KR20220014327A - 센서 시스템 - Google Patents

Abstract

본 개시는 유체 샘플을 분석하기 위한 센서 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 센서 시스템은 하우징(220)을 포함하며, 상기 하우징(220)은, 유체 샘플이 상기 하우징으로 들어가는 입구, 상기 유체 샘플이 상기 하우징을 빠져나가는 출구, 및 상기 유체 샘플이 상기 입구 및 상기 출구 사이에서 유동하기 위한 상기 하우징 내의 유체 샘플 경로를 갖는다. 상기 센서 시스템은 또한 이온화기(210), 이온 이동도 필터(212) 및 검출기(214)를 포함하며, 상기 이온화기(210)는 상기 하우징 외부에 있고, 상기 유체 샘플을 상기 유체 샘플 경로 상의 제1 위치에서 이온화하여 샘플 이온을 생성하기 위한 것이고, 상기 이온 이동도 필터(212)는 상기 하우징 내에 적어도 부분적으로 위치하며, 상기 생성된 샘플 이온을 상기 유체 샘플 경로 상의 제2 위치에서 여과하기 위한 것이고, 상기 검출기(214)는 상기 하우징 외부에 있으며, 상기 유체 샘플 경로 상의 제3 위치에서 상기 이온 이동도 필터를 통해 통과하는 상기 샘플 이온을 검출하기 위한 것이다.

Description

센서 시스템

본 개시는 유체 샘플을 분석하기 위한 센서 시스템 및 방법에 관한 것이다.

이온 이동도 시스템(ion mobility system)을 사용하여 가스를 이온화하는 능력은 다수의 화학물질 검출 적용을 포함하는 광범위한 적용에 유용하다. 가스 샘플을 이온화한 다음, 개별적으로 검출될 수 있는 구성성분 부분으로 분리하는 이온화 기술은, 가스 조성 센싱에 널리 사용된다. 2개의 잘 알려져 있는 예는 이온 이동도 분광분석법 (Ion Mobility Spectrometry; IMS) 및 필드 비대칭 이온 이동도 분광분석법 (Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry; FAIMS)이며, 이는 또한 미분형 이동도 분광분석법 (Differential Mobility Spectrometry; DMS)으로서 알려져 있다. 이온 이동도 검출 기술은, 낮은 농도 (예를 들어, 백만분율 또는 십억분율 수준)에서 혼합된 추가적인 가스를 갖는 캐리어 가스(carrier gas)로 종종 이루어지는 가스 혼합물의 미량 구성성분을 측정하는 데 매우 적합한 경향이 있다.

이온 이동도 기술은 또한, 1 기압에 가까운 압력을 포함하는 다양한 가스 압력에 걸쳐 효과적으로 사용될 수 있다. 이는, 무엇보다도 공기 중 낮은 수준의 불순물을 측정하는 데 이온 이동도 기술이 유용하도록 한다. 샘플 가스는 이온화기를 통해 통과하여, 이온화된 분자의 집단을 생성하고, 이어서 이들은 검출되기 전에 전기장에서의 이들의 거동에 따라, 이온화된 분자의 분리 또는 선택을 포함하는 일부 방식으로 조작된다. 통상적으로 사용되는 이온화기는 방사성 공급원, 광 기반 장치, 예컨대 자외선 램프, 및 정전기 장치, 예컨대 코로나 방전 이온화기를 포함한다.

DMS 스펙트럼의 안정성 및 반복성은, 예를 들어 문헌 ["Temperature effects in differential mobility spectrometry" by Krylov et al in International Journal of Mass Spectrometry 279 (2009) 119-125]에서 설명된 바와 같이 분석 적용에서 DMS의 사용 시 중요한 문제이다. 습도를 포함하는 다양한 요인이 이온 이동도의 필드 의존성(field dependence)에 영향을 미쳐 DMS 스펙트럼에서의 피크 위치를 변화시키는 것으로 알려져 있다.

본 출원인은 이온 이동도 시스템의 경우의 습도 문제를 해결할 필요성을 인식하였다.

본 발명에 따르면, 첨부된 청구범위에 제시된 바와 같은 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 다른 특징은 종속항 및 하기 설명으로부터 명백할 것이다.

센서 시스템이 기술되며, 상기 센서 시스템은 하우징, 이온화기, 이온 이동도 필터(ion mobility filter) 및 검출기를 포함하고, 상기 하우징은, 유체 샘플이 하우징으로 들어가는 입구, 유체 샘플이 하우징을 빠져나가는 출구, 및 유체 샘플이 입구 및 출구 사이에서 유동하기 위한 하우징 내의 유체 샘플 경로를 갖고, 상기 이온화기는 하우징 외부에 있으며, 유체 샘플을 유체 샘플 경로 상의 제1 위치에서 이온화하여 샘플 이온을 생성하기 위한 것이고, 상기 이온 이동도 필터는 하우징 내에 적어도 부분적으로 위치하며, 생성된 샘플 이온을 유체 샘플 경로 상의 제2 위치에서 여과하기 위한 것이고, 상기 검출기는 하우징 외부에 있으며, 유체 샘플 경로 상의 제3 위치에서 이온 이동도 필터를 통해 통과하는 샘플 이온을 검출하기 위한 것이다.

