면, 이미터(2)의 중심(67)을 떠나는 광선(65,66)이 검출기(70)의 중심까지의 광선(68,69)으로서 내부 표면(6)에 의해 반사된다. 이미터(2)의 외부 측면(73)을 떠나는 광선(71,72)은 검출기(76)의 외부 측면으로의 광선(74,75)으로서 반사된다.
도 6에서처럼 도 7을 참조하면, 이미터(2)의 중심(67)을 떠나는 광선(65,66)은 검출기(70)의 중심으로 광선(68,69)으로서 내부 표면(6)에 의해 반사된다. 이미터(2)의 내부 측면(79)을 떠나는 광선(77,78)은 검출기(82)의 내부 측면으로 광선(80,81)으로서 반사된다.
이미터와 검출기는 중심까지 통상 3㎜만큼의 작은 거리로 떨어져 있는 공통 탑재점에 위치한다. 도넛형(toroid)의 그려진 프로파일(swept profile)을 형성하는 상호 접선 반경(mutually tangent radii)은 이미터와 검출기로부터의 경로 길이가 평균적으로 같도록 구성된다. 도넛형의 그려진 프로파일(swept profile)을 구성하기 위해 사용된 접선 반경의 개수는 이미터와 검출기 사이의 각 광선 각도에 대한 경로 길이의 변화를 결정하여, 각 특정 반경에 대한 경로 길이가 평균적으로 같다 는 서술은 각 반경의 평균 경로 길이를 가리키고, 이는 일반적으로 반경 중심점에서 일어난다. 그러므로, 각 반경에서의 특정점과는 별도로 경로 길이는 각 반경의 면과 그로 인한 그려진 곡선의 구성시 선택된 반경의 개수에 의해 부과된 한계 내에서 토로이드 그려진 곡선의 면에 걸쳐 연속적으로 변한다.
이 돔은 초점없이 검출기에 이미터의 영상을 전달하는 효과를 가진다. 이 영상은 구성 요소가 정렬된 상태를 벗어날 때 검출기 중심 쪽으로 집중될 수 있다. 이는 조립체의 제조 허용 오차를 증가시킨다.
표면은 센싱 하우징의 부분을 형성하고 이미터와 검출기에 대한 탑재를 제공하지 않는 주입 몰딩된 형세(feature)를 은코팅(sliver coating)함으로써 형성된다.
도 8을 참조하면, 이미터(2)와 검출기(3)는 검출기 위에서 반사된 방사 풀(radiation pool)의 위치를 최적화하기 위해서 조립체 위에서 조정 가능한 전기적 연결, 열 경로(thermal path) 및 탑재 수단을 제공하는 역할을 하는 브릿지 PCB(printed circuit board)(4)에 결합된다. 다른 구성 요소는 이전 도면에서와 같이 표시되어 있다. 통상적인 표면 방출 LED는 면적이 1㎟인 방출 표면을 가질 수 있고, 이미터와 검출기를 탑재하는 브릿지의 위치는 동일한 크기의 검출기 광다이오드(초점이 맞추어지지 않은 조명이 더 큰 효율성을 제공하기 때문에)를 때리는 방사의 풀(방사된 것과 거의 동일한)에 가능한 가깝게 제공되도록 조정된다. 브릿지 PCB가 어느 방향으로든 잘못 조정되면, 단일점으로의 총 방출된 방사 초점 맞춤을 할 시간이 없게 된다. 그 조정은 브릿지 PCB가 검출기 수신된 신호 세기와 같은 피드백에 대한 응답으로 도시된 83 방향으로 올리거나 내려진다. 조정이 최적이 될 때 돔(5)에 관한 브릿지(4)의 위치는, 예컨대 PCB 상호연결 핀을 돔(5) 내로 접착시킴으로써 고정된다(locked). 예컨대 브릿지 PCB(4)나 베이스 PCB(16) 내의 위치에서 핀을 고정시키기 위해 핀들을 솔더링함으로써 솔더링도 사용될 수 있다. 최적 위치로의 조정을 제공하는 다른 형태가 사용될 수 있는데, 예컨대 조정이 브릿지(4)를 핀들(17)에 관해 이동시킬 수 있고 그 위치는 브릿지를 조정 후 핀들에 붙임으로써 고정될 수 있다. 예컨대 브릿지 PCB(4)나 베이스 PCB(16) 내의 위치에서 핀들을 솔더링함으로써 솔더링이 고정을 위해 사용될 수 있다. 브릿지 PCB 스탑(stop)(84)은 조립하는 동안 조정에 대한 제한의 역할을 하고, 사용 중에 고정 수단(locking means)이 실패하는 경우 조립체가 산산조각이 되는 것을 방지한다.
