KR20190141077A

KR20190141077A - 전자 어셈블리, 전자 어셈블리를 포함하는 광학 가스 센서 및 전자 어셈블리를 이용하여 광전류 및 온도를 결합하여 측정하는 방법

Info

Publication number: KR20190141077A
Application number: KR1020190043316A
Authority: KR
Inventors: 미카엘 바일구니
Original assignee: 이플러스이엘렉트로닉 게엠베하
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2019-12-23
Also published as: EP3581898B1; CN110595530A; US20190383732A1; JP2019215316A; CN110595530B; JP7266436B2; EP3581898A1; KR102603955B1; DE102019208173A1; US11262295B2

Abstract

전자 어셈블리(1)는 광다이오드(2) 및 트랜스 임피던스 증폭기(3)를 포함하며, 선택적으로 광전류 측정 모드와 온도 측정 모드로 전환 가능하다. 광전류 측정 모드에서는 상기 광다이오드(2)의 애노드 단자(22)가 상기 트랜스 임피던스 증폭기(3)의 작동 증폭기(31)의 제1 입력단(311)에 연결되고, 상기 광다이오드(2)의 캐소드 단자(21)가 작동 증폭기(31)의 제2 입력단(312)에 연결되고, 그리고 제1 바이어스 단자(41)는 상기 제1 입력단(311) 및 애노드 단자(22)에 연결된다. 온도 측정 모드에서는 상기 애노드 단자(22)가 전자 어셈블리(1)의 접지 단자(35)에 연결되고, 상기 캐소드 단자(21)가 제2 입력단(312)에 연결되고, 그리고 제1 바이어스 단자(41)가 제1 입력단(311)에 연결되고 상기 애노드 단자(22)로부터 분리된다.

Description

전자 어셈블리, 전자 어셈블리를 포함하는 광학 가스 센서 및 전자 어셈블리를 이용하여 광전류 및 온도를 결합하여 측정하는 방법{ELECTRONIC ASSEMBLY, OPTICAL GAS SENSOR INCLUDING ELECTRONIC ASSEMBLY, METHOD FOR COMBINING AND MEASURING PHOTOCURRENT AND TEMPERATURE USING ELECTRONIC ASSEMBLY}

본 발명은 전자 어셈블리 및 전자 어셈블리를 포함하는 광학 가스 센서에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 위와 같은 전자 어셈블리를 사용하여 광전류 및 온도를 결합하여 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법은 특히 중적외선 영역의 발광을 이용하는 광학 가스 센서와 함께 사용될 수 있다.

광다이오드를 사용하여 중적외선(middle infrared (MIR)) 영역의 발광을 측정하는 것은 CO₂ 등의 가스의 종래의 광검출 분야(서모파일(thermopile) 또는 파이로 검출기(pyrodetector) 등)의 종래 기술에 대한 중대한 대안이다. 따라서 최근의 광다이오드는 검출기 면적이 더 적으면서도 서모파일 보다 민감도가 3배 높다. 광다이오드 원리 상 광다이오드는 광민감성이 온도에 따라 크게 좌우된다는 것이 단점이다. 따라서, MIR 광다이오드를 넓은 온도 범위로 가스 센서에 적용하기 위해서는 정확한 온도 측정이 요구된다(측정은 광다이오드 접합부에서 직접 측정하는 것이 이상적이다).

상업적으로 시중에 나와 있는 일부 검출기 모듈의 경우 주변 온도를 마이크로컨트롤러에 의해 측정한다. 이 방법의 단점은 온도 범위가 확대될 경우 온도 측정이 너무 부정확하다는 점이다. 광다이오드와 마이크로컨트롤러 사이의 1/10°C 정도의 적은 온도 편차가 가스 농도 검출 시 상당한 오류로 이어질 수 있다.

WO 2009/019467 A1에는 MIR 광다이오드를 포함하는 광학 가스 센서가 개시되며, 여기서 온도 측정은 광다이오드 자체에 의해 수행된다. 이러한 측정은 정전류에서의 순전압 측정에 기반하는데, 즉, 광다이오드의 전류-전압 특성의 제1 사분면에서의 측정에 기반한다.

DE 10 2012 007 016 B3에는 광학 가스 센서에서 온도에 따라 달라지는 광다이오드의 거동을 온도 검출에 이용하는 것이 제시되어 있다. 이 측정 원리 역시 정전류에서의 순전압 측정에 기반한다.

EP 3 051 274 A1에는 광학 가스 센서의 광다이오드를 동시에 온도 센서로도 사용하는 것이 제시된다. 이를 위해 역방향으로 전류가 주입되고 온도에 따라 변하는 역전압이 측정된다. 그러면 광전류 역시 순방향으로의 전압으로서 나타나고, AC-결합되어 증폭된다. 이때 측정되는 전압은 광전류에 대하여 비선형적으로 변한다.

공지의 가스 센서들의 단점은 한편으로는 광다이오드 온도를 추가적인 센서로 검출할 경우 상기 광다이오드 온도 측정이 비교적 부정확하다는 점과, 다른 한편으로는 광다이오드 온도와 광전류의 측정을 결합하여 측정하기 위해서 꽤 높은 회로 기술 비용이 든다는 점이다.