이온화기 및 검출기는 둘 모두 외부에 있으며, 즉 하우징 내에 성분이 위치하지 않으므로, 유체 샘플 경로 내에 성분이 없다. 즉, 이온화기 및 검출기는 유체 샘플이 시스템을 통해 통과할 때 유체 샘플과 접촉하지 않는다. 따라서, 이온화기 및 검출기는, 오염을 피하고 제조하기에 더 저렴할 수 있는 재료로 코팅되거나 또는 형성될 필요가 없다.

하우징은 유전체 재료로 적어도 부분적으로 형성될 수 있고, 유전체 재료로 완전히 형성될 수 있다. 하우징은 투명 재료로 적어도 부분적으로 형성될 수 있고, 완전히 투명할 수 있다. 하우징은 유리를 포함할 수 있고, 유리로 완전히 형성될 수 있다. 유리는, 비교적 저렴하며 통상적인 투명 유전체 재료이다.

하우징은, 적어도 하나의 스페이서(spacer)에 의해 분리된 제1 층 및 제2 층을 포함할 수 있다. 유체 샘플 경로는 제1 층 및 제2 층 사이에 있을 수 있다. 제1 층 및 제2 층은 일반적으로 판형일 수 있다. 제1 층 및 제2 층은 스페이서(들)와 일체로 형성될 수 있거나 또는 개별적으로 형성될 수 있고, 적합한 기술을 사용하여 함께 접합될 수 있다.

이온화기는 유전체 장벽 이온화기(dielectric barrier ionizer)일 수 있다. 이온화기는 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 하우징은, 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나 (또는 둘 모두)에 인접한 유전체 재료를 포함할 수 있다. 즉, 하우징은 전극 사이에 이온 방전을 생성하는 데 필요한 유전체 장벽을 형성한다. 제1 및 제2 전극은 하우징의 대향하는 외부 표면에 장착될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극은 하우징의 제1 층의 외부 표면에 장착될 수 있고, 제2 전극은 하우징의 제2 층의 외부 표면에 장착될 수 있다. 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 하우징 내에 부분적으로 매립될 수 있고, 하우징에 의해 유체 샘플 경로로부터 분리될 수 있다.

이온 필터는, 하우징 내의 유체 샘플 경로에 위치하는 전극 층을 포함할 수 있다. 전극 층은 단일 층, 예를 들어 모놀리식(monolithic)일 수 있거나, 또는 복수의 층이 있을 수 있다. 전극 층(들)은 복수의 기계적으로 분리된 전극을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전극 층(들)은 복수의 깍지끼움형(interdigitated) 전극을 포함할 수 있다. 이온 채널은 반대 극성의 전극 사이에 획정된다(defined). 하우징 내의 전극 층에 연결되도록 하우징을 통해 비아(via)가 형성될 수 있다. 비아는 유체 샘플 및 이온 필터의 다른 성분, 예를 들어 하우징 외부에 있는 구동 시스템 사이의 접촉을 방지하기 위해 밀봉될 수 있다.

보상 필드(compensation field) 및 분산 필드(dispersion field)가 이온 필터에 적용되어, 생성된 이온을 여과할 수 있다. 시스템은, 보상 필드 및 분산 필드를 이온 필터에 적용하는 구동 신호 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 보상 필드 및 분산 필드는 이온 필터 내에서 이온을 분리 (즉, 여과)하는 것으로 간주될 수 있다.

시스템은, 유체 샘플 경로 외부에 위치하며 이온 필터 부근에서 이온을 방사하기 위한 방사선 공급원을 추가로 포함할 수 있다. 방사선 공급원 및 유체 샘플 경로 사이의 하우징의 일부는 투명 재료, 즉 하우징을 통해 유체 샘플 경로로 투과되는 방사선에 투명한 재료로 제조될 수 있다.

검출기는 플라이쓰루 유도 전하 카운터(fly-through inductive charge counter)일 수 있다. 검출기는 출력 이온 전류를 측정할 수 있다.

센서 시스템은 분광계 시스템, 보다 구체적으로 필드 비대칭 이온 이동도 시스템일 수 있다. 시스템은 보상 필드 및 분산 필드의 함수로서 측정된 출력의 피크 세기의 스펙트럼을 추출할 수 있다.

또한, 유체 샘플의 분석 방법이 기술되며, 상기 방법은, 하우징 내의 유체 샘플 경로를 따라 유체 샘플을 통과시키는 단계, 이온화기를 사용하여 유체 샘플 경로 상의 제1 위치에서 유체 샘플을 이온화하여 샘플 이온을 생성하는 단계, 이온 이동도 필터를 사용하여 유체 샘플 경로 상의 제2 위치에서, 생성된 샘플 이온을 여과하고, 검출기를 사용하여 유체 샘플 경로 상의 제3 위치에서 이온 이동도 필터를 통해 통과하는 이온을 검출하는 단계를 포함하며, 여기서 이온화기 및 검출기는 하우징 외부에 있고, 유체 샘플 경로 외부에 있다.