LED로부터 방출된 광이 방출기 및 검출기 표면의 본래의 광학 반사성을 제외하고 하우징 내에서 반사할 수 있는 각도의 범위에 있어서는 제한이 없다. 그러므로 통상 약 80。의 절반 각까지의 방사가 이미터로부터 검출기 위에서의 유사한 위치까지 이루어질 수 있다.
단일 하우징 또는 다수의 이미터 또는 검출기 요소를 가지고 다수의 가스가 검출되는 것이 요구되고, 다수의 주파수 LED가 요구되는 경우를 제외하고는 이들은 단일 LED와 광다이오드에 대해 이전에 설명한 것처럼 그룹화되는 경우, 이들은 검출기의 면적 이하인 면적에서 한 덩어리화된다. 이러한 구성에서 다수의 이미터로부터의 방사는 LED로부터 방출 위치와 유사한 대응 위치에서 검출기를 때리게 된다. 다수의 검출기가 요구되는 경우, 동일한 원리가 적용된다. 또한 이미터 및/또 는 검출기 개수의 임의의 조합에 있어서도 동일한 원리가 적용된다.
본 명세서의 청구항에 의해 설명된 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 추가 수정예와 개선예가 만들어질 수 있다.
본 발명은 가스 센싱에 대한 것이고, 구체적으로는 방사원, 방사 검출기와 방사원으로부터 방사 검출기로의 방사를 반사시키기 위해 배열된 반사기를 구비하는 비산발성(non-dispersive) 적외선(NDIR) 가스 센서와 같은 가스 센서에 이용 가능하다.

Claims (54)

  1. 가스 센서로서,
    방사 소스;
    방사 검출기; 및
    광 경로를 따라 상기 방사 소스로부터 상기 방사 검출기로 방사를 반사시키기 위해 배열된 반사 수단을 포함하되,
    상기 방사 소스 및 상기 방사 검출기는 나란히 위치되는, 가스 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사 소스 및 상기 방사 검출기 사이에 위치되는 스크린을 추가로 포함하는, 가스 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스크린은 상기 방사 소스 및 상기 방사 검출기와 일렬로 놓이는, 가스 센서.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 스크린은 방사를 반사하기 위해 구성되는, 가스 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 상기 방사 소스로부터 발산성 방사(radiation divergent)를 반사하고 반사된 방사를 상기 방사 검출기에 집중시키도록 배열된, 가스 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 상기 광학 경로가 상기 방사 소스와 방사 검출기 주위로 연장된 공동에 의해 적어도 부분적으로 한정되도록 배열되는, 가스 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 공동은 상기 방사 소스와 방사 검출기의 표면에 평행한 평면에 의해 경계가 정해지는, 가스 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 구부러진 표면을 포함하는, 가스 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 일 돔(dome)을 포함하는, 가스 센서.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 방사상의 대칭(radial symmetry)인, 가스 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 반구형 표면을 포함하는, 가스 센서.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 반타원형 표면(semi-ellipsoidal surface)을 포함하는, 가스 센서.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 미러를 포함하는, 가스 센서.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 하우징의 반사 표면을 포함하는, 가스 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 하우징은 가스 센서 내로 및 밖으로의 가스 수송을 허용하기 위하 적어도 하나의 구멍을 갖는, 가스 센서.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사 소스는 방출 대역폭을 갖는 발광 다이오드인, 가스 센서.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출 대역폭의 적어도 일부를 필터링하기 위해 구성된 광 경로에 있는 필터를 추가로 포함하는, 가스 센서.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사 소스 및 방사 검출기는 공통 기판 상에 탑재되는, 가스 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 스크린은 상기 기판에 탑재되는, 가스 센서.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 스크린을 포함하는, 가스 센서.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 센서내에 있는 방사 소스 및 방사 검출기를 위한 구조적 지지대를 제공하도록 구성되는, 가스 센서.
  22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 하우징에 관하여 상기 방사 소스 및 방사 검출기의 위치를 정하도록 구성된, 가스 센서.
  23. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 하우징의 직경을 따라 연장된 연장 부재(elongate member)로서 구성되는, 가스 센서.