이에 본 발명의 과제는 비교적 낮은 회로 기술 비용으로 비교적 넓은 온도 범위에서 광학 가스 센서 등에서 광다이오드의 온도를 정확하고 신뢰성 있게 측정할 수 있는, 전자 어셈블리와, 광전류 및 온도를 결합하여 측정하는 방법을 제시하는 것이다.

상기한 과제의 해결을 위하여 독립 청구항들에 따른 전자 어셈블리, 광학 가스 센서 및 광전류 및 온도를 결합하여 측정하는 방법이 제시된다. 일부 실시예의 특징들은 종속 청구항에 나와 있다. 종속청구항의 특징들은 특별히 별도의 다른 기재가 없는 한 서로 결합되어 또 다른 실시예를 구성할 수 있다. 이하 상술하는 전자 어셈블리의 특징들은 광학 가스 센서에서도 적절하게 구현될 수도 있고 그 반대도 가능하다. 또한, 방법의 특징들 역시 전자 어셈블리 및/또는 광학 가스 센서의 특징에 반영되거나 그 반대도 가능하다.

제1 측면에 따르면 전자 어셈블리는 광다이오드 및 트랜스 임피던스 증폭기를 포함한다. 상기 전자 어셈블리는 선택적으로 광전류 측정 모드 및 온도 측정 모드로 전환될 수 있다. 광전류 측정 모드에서는 상기 광다이오드의 애노드 단자가 트랜스 임피던스 증폭기의 작동 증폭기의 제1 입력단에 연결되고, 상기 광다이오드의 캐소드 단자가 상기 작동 증폭기의 제2 입력단에 연결되고, 제1 바이어스 단자가 상기 제1 입력단 및 상기 애노드 단자에 연결된다. 온도 측정 모드에서는 상기 애노드 단자가 접지 단자에 연결되고, 상기 캐소드 단자가 상기 제2 입력단에 연결되고, 상기 제1 바이어스 단자가 상기 제1 입력단에 연결되고 상기 제1 애노드 단자로부터 분리된다.

본 명세서에서 하나의 전기 요소가 다른 전기 요소에 "연결"된다고 할 때 이는 두 전기 요소 사이에 저임피던스(low impedance)의 전기적 연결이 존재한다는 것을 의미하는 것이다.

또한, "접지"라는 것은 기준 전위를 제공하는 구조로 이해되어야 한다. 이는 대지 전위일 수 있으나 이에 반드시 한정되지는 않는다.

제2 측면에 따르면, 가스를 수용하는 측정셀; 상기 측정셀에 수용된 가스에 광을 조사하는 광원; 및 광의 적어도 일부를 검출하는 광다이오드로서, 상기 측정셀에 수용된 가스는 적어도 부분적으로 상기 광원과 광다이오드 사이에 위치하는, 광다이오드를 포함하는 광학 가스 센서가 제공된다. 광다이오드에 의해 광전류 및 온도의 측정을 결합하여 수행하기 위하여 상기 광학 가스 센서는 상기한 발명의 제1 측면에 따른 전자 어셈블리를 포함한다. 다시 말해서, 광학 가스 센서에 포함되고 가스 검출에 사용되는 광다이오드는 동시에 발명의 제1 측면에 따른 전자 어셈블리의 광다이오드도 되는 것이다.

제3 측면에 따르면, 광전류 및 온도를 결합하여 측정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 발명의 제1 측면에 따른 전자 어셈블리를 마련하는 단계; 광전류 측정 모드 및 온도 측정 모드 등 두 측정 모드 중 어느 하나로 상기 전자 어셈블리를 작동시키는 단계; 및 상기 광전류 측정 모드 및 온도 측정 모드 중 각각 다른 하나로 전자 어셈블리를 전환시키는 단계를 포함한다.

이하 상기에서 언급한 세 측면 모두에 대하여 설명한다.

본 발명은 광다이오드 및 트랜스 임피던스 증폭기를 포함하는 전자 어셈블리에서 비교적 낮은 회로 기술 비용으로 광전류 측정 모드와 온도 측정 모드 간의 전환이 간단하게 이루어지도록 구성하는 것에 기반한다. 이는 광다이오드의 애노드 단자가 광전류 측정 모드에서 작동 증폭기의 제1 입력단에 연결되고 온도 측정 모드에서는 접지 단자에 연결되도록 상기 전자 어셈블리의 상호 연결이 구성됨으로써 구현될 수 있다. 이때 광다이오드의 캐소드 단자는 상기한 두 가지 모드에서 작동 증폭기의 제2 입력단에 연결된다. 또한, 광전류 측정 모드에서의 제1 바이어스 단자는 상기 제1 입력단 및 애노드 단자에 연결되고, 반면 온도 측정 모드에서 상기 제1 바이어스 단자는 상기 제1 입력단에 연결되고 상기 제1 애노드 단자로부터 분리된다.

상기 트랜스 임피던스 증폭기는 상기 전자 어셈블리의 두 가지 모드에서 광다이오드의 각각의 다이오드 전류를 출력 전압으로 바꾸도록 형성된다. 구체적으로, 상기 광전류 측정 모드 및 온도 측정 모드에서 제1 바이어스 단자와, 작동 증폭기의 출력단에 연결되는 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 전압 탭 사이에서 광다이오드의 다이오드 전류 각각에 비례하는 출력 전압이 잡힐 수 있다.