유체 샘플 경로를 따라 유체 샘플을 통과시키는 펌프가 있을 수 있다. 상기 방법은, 하우징의 투명 부분을 통해 방사선을 투과시켜, 생성된 샘플 이온으로부터 표적 이온을 여기시키기 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 방법에 관하여 상술한 특징은 또한 시스템에 적용된다는 것을 알 것이다.

더 나은 이해를 위해 그리고 구현예가 어떻게 실행될 수 있는지 나타내기 위해, 이제 단지 예로서 첨부되는 개략도에 대한 언급이 이루어질 것이다:
도 1a는 분광계 시스템의 개략도이고;
도 1b는 도 1a의 시스템에서 이온 필터 내의 채널의 개략도이고;
도 1c는 도 1a의 분광계 시스템의 대안적인 개략도이고;
도 2a 및 2b는 분광계 시스템의 측면도 및 단면도이고;
도 3 및 4는 분광계 시스템을 위한 대안적인 배열(arrangement)의 측면도이고;
도 5는 분광계 시스템을 사용하는 방법의 흐름도이다.

도 1a 내지 1c는 문헌 ["Characterisation of a miniature, ultra-high field, ion mobility spectrometer" by Wilks et al published in Int. J. Ion Mobil Spec. (2012) 15:199-222]에 기술된 바와 같은 소형 장치일 수 있는 분광계 시스템의 개략도를 나타낸다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 가스가 이온화기(10) 내로 유동한 다음, 생성된 이온이 이온 필터(12)를 통해 통과한다. 이온 필터는 이온을 분리하며, 따라서 이온 분리기로 명명될 수 있다. 예시된 예에서, 이온 필터는 복수의 이온 채널을 가지며, 이들 각각은 작은 갭(gap) 폭 (약 30 내지 50 μm의 g) 및 상대적으로 짧은 길이 (예를 들어, 약 300 μm의 L)를 갖는다. 갭 표면은 고전도성 실리콘 (또는 유사한 재료)으로 제조되며, 와이어 본딩(wire bonding)을 통해 실리콘의 표면 상의 금속 패드에 전기적으로 연결된다. 이온 분리기로부터 빠져나오는 이온은 이온 검출기(14)에 의해 검출된다. 온도 및 압력이 결과에 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 온도 센서(16) 및/또는 압력 센서(18)가 또한 시스템에 포함될 수 있다는 것이 알려져 있다. 이들은 출력 가스 유동 상에 개략적으로 도시되어 있지만, 장치 내의 또 다른 적절한 위치 내로 통합될 수 있다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 이온 분리기에 진동(oscillating) 전기장이 적용된다. 저전압 펄스 지속기간 t(s) 및 고전압 펄스 지속기간 τ(s) 및 피크 전압 V _D 의 가변 고전압 비대칭 파형을 적용하여, V _D /g (kVcm^-1)의 가변 필드(variable field)를 생성한다. 이온 분리기 내에서의 각각의 이온의 이동도는, 낮은 필드 이동도 K₀ 및 높은 필드 이동도 K_E 사이에서 진동하고, 높은 필드 이동도 및 낮은 필드 이동도 사이의 차이는 △K로 명명된다. 상이한 화학물질의 이온은 △K의 상이한 값을 가질 것이고, 이온은 이온 필터를 통한 순 종방향 이동 경로 길이(net longitudinal drift path length) (d _h -d _t )를 채택하며, 이는 이들의 높은 및 낮은 필드 이동 속도 (v _D(h) 및 v _D(l) ) 및 높은 및 낮은 필드 펄스 지속기간에 의해 결정된다. 도 1b에서의 중앙 이온과 같은 "균형잡힌" 상태의 이온만이 이온 분리기로부터 빠져나와, 이온 검출기에 의해 검출될 것이다. 이온 채널의 측면 중 하나와 접촉하는 이온은 검출되지 않을 것이다. 바이어스(bias) DC "조정 전압(tuning voltage)" (V _c )이 적용된 파형의 상부 상에 적용되어, 특정 △K의 이온이 경험하는 이동에 대응하도록 피크 전압 V _D 의 미세한 조정을 가능하게 한다.