  24. 제 1 항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사 소스 및 방사 검출기의 온도를 동시에 조정하기 위한 온도 조정 수단을 추가로 포함하는, 가스 센서.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사 소스 및 방사 검출기의 온도를 동시에 센싱하기 위한 온도 센싱 수단을 추가로 포함하는, 가스 센서.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 온도 센싱 수단은 서미스터를 포함하는, 가스 센서.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 온도 센싱 수단은 상기 방사 소스 및/또는 검출기의 특성을 이용하여 온도를 측정하는, 가스 센서.
  28. 제 18 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 방사 소스에 관련한 신호를 처리하기 위한 신호 처리 수단을 추가로 포함하는, 가스 센서.
  29. 제 18 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 방사 검출기에 관련한 신호를 처리하기 위한 신호 처리 수단을 추가로 포함하는, 가스 센서.
  30. 제 18 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 방사 검출기에 관련한 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭 수단을 추가로 포함하는, 가스 센서.
  31. 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사 소스 및 방사 검출기는 열적 교통 상태에 있는, 가스 센서.
  32. 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사 소스는 상기 방사 검출기를 가열하도록 동작 가능한, 가스 센서.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 방사 검출기는 대기 가스의 이슬점 이상으로 가열되는, 가스 센서.
  34. 제 1 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사 소스로부터 다시 상기 방사 소스로 방사를 방사하도록 배열된 방사 소스 반사기를 추가로 포함하는, 가스 센서.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 방사 소스 반사기는 상기 방사 소스 표면에 적용되는, 가스 센서.
  36. 제 34 항 또는 제 35 항에 있어서,
    상기 방사 소스 반사기는 상기 방사 소스의 탑재에 의해 구비되는, 가스 센서.
  37. 제 1 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사 검출기로부터 다시 상기 방사 검출기로 방사를 반사하도록 배열된 방사 검출 반사기를 추가로 포함하는, 가스 센서.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 방사 검출 반사기는 상기 방사 검출기의 표면에 적용되는, 가스 센서.
  39. 제 37 항 또는 제 38 항에 있어서,
    상기 방사 검출 반사기는 상기 방사 검출기의 탑재에 의해 구비되는, 가스 센서.
  40. 제 1 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사 소스 및 방사 검출기는 동일 기판으로부터 제조되는, 가스 센서.
  41. 제 1 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 복수의 서브 표면을 포함하는 표면을 포함하되, 각각의 서브 표면은 반경과 중심을 갖는, 한 축 주위로 그려지는 호에 의해 한정되고, 각 서브 표면은 근접 서브 표면에 접하고(tangent), 상기 근접 서브 표면과는 다른 반경과 다른 중심점을 갖는, 가스 센서.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 축은 상기 방사 소스 및 방사 검출기와 일렬로 놓여 있는, 가스 센서.
  43. 제 41 항 또는 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 호 길이는 영이 되기 쉬운, 가스 센서.
  44. 제 1 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브 표면은 반도넛형(semi-toroidal)인, 가스 센서.
  45. 제 1 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 방사 소스 상의 한 점으로부터 나오는 방사가 상기 방사 검출기에 수렴할 때 촛점으로 모이지 않도록 구성되는, 가스 센서.
  46. 제 1 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 방사 소스로부터 방사 출구 각도에 관계없이, 상기 방사 소스로부터 상기 방사 검출기상의 대응 위치로부터 방사를 반사하도록 구성되는, 가스 센서.
  47. 제 1 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 방사 소스 중심을 떠나는 방사를 상기 방사 검출기의 중심으로 반사하고, 상기 방사 소스의 외부측면을 떠나는 방사를 상기 방사 검출기의 외부측면으로 반사하고, 상기 방사 소스의 내부측면을 떠나는 방사를 상기 방사 검출기의 내부측면으로 반사하도록 구성되는, 가스 센서.
  48. 제 41 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 광 경로의 길이가 평균적으로 각 서브 표면에 대하여 동일하도록 방사를 반사시키도록 구성되는, 가스 센서.
  49. 제 1 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연장 부재는 조정가능하여 상기 방사 검출기 상의 반사된 방사 풀의 위치를 최적화시키는, 가스 센서.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 연장 부재는 핀을 슬라이딩함으로써 조정가능한, 가스 센서.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 핀은 전기적 리드선(electrical lead)인, 가스 센서.
  52. 제 49 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정가능한 연장 부재는 상기 반사 수단에 관해 고정될 수 있는, 가스 센서.
  53. 제 50 항 내지 제 52 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정가능한 연장 부재는 상기 반사 수단에 상기 핀을 접착시킴으로써 고정될 수 있는, 가스 센서.
  54. 제 50 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정가능한 연장 부재는 상기 핀을 솔더링함으로써 고정될 수 있는, 가스 센서.
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