광전류 측정 모드에서 상기 작동 증폭기는 광다이오드가 가상 쇼트에서 작동할 수 있도록 한다. 상기 작동 증폭기는 제2 입력단의 전위를 제1 바이어스 단자에 걸린 바이어스 전위의 값에 적어도 근접하게 조정할 수 있다. 다시 말해서, 상기 제2 입력단은, 바이어스 전위를(적어도 이에 근접하게) 기준 전위로서 가지는 이른바 "가상 접지"를 제공하는 작동 증폭기의 반전 입력이다. 그 결과 광전류 측정 모드에서 캐소드 단자와 애노드 단자가 동일한 전위, 즉, 바이어스 전위에 적어도 근접하게 유지될 수 있기 때문에 광다이오드에서 발생한 광전류는 가상 쇼트로 흐를 수 있다. 상기 광전류는 광다이오드의 전류-전압 특성의 음의 세로 축을 따라 측정될 수 있다.

온도 측정 모드에서 캐소드 단자는 바이어스 전위에 적어도 근접하게 위치하는 반면, 애노드 단자는 접지 단자의 기준 전위에 위치한다. 이에 따라 양의(positive) 바이어스 전위인 경우 광다이오드에 음의 바이어스가 걸리며, 이는 광다이오드 내에 온도에 따라 크게 달라지는 역방향 전류를 일으킨다. 따라서 상기 역방향 전류는 온도 검출을 위하여 광다이오드의 전류-전압 특성의 제3 사분면에서 측정될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전자 어셈블리는 전자 어셈블리를 광전류 측정 모드 및 온도 측정 모드 사이에서 전환시키는 소정 개수의 스위치 요소를 포함한다. 특히 상기 전자 어셈블리는 세 개의 스위치 요소에 의해 전환이 수행되도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서 상기 트랜스 임피던스 증폭기는, 작동 증폭기에 평행하면서 상기 제2 입력단을 출력 전압 탭에 연결하는 전기적 부궤환(negative feedback) 경로를 포함한다. 상기 부궤환 경로에는 부궤환 부분 저항(R_F') 및 제1 저항(R₁)이 직렬 연결된다.

또한, 또 다른 실시예에서 상기 전자 어셈블리는 제2 바이어스 단자를 포함하며, 상기 제2 바이어스 단자는 제1 스위치 요소에 의해서 부궤환 부분 저항(R_F')과 제1 저항(R₁) 사이의 영역에서 상기 부궤환 경로에 연결될 수 있다. 상기 제1 스위치 요소는 광전류 측정 모드에서는 폐쇄되고 온도 측정 모드에서는 개방된다. 일 변형예에서 상기 제2 바이어스 단자는 제1 바이어스 단자에 연결되거나 심지어 이와 동일할 수 있다.

상기 제2 바이어스 단자와 상기 부궤환 경로 사이에는 제2 저항(R₂)이 배치되는 것이 바람직하다. 상기 캐소드 단자는 제1 스위치 요소, 부궤환 부분 저항(R_F') 및 제2 저항(R₂)에 의해서 전환 가능하게 상기 제2 바이어스 단자에 연결될 수 있다. 이러한 방식으로 상기 제1 저항(R₁) 및 상기 제2 저항(R₂)은 광전류 측정 모드에서 전압 분배기를 형성하며, 상기 전압 분배기는 작동 증폭기의 출력 전압을 낮춘다. 이에 따라 광전류 측정 모드에서 다음과 같은 증폭을 보이는 전류 증폭기가 구현된다:

이에 반해 온도 측정 모드에서는 제2 저항(R₂) 대신 개방된 연결이 작용하며, 증폭은

으로 감소한다.

일 실시예에서 상기 애노드 단자는 제2 스위치 요소에 의해서 상기 제1 입력단은 물론 상기 제1 바이어스 단자에 연결될 수 있다. 상기 제2 스위치 요소는 광전류 측정 모드에서 폐쇄되고, 온도 측정 모드에서는 개방된다.

또한 상기 애노드 단자는 제3 스위치 요소에 의해서 접지 단자에 연결 가능한 것이 바람직하다. 이때 상기 제3 스위치 요소는 광전류 측정 모드에서는 개방되고, 온도 측정 모드에서는 폐쇄된다. 다시 말해서, 상기 전자 어셈블리를 광전류 측정 모드로 전환 시 상기 제1 및 제2 스위치 요소가 폐쇄되고 제3 스위치 요소가 개방될 수 있다. 상기 전자 어셈블리를 온도 측정 모드로 전환 시 상기 제1 및 제2 스위치 요소가 개방되고 제3 스위치 요소가 폐쇄될 수 있다.

본 발명에 따른 광학 가스 센서에 따르면 상기 광원은 적외선광을 발광하도록, 특히 중적외선(MIR), 예를 들어 대략 3 - 5 μm 의 파장 범위의 중적외선을 발광하도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. MIR 광은 CO₂ 와 같은 가스의 광학적 검출에 적합하다.