도 1c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 시스템은 이온을 생성하는 이온화기(110)를 포함한다. 구동 신호 시스템(130)은 비대칭 파형 및 조정 전압을 이온 필터(112)에 적용하여, 상술한 바와 같이 생성된 이온을 여과한다. 이온 필터(112)로부터의 출력 이온은 검출기(114)에 의해 검출된다. 검출기(114)로부터의 출력은, 로컬(local)이거나 (즉, 이온 필터 내에 있음) 또는 원격일 (즉, 별도의 컴퓨터/서버(server) 내에 있음) 수 있는 프로세서(120)로 전송된다. 프로세서는, 이온의 화학적 검출, 확인, 분류 및/또는 정량화를 용이하게 하는 수치 파라미터를 추출하도록 적합화된다. 예를 들어, 프로세서는, 검출기에서의 이온 전류의 측정값이 분산 필드 E_D (kVcm^-1)로서 알려져 있는 비대칭 파형으로부터 생성된 적용된 전기장 및 보상 필드 E_C (kVcm¹)로서 알려져 있는 DC 전압으로부터 생성된 적용된 전기장의 함수로서 플롯팅(plotting)되는 출력을 생성하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 또한 시스템 내의 센서(116a, 116b), 예를 들어 압력 또는 온도 센서로부터의 입력을 수신할 수 있다. 스펙트럼 출력은 대안적으로, m 보상 필드 및 n 분산 필드 세팅에서 이온 전류 측정값의 mxn 매트릭스로서 제시될 수 있다. 출력은, 검출된 이온의 성질을 결정하기 위해 이전에 수집된 유사한 출력의 데이터베이스(140)와 비교될 수 있다. 데이터베이스는 분광계 하우징을 갖는 메모리에, 예를 들어 하우징 내의 PCB 상에 위치할 수 있다.

도 2a 및 2b는 분광계 시스템의 상세한 배열을 나타내는 개략적인 측면도 및 단면도이다. 시스템은, 유체 샘플이 하우징(220)으로 들어가는 입구(222)를 갖는 하우징(220)을 포함한다. 하우징(220)은 공동(cavity)을 획정하고, 화살표로 표시된 바와 같이 입구(222)에서 출구(224)까지 공동을 통한 유동 경로가 있다. 따라서, 공동은 또한 채널로 명명될 수 있다. 하우징은, 한 쌍의 스페이서(234, 236)에 의해 대향하여 분리되는 제1 (하부) 층(230) 및 제2 (상부) 층(232)을 포함할 수 있다. 두 층 모두 일반적으로 판형일 수 있다. 입구(222)는 제1 스페이서(234)를 통해 형성되고, 출구는 제2 스페이서(234)를 통해 형성된다. 제1 및 제2 층(230, 232)은 하우징의 벽을 형성하는 것으로 간주될 수 있다. 하우징은 단일 조각으로서 일체로 형성될 수 있거나 또는 대안적으로 별도의 층 및 스페이서 (이들은 임의의 적합한 방법으로 함께 접합되어, 예를 들어 프릿(frit)을 생성함)로서 형성될 수 있다. 하우징은 작으며, 예를 들어 3cm 길이, 1cm 높이 및 7mm 폭을 갖는 공동을 획정한다. 수치 값은 단지 예시적인 것임을 알 것이다.

입구로부터 하류에, 도 2b에 도시된 바와 같이 유체 샘플을 이온화하여 하우징 내의 공동의 이온화 영역에서 이온을 생성하는 이온화기(210)가 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 이온화기의 모든 성분은 공동 외부에 위치하며, 따라서 유체 샘플 및 생성된 이온 둘 모두의 유동 경로 외부에 있다. 이러한 배열에서, 이온화기(210)는 유전체 장벽 코로나 방전 이온화기일 수 있다. 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 유전체 장벽 방전 (DBD)은 절연 유전체 장벽에 의해 분리된 2개의 전극 사이의 전기 방전이다. 전형적인 DBD 장치는 고전압 발생기, 고전압 전극, 접지 전극 및 고전압 전극에 인접한 유전체 장벽을 포함한다. 유전체 장벽 및 접지 전극 사이에서 방전이 발생한다. DBD 장치는, 예를 들어 문헌 ["Dielectric barrier discharges: progress on plasma sources and on the understanding of regimes and single filaments" by Brandenburg published in Plasma Sources Science and Technology volume 26, number 5, IOP Publishing Ltd]에 기술되어 있다.

이러한 배열에서, 이온화기는 하우징(220)의 제1 층(230)의 외부 표면 상의 제1 전극(226) 및 대향 전극을 제공하기 위해 하우징(220)의 제2 층(232)의 외부 표면 상의 제2 전극(228)을 포함할 수 있다. 제1 전극(226)은 접지 전극일 수 있고, 제2 전극(228)은 고전압 전극일 수 있거나, 또는 그 반대도 마찬가지이다. 두 전극 모두는 도시된 바와 같이 일반적으로 판형이거나 또는 대안적인 적합한 형상을 가질 수 있다. 이 배열에서, 하우징 자체는 이온화기를 위한 유전체 장벽을 제공한다. 따라서, 하우징의 적어도 하나의 층 (예를 들어, 고전압 전극에 인접한 층)은, 유전체 층의 내부 표면 상에 코로나 방전을 생성하기 위한 적합한 유전 상수를 갖는 유전체 재료로 형성될 수 있다. 유전 상수는 3 내지 10일 수 있다. 예를 들어, 유전체 재료는 유리일 수 있다. 두 층 모두 동일한 재료로 형성될 수 있으며, 이에 의해 각각의 전극 상에 유전체 장벽 (또는 층)을 제공할 수 있다. 대안적으로, 층은 상이한 재료로 제조될 수 있다. 재료는 투명하여, 예를 들어 하기에 기술되는 바와 같이 광 방사(light radiation)가 하우징으로 들어가도록 할 수 있으며, 또한 하우징 내의 이온으로부터 전극을 전기적으로 단리할 수 있다. 적합한 재료의 다른 예는 네오프렌 (폴리클로로펜), 운모 또는 Mylar™ (이축 배향 폴리에틸렌 테레프탈레이트)를 포함한다.