상기한 바와 같이 상기 제1 바이어스 단자에 더하여 추가적으로 제2 바이어스 단자를 포함하는 전자 어셈블리의 작동 시 상기 제1 바이어스 단자 및 제2 바이어스 단자에는 동일한 바이어스 전위가 제공되는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 제1 바이어스 단자 및 제2 바이어스 단자에는 동일한, 양의(positive) 바이어스 전위가 제공될 수 있다.

상기 전자 어셈블리가 본 발명에 따른 광학 가스 센서의 일부인 경우, 전자 어셈블리는 먼저 온도 측정 모드로 작동되고 이 모드 동안 광원은 전원이 꺼진 상태일 수 있고, 그 후 광전류 측정 모드에서 작동되고 이 모드 동안 광원은 전원이 켜진 상태일 수 있다.

도 1은 종래 기술에 공지된 광학 가스 센서의 예시적이고 개략적인 도면이다.
도 2는 종래 기술에 공지된 광전류 측정용 전자 어셈블리의 예시적이고 개략적인 도면이다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른, 온도 측정 및 광전류 측정용 측정점을 포함하는 광다이오드의 전류-전압 특성을 예시적이고 개략적으로 도시한다.
도 4a는 하나 이상의 실시예에 따른, 광전류 측정 모드에서의 전자 어셈블리를 예시적이고 개략적으로 도시한다.
도 4b는 온도 측정 모드에서의 도 4의 전자 어셈블리를 예시적이고 개략적으로 도시한다.
도 5는 하나 이상의 실시예에 따른 전자 어셈블리의 실제적인 구현예를 예시적이고 개략적으로 도시한다.
도 6은 하나 이상의 실시예에 따른 광전류 측정 및 온도 측정을 결합한 스위칭 시퀀스를 도시한다.

도 1은 종래 기술에 공지된 광학 가스 센서(6)의 기본적인 구성을 개략적이고 예시적으로 도시한다. 전구 등의 적외선 광원(62)으로부터 열복사(MIR)가 발광된다. 검출기(여기서는 광다이오드(2)가 도시됨)와 상기 광원(62) 사이에는 측정 대상 가스(G), 예를 들어, CO₂를 포함하는 측정셀(61)이 위치한다. 상기 가스(G)는 소정 파장에서 열복사(MIR)의 일부를 흡수한다. 가스 농도에 따라 상기 광다이오드(2)는 많거나 적은 광전류를 공급한다. 이에 따라 광다이오드(2)의 신호가 가스의 농도 검출에 사용될 수 있다.

도 2에는 위에서 설명한 종류의 광학 가스 센서(6) 등에서 사용될 수 있는 광전류 측정용 전자 어셈블리(1)가 예시적이고 개략적으로 도시된다. 광전류 측정에는 일반적으로 트랜스 임피던스 증폭기(3)("전류 증폭기"라고도 함)가 사용되며, 상기 트랜스 임피던스 증폭기는 광다이오드(2)의 광다이오드전류(I_PD)를 출력 전압(V_PDO)로 변환하도록 구성된다. 상기 트랜스 임피던스 증폭기(3)는 작동 증폭기(31)를 포함하며, 광다이오드(2)의 애노드 단자(22)가 상기 작동 증폭기(31)의 제1 입력단(311)에 연결되고, 광다이오드(2)의 캐소드 단자(21)가 상기 작동 증폭기(31)의 제2 입력단(312)에 연결된다.

상기 제2 입력단(312)은 작동 증폭기(31)의 반전 입력이다. 다시 말해서, 상기 작동 증폭기(31)는 제2 입력단(312)의 전위를 상기 제1 입력단(311)에 걸리는 접지 전위(GND)의 값에 적어도 근접하도록 조정하고 그에 따라 상기 제2 입력단(312)에 이른바 가상 접지를 생성하도록 형성된다. 상기 가상 접지에 의해 광다이오드(2)가 가상 쇼트로 작동된다.

상기 작동 증폭기(31)에 평행한 부궤환 경로가 상기 제2 입력단(312)을, 작동 증폭기(31)의 출력단(313)에 연결된 트랜스 임피던스 증폭기(31)의 출력 전압 탭(33)에 연결하며, 상기 부궤환 경로에는 부궤환 저항(R_F)이 배치된다. 출력 전압 탭(33)과 접지(GND) 사이에는 광다이오드(2)의 작동 시 가상 쇼트에서 출력 전압(V_PDO)이 잡힐 수 있으며, 상기 출력 전압은 광다이오드(2)에 입사하는 복사 전력(Φ) 및 그에 따라 발생되는 광다이오드 전류(I_PD)에 따라 선형적으로 변한다. 상기 부궤환 저항(R_F)에 의한 증폭은 다음과 같다:

V _PDO = I _PD · R _F

도 3은 광다이오드(2)의 다이오드 전압(V_D)(x-축) 대 다이오드 전류(I_D)(y-축)를 나타내는 전류-전압 특성에 의한 광전류 측정 원리를 도시한다. 원점을 통과하는 곡선 그래프(C₁)는 광의 입사가 없는 경우, 즉, 암전인 경우의 다이오드 특성 곡선에 해당한다.

적외선 광원(62)에 의한 광다이오드(2)의 조사 시 다이오드 특성 곡선은 개략적으로 제2 곡선(C₂)으로 나타낸 바와 같이 하방 이동된다. 즉, 상기에서 설명한 (가상) 쇼트 구동은 음의 y-축(예를 들어 측정점들은 "x" 표시함) 상의 광전류(I_PH)의 측정에 해당한다. 일반적인 광전류(I_PH)는 광원(62), 셀의 기하학적 구조, 사용된 광학 필터 등에 따라 10 nA 수준이다. 이때 예를 들어 대략 100 MΩ 의 부궤환 저항(R_F)이 출력 전압 (V_PDO)에 대하여 약 1 V 의 정도로 사용될 수 있다. 이러한 광전류(I_PH)는 강한 온도 의존도를 보인다.

온도 변화 시(도 3에 T↑ 기호로 표시됨) 광다이오드(2)의 특성 곡선이 회전한다. 예를 들어 도 3에 파선으로 개략적으로 도시한 제3 곡선(C₃)으로 도시된 바와 같이, 온도 증가가 다이오드 특성 곡선의 반시계 방향 회전으로 나타난다. 온도 측정을 위해서 예를 들어 다이오드 전류(I_D)가 순방향으로 주입되고 전압(V_D)이 제1 사분면(즉, 순방향 영역)에서 측정될 수 있다. 또는, 음의 바이어스(V_BIAS) < 0 가 상기 광다이오드(2)에 인가되고 온도에 따라 달라지는 암전류(I_DARK)가 제3 사분면(즉, 역방향 영역)에서 측정될 수 있다. 도 3에는 측정점이 검정색 점으로 예시적으로 표시되어 있다. 후자의 방법들의 경우 어떠한 경우든지 전류 증폭기(3)가 이미 구비되기 때문에, 앞서 설명한 광전류 측정과 잘 결합될 수 있다.

상기 암전류(I_DARK)는 수치적으로 작은 바이어스 (V_BIAS)에서 바이어스 │V_BIAS│의 수치에 대하여 거의 선형적으로 (접속지점의 폭의 전압 변동성에 의해) 증가하며 온도(T)에 대하여 기하급수적으로 증가한다. 예를 들어 상기 암전류(I_DARK)의 일반적인 값들은 실온에서 120 kOHM 일 수 있다. MIR-광다이오드(2)의 낮은 양자 효율로 인해 상기 온도에 따라 달라지는 암전류(I_DARK)의 값은 이미 적은 mV 의 바이어스에서, 바이어스 없는 조사(V_BIAS = 0) 시의 광전류(I_PH(Φ)) 만큼일 수 있다. 따라서, 광전류(I_PH) 측정 시 μV-영역의 바이어스가 초과되지 않는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어 Hz 영역 등 저주파수에서 측정할 경우 제로 드리프트(zero drift) 작동 증폭기를 사용할 수 있다.

도 4a 및 4b에는 본 발명에 따른, 광전류 측정 및 온도 측정을 통합한 전자 어셈블리(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 전자 어셈블리는 도 2에 도시된 전자 어셈블리에 비해서 적은 수의 구성요소만 추가되었으며, 온도 측정 모드와 광전류 측정 모드 사이의 전환이 쉽게 이루어질 수 있다.

예를 들어, 상술한 바와 같이, MIR 광다이오드(2) 및 트랜스 임피던스 증폭기(3)가 사용될 수 있으며, 상기 트랜스 임피던스 증폭기(3)는 예를 들어 제로 드리프트 작동 증폭기 형태의 작동 증폭기(31)를 포함한다. 도 4a에 도시된 광전류 측정 모드에서 광다이오드(2)의 애노드 단자(22)는 작동 증폭기(31)의 제1 입력단(311)에 연결되고, 광다이오드(2)의 캐소드 단자(21)는 작동 증폭기(31)의 제2 입력단(312)에 연결된다. 또한, 전자 어셈블리(1)의 제1 바이어스 단자(41)는 제1 입력단(311) 및 상기 애노드 단자(22)에 연결된다. 상기 트랜스 임피던스 증폭기(3)는 광다이오드(2)가 가상 쇼트에서 작동할 수 있도록 형성된다. 즉, 상기 작동 증폭기(31)는 제2 입력단(312)의 전위를 상기 제1 바이어스 단자(41)에 걸린 바이어스 전위(V_BIAS)의 값에 적어도 근접하게 조정하도록 형성된다. 다시 말해서, 상기 제2 입력단(312)에는 기준 전위로 상기 바이어스 전위(V_BIAS)(적어도 이에 근접한 전위)를 가지는 가상 접지가 제공된다.

반면 도 4b에 도시된 온도 측정 모드에서는 애노드 단자(22)가 전자 어셈블리(1)의 접지 단자(35)에 연결되고, 캐소드 단자(21)가 제2 입력단(312)에 연결되고, 제1 바이어스 단자(41)가 제1 입력단(311)에 연결되고 제1 애노드 단자(22)로부터 분리된다.

광전류 측정 모드는 물론 온도 측정 모드에서도 상기 제1 바이어스 단자(41)와, 작동 증폭기(31)의 출력단(313)에 연결된 트랜스 임피던스 증폭기(3)의 출력 전압 탭(33) 사이에는 광다이오드(2)의 각각의 다이오드 전류(I_PH, I_DARK)에 비례하는 출력 전압(V_PDO)이 잡힐 수 있다.