도시된 바와 같이, 전극은 하우징의 표면에 장착된다. 장착은 임의의 적합한 방법, 예를 들어 또는 양극 접합(anodic bonding)에 의한 것일 수 있다. 또한, 전극은 예를 들어 더 압축된(compact) 설계를 위해 하우징 내에 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 매립될 수 있다는 것을 알 것이다. 매립되는 경우, 하우징의 층의 적어도 일부는 하우징의 적어도 일부에 의해 공동으로부터 전극 중 적어도 하나 (및 일반적으로 둘 모두)를 분리한다. 이러한 방식으로, 매립된 전극은 여전히 표면 내의 이온으로부터 단리된다.

이온화기(210)로부터의 하류에서, 시스템은, 상술한 바와 같이 비대칭 파형 및 조정 전압을 적용하는 구동 신호 시스템에 의해 구동되는 이온 필터(212) (이는 또한 이온 이동도 필터로 명명됨)를 포함한다. 도 2b에 개략적으로 예시된 바와 같이, 이온 필터(212)는 이러한 배열에서 병렬로 개략적으로 도시된 복수의 채널을 포함한다. 이온 필터(212)의 채널은 이온 필터(212)가 이의 기능을 수행하도록 유체 경로 내에 위치해야 한다. 이온 필터(212)의 채널은 단일, 예를 들어 모놀리식 전극 층에 형성될 수 있거나 또는 2개 이상의 전극 층 사이에 형성될 수 있다. 이 배열에서, 유체 경로 내에 있는 이온 필터(212)의 성분을 최소화하기 위해, 그 내부에 채널이 획정되는 전극만이 하우징 내에 있다. 구동 시스템은 하우징 외부에 위치하며, 따라서 이온 필터(212)를 구동 시스템에 연결하기 위한 비아(236)를 제공하는 것이 필요하다. 비아(236)는 무선 주파수 (RF) 신호를 공동 내의 전극 부분으로 전송하기 위한 RF 비아일 수 있고, 도시된 바와 같이 비아(236)가 제1 층(230)을 통해 통과하는 경우 밀봉될 필요가 있다.

이온 필터(212)는 임의의 적합한 배열을 가질 수 있다. 단지 예로서, 이온 필터는 US2016/336159, WO2019/069089, WO2019/048886 및 WO2019/097234에 기술되어 있다. 예를 들어, 이온 채널은 반대 극성의 깍지끼움형 전극 사이에 형성될 수 있다. 대안적으로, 각각의 이온 채널은, 서로 분리된 별개의 반대 극성 전극을 갖도록 형성될 수 있다. 채널은 코팅될 수 있고, 코팅은 채널을 분리하기 전에 적용될 수 있다 (예를 들어, UV 노출을 사용하여). 전극은, 하우징의 대향하는 내부 표면 사이에 있으며 도 2a에 개략적으로 도시된 또 다른 스페이서(235)에 부착될 수 있다.

이러한 배열에 도시된 바와 같이, 히터(238)는 하우징의 제2 층(232)의 외부 표면 상에 외부에 위치할 수 있다. 히터(238)는 구불구불한(serpentine) 히터 또는 임의의 적합한 히터일 수 있다. 히터(238)는 이온 필터(212)의 채널과 정렬되며, 따라서 이온 채널 내의 온도를 변경하여 여과의 결과에 영향을 미치도록 사용될 수 있다. 선택적인(optional) 히터(240)는 또한 입구와 정렬되어 통합될 수 있다. 또한, 히터는 외부에, 이 경우 하우징의 제1 및 제2 층(230, 232) 둘 모두의 외부 표면 상에 위치한다.

이온 필터(212)로부터의 출력 이온은 출구(224)에 인접한 검출기 영역에서 검출기(214)에 의해 검출된다. 검출기(214)로부터의 출력은 프로세서 (미도시됨)로 전송되고, 상술되어 있다. 도시된 바와 같이, 검출기(214)의 모든 성분은 공동 외부에, 예를 들어 하우징의 외부 표면 상에 장착된다. 검출기(214)는 임의의 적합한 검출기, 예를 들어 CSEM 기술 보고서 2016의 15 페이지 상에 기술된 바와 같은 플라이쓰루 유도 전하 검출기(fly through inductive charge detector)일 수 있다.

상술한 바와 같이, 이온 필터의 이온 채널을 제외한 모든 성분은 유동 경로 외부에 위치한다. 즉, 외부 성분은, 유체 샘플 및/또는 이로부터 생성된 이온과 접촉할 수 있는 공동의 임의의 습윤 내부 표면과 접촉하지 않는다.

도 3은, 도 2a의 시스템이 하우징(220)의 하나의 표면 상에 제어 보드(control board; 300) (이는 인쇄 회로 기판 (PCB)일 수 있음)가 장착되고 하우징의 대향 표면 상에 펌프(302)가 장착된 대안적인 배열을 도시한다. 상술한 바와 같이, 하우징은 절연 블록(insulating block)일 수 있다. 공통 피처(feature)는 동일한 참조 번호를 가지며, 다시 상세히 기술되지 않는다. 제어 보드(300)는 이온화기(210)에 연결된 제어 회로(310)를 포함한다. 도 3은 제1 전극(226)이 커넥터(336)를 통해 제어 보드(330)에 전기적으로 연결되어 있는 것을 나타내지만, 제2 전극(228)에 대한 연결이 또한 있다는 것을 알 것이다.

상기 보드(300)는 또한 이온 필터(212)에 연결된 구동 회로(312)를 포함한다. 커넥터(338)는 비아(235)로부터 구동 회로(312)로 연장된다. 도 3은 단일 연결 및 비아를 나타내지만, 복수의 이러한 연결 및 비아가 있을 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 하우징의 제1 층은, 하우징을 통해 드릴링되고(drilled) 금 (또는 또 다른 유사한 적합한 전도체)으로 코팅/충전되거나 또는 전도성 트랙 (예를 들어, 금)이 내부에 삽입되어 이에 의해 전극에 대한 필요한 연결이 개별적으로/공동으로 이루어질 수 있는 복수의 비아를 갖도록 패턴화될 수 있다. 구동 회로(312)는 또한 히터(238)를 구동시킬 수 있고, 따라서 임의의 적합한 방식으로 연결될 수 있다. 대안적으로, 히터(238, 240) 중 하나 또는 둘 모두를 구동시키기 위해 별도의 회로가 보드 상에 있을 수 있지만, 제2 전극(228)에 대한 연결이 또한 있을 수 있음을 알 것이다.

보드(300)는 또한, 검출기(214)에 연결되며 검출기로부터의 출력을 보드 상의 프로세서로 전달할 수 있는 센서 회로(314)를 포함한다. 이러한 배열에서, 검출기의 개별 성분을 센서 회로(314)에 연결하는 복수의 커넥터(338)가 있다. 따라서, 검출기(214)는 복수의 개별 센서를 포함할 수 있다. 대안적으로, 커넥터의 수는 검출기의 성질에 매칭되도록 상이할 수 있다.

제어 보드(300)는 하우징의 제1 층(230)에 인접해 있다. 상기 제1 층(230)은 도면에서 하부 층으로서 도시되어 있지만, 이는 사용 시 전면 층일 수 있다. 펌프(302)는 개략적으로 도시되어 있으며, 하우징의 제2 층(232)에 인접해 있다. 상기 제2 층(232)은 도면에서 상부 층으로서 도시되어 있지만, 이는 사용 시 후면 층일 수 있다. 펌프(302)는 하우징(220)에 연결되어, 입구를 통해, 유체 경로를 따라 공동을 통해 그리고 출구를 통해 밖으로 공기를 인출한다. 펌프(302)는 또한, 펌프를 제어하고 시스템을 통한 유동을 조절하기 위해 제어 보드(300)에 연결될 수 있다.

도 4는, 도 2a의 시스템이 하우징(220)의 일측에 제어 보드(300)가 장착되고 하우징의 대향 측 상에 광원(402)이 장착된 대안적인 배열을 나타낸다. 공통 피처는 동일한 참조 번호를 가지며, 다시 상세히 기술되지 않는다.

광원(402)은 이온 필터(212)와 정렬되며, 적외선 (IR) 광원일 수 있다. 따라서, 광원(402)은 생성된 이온을 조사하고, 방사선 (이는 또한 여기로 명명됨)은 생성된 특정한 이온을 여기시키도록 선택될 수 있다. 따라서, 하우징은, 적어도 광원의 위치에서 사용되는 방사선에 대해 투명할 필요가 있다. 광원은 이온 필터(212) 부근에 있을 수 있고, 예를 들어 도시된 바와 같이 이와 정렬되거나 또는 이온 필터 전에 있을 수 있다. 광원(402)은 이온 필터(212)를 위한 구동 회로(312)에 연결될 수 있거나 또는 제어 보드(300) 상의 별도의 제어 회로에 연결될 수 있다.

도 2a 및 3에서와 같이 이온 필터(212)와 정렬되는 히터(338)가 또한 있지만, 이 배열에서 히터(338)는 제2 층(232) 대신에 하우징의 제1 층(230)에 인접해 있다. 히터(338) 및/또는 광원(402)은, 예를 들어 본 출원인의 WO2019/058115에 기술된 바와 같이 이온 필터의 성능을 변화시키기 위해 이온 채널 내에서 조건, 예를 들어 온도를 변화시키는 데 사용될 수 있다.