도 4a 및 4b에 따른 전자 어셈블리(1)의 경우 상기 트랜스 임피던스 증폭기(3)는, 작동 증폭기(31)에 평행하고 상기 제2 입력단(312)을 출력 전압 탭(33)에 연결하는 부궤환 경로를 포함한다. 상기 부궤환 경로에서는 부궤환 부분 저항(R_F') 및 제1 저항(R₁)이 직렬 연결된다. 또한, 부궤환 부분 저항(R_F')과 제1 저항(R₁)사이의 영역에서 제1 스위치 요소(S1)에 의해서 상기 부궤환 경로에 연결될 수 있는 제2 바이어스 단자(42)가 구비된다. 상기 제2 바이어스 단자(42)와 부궤환 경로 사이에는 제2 저항(R₂)이 배치된다.

상기 캐소드 단자(21)는 상기 부궤환 부분 저항(R_F'), 제2 저항(R₂), 및 제1 스위치 요소(S1)에 의해 전환 가능하게 제2 바이어스 단자(42)에 연결될 수 있다. 상기 애노드 단자(22)는 제2 스위치 요소(S2)에 의해서 상기 제1 입력단(311)은 물론 제1 바이어스 단자(41)에 연결될 수 있다. 또한, 상기 애노드 단자(22)는 제3 스위치 요소(33)에 의해 접지 단자(35)에 연결될 수 있다.

상기한 세 스위치 요소(S1, S2, S3)의 작동에 의해 전자 어셈블리(1)가 광전류 측정 모드 및 온도 측정 모드 사이에서 전환될 수 있다. 이때 광전류 측정 모드 내지 온도 측정 모드에서의 전자 어셈블리(1)의 작동은 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다:

광전류 측정 모드(도 4a 참조)에서는 상기 제1 스위치 요소(S1) 및 제2 스위치 요소(S2)가 폐쇄되고, 반면 제3 스위치 요소(S3)가 개방된다. 외부로부터 상기 제1 바이어스 단자(41) 및 제2 바이어스 단자(42)에 인가되는 바이어스 전위(V_BIAS)는 최악의 경우(worst case)에도(즉, 예를 들어 오프셋 또는 휴지 전류의 존재 가능성을 고려하여) 소정 저항들(R₁, R₂, R_F')에서 작동 증폭기(31)의 상한 또는 하한에 이르지 않도록 결정되는 것이 바람직하다. 광다이오드(2)의 애노드 단자(22)에서의 전위는 상기 바이어스 전위 (V_BIAS)와 동일하다. 작동 증폭기(3)(가상 접지)의 조절 거동에 의해서 상기 캐소드 단자(21)에도 실질적으로 상기 바이어스 전위(V_BIAS)가 걸리고, 그에 따라 광다이오드(2)가 가상 쇼트에서 작동된다. R₁ 은 R₂와 함께 출력 전압(V_PDO)을 낮추는 저항 분배기를 구성한다. 부궤환 부분 저항(R_F')과의 결합에 의해

에 따라 증폭하는 전류 증폭기가 얻어진다.

광전류 측정 모드에서 광원(62)(도 1 참조)이 사용되면, 그에 따라 출력 전압 신호(V_PDO)로부터 측정셀(61) 내 가스 농도에 대해 추정할 수 있다.

온도 측정 모드(도 4b 참조)에서는 상기 제1 스위치 요소(S1) 및 제2 스위치 요소(S2)가 개방되고, 상기 제3 스위치 요소(S3)가 폐쇄된다. 광다이오드(2)의 애노드 단자(22)는 접지 단자(35)에 연결된다. 상기 바이어스 전위(V_BIAS)는, 암전류(I_DARK)에 기반한, 선택된 저항(R_F', R₁)에서 작동 증폭기(31)가 상한에 이르지 않도록 결정되는 것이 바람직하다. 작동 증폭기(31)의 제1 입력단(311)에는 (양의(positive)) 바이어스 전위(V_BIAS)가 걸린다. 이후 작동 증폭기(31)의 가상 접지에 의해서 유효하게 (-V_BIAS) 수준의 음의 바이어스가 상기 광다이오드(2)에 걸린다. 광전류 측정 모드에 비하여 출력 전압(V_PDO)의 증폭은

로 감소한다.

본 작동 모드에서 광원(62)은 전원이 꺼진 상태인 것이 바람직하다. 출력 전압 신호(V_PDO)는 광다이오드(2)의 온도에 따라 달라진다.

도 5는 상기에서 설명한 전자 어셈블리(1)의 실제 구현예를 예시적으로 도시한다. 본 예시에서 스위치 요소(S1, S2, S3)는 마이크로컨트롤러(μC)의 GPIO(General Purpose Input/Output)-출력단(GPIO1, GPIO2)에 의해 전원이 켜지거나 꺼지는 MOSFET으로 구현된다. 상기 바이어스 전위(V_BIAS)는 마이크로컨트롤러(μC)의 완충된 DAC(digital-to-analog converter, DA 변환기)-출력단(DAC)에 의해서 생성된다. 두 개의 서로 다른 일정한 전압값 사이에서 스위칭될 수 있는 기준을 사용할 수도 있다. 그러나 스위칭 값은 광전류 측정 및 온도 측정용 바이어스 전위(V_BIAS)가 동일하게 유지되도록 결정될 수도 있다. 이 경우 단순한 기준이 사용될 수 있다. 출력 전압 신호(V_PDO)의 측정에는 두 개의 ADC(analog-to-digital converter, AD 변환기)-입력(ADC1, ADC2)이 사용된다. 마이크로컨트롤러(μC)는 두 값의 차이를 계산한다. 그러나 입력이 차등적인 ADC가 사용될 수도 있다. 이때 회로는 적절한 저항(R₁, R₂, R_F')을 선택함으로써 두 가지 측정(광전류 및 온도)에서 ADC가 최적으로, 즉, 최대 동적 범위에서 사용되도록 조절될 수 있다. 변형 실시예(미도시)에 따르면, 제3 스위치 요소(S3)가 마이크로컨트롤러(μC)의 오픈 드레인(open drain) 출력으로 직접 대체될 수도 있다. 그림 5는 개별 광다이오드(2)용 회로를 도시한다. 이중 검출기(가스-광다이오드 및 기준 광다이오드)를 포함하는 광학 가스 센서(6)에 대하여 상기 회로는 두 번 구성될 수 있는데, 상기 제2 스위치 요소(S2) 및 제3 스위치 요소(S3)가 두 회로에 대하여 공동으로 사용될 수 있다.

도 6은 스위치 요소(S1, S2, S3)의 예시적인 스위칭 시퀀스에 의한 광전류 측정 및 온도 측정을 결합한 측정 과정을 도시한다. 이때 시간축(t)에 대하여 스위치 요소(S1, S2, S3)의 각각의 스위칭 상태 및 이에 해당하는 바이어스 전위(V_BIAS), 광원(62)의 전원 온/오프 상태 및 결과적인 출력 전압 신호(V_PDO)의 시간 상의 흐름이 각각 도시되어 있다.

우선 광학 가스 센서(6)는 스탠바이 모드이다. 제1 스위치 요소(S1) 및 제2 스위치 요소(S2)가 개방된 상태이고, 반면 제3 스위치 요소(S3)는 폐쇄된 상태이다(온도 센서로서 기능). 바이어스(V_BIAS)는 존재하지 않는다. 적외선 광원(62)은 전원이 꺼진 상태이다.

그 후 제1 단계에서 온도 측정용 (양의) 바이어스 전위(V_BIAS)가 인가된다. 짧은 안정화 기간이 경과한 후 출력 전압 신호(V_PDO)는 온도에 비례하는 신호를 공급한다. 이에 따라 제1 국면(P1)은 온도 측정에 대응된다.

온도 측정 수행 후 제3 스위치 요소(S3)가 개방되고, 스위치 요소(S1 및 S2)가 폐쇄된다. 상기 바이어스 (V_BIAS)는 필요할 경우 다른 값으로 변환될 수 있다. 전자 어셈블리(1)는 이제 광전류 센서로 작동한다. 일단 적외선 광원(62)은 아직 전원이 꺼진 상태이다. 제2 국면(P2)은 예를 들어 가스-휴지 신호의 측정에 사용될 수 있다. 이를 통해 추후 예를 들어 스위칭 오프셋 등이 발생한 경우 이를 보상할 수 있다.

제3 국면(P3)에서는 적외선 광원(62)의 전원이 켜진다. 적외선 광원(62)이 가열되면서 출력 전압 신호(V_PDO)가 상승하기 시작한다. 가스 농도에 따라 상기 출력 전압 신호(V_PDO)가 더 많이 또는 더 적게 상승한다. 출력 전압 곡선 하부의 면적(A)은 예를 들어 가스 농도의 산출에 대한 출력 변수로서 참조될 수 있다. 이에 따라, 두 신호, 즉, 검출기 온도 및 광 펄스의 응답으로부터의 두 신호로부터 온도 보상되는 가스 농도가 마이크로컨트롤러(μC)를 이용하여 검출될 수 있다.

도 6에 따른 측정 과정은 가능한 일 예시일 뿐이다. 가스 농도는 기타 다른 방법으로 확인될 수도 있는데, 예를 들어 광원(62)을 여러 번 연속적으로 깜빡거리거나 또는 출력 전압 곡선 하부의 면적 이외의 기타 다른 변수를 사용하여 확인될 수 있다(예를 들어 FFT 분석, 소정의 시점에서의 상승 등에 기초하여 확인).

상술한 종류의 광학 가스 센서에서 둘 이상의 광다이오드가(예를 들어 듀얼 검출기로서) 사용되는 경우, 다양한 광다이오드 온도를 측정함으로써 광다이오드들 사이의 온도 기울기 존재 여부를 확인하고 보상할 수 있다. 다양한 광다이오드들의 평균 온도(및/또는 NTC 센서 내지 마이크로컨트롤러의 온도)는 예를 들어 가스 온도용 추정값으로서 참조될 수 있으며, 이 값은 기존에 참조되는 개별 NTC 센서의 온도보다 신뢰성이 더 높다.