도 5는 상기 나타낸 분광계 시스템 중 하나를 사용하는 단계를 나타내는 흐름도이다. 제1 단계(S500)에서, 유체 샘플은, 예를 들어 상술한 바와 같이 하우징의 입구를 통해 시스템 내로 도입된다. 유체 샘플은 하우징을 통해 유체 또는 유동 경로를 따라 출구로 펌핑될 수 있다. 후속 단계(S502)는 유체 샘플을 이온화하여 샘플 이온을 생성하는 것이다. 상술한 바와 같이, 이온화기는 하우징 외부에 있으며, 즉 이온화기의 성분은 하우징 내에 또는 유체 경로 내에 없다. 이온화는 유전체 장벽 방전 이온화기를 사용하여 수행될 수 있다. 샘플 이온은 하우징 내의 이온화 영역, 즉 입구로부터 하류에 있는 유체 경로 상의 제1 위치에서 생성된다.

이어서, 생성된 샘플 이온은 상술한 바와 같이 이온 필터를 사용하여 단계(S504)에서 여과된다. 여과는, 제1 위치로부터 하류에 있는 유체 경로 상의 제2 위치에서 일어난다. 이온 필터의 적어도 일부, 예를 들어 이온 채널을 갖는 전극 층(들)은 유체 경로에서 하우징 내부에 장착된다. 선택적으로(optionally), 샘플 이온은 이들이 여과되기 전에 또는 이들이 여과될 때 조사될 수 있다 (예를 들어, UV 방사선 또는 또 다른 여기를 사용하여). 즉, 이온 필터 부근 내에, 예를 들어 이온 필터의 바로 상류에 있거나 또는 이온 필터와 정렬된 여기 (또는 방사선) 공급원이 있을 수 있다.

이온 필터를 통해 통과하는 나머지 이온은 상술한 바와 같이 검출기를 사용하여, 즉 하우징 내에 또는 유체 경로 내에 이온화기의 성분이 없는, 하우징 외부에 있는 검출기를 사용하여 단계(S506)에서 검출된다. 검출기는 상술한 바와 같이 유도 전하 검출기일 수 있다. 검출은, 이온 필터로부터 하류에 있는 유체 경로 상의 제3 위치에 있는 검출기 영역에서 일어날 수 있다.

이어서, 검출기로부터의 출력은 시스템으로부터의 임의의 필요한 정보와 함께 단계(S508)에서 프로세싱될 수 있다. 예를 들어, 보상 필드 E_C에 대한 분산 필드 E_D (kVcm^-1)의 플롯이 생성될 수 있고, 이온의 화학적 검출, 확인, 분류 및/또는 정량화를 용이하게 하는 수치 파라미터가 추출될 수 있고, 시스템의 가열 및/또는 방사선에 대한 변화는 센서 결과를 기반으로 제시될 수 있다.

본원에 기술된 예시적인 구현예의 적어도 일부는 전용 특수 목적 하드웨어를 사용하여 부분적으로 또는 전체적으로 구성될 수 있다. 본원에 사용된 용어 '프로세서' 또는 '제어기'는 하드웨어 장치, 예컨대 개별 또는 통합 성분 형태의 회로, 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (Field Programmable Gate Array; FPGA) 또는 특정 용도용 집적 회로 (Application Specific Integrated Circuit; ASIC) (이는 특정 작업을 수행하거나 또는 관련 기능을 제공함)를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 구현예에서, 상술한 요소는 유형(tangible)의 영구적인 주소지정가능한(addressable) 저장 매체 상에 존재하도록(reside) 구성될 수 있고, 하나 이상의 프로세서 상에서 실행되도록 구성될 수 있다. 이러한 기능적 요소는 일부 구현예에서 예로서, 성분, 예컨대 소프트웨어 성분, 객체 지향 소프트웨어 성분(object-oriented software component), 클래스 성분(class component) 및 태스크 성분(task component), 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브루틴(subroutine), 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어(firmware), 마이크로코드(microcode), 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 어레이 및 변수를 포함할 수 있다. 예시적인 구현예가 본원에 논의된 성분을 참조하여 기술되었지만, 이러한 기능적 요소는 더 적은 수의 요소로 조합되거나 또는 추가의 요소로 분리될 수 있다. 선택적 특징의 다양한 조합이 본원에 기술되었으며, 기술된 특징은 임의의 적합한 조합으로 조합될 수 있음을 알 것이다. 특히, 임의의 하나의 예시적인 구현예의 특징은, 이러한 조합이 상호 배타적인 경우를 제외하고, 적절한 경우 임의의 다른 구현예의 특징과 조합될 수 있다. 본 명세서 전체에 걸쳐, 용어 "포함하는" 또는 "포함하다"는, 명시된 성분(들)을 포함하지만 다른 것의 존재를 배제하지 않는 것을 의미한다.