Claims

광다이오드(2) 및 트랜스 임피던스 증폭기(3)를 포함하는 전자 어셈블리(1)로서,
상기 전자 어셈블리(1)는 선택적으로 광전류 측정 모드와 온도 측정 모드로 전환 가능하며,
상기 광전류 측정 모드에서는
상기 광다이오드(2)의 애노드 단자(22)가 상기 트랜스 임피던스 증폭기(3)의 작동 증폭기(31)의 제1 입력단(311)에 연결되고,
상기 광다이오드(2)의 캐소드 단자(21)가 작동 증폭기(31)의 제2 입력단(312)에 연결되고, 그리고
상기 전자 어셈블리(1)의 제1 바이어스 단자(41)는 상기 제1 입력단(311) 및 상기 애노드 단자(22)에 연결되고, 그리고
상기 온도 측정 모드에서는
상기 애노드 단자(22)가 상기 전자 어셈블리(1)의 접지 단자(35)에 연결되고,
상기 캐소드 단자(21)가 상기 제2 입력단(312)에 연결되고, 그리고
상기 제1 바이어스 단자(41)가 상기 제1 입력단(311)에 연결되고 상기 애노드 단자(22)로부터 분리되는 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
제1항에 있어서,
상기 광전류 측정 모드 및 온도 측정 모드에서 상기 제1 바이어스 단자(41)와 트랜스 임피던스 증폭기(3)의 출력 전압 탭(33) 사이에서 광다이오드(2)의 다이오드 전류(I_PH, I_DARK) 각각에 비례하는 출력 전압(V_PDO)이 잡힐 수 있는 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 입력단(312)은 작동 증폭기(31)의 반전 입력인 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작동 증폭기(31)는 상기 제2 입력단(312)의 전위를, 상기 제1 바이어스 단자(41)에 걸리는 바이어스 전위(V_BIAS)의 값에 적어도 근접하게 조정하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트랜스 임피던스 증폭기(3)는, 작동 증폭기(31)에 평행하면서 제2 입력단(312)을 출력 전압 탭(33)에 연결하는 부궤환(negative feedback) 경로를 포함하며, 상기 부궤환 경로에는 부궤환 부분 저항(R_F') 및 제1 저항(R₁)이 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
제5항에 있어서,
전자 어셈블리(1)의 상기 제1 바이어스 단자(41) 또는 제2 바이어스 단자(42)는 제1 스위치 요소(S1)에 의해서 부궤환 부분 저항(R_F')과 제1 저항(R₁) 사이의 영역에서 상기 부궤환 경로에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
제6항에 있어서,
상기 제1 바이어스 단자(41) 내지 제2 바이어스 단자(42)와 상기 부궤환 경로 사이에는 제2 저항(R₂)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 캐소드 단자(21)는 상기 제1 스위치 요소(S1)에 의해서 전환 가능하게 상기 제1 바이어스 단자(41) 내지 제2 바이어스 단자(42)에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 단자(22)는 제2 스위치 요소(S2)에 의해서 상기 제1 입력단(311)은 물론 제1 바이어스 단자(41)에 연결 가능한 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 단자(22)는 제3 스위치 요소(S3)에 의해서 전자 어셈블리(1)의 접지 단자(35)에 연결 가능한 것을 특징으로 하는, 전자 어셈블리(1).
가스를 수용하는 측정셀(61);
상기 측정셀(61)에 수용된 가스에 광을 조사하는 광원(62); 및
광의 적어도 일부를 검출하는 광다이오드(2)로서, 상기 측정셀(61)에 수용된 가스는 적어도 부분적으로 상기 광원(62)과 광다이오드(2) 사이에 위치하는, 광다이오드(2);를 포함하는 광학 가스 센서(6)로서,
상기 광학 가스 센서(6)는 광다이오드(2)에 의해 광전류 및 온도를 결합하여 측정하는, 상기한 항들 중 어느 한 항에 따른 전자 어셈블리(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 가스 센서(6).
광전류 및 온도를 결합하여 측정하는 방법에 있어서, 다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전자 어셈블리(1)를 마련하는 단계;
광전류 측정 모드 및 온도 측정 모드 등 두 측정 모드 중 어느 하나의 모드로 상기 전자 어셈블리(1)를 작동시키는 단계; 및
상기 광전류 측정 모드 및 온도 측정 모드 중 각각 다른 하나의 모드로 상기 전자 어셈블리(1)를 전환시키는 단계.
제12항에 있어서,
제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전자 어셈블리(10)가 마련되고, 제1 바이어스 단자(41) 및 제2 바이어스 단자(42)에는 동일한 바이어스 전위(V_BIAS)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서,
제9항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항을 인용하는 범위에 속한, 제10항에 따른 전자 어셈블리(1)가 마련되는 방법으로서,
상기 전자 어셈블리(1)를 광전류 측정 모드로 전환 시 상기 제1 및 제2 스위치 요소(S1, S2)가 폐쇄되고 제3 스위치 요소(S3)가 개방되고; 그리고/또는
상기 전자 어셈블리(1)를 온도 측정 모드로 전환 시 상기 제1 및 제2 스위치 요소(S1, S2)가 개방되고 제3 스위치 요소(S3)가 폐쇄되는, 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 어셈블리(10)는 제11항에 따른 광학 가스 센서(6)의 일부이고,
먼저 온도 측정 모드로 작동되고 이 모드 동안 상기 광원(62)은 전원이 꺼진 상태이고,
그 후 광전류 측정 모드로 작동되고 이 모드 동안 상기 광원(62)은 전원이 켜진 상태인, 방법.