본 출원과 관련하여 본 명세서와 동시에 제출되거나 또는 본 명세서 이전에 제출되고 본 명세서와 함께 공개 검사(public inspection)를 받는 모든 문서 및 문헌에 주의를 기울이고, 모든 이러한 문서 및 문헌의 내용은 본원에 참조로 통합된다.

본 명세서 (임의의 첨부되는 청구범위, 요약서 및 도면을 포함함)에 개시된 특징 모두 및/또는 이와 같이 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계 모두는, 이러한 특징 및/또는 단계 중 적어도 일부가 상호 배타적인 경우를 제외하고, 임의의 조합으로 조합될 수 있다.

본 명세서 (임의의 첨부되는 청구범위, 요약서 및 도면을 포함함)에 개시된 각각의 특징은 달리 명확히 언급되지 않는 한, 동일하거나, 균등하거나 또는 유사한 목적을 제공하는 대안적인 특징에 의해 대체될 수 있다. 따라서, 달리 명확히 언급되지 않는 한, 개시된 각각의 특징은 균등하거나 또는 유사한 특징의 일반적인 시리즈의 하나의 예일 뿐이다.

본 발명의 몇 가지 바람직한 구현예가 도시 및 기술되었지만, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 알 것이다.

Claims (16)

1. 하기를 포함하는 센서 시스템:
   하우징으로서, 유체 샘플이 상기 하우징으로 들어가는 입구, 상기 유체 샘플이 상기 하우징을 빠져나가는 출구, 및 상기 유체 샘플이 상기 입구 및 상기 출구 사이에서 유동하기 위한 상기 하우징 내의 유체 샘플 경로를 갖는 하우징,
   이온화기로서, 상기 하우징 외부에 있으며, 상기 유체 샘플을 상기 유체 샘플 경로 상의 제1 위치에서 이온화하여 샘플 이온을 생성하기 위한 이온화기,
   이온 이동도 필터(ion mobility filter)로서, 상기 하우징 내에 적어도 부분적으로 위치하며, 상기 생성된 샘플 이온을 상기 유체 샘플 경로 상의 제2 위치에서 여과하기 위한 이온 이동도 필터, 및
   검출기로서, 상기 하우징 외부에 있으며, 상기 유체 샘플 경로 상의 제3 위치에서 상기 이온 이동도 필터를 통해 통과하는 상기 샘플 이온을 검출하기 위한 검출기.
2. 제1항에 있어서, 상기 하우징이 유전체 재료로 적어도 부분적으로 형성된, 센서 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하우징이 투명 재료로 적어도 부분적으로 형성된, 센서 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징이 유리를 포함하는, 센서 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징이, 적어도 하나의 스페이서(spacer)에 의해 분리된 제1 층 및 제2 층을 포함하고, 상기 유체 샘플 경로가 상기 제1 층 및 제2 층 사이에 있는, 센서 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온화기가, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 유전체 장벽 이온화기(dielectric barrier ionizer)인, 센서 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 하우징이 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나에 인접한 유전체 재료를 포함하는, 센서 시스템.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극이 상기 하우징의 외부 표면에 장착되는, 센서 시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 필터가, 상기 하우징 내의 상기 유체 샘플 경로에 위치한 전극 층을 포함하는, 센서 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 전극 층이 복수의 기계적으로 분리된 전극을 포함하는, 센서 시스템.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 비아(via)가 상기 하우징 내의 상기 전극 층에 연결되도록 상기 하우징을 통해 형성된, 센서 시스템.
12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 샘플 경로 외부에 위치하며 상기 이온 필터 부근에서 이온을 방사하기 위한 방사선 공급원을 추가로 포함하는 센서 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 방사선 공급원 및 상기 유체 샘플 경로 사이의 상기 하우징의 일부가 투명한 재료로 제조된, 센서 시스템.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기가 플라이쓰루 유도 전하 카운터(fly-through inductive charge counter)인, 센서 시스템.
15. 유체 샘플의 분석 방법으로서,
    하우징 내의 유체 샘플 경로를 따라 상기 유체 샘플을 통과시키는 단계,
    이온화기를 사용하여 상기 유체 샘플 경로 상의 제1 위치에서 상기 유체 샘플을 이온화하여 샘플 이온을 생성하는 단계,
    이온 이동도 필터를 사용하여 상기 유체 샘플 경로 상의 제2 위치에서 상기 생성된 샘플 이온을 여과하는 단계, 및
    검출기를 사용하여 상기 유체 샘플 경로 상의 제3 위치에서 상기 이온 이동도 필터를 통해 통과하는 이온을 검출하는 단계를 포함하며,
    상기 이온화기 및 상기 검출기는 상기 하우징 외부에 있고, 상기 유체 샘플 경로 외부에 있는, 분석 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 하우징의 투명 부분을 통해 방사선을 투과시켜, 상기 생성된 샘플 이온으로부터 표적 이온을 여기시키는 단계를 추가로 포함하는 분석 방법.

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